Рис. 7.4.Логический элемент И:
а) условное графическое обозначение; б) его электрический аналог; в) временные диаграммы электрических процессов; г) таблица состояний (истинности) элемента
Разобраться в логике действия логического элемента И поможет его электрический аналог (рис. 7.4, б), составленный из последовательно соединенных источника питания GB1 (например, батареи 3336), кнопочных переключателей SB1, SB2 любой конструкции и лампы накаливания HL1 (МН3,5–0,26). Переключатели имитируют электрические сигналы на входе аналога, а нить лампы индицирует уровень сигнала на выходе. Разомкнутое состояние контактов переключателей соответствует напряжению низкого уровня, замкнутое - высокого уровня. Пока контакты кнопок не замкнуты (на обоих входах элемента напряжение низкого уровня), электрическая цепь аналога разомкнута и лампа, естественно, не светит.
На рис. 7.4, в изображены временные диаграммы электрических процессов, дающих достоверное представление о работе логического элемента И. На входе X1 сигнал появляется первым. Как только такой же сигнал появляется и на входе Х2, тут же появляется и сигнал на выходе Y, который существует до тех пор, пока на обоих входах имеются сигналы, соответствующие напряжению высокого уровня.
О состоянии и логической связи между входными и выходными сигналами элемента И дает представление так называемая таблица состояний (истинности) (рис. 7.4, г), напоминающая таблицу умножения. Глядя на нее, можно сказать, что сигнал высокого уровня на выходе элемента будет лишь тогда, когда сигналы такого же уровня появятся на обоих его входах. Во всех других случаях на выходе элемента будет напряжение низкого уровня, т. е. соответствующее логическому нулю.
Для микросхем серии К155 и других микросхем напряжение от 0 до 0,4 В, т. е. соответствующее уровню логического 0, называют напряжением низкого уровня, а напряжение более 2,4 В, соответствующее уровню логической 1, - напряжением высокого уровня.
Условный символ логического элемента ИЛИ - цифра 1 внутри прямоугольника (рис. 7.5, а). У этого элемента, как и у элемента И, могут быть два и больше входов. Сигнал на выходе Y, соответствующий напряжению высокого уровня, появляется при подаче такого же сигнала на вход X1 или на вход Х2, или одновременно на оба входа. Чтобы убедиться в этом, проведите опыт с его электрическим аналогом (рис. 7.5, б).
Лампа накаливания HL1 на выходе аналога будет светить всякий раз, когда окажутся замкнутыми контакты кнопки SB1 или SB2, или одновременно обеих (всех) кнопок. Лучше понять работу элемента ИЛИ помогут временная диаграмма его работы (рис. 7.5, в) и таблица состояний (истинности) (рис. 7.5, г).
Рис. 7.5.Логический элемент ИЛИ:
а) условное графическое обозначение; б) его электрический аналог; в) временные диаграммы электрических процессов; г) таблица состояний (истинности) элемента.
Условный символ логического элемента НЕ - тоже цифра 1 в прямоугольнике (рис. 7.6, а). Но у него один вход и один выход. Небольшой кружок на пересечении прямоугольника и линии выходного сигнала символизирует логическое отрицание на выходе элемента. Физически элемент НЕ представляет собой инвертор - электронное устройство, выходной сигнал которого противоположен входному. Т. е. если на входе элемента действует сигнал низкого уровня, то на его выходе имеется сигнал высокого уровня, и наоборот. Электрический аналог элемента НЕ можно собрать по схеме, представленной на рис. 7.6, б. При наличии на входе сигнала высокого уровня (кнопка SB1 нажата, срабатывает реле К1, размыкаются его контакты К1.1) на выходе элемента имеется сигнал низкого уровня (лампочка не светит). Лучше понять работу элемента НЕ помогут временная диаграмма его работы (рис. 7.6, в) и таблица состояний (рис. 7.6, г).
Рис. 7.6.Логический элемент НЕ:
а) условное графическое обозначение; б) его электрический аналог; в) временные диаграммы электрических процессов; г) таблица состояний (истинности) элемента
Любая сколь угодно сложная логическая функция может быть реализована на наборе логических элементов И, ИЛИ, НЕ.
Помимо рассмотренных логических элементов на практике широко применяют комбинированные элементы, реализующие две (и более) логические операции, например, элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
Рассмотрим более подробно логический элемент И-НЕ. Он представляет собой комбинацию элементов И и НЕ, поэтому на его графическом обозначении (рис. 7.7, а) есть знак "("и кружок на линии выходного сигнала, символизирующий логическое отрицание. Выход один, а входов два или больше. Его электрический аналог изображен на рис. 7.7, б. Когда на входе элемента имеется сигнал высокого уровня - логическая единица (обе кнопки нажаты, реле К1 срабатывает, его контакты К1.1 размыкаются), то на выходе имеется сигнал низкого уровня, - логический ноль (лампочка не светит). Если на входе элемента имеется лишь один сигнал высокого уровня (нажата лишь одна какая-либо кнопка, реле не срабатывает и его контакты К1.1 замкнуты), то на выходе имеется сигнал высокого уровня (лампа светит). Такой вывод подтверждается временной диаграммой и таблицей состояния, показанными на рис. 7.7, в, г.
Рис. 7.7.Логический элемент И-НЕ:
а) условное графическое обозначение; б) его электрический аналог; в) временные диаграммы электрических процессов; г) таблица состояний (истинности) элемента
Если входы элемента И-НЕ соединить вместе и подать на них сигнал высокого уровня (на электрическом аналоге - обе кнопки заменить одной), на выходе элемента будет сигнал низкого уровня. И наоборот, при подаче на объединенный вход сигнала низкого уровня, на выходе элемента будет сигнал высокого уровня.
В этом случае элемент И-НЕ становится инвертором, т. е. логическим элементом НЕ.
Это свойство элемента И-НЕ очень широко используется в приборах и устройствах цифровой техники.
Аналогично можно рассмотреть работу и логического элемента ИЛИ-НЕ.
Однако в составе серий цифровых микросхем имеют более широкое распространение элементы И-НЕ и ИЛИ-HE (нежели элементы И, ИЛИ, НЕ), а также более сложные логические элементы И-ИЛИ-НЕ. На основе любого из этих элементов можно реализовать любую элементарную функцию И, ИЛИ, НЕ. На рис. 7.8 показана реализация функций И, ИЛИ, НЕ с помощью логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Рис. 7.8.Реализация функций И, ИЛИ, НЕ с помощью логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ
7.2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ С МИКРОСХЕМОЙ К155ЛАЗ
Микросхема K155ЛA3 находит широкое применение в практике радиолюбителя. С нее и начнем знакомство.
Внешний вид и УГО этой микросхемы показаны на рис. 7.9.