Краткие теоретические сведения. Известно, что математической основой цифровых вычислительных устройств является

 

Известно, что математической основой цифровых вычислительных устройств является двоичная арифметика, в которой используются всего два числа — 0 и 1. Выбор двоичной системы счисления диктовался требованиями простоты технической реализации самых сложных задач с использованием всего одного базового элемента — ключа, который имеет два состояния: включен (замкнут) или выключен (разомкнут). Если первое состояние ключа принять за условную (логическую) единицу, то второе будет отражать условный (логический) ноль или наоборот. Возможные комбинации состояния ключей показаны на рис.1, 2 и 3.

На рис. 1 показаны ключи 1 и 0, управляемые клавишами 1 и 0 соответственно, если он находится в положении 1, лампа горит (рис. 1а), или не горит, если он находится в положении 0 (рис. 1б).

                                   а)                                         б)                                            

Рис. 1. Схемы электромеханических имитаторов логической единицы (а) и нуля (б).

                               а)                                                    б)

 

Рис. 2. Электромеханические имитаторы логической единицы (а) и нуля (б) в инверсном режиме.

 

Возможно другое расположение ключей по отношению к вспомогательным устройствам, показанное на рис. 2. В этих схемах состояние индикаторов нуля или единицы противоположно показанному на рис. 1. При нажатии на клавишу 1 индикатор фиксирует состояние 0 (рис. 2а) и наоборот (рис. 2б). Следовательно, схемы на рис. 2 по выходному сигналу (состоянию индикаторных лампочек) обратны (инверсны) по отношению к схемам на рис. 1. Поэтому такие ключи называют инверторами.

Поскольку в цифровых системах содержится огромное количество ключей (только в одном микропроцессоре их несколько миллионов), то для взаимного обмена информацией используются электрические сигналы напряжения. При этом ключи, как правило, применяются в инверсном режиме в соответствии со схемами на рис. 3.

На рис. 3 сопротивление 490 Ом имитирует внутреннее сопротивление нагрузки ключа (аналог коллекторного сопротивления в транзисторном ключе), сопротивление 10 Ом — сопротивление замкнутого электронного ключа, сопротивление 500 Ом — сопротивление разомкнутого ключа с учетом внешней нагрузки. Как видно из рис. 3, наличие на выходе логического нуля (инверсия 1) индицируется напряжением 100 мВ (в практических конструкциях может быть и больше), а наличие логической единицы — напряжением 2,55 В (нормируется на уровне 2,4 В). Электронные ключи проектируются таким образом, чтобы при наихудших сочетаниях входных и выходных параметров ключи могли различать сигналы логической единицы и нуля.

 

         а)                                      б)

Рис. 3. Электромеханические имитаторы логической "1" (а) и "О" (б) в инверсном режиме с индикаторами выходного напряжения.

 

В цифровой технике практические аналоги рассмотренных схем принято называть логическими элементами. При этом в зависимости от выполняемых функций каждый элемент имеет свое название и соответствующее графическое обозначение.

На рис. 4 показаны обозначения базовых логических элементов, принятые в программе EWB 5.

                                              а)        б)           в)       г)

 

Рис. 4. Графические обозначения буферного логического элемента (а), элементов И (AND)(б), ИЛИ (OR) (в), Исключающее ИЛИ (XOR) (г) и их инверсные варианты во втором ряду (NOT, NAND, NOR, XNOR соответственно).

 

Электромеханическим аналогом буферного элемента являются имитаторы на рис. 3а логического элемента НЕ (NOT) — на рис. 2 и 3. Электромеханические аналоги двухвходовых элементов И, И-НЕ показаны на рис. 5.

 

 

а)                                                          б)

 

Рис. 5. Электромеханические имитаторы двухвходовых элементов.

 

Задание на подготовку к работе

1. Изучить принцип работы логических элементов.

2. Изучить порядок выполнения работы и подготовить необходимые схемы и таблицы.

 

Контрольные вопросы

1. Составьте таблицу истинности элемента И-НЕ 

2. Составьте таблицу истинности элемента И 

3. Изобразите схему реализации элемента ИЛИ

4. Изобразите схему реализации элемента НЕ

5. Изобразите схему реализации элемента И

Порядок выполнения работы