Тема 3 мікропроцесорні засоби автоматизації
33.1 Основні елементи цифрової техніки
3.1.1 Поняття логічного елементу
Логічні елементи є мікросхемами, що складають основу пристроїв цифрової обробки інформації. Вони виконують найпростіші логічні операції над цифровою інформацією. На основі логічних елементів створюють різноманітні сучасні системи автоматики, телемеханіки, зв’язку й електронно-обчислювальних пристроїв.
Логічні елементи стандартизовані й уніфіковані за рівнями живлення, вхідними сигналами, навантаженнями і габаритними розмірами. Це значно спрощує процес проектування і технологію виготовлення різних систем автоматики, а також полегшує налагодження, обслуговування і ремонт апаратури.
Для аналізу й синтезу логічних елементів використовують метод математичної логіки – алгебру логіки. Цей метод дозволяє записувати роботу логічного елемента у вигляді рівняння, в якому наявність вхідного або вихідного сигналу позначається одиницею (1), а відсутність – нулем (0). Цим цифрам у реле відповідають два протилежних положення контактів: “Замкнено” та “Розімкнено”, а в безконтактних елементах – два рівні вхідної та вихідної напруги (наприклад, нуль – 1В, а одиниця – 5В).
Логічні елементи зазвичай виконують на інтегральних мікросхемах. Залежно від електричних сигналів, що використовуються, логічні елементи поділяють на потенціальні та імпульсні.
У потенціальних елементах логічні “0” та “1” представлені двома різними рівнями електричного потенціалу, а в імпульсних – наявністю та відсутністю перепаду напруги від низького рівня до високого й навпаки. Найбільш розповсюджені потенціальні елементи.
Схеми простих логічних елементів (І, АБО) звичайно будуються на базі діодних ключів. Їх називають пасивними тому, що вони не створюють підсилення сигналу.
У складних схемах вхідний сигнал може розсіюватися, і для його підсилення використовують елементи, які побудовані на транзисторах і мають назву активних. Зазвичай у схемах використовують сполуку активних і пасивних елементів.
3.1.2 Логічні операції та елементи, що їх реалізують
Існують три основні операції над логічними змінними:
Диз’юнкція, або логічне додавання
.
Дану операцію реалізує логічний елемент „АБО”. Елемент має два входи Х1 та Х2 і один вихід У. Він побудований таким чином, що одиниця на виході елементу формується в тому випадку, коли на вхід Х1 або на вхід Х2, або на обидва входи буде подана одиниця.
Кон’юнкція, або логічне множення
.
Таку операцію реалізує логічний елемент „І”. Елемент також має два входи Х1 та Х2 і один вихід У. Одиниця на виході цього елементу формується лише у випадку, якщо на вхід Х1 і на вхід Х2 одночасно буде подана одиниця.
Інверсія або логічне заперечення
.
Таку операцію реалізує логічний елемент „НЕ”. Він має один вхід Х і один вихід У. При подачі на вхід нульового сигналу на виході формується сигнал, який відповідає логічній одиниці. Якщо ж на вхід подати одиницю, то на виході елементу буде нуль.
Практично будь-яку логічну комбінацію можна реалізувати за допомогою основних логічних елементів „АБО”, „І ” та „НЕ”, однак деякі операції зустрічаються настільки часто, що елементи, які їх реалізують, одержали власну назву.
Інверсія диз’юнкції
Операцію реалізує елемент „АБО–НЕ” (стрілка Пірса). Має два входи і один вихід. Елемент являє собою комбінацію елементів „АБО ” і „НЕ”. Виконує операцію диз’юнкції з наступним запереченням результату.
Інверсія кон’юнкції
.
Операцію реалізує елемент „І–НЕ”( штрих Шеффера). Також має два входи і один вихід. Елемент являє собою комбінацію елементів “І ” і “НЕ”. Виконує операцію кон’юнкції з наступним запереченням результату.
Логічне повторення
.
Операцію реалізує логічний елемент „Буфер”. Він має один вхід Х і один вихід У. Елемент повторює вхідний сигнал.
При подачі на вхід нульового сигналу на виході формується сигнал, який відповідає логічному нулю. Якщо ж на вхід подати одиницю, то на виході елемента також буде одиниця.
7) Нерівнозначність або логічне порівняння
.
Операцію реалізує елемент „Вимикаюче АБО”. Має два входи і один вихід, виконує оперцію порівняння сигналів. Робота елемента аналогічна роботі елемента “АБО”, однак він не формує на виході логічної одиниці, якщо на обидва входи одночасно подані одиниці.
На електричних схемах всі логічні елементи позначаються літерами DD. Основні типи логічних елементів та їх графічні зображення наведено у таблиці 3.1.