Основы цифровой электроники: Токхейм Р. Основы цифровой электроники

Токхейм Р. Основы цифровой электроники

Токхейм Р. Основы цифровой электроники

Предисловие

Вряд ли сейчас можно найти сферу нашей жизни, в которую не проникли бы в том или ином виде современные устройства цифровой электроники. Их можно встретить буквально на каждом шагу. Утром нас поднимает с постели электронный будильник, а наручные электронные часы сообщают нам о начавшемся новом дне недели и даже способны сыграть несколько бодрящих мелодий. Направляясь на работу, мы выходим на улицу, и дверь подъезда обычно накрепко запирает за нами электронный замок. При входе в метро разменный автомат любезно выдает нам нужное число пятаков взамен опущенной монеты, а зоркий турникет следит за правильной оплатой проезда. В учреждении, где вы работаете или учитесь, наверняка несет или будет нести трудную службу ЭВМ, никогда не устающая, ничего не забывающая, хранящая в своей памяти огромные объемы информации и способная быстро выдавать нужные сведения пользователю по первому требованию.

Основу всех рассмотренных устройств и электронных часов, и разменного автомата, и автоматического турникета, и ЭВМ составляют цифровые схемы логических цепей, регистров, счетчиков, таймеров, коммутаторов, дешифраторов, сумматоров, преобразователей и т.п. Понимание физических принципов работы этих схем и методов конструирования сложных систем на их основе является первым необходимым условием того, чтобы электронный будильник всегда подавал сигнал в назначенное время, автомат беспричинно не отказывался выполнять свои функции, а ЭВМ не находилась постоянно в неработоспособном состоянии.

Цифровой электронике принадлежит важнейшая роль в деле обеспечения высокой надежности создаваемых автоматических и автоматизированных систем, управляющих объектами, процессами и производственными системами. Решать эту задачу на качественно новом уровне предстоит и нынешнему поколению студентов самых различных специальностей. Предлагаемая в русском переводе книга Р. Токхейма ориентирована в первую очередь на них. Она может послужить хорошим учебным пособием, удачно сочетающим предельно доходчивое изложение теоретических основ цифровой электроники с разнообразием тематики лабораторных работ и коллоквиумов, для организации которых могут быть использованы завершающие каждую главу задания для самопроверки. Книга хорошо продумана и в методическом плане: в ней нет ничего лишнего, а учебный материал расположен по возрастанию сложности; приводимые многочисленные иллюстрации дополняют при этом текстовую основу и потому заслуживают самого внимательного изучения.

Для понимания излагаемых в книге принципов цифровой электроники достаточно знаний в объеме школьных курсов физики и математики. Единственное затруднение состоит в том, что практические примеры рассматриваются автором применительно к американским интегральным схемам. В целях преодоления этой непринципиальной трудности в приложении дан перечень отечественных аналогов микросхем, упоминаемых в тексте и на рисунках. В основном это цифровые схемы транзисторно-транзисторной логики серии К155. Характеристики таких интегральных микросхем можно найти в справочнике «Интегральные микросхемы» (М.: Энергоатомиздат, 1985) и в прекрасном справочном пособии «Аналоговые и цифровые интегральные схемы» (М.: Радио и связь, 1984).

…

Основы цифровой электроники.

Введение в цифровую электронику

С самой глубокой древности, от начала цивилизации люди испытывали потребность в счёте. Ученые считают, что сначала возникли понятия характеризующие количество и лишь потом, возникли слова, обозначавшие качественные характеристики предметов. Постепенно возникли и сформировались различные системы счёта. Наиболее широкое распространение и в древности, и в настоящее время получила десятеричная система исчисления. Это объясняется просто: у человека на руках десять пальцев, то есть руки это счёты с ограниченными возможностями, но которые всегда с собой.

Систем исчисления существует много, в принципе любое число может быть основанием системы, но не все они удобны и применяются на практике. Широко распространены шестидесятеричная система, она применяется при счёте времени: 60 сек.= 1 мин. 60 мин.= 1 час и двенадцатеричная, когда счёт ведётся дюжинами и эта же система является денежной системой принятой в Великобритании.

Нас интересует самая простая и самая распространённая в наше время двоичная (бинарная) система исчисления. Все компьютеры от персональных, до суперкомпьютеров Cray-2, всё управление космическими объектами, бытовая электроника, радиовещание и телевидение работают в цифровом формате. Основой всей цифровой техники является именно двоичная система исчисления.

А началось всё ещё в XVII веке, когда талантливый математик Лейбниц впервые описал двоичную систему исчисления, которую, как считают, он позаимствовал из древних китайских математических трактатов. В середине IXX века математик Д. Буль написал и опубликовал работу, которая выводила уравнения алгебры на основе понятий формальной логики. Базовых понятия было всего два: высказывание истинно (true) и высказывание ложно (false). Эту работу принято называть алгеброй логики или Булевой алгеброй.

И наконец, в 30-е годы XX века Клод Шеннон защитил интересную диссертацию. Её темой было использование реле и переключателей для создания примитивного вычислителя-сумматора. Все принципы работы были реализованы на действиях двоичной арифметики и Булевой алгебры. По сути, на этой диссертации основана вся цифровая техника, то есть она послужила тем зёрнышком, из которого выросло и продолжает расти огромное дерево цифровой электроники.

Двоичная система исчисления.

В ней используются всего две цифры: «1» и «0». Для электроники нет ничего более удобного. Действительно: «1» — лампочка горит, контакт замкнут, есть импульс. «0» — лампочка не горит, контакт разомкнут, вместо импульса низкий потенциал. С помощью этих двух цифр можно отобразить любое число.

Поначалу это может показаться неудобным, так как числа получаются слишком длинными, но учитывая скорость работы современных процессоров и число операций в секунду, которая у сверхмощных компьютеров может достигать фантастических величин достигающих 20 000 терафлоп, то разрядность представляемых чисел не играет практически никакой роли. 1 терафлоп это 1 триллион операций в секунду.

Перевод чисел из десятичной системы в двоичную систему осуществляется последовательным делением числа на 2. Первое деление даёт младший разряд, а последнее деление даёт старший разряд числа. Если число делится без остатка, пишем «0», а с остатком пишем «1». 2013₁₀ = 11111011101₂, что означает, текущий год по основанию 10 равен указанному числу по основанию 2. Для обратного преобразования достаточно суммировать веса разрядов представляющие собой степени числа 2. Число разряда начинается с 0, затем 1, 2,3…10. Для данного примера получим: 1024+512+256+128+64+16+8+4+1=2013. Пропущены второй и шестой разряды, где стоят нули, то есть 2 и 32.

Двоичное число легко представить в виде последовательности прямоугольных импульсов.

На рисунке показано напряжение питания +5,0V. На таком напряжении питания работают интегральные микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) с малой степенью интеграции, которые в своё время пользовались огромной популярностью у радиолюбителей. Их используют и сейчас в несложных самоделках. Это микросхемы серий К155, К133 и микросхемы высокого быстродействия и более высокой частоты КР1533 и К555. В них использовались диоды Шоттки.

Уровень логической единицы не обязательно должен быть уровнем +5,0V, как показано на рисунке. Логическая единица могла находиться в интервале от + 2,4V до +5V, а логический ноль в интервале от 0V до +0,4V. Если на выходе микросхемы при проверке её осциллографом на выходе оказывалось напряжение в интервале от +0,4 до +2,4, то такое состояние называли «серый» уровень. Он означал:

• а) неисправна данная микросхема;
• в) эту микросхему подсаживает следующая за ней микросхема.

Поскольку микросхемы бывают с разным напряжением питания, то и уровни логического нуля и логической единицы будут иметь другие значения. Логику, где логическая единица положительна, принято называть позитивной логикой. Есть схемы, где логическая единица равна нулю, а логический ноль это импульс отрицательной полярности.

Теперь, когда вы знакомы с основой цифровой электроники, не поленитесь узнать, что такое базовые логические элементы и RS-триггер.

Главная &raquo Цифровая электроника &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

мир электроники — Основы цифровой техники

Категория

Рано или поздно любому радиолюбителю приходится слышать или сталкиваться с такими фразами как логический ноль или логическая единица, триггеры, счетчики и так далее…
Все эти понятия относятся к целому разделу электронных устройств под общим понятием цифровые или логические устройства.

Почему их назвали цифровыми?
Большинство устройств- усилители, например, или блоки питания работают по принципу аналогового сигнала: амплитуда напряжений может изменяться, иметь различные полярности, разную частоту, может изменять свою форму и так далее.

Цифровые устройства работают несколько иначе: там либо есть сигнал, либо его нету.
Самый простейший пример: выключать с лампочкой. Пусть это и не совсем удачное сравнение но там всего-лишь два положения: либо горит, либо не горит. Причем при этом не учитывается ни мощность электролампочки, ни цвет, ни яркость, ни напряжение питания, просто:  или да, или нет.

Так вот: на цифровых устройствах так-же учитывается всего-лишь два состояния: есть напряжение на выходе (входе)- значит логическая единица, нет напряжения- значит логический ноль.

Однако это еще не все: все эти самые цифровые устройства (о которых и пойдет речь в данном разделе) умеют работать еще и по некой логике: они могут, например, менять свое логическое состояние лишь при определенных условиях.
Например: у нас есть две лампочки с выключателями, но при этом они между собою взаимосвязаны условием- гореть может лишь одна. То есть: если одна включена, то другую включить невозможно.
Немного подумав можно даже и схему было-бы накидать чтобы такое устройство сделать, но это нам сейчас не надо- скажу только лишь что это устройство имеет название ИЛИ (ну то есть понятно: или один выход, или другой и не в коем случае ни вместе).

Ну и, конечно же, так как здесь у нас присутствуют цифры, то существует даже определенная алгебра для расчета цифровых устройств!

Ну так вот: именно таким цифровым (или логическим) устройствам мы и займемся в этом разделе.
Итак:

Логические элементы

простая логика
триггеры
счетчики
Триггер Шмитта
Цифровые микросхемы и работа с ними

Теория цифровой техники

Логические числа, представление логических чисел
Алгебра логических элементов
Минимизация логических функций
Интегрирующие и дифференцирующие цепи
Триггеры на логических элементах
Шифраторы и Дешифраторы
Мультиплексор и Демультиплексор
Регистры
Оперативные запоминающие устройства
Постоянное запоминающее устройство
Сумматор
Арифметико-логические устройства
Устройства умножения и деления
ЦАП: Цифро- аналоговый преобразователь
АЦП: Аналогово-цифровой преобразователь
Цифровой фильтр с временной реализацией
Цифровой фильтр с частотной реализацией
DRAM, DIMM, SIMM, SDRAM, ESDRAM, DRDRAM, RIMM

Ну и под конец: часть материалов (в основном теория) взята с сайта http://naf-st. ru/

11 Основы цифровой электроники. Микропроцессорные средства

Лекция 11

Цель
лекции: Ознакомление
с базовыми элементами цифровой
электроники (логическими элементами,
триггерами, регистрами, счетчиками),
арифметико-логическими устройствами,
аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми
преобразователями, а также микропроцессорами.

11.1 Логические элементы

На
предприятиях в целях поддержания
режимов работы технологического
процесса в зависимости от конкретных
условий необходимо своевременно
подключать или отключать оборудование.
Если наличие или отсутствие каждого
условия отождествить с напряжением
электрического сигнала различного
уровня, то принятие решения можно
осуществить с помощью цифровых устройств
на основе логических
элементов.
Такие устройства реализуют логическое
преобразование совокупности сигналов
об условиях работы в совокупность
сигналов управления технологическим
процессом.

Логический
элемент – электрическая
схема, выполняющая логическую операцию
над входными данными, заданными в виде
уровней напряжения, и возвращающая
результат операции в виде выходного
уровня напряжения. Так как операнды
логических операций задаются в двоичной
системе счисления, то логический элемент
воспринимает входные данные в виде
высокого и низкого уровней напряжения
на своих входах, отождествляемые с
логическим
нулем и единицей.
Работу логического элемента можно
описать зависимостью логического
значения выходного сигнала F
от совокупности логических значений
входных сигналов –
таблицей
истинности.

К
числу логических операций, выполняемых
элементами относятся: конъюнкция
(логическое умножение, И),
дизъюнкция (логическое сложение, ИЛИ),
отрицание (НЕ)
и сложение по модулю 2 (исключающее
ИЛИ).
Рассмотрим основные типы логических
элементов.

Элемент
И.
Логический
элемент И
выполняет операцию логического умножения
над своими входными данными и имеет от
2 до 8 входов и один выход (как правило,
выпускаются элементы с двумя, тремя,
четырьмя и восемью входами). На рисунке
11.1 представлено графическое обозначение
логического элемента И с двумя входами.
Элементы И
обозначаются как NИ,
где N
— количество входов логического элемента
(2И, 3И, 8И).

Рисунок
11. 1 – Логический элемент И
и его таблица истинности

Элемент
ИЛИ – выполняет
операцию логического сложения над
своими входными данными и, также как и
логический элемент И, имеет от 2 до 8
входов и один выход (рисунок 11.2).

Рисунок
11.2 – Логический элемент ИЛИ
и его таблица истинности

Элемент
НЕ (инвертор).
Логический
элемент НЕ выполняет операцию логического
отрицания над своими входными данными
и имеет один вход и один выход. Иногда
его называют инвертор, так как он
инвертирует входной сигнал. На рисунке
11.3 – условное обозначение элемента
НЕ.

Рисунок
11.3 – Логический элемент НЕ
и его таблица истинности

Элемент
И-НЕ (штрих Шеффера).
Логический
элемент И-НЕ выполняет операцию
логического умножения над своими
входными данными, а затем инвертирует
(отрицает) полученный результат и выдаёт
его на выход.

Рисунок
11.4 – Логический элемент И-НЕ
и его таблица истинности

Элемент
ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса).
Логический
элемент ИЛИ-НЕ выполняет операцию
логического сложения над своими входными
данными, а затем инвертирует (отрицает)
полученный результат и выдаёт его на
выход.

Рисунок
11.5 – Логический элемент ИЛИ-НЕ
и его таблица истинности

Элемент
сложения по модулю 2.
Этот
логический элемент выполняет логическую
операцию сложения по модулю 2 и, как
правило, имеет 2 входа и один выход и
используется в схемах аппаратного
контроля.

Рисунок 11.6 –
Логический элемент сложения по модулю
2

Логические элементы
используются в качестве самостоятельных
частей схемы, так и входящими в состав
цифровых комбинационных схем или схем
с памятью:

1. Как самостоятельные
части схемы – в качестве управляющей
логики устройства или генератора
прямоугольных импульсов.

2.
В качестве комбинационных схем – в
составе микросхем БИС и СБИС, а также
в дешифраторах и шифраторах, выполненных
в виде отдельных микросхем.

Логические
элементы могут входить в состав схем
с памятью (триггеры, регистры, счётчики
и т.д.), выполненных в виде отдельной
микросхемы или в составе других
микросхем.

Токхейм Р. — Основы цифровой электроники (1988)(ru) (Токхейм

.Р. Уо Основы ии ровой мектуоиики Перевод с английского канд. физ.-мат. наук В. А. Курочкина н канд. фвз.-мат. наук В. М. Матвеева иод редакцией канд. техн. наук Е.К. Масловского Москва ((Мир» 7988 сэ» «‘ В китс извсстнога американского специалиста последовательно излагаютси принципы действии разнообразны шсктронных схем и устрайста Описаны лмтоды «оиатруировании дифрпвых приборов и систем на основе серийных микросхем. Книга содсрмит большое колизее~во иввкмтраций, облегчающих усвоение материала Двл широкого круга читателей: иниснерно-технических рабогников, студентов, изучаюших электронику, радиолюбителей и иэных техников.

, $’ —.’ ‘»— — — — 877 88, Ч. 1 $40!О!ВООΠ— 887 847(О!) — 88 ББК 32.8э Редикйил .гитеритуры ио электронике 1ВВИ 5-03-000981-7 (русск,) :, 1$В(к( 0-07-064980-4 (англ.) !Су Мсгзгаш-НО!, !984, !979 (:э перевод на русский язык, «Мира, !988 Тонхейй! Р. «,.Т51 Основы цифровой электроники: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988.— 392 с., ил. 18В)ь( 5-03-000981-7 ‘:~’;::::. Предисловие редактора перевода Вряд ли сейчас можно найти сферу нашей жизни, в которую не проникли бы в том или ином виде современные устройства цифровой электроники.

Их можно встретить буквально на каждом шагу. Утром нас поднимает с нос~ели электронный будильник, а наручные электронные часы сообщают нам о начавшемся новом дне недели и лаже способны сыграть несколько бодряших мелодий. Направляясь на работу, мы выходим на улицу, и дверь подъезда обычно накрепко запирае~ за нами электронный замок. При входе в метро разменный автомат любезно выдает нам нужное число пятаков взамен опущенной монеты, а зоркий турникет следи~ за правильной оплатой проезда. В учреждении, где вы работаете илп учитесь, наверняка несет или будет нести трудную службу ЭВМ, никогда не устающая, ничего не забывающая, хранящая в своей памяти огромные объемы информации и способная быстро выдавать нужные сведения пользователю по первому требованию…

Основу всех расслютренных устройств-и электронных часов, и разменного автомата, и автоматического турникета, и ЭВМ- составляют цифровые схемы логических цепей, регистров, счетчиков, таймеров, коммутаторов, дешифраторов, сумматоров, преобразователей и т. и. Понимание физических принципов работы этих схем и методов конструирования сложных систем на их основе является первым необходимым условием того, чтобы электронный будильник всегда подавал сигнал в назначенное время, автомат беспричинно не отказывался выполнят.ь свои функпии, а ЭВМ не находилась постоянно в неработоспособном состоянии.

Цифровой элек~ронике принадлежит важнейшая роль в деле обеспечения высокой надежности создаваемых автоматических и автоматизированных систем, управляющих объектами, процессами и производственными системами. Реша~ь эту задачу на качественно новом уровне предстоит и нынешнему поколению студентов самых различных специальностей. Предлагаемая в русском переводе книга Р.

Токхейма ориентирована в первую очередь на них. Она может послужи~ь хорошим учебным пособием, удачно сочетаюшим предельно доходчивое изложение теоретических основ цифровой электроники с разнообразием ~смазчики лабораторных работ и коллоквиумов, для организации которых могут быть использованы завершающие каждую главу задания для самопроверки. Книга хорошо продумана ПРЕЯИГЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА и в методическом плане: в ней нет ничего лишнего, а учебный материал расположен по возрастанию сложности; приводимые многочисленные иллюстрации дополняют при этом текстовую основу и потому заслуживают самого внимательного изучения. Для понимания излагаемых в книге принципов цифровой электроники достаточно знаний в объеме школьных курсов физики и математики.

Единственное затруднение состоит в том, что практические примеры рассматриваюгся автором применительно к американским интегральным схемам. В целях преодоления этой непринципиальной трудности в приложении дан перечень отечественных аналогов микросхем, упоминаемых в тексте и на рисунках. В основном это цифровые схемы транзисторно-транзисторной логики серии К155. Характеристики таких интегральных микросхем можно найти в справочнике «Интегральные микросхемы» (М.: Энергоатомиздат, 1985) и в прекрасном справочном пособии «Аналоговые и ‘цифровые интегральные схемы» (М.: Радио и связь, 1984).

Круг читателей этой книги вряд ли целесообразно ограничивать только будущими специалистами по цифровой электронике и автоматике. Ее легко могут прочесть с большой пользой для себя и радиолюбители всех возрастов, и руководители кружков детского технического творчества, да и сами юные техники, которым необходимо хорошо знать современные основы автоматизации и компьютеризации, чтобы успешно применять на практике существующие средства и создавать новые. Перевод предисловия редактора серии, введения и гл.

1 — 5 выполнен В.А. Курочкиным, а гл. 6-12 и приложений А и Б- В. М. Матвеевым. Е. Масловский „,.:.’-‘:::::;:Предисловие редактора серии Серия книг издательства Мейгс’-Н1й под общим названием «Основы электротехники и электроники» предназначена для предварительного ознакомления читателей с широким кругом вопросов„относящихся к этим областям техники. Серия содержит руководства, позволяющие студентам быстро ориентироваться в предмете.

Каждая тема включает в себя основной текст, задания для самостоятельной работы и указания для преподавателей. Основное внимание уделяется теоретическим и практическим вопросам, различным приложениям, а также приобретению навыков, необходимых для подготовки к выбранной профессии. Материал, включенный в такую серию, выбирался исходя из двух основных соображений: книги должны носить учебный характер и быть в то же время справочниками.

Эти соображения учитывались в серии методом экспертных оценок. Во-первых, к работе над книгами серии привлекались авторы и редакторы, обладающие богатым опытом преподавания и высокой технической квалификацией и потому наиболее глубоко понимающие потребности студентов.

Вовторых, учитывались конкретные потребности коммерческой сферы и промышленности; для этого проводился анализ анкет, результатов специального обследования, индивидуальных интервью, докладов правительственных комиссий и отраслевых обзоров. Широкое одобрение, которое встретила данная серия, и положительные отзывы читателей подтвердили правильность установленных принципов отбора материала и удач- ность выбранной формы его изложения, а также выявили высокую эффективность применения книг этой серии в качестве учебных пособий. Естественно, что с течением времени подобное издание нуждается в постоянной корректировке с точки зрения как технического содержания, так и методики обучения. С нашей стороны был приложен максимум усилий, чтобы должным образом отразить современные достижения.

Для преподавателей в книгах серии даны тексты и методические указания по каждой теме, которые соответствующим образом структурированы и согласованы с современными целями обучения. Студенты же найдут здесь четко сформулированные понятия„хорошо иллюстрированные и увязанные с сегодняшней техникой и технологией. Издатель и редактор с благодарностью примут замечания от преподавателей и студентов, используюших книги этой серии. Чарльз А. Шулер Книга «Основы цифровой электроники» задумана как учебное пособие для студентов, изучающих электронику впервые. Для освоения материала студент должен обладать общей математической подготовкой и быть знакомым с электрическими цепями постоянного тока.

Цифровую электронику можно изучать одновременно с обшими основами электроники, так как предварительное знакомство . с активными дискретными компонентами схем не обязательно, а принципы использования двоичной системы счис,ления и булевой алгебры вводятся и объясняются постепен:но’ по мере необходимости. Цифровая электроника в настоящее время уже не .’является узкоспециальной областью электроники: цифровые ‘: Фемы, первоначально применявшиеся только в вычисли, ‘тельных устройствах, теперь широко используются почти во ‘всех более или менее сложных электронных приборах. Такие схемы можно найти в автомобилях, связной аппара- турЕ, игрушках, звуковоспроизводящих системах, компьюте’ рах й калькулятоРах. Их можно также обнаружить в теле’визионных приемниках, бытовой аппаратуре и в измерительных приборах. Бурное развитие микроэлектроники привело к быстрому расширению областей применения цифровых схем.

Второе издание книги «Основы цифровой электроники» включает 25 новых тем. Часть их посвящена элементам транзисторно-транзисторной логики ~ТТЛ) и прин* цинам работы комплементарных схем со структурой «металл-окисел — полупроводник» (КМОП-схем), а также методам поиска неисправностей с применением соответствующего оборудования. Семь тем связаны с микропроцессорной техникой, шестнадцатеричной и двоичной системами счисления, дополнительными кодами, с микроЭВМ, принципами их работы и декодированием адресов памяти. Новый материал касается также цифровых синхронизаторов на больших интегральных МОП-схемах и элементов цифровых индикаторов, работающих в мультиплексном режиме. Для удобства читателей простые сопряжения ТТЛ- и КМОП- схем включены в раздел приложения Б, касающийся комбинированных МОП -КМОП интегральных схем.

Добавлен также материал по электронным индикаторам на жидких кристаллах. Одна из наиболее трудных задач, с которыми приходится сталкиваться преподавателям, †э пробуждение у студентов интереса к обучению. Для поддержания такого интереса на высоком уровне в тексте используются следующие принципы: 1. Простые двухцветные иллюстрации подчеркивают важнейшие моменты изложения и помогают студентам сосредоточить внимание на основных понятиях. 2.

Основы цифровой электроники ОЦЭ1-Н-Р (Настольное исполнение, ручная версия)

НОУ ИНТУИТ | Основы цифровой техники

Форма обучения:

дистанционная

Стоимость самостоятельного обучения:

бесплатно

Доступ:

свободный

Документ об окончании:

Уровень:

Для всех

Длительность:

13:55:00

Выпускников:

607

Качество курса:

4. 02 | 4.11

Рассматриваются принципы работы информационно-вычислительных систем, начиная с основных логических функций и элементов, логических схем, принципов их минимизации. Далее излагается информация о логических схемах функциональной направленности — дешифраторах и мультиплексорах – и принципах их каскадного соединения. Отдельно рассматриваются схемы памяти от схемы простейшего триггера к регистру, регистровой памяти, к схемам полупроводникового запоминающего устройства на БИС и СБИС. Кроме того, рассмотрены счетные схемы: счетчики и сумматоры.

Основы цифровой техники рассматриваются, начиная с основных логических функций и элементов. Далее показано соединение этих элементов в виде логическим схем. Объясняются принципы синтеза логических схем и их минимизации. Затем рассматриваются логические схемы функциональной направленности — дешифраторы и мультиплексоры. Для них объясняются правила каскадного соединения. Отдельно рассматриваются схемы памяти от схемы простейшего триггера к регистру, регистровой памяти, к схемам полупроводникового запоминающего устройства на БИС и СБИС. Кроме того, рассмотрены счетные схемы: счетчики и сумматоры.

ISBN: 978-5-9556-0123-6

Теги: rs-триггер, алгебра, арифметика, задний фронт сигнала, инверсный выход, каскадная схема, КНФ, компоненты, логика, обратный код, оперативное запоминающее устройство, память, полевой транзистор, регистр адреса, регистровая память, шины, элементы

Дополнительные курсы

2 часа 30 минут

—

Логические основы ЭВМ

Рассматриваются основные логические элементы и принципы их соединения в логические схемы.

—

Синтез схем памяти

Рассматривается принцип наращивания разрядности и по шине данных, и по шине адреса.

—

Основы цифровой электроники | SpringerLink

Дханасекхаран Натараджан, инженер-электронщик из инженерного колледжа, Гуинди (ныне Университет Анны), Ченнаи в 1970 году, получил степень магистра инженерного производства (вариант вопросов и ответов) в Университете Бирмингема, Великобритания, в 1984 году. Он пожизненный старший член, IEEE (00064352) и его биография опубликованы Marquis, США, в их четвертом издании «Who’s Who in Science & Engineering».

Ушел в отставку как ассистент.Профессор инженерного колледжа RV, Бангалор. Ранее он работал в Bharat Electronics и Radiall Protectron. Его достижения в отраслях включают применение методов обеспечения надежности для оборонного оборудования, анализ основных причин отказов электронных компонентов, квалификационные испытания электронных компонентов в соответствии с военными стандартами США и Индии, разработку и внедрение компьютеризированной системы управления качеством, разработку программного обеспечения для оптического интерферометра и Разработка и производство сосредоточенных, полуфокусных и микроволновых резонаторных фильтров с использованием программного обеспечения собственной разработки.

Он является автором трех книг, которые издаются Springer. В первой книге «Практическая конструкция резонаторных фильтров с сосредоточенными, полуфокусными и СВЧ-фильтрами», Springer, 2013 г., представлена ​​конструкция резонаторных фильтров L-C, трубчатых и комбинированных / диафрагмальных резонаторных фильтров с примерами.

Вторая книга, «Надежная конструкция электронного оборудования: руководство по проектированию», Springer, 2015, представляет применение снижения номинальных характеристик, FMEA, анализа перенапряжения и тестов оценки надежности для проектирования надежного электронного оборудования.

Третья книга, Системы менеджмента качества ISO 9001, Springer, 2017, объясняет требования ISO 9001 на примерах из различных отраслей. Интеграция требований QMS с программным обеспечением ERP — наиболее эффективный метод внедрения системы в организациях. Методы интеграции требований QMS с программным обеспечением ERP проиллюстрированы примерами. Глава посвящена объяснению применения индийской классики, Thirukkural, для планирования QMS.

Основы цифровой электроники | Дханасекхаран Натараджан

Дханасекхаран Натараджан, инженер-электронщик из инженерного колледжа, Гуинди (ныне Университет Анны), Ченнаи, в 1970 году, в 1984 году получил степень магистра инженерного производства (вариант вопросов и ответов) в Университете Бирмингема, Великобритания.Он пожизненный старший член IEEE (00064352), и его биография опубликована Marquis, США, в четвертом издании «Who’s Who in Science & Engineering».

Ушел на пенсию как ассистент. Профессор инженерного колледжа RV, Бангалор. Ранее он работал в Bharat Electronics и Radiall Protectron. Его достижения в отраслях включают применение методов обеспечения надежности для оборонного оборудования, анализ основных причин отказов электронных компонентов, квалификационные испытания электронных компонентов в соответствии с военными стандартами США и Индии, разработку и внедрение компьютеризированной системы управления качеством, разработку программного обеспечения для оптического интерферометра и Разработка и производство сосредоточенных, полуфокусных и микроволновых резонаторных фильтров с использованием программного обеспечения собственной разработки.

Он является автором трех книг, которые издаются Springer. В первой книге «Практическая конструкция резонаторных фильтров с сосредоточенными, полуфокусными и СВЧ-фильтрами», Springer, 2013 г., представлена ​​конструкция резонаторных фильтров L-C, трубчатых и комбинированных / диафрагмальных резонаторных фильтров с примерами.

Вторая книга, «Надежная конструкция электронного оборудования: руководство по проектированию», Springer, 2015, представляет применение снижения номинальных характеристик, FMEA, анализа перенапряжения и тестов оценки надежности для проектирования надежного электронного оборудования.

Третья книга, Системы менеджмента качества ISO 9001, Springer, 2017, объясняет требования ISO 9001 на примерах из различных отраслей. Интеграция требований QMS с программным обеспечением ERP — наиболее эффективный метод внедрения системы в организациях. Методы интеграции требований QMS с программным обеспечением ERP проиллюстрированы примерами. Глава посвящена объяснению применения индийской классики, Thirukkural, для планирования QMS.

Руководство по цифровой электронике для новичков

УЗНАЙТЕ, КАК ЦИФРЫ «1» И «0» ИЗМЕНИЛИ МИР

Эта статья написана специально для новичков в области цифровой электроники.Если вы всегда хотели знать, как устроен цифровой мир, продолжайте читать. Чтобы закончить эту статью, вам не нужно знать математику, алгебру или какие-либо сложные формулы. Единственные требования — это интерес к цифровой электронике и желание учиться. Поскольку вы читаете этот абзац, очевидно, что вам хотя бы немного интересно узнать о цифровом мире. К счастью, любопытство — это полдела на пути к просветлению.

Аналоговый и цифровой

Мир электроники намного легче понять, если мы начнем с разделения его на две отдельные категории: «аналоговый» мир и «цифровой» мир.Аналоговый мир обычно относится к любому природному явлению, которое со временем меняет свои свойства. Возьмем, к примеру, температуру наружного воздуха. Мы замечаем, что она довольно медленно меняется в течение дня, и в любой момент мы можем измерить, насколько она горячая или холодная, с помощью простого термометра.

Те же самые изменяющиеся свойства можно наблюдать, измерять и записывать в других природных явлениях, таких как атмосферное давление, скорость ветра, солнечное излучение и т. Д. Если бы вы записывали и графически отображали каждое из вышеуказанных событий за 24-часовой период, вы бы обратите внимание на одну похожую характеристику: физические свойства каждого явления меняются со временем.

В каждом случае, если вы соедините все точки на графике, результаты всегда будут формировать некоторый тип «аналогового сигнала» (волны), как в следующих примерах:

Задача инженера-электронщика Analog — иметь дело со многими из этих тепловых, магнитных, оптических, акустических, биологических, химических или электрических «сигналов» путем разработки соответствующих аналоговых датчиков и схем управления.

Цифровой мир

Цифровая электроника — это совсем другой вид животных.Чем цифровой мир отличается от аналогового мира? Что ж, в цифровой сфере (т. е. цифровых электронных схемах) важны только два «состояния»: ВКЛ или ВЫКЛ. Например, когда вы включаете выключатель света в ванной, вы знаете, что есть только два возможных положения, в которых он может находиться (да, ВКЛ или ВЫКЛ). Вас не беспокоит то, что через электрическую проводку, подключенную к выключателю света, может проходить 110, 113, 120 или 125 вольт (т. Е. Колеблющийся аналоговый «сигнал» ).

Важно помнить, что включение света не только выполняет некоторую полезную работу (освещает ванную комнату), но также передает некоторую реальную базовую цифровую информацию — что свет был включен, а не выключен. Этот код включения / выключения — это именно то, как работает мир цифровой электроники. Как вы увидите позже, это переключение ВКЛ / ВЫКЛ — это та же самая логика, которая используется для построения цифровых электронных схем внутри вашего портативного компьютера, устройства GPS и смартфона. Взгляните на Рис. 1 , чтобы вам было ясно различие между аналоговым и цифровым мирами.

РИСУНОК 1.

Рис. 1a — это график, показывающий, как электричество (уровень напряжения) в вашем доме изменяется в течение 12 часов. В какой-то момент в течение 12 часов мы видим, что уровень напряжения в 14:00 составлял 110 вольт. В 16:00 оно изменилось на 120 вольт. С другой стороны, в Рис. 1b у нас есть выключатель света, который можно включать или выключать в течение дня. Обратите внимание, что на рис. 1b выключатель света был включен в 14:00, а затем выключен в 16:00.Затем его снова включили в 19:00 и выключили в 21:00.

В этом примере не имеет большого значения, какой уровень напряжения присутствует во всей электрической цепи (105 В, 110 В, 115 В, 120 В). Здесь важна «информация», представленная в Рис. 1b — независимо от того, был ли переключатель включен или выключен. Это «мгновенное» электрическое переключение ВКЛ / ВЫКЛ обычно называют «цифровым» сигналом.

[Примечание автора: чтобы не сбить вас с толку, но — и это очень важно — цифровые схемы , , работают на 1.5-15 вольт постоянного тока ( DC, ) — не 110 вольт переменного тока ( AC, ), который выходит из сетевой розетки в вашем доме. Уровень переменного напряжения на рис. 1b использовался только для того, чтобы показать, как выглядит цифровой сигнал (прямоугольная волна) по сравнению с аналоговым сигналом (т. Е. Колеблющаяся волна на рис. 1а , ).]

Цифровой — Вкл. Или Выкл.

Чтобы увидеть, как выключатель света может передавать цифровую информацию, предположим, что вы сказали другу по телефону, что, если она случайно проезжает мимо вашего дома и замечает, что свет на вашем крыльце выключен, у вас есть компания — не делайте этого. приезжать.Однако, если свет на крыльце включен, она должна зайти. Как видите, этот небольшой «код» позволяет вам использовать один свет для передачи двух сообщений. А теперь давайте продолжим эту идею и воспользуемся двумя источниками света.

Если вы скажете своей подруге, когда она увидит, что свет в спальне выключен, а на крыльце выключен, это означает, что ваши родители все еще дома, поэтому, опять же, не приходите. Однако, если свет в спальне включен, а свет на крыльце выключен — остановитесь. Кроме того, если она видит, что свет в спальне выключен, а свет на крыльце включен, это означает, что вы встретите ее в пиццерии.

Тогда, наконец, если свет в спальне включен, а на крыльце включен, вы встретитесь с ней позже в доме Сью. Обратите внимание, что на этот раз при наличии только «двух» индикаторов (включенных или выключенных) вы передали «четыре» сообщения (см. , рис. 2, ).

РИСУНОК 2.

Здесь возникает вопрос: сколько сообщений вы можете передать своему другу, если вы использовали четыре лампы вместо двух? Посмотрите Рисунок 3 для ответа.

РИСУНОК 3.

Поскольку имеется четыре источника света и только два «состояния» или положения, в которых может находиться переключатель света (ВКЛ или ВЫКЛ), имеется максимум 16 сообщений (от 2 до 4 ^th power или 2 ⁴ = 2x2x2x2) что вы можете передать своему другу. Очевидно, что с 16 сообщениями вам и вашему другу понадобится список инструкций для декодирования каждой последовательности огней.

Обратите внимание в нашем предыдущем примере, как информация передавалась (передавалась) с помощью простого переключателя света, который был ограничен только двумя положениями или «логическими состояниями» (ВКЛ или ВЫКЛ).Опять же, не имело значения, сколько электричества протекает в цепях освещения крыльца, спальни, гаража или гостиной.

Здесь следует помнить два наиболее важных фактора: были ли огни включены или выключены, и в какой последовательности или в позиции были включены огни.

Как видите, цифровая электроника основана на «логике переключения» (ВКЛ или ВЫКЛ). С другой стороны, аналоговая электроника больше связана с колебанием (постоянно меняющейся) электрической величиной, такой как напряжение и / или ток.При необходимости снова обратитесь к Рис. 1 , чтобы вам было ясно различие между цифровыми и аналоговыми сигналами. Это очень важная концепция для понимания, поэтому не продолжайте читать, пока не проведете различие между аналоговой и цифровой информацией / сигналами.

Двоичная система

В наших предыдущих примерах мы видели, как работает мир цифровой электроники, ограничивая себя двумя состояниями. Двоичная (bi = два) система счисления также имеет дело с двумя состояниями или числами: 1 и 0.Как вы увидите, двоичные числа очень важны и полезны в области цифровой электроники.

Теперь предположим, что мы берем наш предыдущий пример с четырьмя источниками света (, рис. 3, ) и вместо использования кода включения или выключения мы заменяем «1» на «ВКЛ» и «0» на «ВЫКЛ». Рисунок 4 показывает, как выглядит наша диаграмма сообщений после этого изменения.

РИСУНОК 4.

Вам может показаться, что расположение ВКЛ и ВЫКЛ на рис. 3 и расположение 1 и 0 на рис. 4 были выбраны случайным образом.Дело в том, что единицы и нули, которые вы видите на рис. 4 , — это просто способ, которым вы считаете в «двоичном формате». ( Помните, двоичная система счисления основана на числе «два»: 2 ⁰ = 1, 2 ¹ = 2, 2 ² = 4, 2 ³ = 8, 2 ⁴ = 16 и т. Д., А наша десятичная система счисления основана на числе «десять»: 10 ⁰ = 1, 10 ¹ = 10, 10 ² = 100, 10 ³ = 1000, 10 ⁴ = 10 000 и т. Д.)

Вот как работает двоичная система счисления:

Например, давайте преобразуем двоичное число 1101 из списка в рис. 4 в его десятичный (с основанием 10) эквивалент:

В этом примере двоичное число 1101 равно десятичному числу 13.

Из этого примера можно усвоить четыре ключевых момента:

1. Обратите внимание, как «десятичные» числа 1 , 2 , 4 и 8 «удваивают» значение для каждого увеличения степени в двоичной системе счисления (т.е.е., двоичный 2 ⁰ = десятичный 1 ; Двоичный 2 ¹ = Десятичный 2 ; Двоичный 2 ² = Десятичный 4 ; Двоичное 2 ³ = Десятичное 8 и т. Д.).
2. Обратите внимание, что каждое двоичное число 1 или 0 содержит «позицию» или «вес» в двоичной системе счисления. Другими словами, в цифровом мире 0 так же важен, как и 1.
3. Обратите внимание, что каждая позиция в двоичной системе счисления равна точному десятичному значению числа (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и т. Д.).
4. Обратите внимание, что вы складываете только значения десятичных чисел вместе, если в двоичном числе стоит 1.

Давайте преобразуем еще одно двоичное число в десятичное, прежде чем двигаться дальше. Преобразуйте 1010110 в десятичное число:

Еще раз обратите внимание, что хотя каждый ноль в двоичном числе 1010110 занимает определенное место и очень важен, его десятичное значение игнорируется, когда мы складываем все десятичные числа вместе (всего = 86).

Эти примеры должны дать вам представление о том, как был создан список двоичных чисел в , рис. 4 . Первоначально мы использовали выключатели света ON и OFF для передачи кодированных сообщений (, рис. 3, ). Теперь вместо сообщений мы можем преобразовывать двоичные числа в их десятичный эквивалент.

Если вы спрашиваете себя, какое отношение это имеет к цифровой электронике, вы задали очень важный вопрос. Если вы помните, что мы говорили о цифровой логике (что это логика переключения — ВКЛ или ВЫКЛ), вы, вероятно, увидите, что передача этих двоичных единиц и нулей по электрическому проводу — это просто вопрос «включения» электрического напряжения и ВЫКЛ (пять вольт = 1, ноль вольт = 0). Помните, что с электричеством можно делать только две вещи: можно включить или выключить.

Например, предположим, что мы хотели отправить десятичные числа 72, 69, 76 и 80 с компьютера в одном офисе на компьютер в другом офисе. Все, что нам нужно сделать, это преобразовать каждое десятичное число 72, 69, 76 и 80 в двоичное число, преобразовать эти двоичные единицы и нули в электрический сигнал (пять вольт = 1, ноль вольт = 0), а затем отправить это цифровое код над электрическим проводом (см. Рисунок 5 ).

РИСУНОК 5.

Если вы некоторое время изучите Рисунок 5 , ответ на ваш первоначальный вопрос (какое отношение имеет двоичная система счисления к цифровой электронике?) Станет очевидным. На рисунке 5 показано, как десятичные числа 72, 69, 76 и 80 и их двоичный эквивалент преобразуются компьютером в цифровой сигнал (ноль вольт и пять вольт), а затем передаются по электрическому проводу. Цифровая электронная схема внутри компьютера №2 преобразует уровни напряжения (ноль вольт и пять вольт) в двоичные единицы и нули, а затем отображает (ЖК-монитор) эту информацию в буквенно-цифровых символах, чтобы мы могли понять исходное сообщение.

Как вы могли догадаться, числа 72, 69, 76 и 80 в приведенном выше примере были выбраны не с воздуха. Если вы посмотрите любую таблицу Американского стандартного кода обмена информацией (ASCII), вы увидите, что число 72 = H, 69 = E, 76 = L и 80 = P является кодом для слова HELP.

Что важно в этом примере, так это то, что мы можем преобразовать слово HELP в десятичные числа, затем в двоичный код единиц и нулей и, наконец, в цифровые уровни напряжения, которые могут передаваться по электрическому проводу.Просто подумай об этом. Все началось с того, что включил и выключил свет в ванной!

Теперь, когда вы знаете, что цифровой мир управляется двоичными числами (1 или 0), пришло время использовать эту двоичную систему для создания некоторых цифровых логических вентилей. Вы действительно увидите, насколько важны двоичные числа для цифровых схем, прочитав следующий раздел.

Цифровые логические ворота: строительные блоки всех цифровых электронных схем

Понимание цифровых логических вентилей — важная предпосылка для изучения того, как работают все цифровые электронные схемы.По сути, существует три типа электронных «логических вентилей»: вентиль И, вентиль ИЛИ и вентиль НЕ. (На самом деле существует еще несколько типов вентилей, о которых мы поговорим позже в этой статье.) Просто помните, логические вентили являются основными строительными блоками всех цифровых логических схем.

The AND Gate

Давайте сначала проанализируем логический элемент И на рис. 6 . Взгляните на логический символ логического элемента И на рис. 6а, , .

РИСУНОК 6.

Имеет два входа (A и B) и один выход (X). Элемент И работает (логически) следующим образом: если на входе A есть двоичная 1, а на входе B — двоичная 1, двоичный выход (X) будет равен 1. Если на входе A есть 1, а на входе B — 0, выход (X) равен 0. В свою очередь, если вход B имеет 1, а вход A имеет 0, то выход (X) будет 0. Наконец, если вход A имеет 0, а вход B имеет 0, то output (X) также будет 0.

Хорошо, давайте построим электрическую схему, которая имитирует логику логического элемента И.Взгляните на электрическую схему в Рис. 6b . У нас есть батарея на девять вольт, лампочка и два переключателя. Обратите внимание, что если мы замкнем выключатель A, свет НЕ загорится, потому что выключатель B разомкнут (т.е. электрический свет не подключен к батарее).

Если переключатель B замкнут, а переключатель A разомкнут, свет остается выключенным. Обратите внимание, что свет загорается только тогда, когда переключатель A «И» B замкнут.

Теперь взгляните на , рис. 7b, , и вы должны увидеть, что наш старый друг логический вентиль И работает так же, как и наша электрическая схема освещения на рис. 7а, , .Вы можете увидеть этот очень важный момент, посмотрев на две логические таблицы на рис. 7 .

Обратите внимание на , рис. 7b, , что единицы (1) в таблице логической истинности соответствуют (в том же положении) «замкнутым» переключателям в таблице истинности схемы , рис. 7a, .

РИСУНОК 7.

Важно, чтобы вы понимали, как связаны логический символ логического элемента И на рис. 7b, и электрическая цепь на рис. 7а, , .Обратите внимание на Рис. 7b , как здесь играет роль двоичная система счисления. Единственное время на выходе (X), равное 1, — это когда оба входа A и B также равны 1. Единственный раз, когда свет включается в , рис. 7a, — это когда оба переключателя A и B замкнуты.

Хорошо, вопрос в том, что произойдет, если мы изменим единицы и нули на рис. 7 на цифровые электронные сигналы (1 = пять вольт, 0 = ноль вольт)? Посмотрите на Рисунок 8 , и вы получите ответ на этот вопрос.

РИСУНОК 8.

Глядя на Рисунок 8c , вы можете увидеть, что, хотя мы изменили двоичные единицы и нули на пять вольт и ноль вольт, таблицы истинности все те же. Это означает, что электрическая схема с двумя переключателями A и B (, рис. 8a, ) работает аналогично логической таблице истинности логического элемента И на рис. 8b, и , рис. 8c, .

Вы, вероятно, спрашиваете себя: «Нужны ли мне все эти таблицы истинности, логические элементы И и логика 1 и 0 для понимания цифровой электроники?» Ответ на этот вопрос — ДА! Весь цифровой мир основан на знании того, какими будут входные и выходные значения для любой цифровой логической схемы.

Например, посмотрите на интегральную схему (ИС) 7400 в рис. 9 . Вы можете приобрести эту ИС в Интернете и убедиться, что она работает точно так же, как построенные нами таблицы истинности.

РИСУНОК 9.

В микросхему 7400 встроен тот же логический элемент И, о котором мы говорили в , рис. 7, и , рис. 8, .

Если вы подключите 7400 IC, как показано на рис. 9 , вы можете доказать себе, что таблица истинности для пяти и нулевого вольт на рис. 8c верна.Что еще более важно, вы увидите, как цифровые логические вентили и таблицы истинности используются для создания цифровых электронных схем.

Теперь, когда вы понимаете, как работает логический элемент И, давайте воспользуемся этим электронным логическим элементом И в реальном приложении. Допустим, у нас есть лифт с двумя дверями, которые обязательно нужно закрыть, прежде чем лифт начнет подниматься или опускаться. У каждой двери есть электрический выключатель (A и B), который подключен к логическому элементу AND.

Выход (X) логического элемента И подключен к электродвигателю, который перемещает лифт вверх или вниз.

Наша задача — убедиться, что лифт может двигаться только тогда, когда обе двери полностью закрыты. Давайте создадим таблицу истинности того, что мы хотим, чтобы лифт делал (см. , рис. 10, ). Обратите внимание, как мы создали таблицу на рис. 10 . Мы определили, как должен реагировать выход (X) (двигатель включен или двигатель выключен) в зависимости от положения каждой двери (ОТКРЫТА или ЗАКРЫТА).

РИСУНОК 10.

Также обратите внимание (, рис. 11, ), что таблица истинности лифта такая же, как таблица истинности логического элемента И и наша логическая (двоичная) таблица истинности.

РИСУНОК 11.

К настоящему времени должно быть очевидно, что логический элемент И и его таблица истинности могут использоваться для проектирования и создания цифровых электронных схем, которые имеют практическое применение в реальном мире.

Теперь давайте посмотрим на наши следующие ворота: ворота «ИЛИ».

Ворота OR

Как упоминалось ранее, логический элемент И является одним из трех основных логических элементов (И, ИЛИ, НЕ). Давайте посмотрим, чем вентиль OR отличается от логического элемента AND.

Глядя на электрическую схему в Рис. 12 , вы заметите, что два переключателя (A, B) соединены параллельно.Обратите внимание, что если переключатель A ЗАКРЫТ, он замкнет электрическую цепь, и загорится свет (X).

РИСУНОК 12.

Теперь, если переключатель A ОТКРЫТ, а переключатель B ЗАКРЫТ, свет также загорится. Если оба переключателя ЗАКРЫТЫ, свет также включен. Обратите внимание, что пока один переключатель (A ИЛИ B) ЗАКРЫТ, свет будет включаться.

Свет гаснет только тогда, когда оба переключателя ОТКРЫТЫ. Изучите рис. 12 , пока не увидите, как таблица истинности ворот OR совпадает с таблицей истинности электрических цепей.

Давайте посмотрим на практическое применение ворот OR. Схема ворот OR может использоваться для защиты дома от грабителя. Рисунок 13 показывает простую систему сигнализации, основанную на вентиле OR.

РИСУНОК 13.

На рис. 13b легко увидеть, что если выключатель спальни (A) ЗАКРЫТ (окно открыто) «ИЛИ», выключатель окна подвала (B) замкнут, то сработает сигнал тревоги. Обратите внимание в таблице истинности логического элемента ИЛИ (, рис. 13b, ), что переключатель A OR B может включить сигнализацию.

Как видите, таблица истинности логической схемы логического элемента ИЛИ может использоваться для разработки системы охранной сигнализации точно так же, как таблица истинности логической схемы логического элемента И использовалась для запуска и остановки двигателя лифта.

Взгляните теперь на Рисунок 14 , чтобы увидеть разницу между логическим элементом И и логическим элементом ИЛИ.

РИСУНОК 14.

Обратите внимание на основное различие между логическим элементом ИЛИ и логическим элементом И. Логический элемент ИЛИ будет выводить единицу (1), когда любой из входов A ИЛИ B равен 1, тогда как логический элемент И будет выводить 1 только тогда, когда оба входа A И B равны 1.

НЕ вентиль (инвертор)

Давайте обратим наше внимание на последний из трех основных ворот: ворота НЕ (см. , рис. 15, ).

РИСУНОК 15.

Элемент НЕ обычно называют «инвертором». Он имеет один вход (A) и один выход (X). Если вход элемента НЕ (A) равен 1, на выходе будет 0. И наоборот, если вход элемента НЕ (A) равен 0, то на выходе будет 1. Теперь вы можете понять, почему они называют вентиль НЕ инвертором.”

Чтобы лучше понять, как работает вентиль НЕ, взгляните на электрическую схему на Рис. 15 . Здесь, если переключатель A ЗАКРЫТ, электрический ток от батареи будет обходить свет; следовательно, свет не будет иметь достаточного тока для включения.

Однако, если переключатель (A) ОТКРЫТ, свет останется включенным, потому что электрический ток проходит мимо переключателя и направляется прямо к свету. Логический элемент НЕ широко используется в цифровых логических схемах.

Далее вы увидите, как он может изменить ворота И и ИЛИ на ворота И-НЕ и НЕ-ИЛИ.

Опись

Пришло время проанализировать, сколько мы уже узнали. Возможно, вы этого не осознавали, но некоторые очень важные концепции были затронуты. Вы начали с простого настенного выключателя в ванной, который включал или выключал свет. Вы преобразовали эти цифровые сигналы включения и выключения в двоичный код 1 и 0. Вы узнали о логических элементах И, ИЛИ и НЕ и связанных с ними таблицах истинности.

Наконец, вы преобразовали все эти единицы и нули в электрические схемы для реальных приложений. Хорошая работа!

Ворота NAND, NOR, EX-OR и EX-NOR

В предыдущем разделе я упоминал, насколько важен вентиль НЕ в цифровых электронных схемах. Теперь вы увидите, как вентиль НЕ используется для создания вентилей И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Кроме того, мы рассмотрим два других специальных входа, используемых во всем мире цифровой электроники: ворота EX-OR и EX-NOR.

Ворота NAND

Начнем с логического элемента И-НЕ.Логический элемент И-НЕ ( N, или И ) в основном представляет собой логический элемент И с логическим элементом НЕ (инвертор), подключенным к его выходу (см. Рисунок 16, ).

РИСУНОК 16.

Обратите внимание на кружок на выходе (X) логического элемента И-НЕ в Рис. 16 . Этот кружок является стандартным символом в цифровой электронике для обозначения инверсии (НЕ = ИНВЕРТОР). По логике он равен логическому элементу НЕ с его символами треугольника и круга.

Итак, с этого момента каждый раз, когда вы видите кружок на входе или выходе затвора, это означает, что вы должны инвертировать сигнал или логику (от 1 до 0, от 0 до 1, от нуля вольт до пяти вольт, пяти вольт до нуля. вольт, от высокого до низкого, от низкого до высокого).

Как вы можете видеть на рис. 16 , таблица истинности показывает, что единственный раз, когда выход логического элемента И-НЕ будет 0 (или НИЗКИЙ), — это когда оба входа A и B имеют значение 1 (ВЫСОКИЙ). Также обратите внимание на таблицу истинности, что любой 0 (НИЗКИЙ) на входе A или B сделает выход (X) равным 1. Другими словами, любой 0 (НИЗКИЙ) на входе логического элемента И-НЕ даст 1 (ВЫСОКИЙ). на выходе (X).

Так же, как вентили И и ИЛИ, рассмотренные ранее, давайте использовать вентиль И-НЕ в практических приложениях реального мира.Предположим, мы построили электрическую схему затвора NAND, которая контролирует два наружных фонаря безопасности, так что, если любой из них погаснет (ВЫКЛ), сработает сигнал тревоги. Еще раз, первое, что мы делаем, это настраиваем таблицу истинности для нашей световой цепи (см. , рис. 17, ).

РИСУНОК 17.

Еще раз обратите внимание на таблицу истинности, что если «либо» индикатор A или индикатор B погаснет, включится сигнализация. Вы также должны увидеть, что будильник будет оставаться ВЫКЛЮЧЕННЫМ только до тех пор, пока горят оба индикатора.

Невозможно переоценить важность таблиц истинности при проектировании электронных схем. В любой цифровой электронной схеме, в которой используются логические элементы (И, НЕ, ИЛИ, И-НЕ и т. Д.), Вы должны определить, что должна делать схема. Очевидно, что лучший способ увидеть, какой будет логика ввода и вывода вашей схемы, — это создать таблицу истинности.

Давайте перейдем к нашим следующим воротам: воротам NOR.

Ворота NOR

Еще раз, таблица истинности на рис. 18 , показывает нам, как именно работает вентиль ИЛИ-НЕ.Единственный раз, когда выход (X) логического элемента ИЛИ-НЕ будет равен 1, — это когда «оба» входа A и B равны 0. Другой способ сказать, что это когда оба входа в вентиль ИЛИ-НЕ равны 0 (НИЗКИЙ), выход ворота NOR будут 1 (ВЫСОКИЙ).

РИСУНОК 18.

Конечно, как и другие наши ворота, есть еще один способ взглянуть на таблицу истинности. Обратите внимание, что если «любой» вход A или B в вентиль ИЛИ-НЕ равен 1, выход (X) равен 0. Мы также можем сказать, что любая 1 на любом входе (A или B) вентиля ИЛИ-НЕ даст 0 (LOW) на его выходе (X).

Давайте перейдем к следующим воротам: EX-OR.

Ворота EX-OR

Посмотрите на Рисунок 19c , и вы заметите, что свет загорится, когда переключатель A находится в положении 0, а переключатель B — в положении 1. Обратное также верно.

РИСУНОК 19.

Цепь замыкается (горит индикатор), когда переключатель B находится в положении 0, а переключатель A находится в положении 1. Свет никогда не загорится, если переключатель A или переключатель B находятся в одном и том же положении (1, 1 или 0, 0).

Можно сказать по-другому: либо 1, либо 0, но не оба сразу. Теперь поговорим о воротах EX-NOR.

Ворота EX-NOR

Как вы можете видеть на Рис. 20c , свет будет включаться только тогда, когда переключатель A и переключатель B находятся в положении 1 или 0.

РИСУНОК 20.

Другими словами, у вас есть выход (индикатор горит), когда «оба» переключателя A и переключатель B находятся в одном положении, но не когда A и B равны 1, 0 или 0, 1.

Можно сказать так: и то и другое, но не то или другое, или .

Вентили EX-OR и EX-NOR широко используются в цифровых схемах. Одно из применений EX-NOR, которое довольно часто используется в коммуникациях, — это проверка равенства двух двоичных чисел.

Помните, мы можем преобразовать двоичные числа в десятичные и с помощью логических элементов EX-NOR сравнивать два десятичных числа, сравнивая их двоичный эквивалент.

Например, если нам нужно сравнить два двоичных числа, таких как 10 и 01, чтобы убедиться, что они равны, мы могли бы использовать схему затвора EX-NOR на , рис. 21, .

РИСУНОК 21.

Двоичные 1, 0 и 0, 1, представленные на входах обоих вентилей EX-NOR, создают 0 на выходе логического элемента AND. Следовательно, 1, 0 и 0, 1 не равны двоичным числам.

Теперь попробуйте 1, 0 и 1, 0 на входах обоих вентилей EX-NOR. Выходной сигнал логического элемента И будет равен 1, тем самым сигнализируя, что оба двоичных числа равны.

Ну вот и все. Надеюсь, вам понравилось узнавать о цифровом мире. NV

Счетчики

в цифровой логике — GeeksforGeeks

Согласно Википедии, в цифровой логике и вычислениях счетчик C — это устройство, которое хранит (и иногда отображает) количество раз, когда происходило конкретное событие или процесс, часто в отношение к тактовому сигналу. Счетчики используются в цифровой электронике для подсчета, они могут подсчитывать конкретные события, происходящие в цепи. Например, в счетчике UP счетчик увеличивает счет для каждого нарастающего фронта тактового сигнала.Не только счет, счетчик может следовать определенной последовательности, основанной на нашем дизайне, как любая случайная последовательность 0,1,3,2…. Они также могут быть созданы с помощью триггеров.

Классификация счетчиков

Счетчики в целом делятся на две категории

1. Асинхронный счетчик
2. Синхронный счетчик

1. Асинхронный счетчик

В асинхронных счетчиках мы не используем универсальные часы. только первый триггер управляется основными часами, а вход тактового сигнала остальных следующих триггеров управляется выходом предыдущих триггеров.Мы можем понять это по следующей диаграмме:

Из временной диаграммы видно, что Q0 изменяется, как только встречается передний фронт тактового импульса, Q1 изменяется, когда встречается передний фронт Q0 (потому что Q0 подобен тактовому импульсу. для второго шлепанца) и так далее. Таким образом, пульсации генерируются через Q0, Q1, Q2, Q3, поэтому его также называют счетчиком RIPPLE.

2. Синхронный счетчик

В отличие от асинхронного счетчика, синхронный счетчик имеет один глобальный тактовый сигнал, который управляет каждым триггером, поэтому выход изменяется параллельно.Одним из преимуществ синхронного счетчика перед асинхронным счетчиком является то, что он может работать на более высокой частоте, чем асинхронный счетчик, поскольку он не имеет кумулятивной задержки из-за того, что одинаковые часы даны каждому триггеру.

Схема синхронного счетчика

Временная диаграмма синхронного счетчика

Из принципиальной схемы видно, что бит Q0 отвечает на каждый спад тактового сигнала, в то время как Q1 зависит от Q0, Q2 зависит от Q1 и Q0, Q3 зависит от Q2, Q1 и Q0.

Десятилетний счетчик

Десятилетний счетчик считает десять различных состояний, а затем сбрасывается в исходное состояние. Простой счетчик декад будет считать от 0 до 9, но мы также можем сделать счетчики декад, которые могут проходить через любые десять состояний от 0 до 15 (для 4-битного счетчика).

Таблица истинности для простого счетчика декад

Схема цепи декадного счетчика

, которую мы видим использовали вентиль nand для Q3 и Q1 и подавали его для очистки входной строки, потому что двоичное представление 10 —

1010

И мы видим, что Q3 и Q1 здесь равны 1, если мы дадим NAND этих двух битов для очистки входа, тогда счетчик будет будьте ясны в 10 и снова начните с начала.

Важный момент : Количество триггеров, используемых в счетчике, всегда больше, чем равно ( log ₂ n ), где n = количество состояний в счетчике.

Некоторые предыдущие годы контрольные вопросы по счетчикам

Q1. Рассмотрим частичную реализацию 2-битного счетчика с использованием T триггеров, следующих в последовательности 0-2-3-1-0, как показано ниже

Для завершения схемы вход X должен быть

(A) Q2?
(B) Q2 + Q1
(C) (Q1? Q2) ’
(D) Q1? Q2 (GATE-CS-2004)

Решение:

Из схемы мы видим

T1 = XQ1 ‘+ X’Q1 —- (1)

AND

T2 = (Q2? Q1)’ — — (2)

И ЖЕЛАТЕЛЬНЫЙ ВЫХОД 00-> 10-> 11-> 01-> 00

SO X ДОЛЖЕН БЫТЬ Q1Q2 ‘+ Q1’Q2 УДОВЛЕТВОРЕНИЕ 1 И 2.

SO ANS IS (D) ЧАСТЬ.

2 кв. Функции управляющего сигнала 4-битного двоичного счетчика приведены ниже (где X означает «безразлично»).
Счетчик подключается следующим образом:

Предположим, что задержки счетчика и затвора незначительны. . Если счетчик начинается с 0, он проходит следующую последовательность:

(A) 0,3,4

(B) 0,3,4,5

(C) 0, 1,2,3,4

(D) 0,1,2,3,4,5 (GATE-CS-2007)

Решение:

Первоначально A1 A2 A3 A4 = 0000

Clr = A1 и A3

Итак, когда A1 и A3 оба равны 1, он снова переходит к 0000

Следовательно, 0000 (init.) -> 0001 (A1 и A3 = 0) -> 0010 (A1 и A3 = 0) -> 0011 (A1 и A3 = 0) -> 0100 ( A1 и A3 = 1 ) [четкое условие выполнено] -> 0000 (начальный), поэтому он проходит через 0-> 1-> 2-> 3-> 4

Ans является (C) частью.

Викторина по цифровой логике

Статья предоставлена ​​Ануджем Батамом, Пожалуйста, напишите комментарии, если вы обнаружите что-то неправильное, или если вы хотите поделиться дополнительной информацией по теме, обсужденной выше

Внимание читатель! Не прекращайте учиться сейчас.Получите все важные концепции теории CS для собеседований SDE с помощью курса CS Theory Course по приемлемой для студентов цене и подготовьтесь к работе в отрасли.

Мультиплексоры в цифровой логике — GeeksforGeeks

Это комбинационная схема, которая имеет много входов данных и один выход в зависимости от управления или выбора входов. Для N входных линий, log n (base2) строк выбора, или мы можем сказать что для 2 ⁿ входных строк требуется n строк выбора.Мультиплексоры также известны как «Селектор данных n, параллельный последовательный преобразователь, схема« многие в одну », универсальная логическая схема» . Мультиплексоры в основном используются для увеличения объема данных, которые могут быть отправлены по сети за определенное время и определенную полосу пропускания.

Теперь реализация мультиплексора 4: 1 с использованием таблицы истинности и вентилей.

Мультиплексор может действовать как универсальная комбинационная схема.Все стандартные логические элементы могут быть реализованы с помощью мультиплексоров.

a) Реализация шлюза NOT с использованием 2: 1 Mux

NOT Gate:

Мы можем проанализировать его
Y = x’.1 + x.0 = x ‘
It НЕ является шлюзом, использующим 2: 1 MUX.
Реализация логического элемента НЕ выполняется с использованием «n» строк выбора. Это не может быть реализовано с использованием строк выбора «n-1». Только вентиль НЕ может быть реализован с использованием строк выбора «n-1».

b) Реализация логического элемента AND с использованием 2: 1 Mux

AND GATE

Эта реализация выполняется с использованием строк выбора «n-1».

c) Реализация логического элемента ИЛИ с использованием мультиплексора 2: 1 с использованием линий выбора n-1.

OR GATE

Реализация вентилей NAND, NOR, XOR и XNOR требует двух 2: 1 Mux.Первый мультиплексор будет действовать как вентиль НЕ, который будет обеспечивать дополнительный вход для второго мультиплексора.

d) Реализация шлюза NAND с использованием 2: 1 Mux

NAND GATE

e) Реализация шлюза NOR с использованием 2: 1 Mux

03 NOR GATE

03 NOR GATE

f) Реализация шлюза EX-OR с использованием 2: 1 Mux

EX-OR GATE

g) Реализация шлюза EX-NOR с использованием 2: 1 Mux

EX-NOR GATE

Реализация MUX более высокого порядка с использованием MUX более низкого порядка

a) 4: 1 MUX с использованием 2: 1 MUX

Три ( 3) 2: 1 MUX необходимы для реализации 4: 1 MUX.n — 1) 2: 1 MUX.

b) 16: 1 MUX с использованием 4: 1 MUX

Как правило, для реализации B: 1 MUX с использованием A: 1 MUX используется одна формула для реализации того же.
B / A = K1,
K1 / A = K2,
K2 / A = K3

………………

K _N-1 / A = K _N = 1 (пока не получим 1 количество MUX).

Затем сложите все числа мультиплексоров = K1 + K2 + K3 +…. + К _№ .
Например: для реализации мультиплексора 64: 1 с использованием мультиплексора 4: 1
Используя приведенную выше формулу, мы можем получить то же самое.
64/4 = 16
16/4 = 4
4/4 = 1 (пока мы не получим 1 количество MUX)
Следовательно, общее количество 4: 1 MUX требуется для реализации 64: 1 MUX = 16 + 4 + 1 = 21.

Пример реализации логической функции, если минимальные и неважные термины заданы с использованием MUX.
f (A, B, C) = Σ (1, 2, 3, 5, 6) с безразличием (7) с использованием мультиплексора 4: 1 с использованием как
a) AB в качестве выбора : расширение minterms в свою логическую форму и увидит его значение 0 или 1 на C-м месте, чтобы их можно было разместить таким образом.

b) AC как select : расширение minterms до его логической формы и увидит его значение 0 или 1 на B-м месте, чтобы их можно было разместить таким образом.

c) BC as select : расширение minterms до его логической формы, и его значение 0 или 1 будет отображаться в позиции A ^th , чтобы их можно было разместить таким образом.

Автор этой статьи — Sumouli Choudhury.

Вниманию читателя! Не прекращайте учиться сейчас. Изучите все концепции GATE CS с бесплатными живыми классами на нашем канале YouTube.

Основы цифровых технологий

Основы цифровых технологий

Программа курса для магистров

CETT 1425 — Основы цифровых технологий

возврат

Международная конференция по основам цифровой электроники (ICFDE)

1. Конференции
2. Основы цифровой электроники

Конференция по основам цифровой электроники призвана собрать вместе ведущих академических ученых, исследователей и ученых-исследователей, чтобы обменяться и поделиться своими
опыт и результаты исследований по всем аспектам конференции «Основы цифровой электроники».Он также предоставляет ведущую междисциплинарную платформу для исследователей, практиков и преподавателей, чтобы представить и обсудить самые последние инновации,
тенденции и проблемы, а также встретившиеся практические проблемы и решения, принятые в областях Основы цифровой электроники.

Ближайшие события

Март 2022 года в Лондоне

• Код события: 22UK03ICFDE
• Подача аннотации / полнотекстовой статьи: 15 июня 2021 г.
• Уведомление о принятии / отклонении: 30 июня 2021 г.
• Заключительный доклад и ранняя регистрация: 14 февраля 2022 г.
• Дата конференции: 15-16 марта 2022 г.

Март 2022 года в Мадриде

• Код события: 22ES03ICFDE
• Подача аннотации / полнотекстовой статьи: 15 июня 2021 г.
• Уведомление о принятии / отклонении: 30 июня 2021 г.
• Заключительный доклад и ранняя регистрация: 26 февраля 2022 г.
• Дата конференции: 25-26 марта 2022 г.

Март 2023 года в Лондоне

• Код события: 23UK03ICFDE
• Подача аннотации / полнотекстовой статьи: 13 февраля 2022 г.
• Уведомление о принятии / отклонении: 27 февраля 2022 г.
• Заключительный доклад и ранняя регистрация: 14 февраля 2023 г.
• Дата конференции: 15-16 марта 2023 г.

Март 2023 года в Мадриде

• Код события: 23ES03ICFDE
• Подача аннотации / полнотекстовой статьи: 13 февраля 2022 г.