Построение комбинационных логических схем по заданным булевым выражениям.

Как правило, построение и расчет любой схемы осуществляется, начиная с ее выхода.

Допустим, задано булево выражение:

F =B A + BA + CB.

Первый этап: выполняется логическое сложение, логическую операция ИЛИ, считая входными переменными функции B A, BA и CB:

Второй этап: к входам элемента ИЛИ подключаются логические элементы И, входными переменными которых являются уже A, B, C и их инверсии:

Третий этап: для получения инверсий A иB на соответствующих входах ставят инверторы:

Данное построение основано на следующей особенности, – поскольку значениями логических функций могут быть только нули и единицы, то любые логические функции могут быть представлены как аргументы других более сложных функций.

Таким образом, построение комбинационной логической схемы осуществляется с выхода к входу.

Диодные схемы и, или, транзисторная схема не.

Диодная схема и

Если на входах А и В и С схемы И будут высокие уровни, то на выходе F будет высокий уровень. Если хотя бы на одном из входов будет ноль напряжения, то на выходе будет низкий уровень, близкий к нулю, отличающийся от него на величину падения напряжения на диоде Uпр_.=0.5 B. Высокий уровень на выходе схемы И при высоких уровнях на всех входах будет в том случае, если R < Rн.

Диодная схема или

Если на входе А или В или С диодной схемы ИЛИ будет высокий уровень, то на выходе F также будет высокий уровень. Если же на всех входах будут низкие уровни, то и на выходе будет низкий уровень, но только при условии, обратном тому, которое предъявляется в схеме И, а именно R > Rн.

Транзисторная схема не и ее выходная характеристика.

Инвертирующий усилитель на транзисторе включен по схеме с общим эмиттером и кроме усиления сигнала реализует логическую функцию НЕ. Ток базы Rб.гр. для данного Uпит и данного Rк определяет границу между областью активного (усилительного) режима и областью насыщения транзистора. Чем больше базовый ток по отношению к Rб.гр. , то есть больше степень насыщения транзистора, тем больше потребуется времени для рассасывания заряда в базе транзистора после его закрывания.

Обеспечить выходное напряжение логического нуля достаточно низким, чтобы иметь какой–то запас от помех можно, если режим транзистора при логическом нуле на выходе устанавливать в области насыщения или вблизи ее. Транзисторы при изготовлении имеют большой разброс по усилению: в 3…5 раз. Выбирая номинал базового резистора Rб таким, чтобы при подаче на вход инвертора заданного U¹вх.min даже транзисторы с минимальным усилением находились в области насыщения или вблизи ее, все остальные транзисторы с неминимальным усилением вводить в режим глубокого насыщения.

Цифровые и аналоговые сигналы.

При рассмотрении схем, в которых входные и выходные напряжения могут изменяться в определенном диапазоне значений, мы имеем дело с сигналами, которые непрерывны по самой своей природе (например, звуковые), либо представляют собой непрерывно меняющиеся напряжения, поступающие от измерительных приборов (например, от устройств для измерения температуры или обнаружения светового излучения, биологических или химических зондов и т.п.)

Однако входной сигнал по своей природе может быть и чисто дискретным, например импульсы в детекторе частиц или «биты» информации, поступающие от ключа, клавиатуры или ЭВМ. В подобных случаях естественно и удобно использовать цифровую электронику, т.е. схемы, которые имеют дело с информацией, представленной в виде «единиц» и «нулей».

Кроме того, для того чтобы непрерывную (аналоговую) информацию можно было обрабатывать на ЭВМ или хранить в виде чисел, ее необходимо преобразовывать в цифровую форму и наоборот при помощи цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) – преобразователей, устройство которых будет рассмотрено позже.

Логические состояния.

Под цифровой электроникой имеются в виду такие схемы, для каждой точки которых можно определить, как правило, только два состояния, например транзистор может быть либо закрыт, либо насыщен. Обычно в качестве параметра выбирают не ток, а напряжение, уровень которого может быть высоким или низким. Эти два состояния могут представлять различные «биты» (binary digits – двоичные разряды) информации, например, следующим образом: один бит числа: ключ замкнут или разомкнут, сигнал присутствует, уровень аналогового сигнала выше или ниже заданного предела, некоторое событие произошло или не произошло, требуется или не требуется выполнять некоторые действия и т.п.

Состояния высокого и низкого уровней некоторым заданным образом определяют «истинные» и «ложные» значения в булевой алгебре. Если в какой-либо точке схемы истинное значение определяет высокий уровень, то говорят, что эта сигнальная линия использует «положительную логику» и наоборот. Пример «отрицательной логики»:

+5 В

1 кОм

Ключ замкнут

Когда состояние ключ замкнут истинно, выход имеет низкий уровень. Таким образом, выходной сигнал соответствует «отрицательной логике» (более правильным было бы название «нулевая логика», поскольку отрицательное напряжение в схеме отсутствует) и может быть обозначен, как показано на рисунке (черта над символом означает операцию НЕ, т.е. данная линия имеет высокий уровень, когда ключ не замкнут). Следует запомнить, что наличие или отсутствие черты отрицания над обозначением говорит о том, какой уровень (высокий или низкий) будет иметь данный провод, когда заданное условие (ключ замкнут) истинно.

Введем понятия 0 и 1, внеся некоторую путаницу в эту, по существу, простую ситуацию. Эти символы используются в булевой алгебре для обозначения утверждений ИСТИНА и ЛОЖЬ соответственно. Иногда в том же значении они используются и в электротехнике, но, к сожалению, здесь они применяются также и в другом смысле, а именно: 1 означает высокий уровень, а 0 – низкий уровень.