Двоичный или логический сигнал

Двоичный (логический) сигнал – представление цифровой информации в виде чётко различимых уровней напряжения (обычно) или тока. Для представления двоичной информации, в которой возможны лишь два значения: 0 или 1, достаточно использовать два чётко различимых уровня напряжения. Различают несколько способов представления двоичного сигнала: потенциальный, импульсный и импульсно-потенциальный.

При потенциальном способе представления логические состояния 0 и 1 представляются двумя разными уровнями напряжения. Например, для элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) справедливо:

- логическая единица представляется напряжением U¹ > 2.4В;

- логический нуль представляется напряжением U ° < 0.4В.

 

 

Рис. 5. Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ микросхем

 

Границы уровней логического нуля и единицы для КМОП микросхем при пятивольтовом питании приведена на рисунке 6:

 

 

Рис. 6. Уровни логических сигналов на входе цифровых КМОП микросхем.

 

Из рисунка видно, что запас по уровням срабатывания для обеспечения помехоустойчивости у КМОП более 1,1 В. Это почти втрое больше чем у ТТЛ.

При уменьшении напряжения питания границы логического нуля и логической единицы смещаются пропорционально изменению напряжения питания.

При импульсном представлении двоичной информации логической единице соответствует наличие на выходе элемента импульса или серии импульсов, а логическому нулю - отсутствие импульсов.

Иногда единица и ноль кодируются перепадами напряжения в противоположных направлениях.

Логические элементы

Обозначения и функции логических элементов

Логический элемент или вентиль это простейшее логическое устройство, реализующее в аппаратном виде одну из функций алгебры логики.

Наиболее часто используемые логические элементы их обозначение на схемах и выполняемые ими функции приведены в виде таблицы:

 

 

Рис. 7. Условные изображения и функции логических элементов

 

Реализация логических элементов на основе ключевых схем

Схема инвертора на транзисторе

Инвертор на транзисторе – самая простая цифровая микросхема. Её назначение – произвести инвертирование логического сигнала, т.е. превратить единицу в ноль и наоборот.

Схема инвертора на простом ключе

Рис. 8. Схема инвертора на простом ключе

 

В схеме возможны два состояния: ключ замкнут и ключ разомкнут. Рассмотрим каждый из этих двух вариантов:

Ключ замкнут

 

Рис. 9. Замкнутое состояние ключа.

 

Так как ключ у нас замкнут, следовательно, в идеале его сопротивление 0 Ом.. Значит, напряжение между землей и клеммой “А” будет 0 Вольт.

2) Ключ разомкнут

 

Рис. 10. Разомкнутое состояние ключа.

 

Падение напряжения на резисторе R будет равняться нулю, поэтому, на клемме “А” будет напряжение +U.

Если в качестве ключа использовать транзистор, работающий в режимах насыщения и отсечки, мы получим реализацию функции инвертирования, т. к. при поступлении на вход высокого потенциала, соответствующего логической единице, на выходе появится практически нулевое напряжения, соответствующее логическому нулю.

 

 

Рис. 11. Схема инвертора на основе транзисторного ключа.

 

Работу инвертора в импульсном режиме поясняет рисунок 12:

 

 

Рис. 12. Работа инвертора в импульсном режиме.

 

В информатике и логике есть такое понятие, как таблица истинности, которая показывает значение выходов каких-либо логических элементов со всеми возможными комбинациями на Входе. Для инвертора таблица истинности имеет вид:

 

 

Рис. 13. Таблица истинности инвертора.