Jak fungují logické brány

V tomto příspěvku budeme komplexně rozumět tomu, co jsou logické brány a jak fungují. Podíváme se na základní definici, symbol, tabulku pravdy, vícevstupová hradla, budeme také budovat ekvivalenty hradel založených na tranzistorech a nakonec si uděláme přehled o různých příslušných integrovaných obvodech CMOS.

Co jsou to logické brány

Logická brána v elektronickém obvodu může být vyjádřena jako fyzická jednotka představovaná booleovskou funkcí.

Jinými slovy, logická brána je navržena k provádění logické funkce pomocí jednoho nebo více binárních vstupů a ke generování jediného binárního výstupu.

Vrata Electronic Logic jsou zásadně konfigurována a implementována pomocí polovodičových bloků nebo prvků, jako jsou diody nebo tranzistory, které fungují jako spínače ON / OFF s dobře definovaným vzorem spínání. Logické brány usnadňují kaskádování bran tak, aby snadno umožňovaly sestavování booleovských funkcí, což umožňuje vytvářet fyzické modely celé logické logiky. To dále umožňuje zapisovat algoritmy a matematiku pomocí logické logiky.

Logické obvody mohou využívat polovodičové prvky v rozsahu multiplexorů, registrů, aritmetických logických jednotek (ALU) a paměti počítače a dokonce i mikroprocesorů, které zahrnují až 100 miliónů logických bran. V dnešní implementaci najdete většinou tranzistory s efektem pole (FET), které se používají k výrobě logických hradel, dobrým příkladem jsou tranzistory s efektem pole-oxid-polovodičové pole nebo MOSFET.

Pojďme začít výuku s logickými branami.

Co je logická brána „AND“?

Jedná se o elektronickou bránu, jejíž výstup se změní na „vysoký“ nebo „1“ nebo „skutečný“ nebo vydá „pozitivní signál“, když jsou všechny vstupy brány AND „vysoké“ nebo „1“ nebo „pravdivé“ nebo „ pozitivní signál “.
Například: Řekněte v bráně AND s ‚n‘ počtem vstupů, pokud jsou všechny vstupy „vysoké“, výstup se změní na „vysoký“. I když je jeden vstup „LOW“ nebo „0“ nebo „false“ nebo „záporný signál“, výstup se změní na „LOW“ nebo „0“ nebo „false“ nebo vydá „negativní signál“.

Poznámka:
Pojmy „vysoká“, „1“, „kladný signál“, „skutečný“ jsou v zásadě stejné (kladný signál je kladný signál baterie nebo napájecího zdroje).
Pojmy „NÍZKÝ“, „0“, „záporný signál“, „falešný“ jsou v zásadě stejné (záporný signál je záporný signál baterie nebo napájecího zdroje).

Ilustrace symbolu logiky AND brány:

Zde jsou „A“ a „B“ dva vstupy a výstup „Y“.
Booleovský výraz pro logickou AND bránu: Výstup „Y“ je vynásobením dvou vstupů „A“ a „B“. (A.B) = Y.
Booleovské násobení je označeno tečkou (.)
Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „1“, výstup je (A.B) = 1 x 1 = „1“ nebo „vysoký“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „1“, výstup je (A.B) = 0 x 1 = „0“ nebo „Nízký“
Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „0“, výstup je (A.B) = 1 x 0 = „0“ nebo „Nízký“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „0“, výstup je (A.B) = 0 x 0 = „0“ nebo „Nízký“

Výše uvedené podmínky jsou zjednodušeny v tabulce pravdivosti.

Tabulka pravdy (dva vstupy):

3-vstupní brána „AND“:

Ilustrace 3 vstupních AND bran:

Logická AND hradla mohou mít ‚n‘ počet vstupů, což znamená, že mohou mít více než dva vstupy (Logická AND hradla budou mít alespoň dva vstupy a vždy jeden výstup).

U brány se 3 vstupy AND se boolovská rovnice otočí takto: (A.B.C) = Y, podobně pro 4 vstupy a výše.

Pravdivá tabulka pro 3 vstupní logiku A bránu:

Multi Input Logic AND Gates:

Komerčně dostupné brány Logic AND jsou k dispozici pouze ve 2, 3 a 4 vstupech. Pokud máme více než 4 vstupy, musíme brány kaskádovat.

Můžeme mít šest vstupních logických AND bran kaskádováním 2 vstupních AND bran takto:

Nyní se booleovská rovnice pro výše uvedený obvod stává Y = (A.B). (C.D). (E.F)

Všechna výše uvedená logická pravidla přesto platí pro výše uvedený okruh.

Pokud hodláte použít pouze 5 vstupů z výše uvedených 6 vstupních bran AND, můžeme připojit pull-up rezistor na libovolný jeden kolík a nyní se z něj stane 5 vstupních AND bran.

Tranzistor založený na dvou vstupech Logic AND gate:

Nyní víme, jak funguje logická brána AND, vytvořme 2 vstupní bránu AND pomocí dvou tranzistorů NPN. Logické integrované obvody jsou konstruovány téměř stejným způsobem.

Schéma dvou tranzistorů A hradla:

Na výstup „Y“ můžete připojit LED, pokud je výstup vysoký, LED bude svítit (LED + Ve svorka na „Y“ s odporem 330 ohmů a záporným vůči GND).

Když aplikujeme vysoký signál na základnu dvou tranzistorů, oba tranzistory se zapnou, signál + 5V bude k dispozici na emitoru T2, takže výstup se otočí vysoko.

Pokud je některý z tranzistorů VYPNUTÝ, na emitoru T2 nebude k dispozici žádné kladné napětí, ale díky 1K stahovacímu odporu bude na výstupu k dispozici záporné napětí, takže výstup je označován jako nízký.

Nyní víte, jak vytvořit vlastní logiku a bránu.

Quad AND gate IC 7408:

Pokud si chcete koupit logickou AND bránu z trhu, dostanete se do výše uvedené konfigurace.
Má 14 pinů, pin # 7 a pin # 14 jsou GND a Vcc. Je provozován na 5V.

Šíření zpoždění:

Propagační zpoždění je doba potřebná k tomu, aby se výstup změnil z LOW na HIGH a naopak.
Zpoždění šíření z LOW na HIGH je 27 nanosekund.
Zpoždění šíření z HIGH na LOW je 19 nanosekund.
Další běžně dostupné integrované obvody brány „AND“:

• 74LS08 Quad 2-vstup
• 74LS11 Triple 3-vstup
• 74LS21 Duální 4 vstupy
• CD4081 Quad 2-vstup
• CD4073 Triple 3-vstup
• CD4082 Duální 4 vstupy

Další informace o IC naleznete výše v datovém listu.

Jak logická funkce brány „Exkluzivní NOR“

V tomto příspěvku prozkoumáme logickou bránu „Ex-NOR“ nebo bránu Exclusive-NOR. Podíváme se na základní definici, symbol, tabulku pravdivosti, ekvivalentní obvod Ex-NOR, realizaci Ex-NOR pomocí logické brány NAND a nakonec vezmeme přehled na vstupu quad 2 Ex-OR gate IC 74266.

Co je brána „Exclusive NOR“?

Jedná se o elektronickou bránu, jejíž výstup se změní na „vysoký“ nebo „1“ nebo „skutečný“ nebo vydá „kladný signál“, pokud jsou vstupy sudý počet logických „1 s“ (nebo „pravdivý“ nebo „vysoký“ nebo „ pozitivní signál “).

Například: Řekněte Exkluzivní bránu NOR s počtem vstupů „n“, pokud jsou vstupy logické „VYSOKÉ“ se 2 nebo 4 nebo 6 vstupy (sudý počet vstupů „1 s“), výstup se změní na „VYSOKÝ“.

I když na vstupní piny nepoužijeme žádnou logickou „vysokou“ (tj. Nulový počet logiky „VYSOKÝ“ a veškerou logiku „NÍZKÝ“), stále „nula“ je sudé číslo, výstup se změní na „VYSOKÝ“.
Pokud je počet použitých logických „1 s“ ODD, pak se výstup změní na „LOW“ (nebo „0“ nebo „falešný“ nebo „negativní signál“).

Toto je opak logické brány „Exkluzivní OR“, kde se její výstup změní na „VYSOKÝ“, když jsou vstupy ODD počet logických „1 s“.
Poznámka:

Pojmy „vysoká“, „1“, „kladný signál“, „skutečný“ jsou v zásadě stejné (kladný signál je kladný signál baterie nebo napájecího zdroje).

Pojmy „NÍZKÝ“, „0“, „záporný signál“, „falešný“ jsou v zásadě stejné (záporný signál je záporný signál baterie nebo napájecího zdroje).

Ilustrace logické brány „Exclusive NOR“:

Obvod brány „Exkluzivní NOR“:

Výše uvedený je ekvivalentní obvod pro logickou Ex-NOR, což je v zásadě kombinace logické brány „Exclusive OR“ a logické brány „NOT“.
Zde jsou „A“ a „B“ dva vstupy a výstup „Y“.
Booleovský výraz pro logickou bránu Ex-NOR: Y = (AB) ̅ + AB.
Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „1“, výstup je ((AB) ̅ + AB) = 0 + 1 = „1“ nebo „VYSOKÝ“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „1“, výstup je ((AB) ̅ + AB) = 0 + 0 = „0“ nebo „LOW“
Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „0“, výstup je ((AB) ̅ + AB) = 0 + 0 = „0“ nebo „LOW“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „0“, výstup je ((AB) ̅ + AB) = 1 + 1 = „1“ nebo „VYSOKÝ“
Výše uvedené podmínky jsou zjednodušeny v tabulce pravdivosti.

Tabulka pravdy (dva vstupy):

3 vstupy Exkluzivní brána NOR:

Ilustrace 3 vstupů brány Ex-NOR:

Pravdivá tabulka pro 3 vstupní logiku brány EX-OR:

Pro 3 vstupy brány Ex-NOR se logická rovnice stává: A ̅ (BC) ̅ + ABC ̅ + AB ̅C + A ̅BC.
Logická brána „Ex-NOR“ není základní logická brána, ale je kombinací různých logických bran. Bránu Ex-NOR lze realizovat pomocí logických bran „OR“, logických bran „AND“ a logických bran „NAND“ následovně:

Ekvivalentní obvod pro bránu „Exclusive NOR“:

Výše uvedený design má hlavní nevýhodu, k výrobě jedné brány Ex-NOR potřebujeme 3 různé logické brány. Tento problém však můžeme překonat implementací brány Ex-NOR pouze s logickými branami „NAND“, což je také ekonomické z výroby.

Exkluzivní brána NOR využívající bránu NAND:

Exkluzivní brány NOR se používají k provádění složitých výpočetních úloh, jako jsou aritmetické operace, binární sčítání, binární odečítání, kontrola parity a používají se jako digitální komparátory.

Logic Exclusive-NOR Gate IC 74266:

Pokud si chcete koupit logickou bránu Ex-NOR z trhu, dostanete se do výše uvedené konfigurace DIP.
Má 14 pinů, pin # 7 a pin # 14 jsou GND a Vcc. Je provozován na 5V.

Šíření zpoždění:

Propagační zpoždění je doba potřebná k tomu, aby se výstup po zadání vstupu změnil z LOW na HIGH a naopak.

Zpoždění šíření z LOW na HIGH je 23 nanosekund.

Zpoždění šíření z HIGH na LOW je 23 nanosekund.

Běžně dostupné integrované obvody brány „EX-NOR“:
74LS266 Quad 2-vstup
CD4077 Quad 2-vstup

Jak funguje NAND Gate

V níže uvedeném vysvětlení prozkoumáme digitální logickou bránu NAND. Podíváme se na základní definici, symbol, pravdivostní tabulku, bránu NAND s více vstupy, budeme konstruovat 2 vstupy brány NAND na bázi tranzistoru, různá logická hradla používající pouze bránu NAND a nakonec si uděláme přehled o bráně NAND IC 7400.

Co je logická brána „NAND“?

Jedná se o elektronickou bránu, jejíž výstup se změní na „LOW“ nebo „0“ nebo „false“ nebo vydá „negativní signál“, když jsou všechny vstupy bran NAND „high“ nebo „1“ nebo „true“ nebo „ pozitivní signál “.

Například: Řekněte bránu NAND s počtem „n“ vstupů, pokud jsou všechny vstupy „vysoké“, výstup se změní na „LOW“. I když je jeden vstup „NÍZKÝ“ nebo „0“ nebo „falešný“ nebo „negativní signál“, výstup se změní na „VYSOKÝ“ nebo „1“ nebo „pravý“ nebo vydá „pozitivní signál“.

Poznámka:

Pojmy „vysoká“, „1“, „kladný signál“, „skutečný“ jsou v zásadě stejné (kladný signál je kladný signál baterie nebo napájecího zdroje).
Pojmy „NÍZKÝ“, „0“, „záporný signál“, „falešný“ jsou v zásadě stejné (záporný signál je záporný signál baterie nebo napájecího zdroje).

Ilustrace symbolu brány Logic NAND:

Zde jsou „A“ a „B“ dva vstupy a výstup „Y“.

Tento symbol je brána „AND“ s inverzí „o“.

Logický ekvivalentní obvod „NAND“ brány:

Logická brána NAND je kombinací logické brány „AND“ a logické brány „NOT“.

Booleovský výraz pro logickou bránu NAND: Výstup „Y“ je doplňkovým násobením dvou vstupů „A“ a „B“. Y = ((A.B) ̅)

Booleovské násobení je označeno tečkou (.) A doplňkové (inverze) je znázorněno čárkou (-) nad písmenem.

Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „1“, výstup je ((A.B) ̅) = (1 x 1) ̅ = „0“ nebo „LOW“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „1“, výstup je ((A.B) ̅) = (0 x 1) ̅ = „1“ nebo „VYSOKÝ“
Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „0“, výstup je ((A.B) ̅) = (1 x 0) ̅ = „1“ nebo „VYSOKÝ“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „0“, výstup je ((A.B) ̅) = (0 x 0) ̅ = „1“ nebo „VYSOKÝ“

Výše uvedené podmínky jsou zjednodušeny v tabulce pravdivosti.

Tabulka pravdy (dva vstupy):

Brána „NAND“ se 3 vstupy:

Ilustrace 3 vstupních bran NAND:

Logická hradla NAND mohou mít ‚n‘ počet vstupů, což znamená, že může mít více než dva vstupy

(Logické brány NAND budou mít alespoň dva vstupy a vždy jeden výstup).
U brány se 3 vstupy NAND se boolovská rovnice otočí takto: ((A.B.C) ̅) = Y, podobně pro 4 a vyšší vstup.

Tabulka pravdypro 3 vstupní logickou bránu NAND:

Logické brány NAND s více vstupy:

Komerčně dostupné brány Logic NAND jsou k dispozici pouze ve 2, 3 a 4 vstupech. Pokud máme více než 4 vstupy, musíme brány kaskádovat.
Například můžeme mít čtyři vstupní logické brány NAND kaskádovitě 5 dvou vstupních bran NAND takto:

Nyní se booleovská rovnice pro výše uvedený obvod změní na Y = ((A.B.C.D) ̅)

Všechna výše uvedená logická pravidla přesto platí pro výše uvedený okruh.

Pokud budete používat pouze 3 vstupy z výše uvedených 4 vstupů brány NAND, můžeme připojit pull-up rezistor na libovolný jeden kolík a nyní se stane bránou 3 vstupů NAND.

Tranzistor na bázi dvou vstupů Logická brána NAND:

Nyní víme, jak logická brána NAND funguje, vytvořme 2 vstupní bránu NAND pomocí dvou

NPN tranzistory. Logické integrované obvody jsou konstruovány téměř stejným způsobem.
Schéma brány NAND se dvěma tranzistory:

Na výstup „Y“ můžete připojit LED, pokud je výstup vysoký, LED bude svítit (LED + Ve svorka na „Y“ s odporem 330 ohmů a záporným vůči GND).

Když aplikujeme vysoký signál na základnu dvou tranzistorů, oba tranzistory se zapnou, zemní signál bude k dispozici na kolektoru T1, výstup se tedy změní na „LOW“.

Pokud je některý z tranzistorů VYPNUTÝ, tj. Aplikace signálu „LOW“ na základnu, nebude na kolektoru T1 k dispozici žádný zemní signál, ale díky 1K pull up rezistoru bude na výstupu k dispozici kladný signál a výstup bude otočen 'VYSOKÝ'.

Nyní víte, jak vytvořit vlastní logickou bránu NAND.

Různé logické brány používající bránu NAND:

Brána NAND je také známá jako „univerzální logická brána“, protože pomocí této jediné brány můžeme vytvořit jakoukoli logickou logiku. To je výhoda pro výrobu integrovaných obvodů s různými logickými funkcemi a výroba jediné brány je ekonomická.

Ve výše uvedených schématech jsou zobrazeny pouze 3 typy bran, ale můžeme vytvořit libovolnou logickou logiku.

Quad NAND gate IC 7400:

Pokud si chcete koupit logickou bránu NAND z trhu, dostanete se do výše uvedené konfigurace DIP.
Má 14 pinů, pin # 7 a pin # 14 jsou GND a Vcc. Je provozován na 5V.

Šíření zpoždění:

Propagační zpoždění je doba potřebná k tomu, aby se výstup po zadání vstupu změnil z LOW na HIGH a naopak.

Zpoždění šíření z LOW na HIGH je 22 nanosekund.
Zpoždění šíření z HIGH na LOW je 15 nanosekund.
Existuje několik dalších integrovaných obvodů brány NAND:

• 74LS00 Quad 2-vstup
• 74LS10 Trojitý 3 vstup
• 74LS20 Duální 4 vstupy
• 74LS30 Jeden 8 vstupů
• CD4011 Quad 2-vstup
• CD4023 Triple 3-vstup
• CD4012 Duální 4 vstupy

Jak funguje brána NOR

Zde budeme zkoumat informace o NOR bráně digitální logiky. Podíváme se na základní definici, symbol, tabulku pravdy, NOR bránu s více vstupy, budeme konstruovat 2 vstupy NOR brány na bázi tranzistoru, různá logická hradla používající pouze NOR bránu a nakonec si uděláme přehled o NOR bráně IC 7402.

Co je logická brána „NOR“?

Jedná se o elektronickou bránu, jejíž výstup se změní na „VYSOKÝ“ nebo „1“ nebo „pravý“ nebo vydá „pozitivní signál“, když jsou všechny vstupy bran NOR „LOW“ nebo „0“ nebo „false“ nebo „ negativní signál “.

Například: Řekněte bránu NOR s počtem vstupů „n“, pokud jsou všechny vstupy „NÍZKÉ“, výstup se změní na „VYSOKÝ“. I když je jeden vstup „VYSOKÝ“ nebo „1“ nebo „pravý“ nebo „kladný signál“, výstup se změní na „LOW“ nebo „0“ nebo „false“ nebo vydá „negativní signál“.

Poznámka:

Pojmy „vysoká“, „1“, „kladný signál“, „skutečný“ jsou v zásadě stejné (kladný signál je kladný signál baterie nebo napájecího zdroje).
Pojmy „NÍZKÝ“, „0“, „záporný signál“, „falešný“ jsou v zásadě stejné (záporný signál je záporný signál baterie nebo napájecího zdroje).

Ilustrace symbolu brány Logic NOR:

Zde jsou „A“ a „B“ dva vstupy a výstup „Y“.

Tento symbol je brána „NEBO“ s inverzí „o“.

Logický obvod „NOR“ ekvivalentní brány:

Logická brána NOR je kombinací logické brány „OR“ a logické brány „NOT“.

Booleovský výraz pro logickou bránu NOR: Výstup „Y“ je doplňkovým doplněním dvou vstupů „A“ a „B“. Y = ((A + B) ̅)

Booleovský doplněk je označen (+) a doplňkový (inverze) je znázorněn čárkou (-) nad písmenem.

Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „1“, výstup je ((A + B) ̅) = (1+ 1) ̅ = „0“ nebo „LOW“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „1“, výstup je ((A + B) ̅) = (0+ 1) ̅ = „0“ nebo „LOW“
Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „0“, výstup je ((A + B) ̅) = (1+ 0) ̅ = „0“ nebo „LOW“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „0“, výstup je ((A + B) ̅) = (0+ 0) ̅ = „1“ nebo „VYSOKÝ“

Výše uvedené podmínky jsou zjednodušeny v tabulce pravdivosti.

Tabulka pravdy (dva vstupy):

Brána „NOR“ se 3 vstupy:

Ilustrace 3 vstupních bran NOR:

Logická NOR hradla mohou mít ‚n‘ počet vstupů, což znamená, že mohou mít více než dva vstupy (Logická NOR hradla budou mít alespoň dva vstupy a vždy jeden výstup).

U brány NOR se 3 vstupy se boolovská rovnice otočí takto: ((A + B + C) ̅) = Y, podobně pro 4 vstupy a výše.

Tabulka pravdivosti pro 3 vstupní logické brány NOR:

Logika NOR s více vstupy:

Komerčně dostupné brány Logic NOR jsou k dispozici pouze ve 2, 3 a 4 vstupech. Pokud máme více než 4 vstupy, musíme brány kaskádovat.
Například můžeme mít čtyři vstupní logické brány NOR kaskádovitě 5 dvou vstupních bran NOR takto:

Nyní se booleovská rovnice pro výše uvedený obvod změní na Y = ((A + B + C + D) ̅)

Všechna výše uvedená logická pravidla přesto platí pro výše uvedený okruh.

Pokud budete používat pouze 3 vstupy z výše uvedených 4 vstupů NOR hradla, můžeme připojit pull-down rezistor na kterýkoli z pinů a nyní se stane 3 vstupy NOR hradla.

Tranzistor na bázi dvou vstupů Logická brána NOR:

Nyní víme, jak funguje logická brána NOR, vytvořme 2vstupní bránu NOR pomocí dvou tranzistorů NPN. Logické integrované obvody jsou konstruovány téměř stejným způsobem.
Schéma brány NOR se dvěma tranzistory:

Na výstup „Y“ můžete připojit LED, pokud je výstup vysoký, LED bude svítit (LED + Ve svorka na „Y“ s odporem 330 ohmů a záporným vůči GND).

Když použijeme signál „VYSOKÝ“ na základnu dvou tranzistorů, oba tranzistory se zapnou a signál země bude k dispozici na kolektoru T1 a T2, výstup se tedy změní na „NÍZKÝ“.

Pokud na některý z tranzistorů použijeme „HIGH“, bude záporný signál stále k dispozici na výstupu, takže výstup bude „LOW“.

Pokud použijeme signál „LOW“ na základnu dvou tranzistorů, oba se vypnou, ale díky pull-up rezistoru se výstup otočí na „HIGH“.
Nyní víte, jak vytvořit vlastní logickou bránu NOR.

Různé logické brány používající bránu NOR:

POZNÁMKA: NAND a NOR jsou dvě brány, jinak známé jako univerzální brány.

Brána NOR je také „univerzální logická brána“, protože pomocí této jediné brány můžeme vytvořit jakoukoli logickou logiku. To je výhoda pro výrobu integrovaných obvodů s různými logickými funkcemi a výroba jediné brány je ekonomická, to je stejné i pro bránu NAND.

Ve výše uvedených schématech jsou představeny pouze 3 typy bran, ale můžeme vytvořit libovolnou logickou logiku.
Quad NOR gate IC 7402:

Pokud si chcete koupit logickou bránu NOR z trhu, dostanete se do výše uvedené konfigurace DIP.
Má 14 pinů, pin # 7 a pin # 14 jsou GND a Vcc. Je provozován na 5V.

Šíření zpoždění:

Propagační zpoždění je doba potřebná k tomu, aby se výstup po zadání vstupu změnil z LOW na HIGH a naopak.

Zpoždění šíření z LOW na HIGH je 22 nanosekund.
Zpoždění šíření z HIGH na LOW je 15 nanosekund.
Existuje několik dalších integrovaných obvodů brány NOR:

• 74LS02 Quad 2-vstup
• 74LS27 Triple 3-vstup
• 74LS260 Duální 4 vstupy
• CD4001 Quad 2-vstup
• CD4025 Triple 3-vstup
• CD4002 Duální 4 vstupy

Logika NENÍ brána

V tomto příspěvku se budeme zabývat logickou „NENÍ“ bránou. Budeme se učit o jeho základní definici, symbolu, pravdivostní tabulce, ekvivalentech brány NAND a NOR, střídačech Schmitt, oscilátorech Schmitt NOT gate, NOT gate pomocí tranzistoru a nakonec se podíváme na logický střídač NOT gate IC 7404.

Než se začneme zabývat podrobnostmi logické brány NOT, která se také nazývá digitální měnič, nesmíte si plést s „invertory napájení“, které se používají v solárních nebo záložních zdrojích doma nebo v kanceláři.

Co je logická „NE“ brána?

Jedná se o logickou bránu s jedním vstupem a jedním výstupem, jejíž výstup je doplňkem vstupu.

Výše uvedená definice uvádí, že pokud je vstup „VYSOKÝ“ nebo „1“ nebo „pravý“ nebo „kladný signál“, bude výstup „NÍZKÝ“ nebo „0“ nebo „falešný“ nebo „negativní signál“.

Pokud je vstup „NÍZKÝ“ nebo „0“ nebo „falešný“ nebo „záporný signál“, bude výstup invertován na „VYSOKÝ“ nebo „1“ nebo „pravý“ nebo „kladný signál“.

Poznámka:

Pojmy „vysoká“, „1“, „kladný signál“, „skutečný“ jsou v zásadě stejné (kladný signál je kladný signál baterie nebo napájecího zdroje).
Pojmy „NÍZKÝ“, „0“, „záporný signál“, „falešný“ jsou v zásadě stejné (záporný signál je záporný signál baterie nebo napájecího zdroje).

Ilustrace logiky NOT Gate:

Předpokládejme, že „A“ je vstup a „Y“ je výstup, logická rovnice logické brány NOT není: Ā = Y.

Rovnice uvádí, že výstupem je inverze vstupu.

Pravdivá tabulka pro logickou NOT bránu:

Brány not budou mít vždy jeden vstup (a vždy mají jediný výstup), jsou kategorizovány jako rozhodovací zařízení. Symbol „o“ na špičce trojúhelníku představuje doplnění nebo inverzi.

Tento symbol „o“ se neomezuje pouze na logickou bránu „NOT“, ale lze jej použít také libovolnými logickými branami nebo libovolnými digitálními obvody. Pokud je na vstupu „o“, znamená to, že vstup je aktivní-nízký.
Aktivní-nízká: Výstup se aktivuje (aktivuje tranzistor, LED nebo relé atd.), Když je zadán vstup „NÍZKÝ“.

Ekvivalent brány NAND a NOR:

Bránu „NOT“ lze zkonstruovat pomocí logických bran „NAND“ a logických „NOR“ spojením všech vstupních pinů, to platí pro brány se vstupními piny 3, 4 a vyššími.

Tranzistorová logická brána „NOT“:

Logické „NOT“ může být konstruováno pomocí NPN tranzistoru a 1K rezistoru. Pokud použijeme signál „VYSOKÝ“ na základnu tranzistoru, uzemnění se připojí k kolektoru tranzistoru, výstup se tedy změní na „NÍZKÝ“.

Pokud použijeme signál „LOW“ na základnu tranzistoru, tranzistor zůstane VYPNUTÝ a nebude připojen k zemi, ale výstup bude vytažen „VYSOKÝ“ pomocí pull-up rezistoru připojeného k Vcc. Takto dostaneme možnost vytvořit logickou bránu „NE“ pomocí tranzistoru.

Schmitt Střídače:

Prozkoumáme tento koncept s automatickou nabíječkou baterií, abychom vysvětlili využití a fungování střídačů Schmitt. Vezměme si příklad postupu nabíjení li-ion baterie.

Li-ion baterie 3,7 V se nabíjí, když baterie dosáhne 3 V až 3,2 V, napětí baterie se během nabíjení postupně zvyšuje a je třeba ji odpojit při 4,2 V. Po nabití napětí v otevřeném obvodu baterie poklesne kolem 4,0 V .

Senzor napětí měří mezní hodnotu a spouští relé, aby zastavilo nabíjení. Ale když napětí klesne pod 4,2 V, nabíječka zjistí, že není nabitá, a začne nabíjet až 4,2 V a odpojení, opět napětí baterie klesne na 4,0 V a začne nabíjení znovu a toto šílenství cykluje znovu a znovu.

To baterii rychle zabije, k překonání tohoto problému potřebujeme nižší prahovou úroveň nebo „LTV“, aby se baterie nezačala nabíjet, dokud baterie neklesne na 3 V až 3,2 V. Horní prahové napětí nebo „UTV“ je 4,2 V v tomto příkladu.

Schmittův měnič je nastaven tak, aby přepínal svůj výstupní stav, když napětí překročí horní prahové napětí, a zůstane stejný, dokud vstup nedosáhne dolního prahového napětí.

Podobně, jakmile vstup překročí spodní prahové napětí, výstup zůstane stejný, dokud vstup nedosáhne horního prahového napětí.

Nezmění to svůj stav mezi LTV a UTV.

Z tohoto důvodu bude ON / OFF mnohem plynulejší a budou odstraněny nežádoucí oscilace a také obvod bude odolnější vůči elektrickému šumu.

Schmitt NOT Gate Oscilátor:

Výše uvedený obvod je oscilátor, který produkuje obdélníkovou vlnu při 33% pracovním cyklu. Zpočátku je kondenzátor ve vybitém stavu a zemní signál bude k dispozici na vstupu brány NOT.

Výstup se změní na kladný a nabíjí kondenzátor přes odpor „R“, kondenzátor se nabíjí až k hornímu prahovému napětí střídače a mění stav, výstup otáčí záporný signál a kondenzátor se začne vybíjet přes odpor „R“, dokud napětí kondenzátoru nedosáhne nižší prahová úroveň a změní stav, výstup se změní na kladný a nabije kondenzátor.

Tento cyklus se opakuje, dokud je obvodu dodáván zdroj energie.

Frekvenci výše uvedeného oscilátoru lze vypočítat: F = 680 / RC

Kde, F je frekvence.
R je odpor v ohmech.
C je kapacita ve faradu.
Převodník čtvercových vln:

Výše uvedený obvod převede sinusový signál na čtvercovou vlnu, ve skutečnosti může převést jakékoli analogové vlny na čtvercovou vlnu.

Dva odpory R1 a R2 fungují jako dělič napětí, který se využívá k získání předpětí a kondenzátor blokuje jakékoli stejnosměrné signály.

Pokud vstupní signál překročí horní prahovou úroveň nebo pod spodní prahovou úroveň, výstup se otočí

NÍZKÁ nebo VYSOKÁ podle signálu to vytváří obdélníkovou vlnu.

IC 7404 NOT gate invertor:

IC 7404 je jedním z nejčastěji používaných IC logických NOT hradel. Má 14 pinů, pin # 7 je uzemněn a pin # 14 je Vcc. Provozní napětí je od 4,5 V do 5 V.

Šíření zpoždění:

Zpoždění šíření je čas, který brána potřebuje ke zpracování výstupu po zadání vstupu.
Logicky brána „NENÍ“ bráně trvá přibližně 22 nano sekund, než se změní její stav z VYSOKÉHO na NÍZKÝ a naopak.

Existuje několik dalších logických „NENÍ brány IC:

• 74LS04 Hex Inverting NOT Gate

• 74LS14 Hex Schmitt Inverting NOT Gate

• Hex inverzní ovladače 74LS1004

• CD4009 Hex Inverting NOT Gate

• CD4069 Hex Inverting NOT Gate

Jak funguje brána NEBO

Nyní pojďme prozkoumat digitální logiku NEBO brány. Podíváme se na základní definici, symbol, tabulku pravdy, vícevstupovou OR bránu, budeme konstruovat tranzistorovou 2vstupovou OR bránu a nakonec si vezmeme přehled o OR bráně IC 7432.

Co je logická brána „NEBO“?

Jedná se o elektronickou bránu, jejíž výstup se změní na „LOW“ nebo „0“ nebo „false“ nebo vydá „negativní signál“, když jsou všechny vstupy bran OR „LOW“ nebo „0“ nebo „false“ nebo „ negativní signál “.

Například: Řekněte bránu NEBO s počtem „n“ vstupů, pokud jsou všechny vstupy „LOW“, výstup se změní na „LOW“. I když je jeden vstup „HIGH“ nebo „1“ nebo „true“ nebo „kladný signál“, výstup se změní na „HIGH“ nebo „1“ nebo „true“ nebo vydá „pozitivní signál“.

Poznámka:

Pojmy „vysoká“, „1“, „kladný signál“, „skutečný“ jsou v zásadě stejné (kladný signál je kladný signál baterie nebo napájecího zdroje).
Pojmy „NÍZKÝ“, „0“, „záporný signál“, „falešný“ jsou v zásadě stejné (záporný signál je záporný signál baterie nebo napájecího zdroje).

Ilustrace symbolu logiky NEBO brány:

Zde jsou „A“ a „B“ dva vstupy a výstup „Y“.

Booleovský výraz pro logickou OR bránu: Výstup „Y“ je součtem dvou vstupů „A“ a „B“, (A + B) = Y.

Booleovský doplněk je označen (+)

Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „1“, výstup je (A + B) = 1 + 1 = „1“ nebo „vysoký“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „1“, výstup je (A + B) = 0 + 1 = „1“ nebo „vysoký“
Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „0“, výstup je (A + B) = 1 + 0 = „1“ nebo „vysoký“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „0“, výstup je (A + B) = 0 + 0 = „0“ nebo „Nízký“

Výše uvedené podmínky jsou zjednodušeny v tabulce pravdivosti.

Tabulka pravdy (dva vstupy):

Brána „OR“ se 3 vstupy:

Ilustrace 3 vstupů NEBO brány:

Logická OR hradla mohou mít ‚n‘ počet vstupů, což znamená, že mohou mít více než dva vstupy (Logická OR hradla budou mít alespoň dva vstupy a vždy jeden výstup).

Pro 3 vstupní logickou OR bránu se boolovská rovnice otočí takto: (A + B + C) = Y, podobně pro 4 a vyšší vstup.

Tabulka pravdy pro 3 vstupní logiku NEBO bránu:

Logika více vstupů NEBO Brány:

Komerčně dostupné brány Logic OR jsou k dispozici pouze ve 2, 3 a 4 vstupech. Pokud máme více než 4 vstupy, musíme brány kaskádovat.

Můžeme mít šest vstupních logických OR bran kaskádováním 2 vstupních NEBO bran takto:

Nyní se booleovská rovnice pro výše uvedený obvod stává Y = (A + B) + (C + D) + (E + F)

Všechna výše uvedená logická pravidla přesto platí pro výše uvedený okruh.

Pokud budete používat pouze 5 vstupů z výše uvedených 6 vstupů NEBO hradla, můžeme k jednomu kolíku připojit stahovací rezistor a nyní se stane 5 vstupem NEBO hradlem.

Tranzistor na bázi dvou vstupů Logická OR brána:

Nyní víme, jak funguje logická OR brána, postavme 2 vstupní OR bránu pomocí dvou NPN tranzistorů. Logické integrované obvody jsou konstruovány téměř stejným způsobem.

Schéma zapojení dvou tranzistorů nebo brány:

Na výstup „Y“ můžete připojit LED, pokud je výstup vysoký, LED bude svítit (LED + Ve svorka na „Y“ s odporem 330 ohmů a záporným vůči GND).

Když použijeme LOW signál na základnu dvou tranzistorů, oba tranzistory se vypnou, zemní signál bude k dispozici na emitoru T2 / T1 přes 1k stahovací rezistor, tedy výstup se otočí LOW.

Pokud je některý z tranzistorů zapnutý, bude kladné napětí k dispozici na emitoru T2 / T1, takže výstup se změní na VYSOKÝ.

Nyní víte, jak si postavit vlastní logiku NEBO bránu.

Quad OR gate IC 7432:

Pokud si chcete koupit logickou NEBO bránu z trhu, dostanete se do výše uvedené konfigurace.

Má 14 pinů, pin # 7 a pin # 14 jsou GND a Vcc. Je provozován na 5V.

Šíření zpoždění:

Propagační zpoždění je doba potřebná k tomu, aby se výstup změnil z LOW na HIGH a naopak.
Zpoždění šíření z LOW na HIGH je 7,4 nanosekund při 25 stupních Celsia.
Zpoždění šíření z HIGH na LOW je 7,7 nanosekund při 25 stupních Celsia.

• 74LS32 Quad 2-vstup
• CD4071 Quad 2-vstup
• CD4075 Triple 3-vstup
• CD4072 Duální 4 vstupy

Logická exkluzivní - NEBO brána

V tomto příspěvku prozkoumáme logickou bránu XOR nebo bránu Exclusive-OR. Podíváme se na základní definici, symbol, tabulku pravdivosti, ekvivalentní obvod XOR, realizaci XOR pomocí logických bran NAND a na závěr si vezmeme přehled na vstupu quad 2 Ex-OR gate IC 7486.

V předchozích příspěvcích jsme se dozvěděli o třech základních logických branách „AND“, „OR“ a „NOT“. Také jsme se naučili, že pomocí těchto tří základních bran můžeme postavit dvě nové logické brány „NAND“ a „NOR“.

Existují další dvě logické brány, i když tyto dvě nejsou základní brány, ale jsou konstruovány kombinací ostatních logických bran a její booleovská rovnice je tak důležitá a velmi užitečná, že se považuje za odlišné logické brány.

Tyto dvě logické brány jsou „Exkluzivní OR“ brána a „Exkluzivní NOR“. V tomto příspěvku se budeme zabývat pouze logikou Exkluzivní brány OR.

Co je brána „Exkluzivní OR“?

Jedná se o elektronickou bránu, jejíž výstup se změní na „vysoký“ nebo „1“ nebo „skutečný“ nebo vydá „kladný signál“, pokud jsou dva logické vstupy navzájem odlišné (to platí pouze pro dva 2 vstupy Ex -Nebo brána).

Například: Řekněte Exkluzivní bránu OR se „dvěma“ vstupy, pokud je jeden ze vstupních kolíků A „VYSOKÝ“ a vstupní kolík B je „NÍZKÝ“, pak se výstup změní na „VYSOKÝ“ nebo „1“ nebo „pravdivý“ nebo „Pozitivní signál“.

Pokud mají oba vstupy stejnou logickou úroveň, tj. Oba piny „VYSOKÝ“ nebo oba piny „NÍZKÝ“, výstup otočí na „NÍZKÝ“ nebo „0“ nebo „falešný“ nebo „negativní signál“.

Poznámka:

Pojmy „vysoká“, „1“, „kladný signál“, „skutečný“ jsou v zásadě stejné (kladný signál je kladný signál baterie nebo napájecího zdroje).

Pojmy „NÍZKÝ“, „0“, „záporný signál“, „falešný“ jsou v zásadě stejné (záporný signál je záporný signál baterie nebo napájecího zdroje).

Ilustrace logické exkluzivní brány OR:

Zde jsou „A“ a „B“ dva vstupy a výstup „Y“.

Booleovský výraz pro logickou bránu Ex-OR: Y = (A.) ̅B + A.B ̅

Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „1“, výstup je (A ̅ B + A.B ̅) = 0 x 1 + 1 x 0 = „1“ nebo „LOW“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „1“, výstup je (A ̅ B + A.B ̅) = 1 x 1 + 0 x 0 = „1“ nebo „VYSOKÝ“
Pokud je „A“ „1“ a „B“ je „0“, výstup je (A ̅ B + A.B ̅) = 0 x 0 + 1 x 1 = „1“ nebo „VYSOKÝ“
Pokud je „A“ „0“ a „B“ je „0“, výstup je (A ̅ B + A.B ̅) = 1 x 0 + 0 x 1 = „0“ nebo „Nízký“
Výše uvedené podmínky jsou zjednodušeny v tabulce pravdivosti.

Tabulka pravdy (dva vstupy):

Ve výše uvedených dvou vstupních logických hradlech Ex-OR, pokud jsou dva vstupy odlišné, tj. „1“ a „0“, výstup se změní na „VYSOKÝ“. Ale s 3 nebo více vstupními logikami Ex-OR nebo obecně se výstup Ex-OR změní na „HIGH“, pouze když je na bránu použito ODD číslo logiky „HIGH“.

Například: Pokud máme 3 vstupní hradla Ex-OR, použijeme-li logiku „HIGH“ pouze na jeden vstup (lichý počet logiky „1“), výstup se změní na „HIGH“. Pokud použijeme logiku „HIGH“ na dva vstupy (to je sudý počet logiky „1“), výstup se zapne „LOW“ atd.

3 vstup exkluzivní NEBO brána:

Ilustrace 3 vstupních hradel EX-OR:

Pravdivá tabulka pro 3 vstupní logiku brány EX-OR:

Pro 3 vstupy brány Ex-OR se logická rovnice stává: A (BC) ̅ + A ̅BC ̅ + (AB) ̅C + ABC

Jak jsme popsali dříve, logická brána „Ex-OR“ není základní logická brána, ale je kombinací různých logických bran. Bránu Ex-OR lze realizovat pomocí logické brány „OR“, logické brány „AND“ a logické brány „NAND“ následovně:

Ekvivalentní obvod pro bránu „Exclusive OR“:

Výše uvedený design má hlavní nevýhodu, k výrobě jedné brány Ex-OR potřebujeme 3 různé logické brány. Tento problém však můžeme překonat implementací brány Ex-OR pouze s logickými branami NAND, což je také ekonomické z výroby.

Exkluzivní brána OR používající bránu NAND:

Exkluzivní brány OR se používají k provádění složitých výpočetních úkolů, jako jsou aritmetické operace, úplné sčítání, poloviční sčítání, může také poskytovat funkce provádění.

Logická exkluzivní nebo brána IC 7486:

Pokud si chcete koupit logickou bránu Ex-OR z trhu, dostanete se do výše uvedené konfigurace DIP.
Má 14 pinů, pin # 7 a pin # 14 jsou GND a Vcc. Je provozován na 5V.

Šíření zpoždění:

Propagační zpoždění je doba potřebná k tomu, aby se výstup po zadání vstupu změnil z LOW na HIGH a naopak.
Zpoždění šíření z LOW na HIGH je 23 nanosekund.
Zpoždění šíření z HIGH na LOW je 17 nanosekund.

Běžně dostupné integrované obvody brány „EX-OR“:

• 74LS86 Quad 2-vstup
• CD4030 Quad 2-vstup

Doufám, že vám výše uvedené podrobné vysvětlení mohlo pomoci pochopit, co jsou to logické brány a jak fungují logické brány, pokud máte stále nějaké dotazy? V sekci komentářů prosím vyjádřete, můžete obdržet rychlou odpověď.