Схемотехника · урок 16 из 18
Логика: нули, единицы и вентили
Цифровая схема думает двумя уровнями напряжения. Шесть логических элементов — и можно построить компьютер.
В цифровой электронике напряжение означает одно из двух: 0 (низкий уровень, близко к земле) или 1 (высокий, близко к питанию). Всё, что между, — «запрещённая зона». Для КМОП-логики на 5 В: ниже 1,5 В — ноль, выше 3,5 В — единица. Так шум до вольта ничего не портит — в этом сила цифры.
Двоичные числа
Восемь проводов-битов дают 256 комбинаций — один байт. Каждый разряд «весит» вдвое больше соседа справа.
Логические элементы
И — единица, только если на всех входах единицы. ИЛИ — если хоть на одном. НЕ — наоборот. Исключающее ИЛИ — если входы разные (так складывают биты). Любопытный факт: из одних только И-НЕ можно собрать любую логическую схему.
Логика из диодов
Так логика и начиналась. Сегодня это микросхемы серии 74HC (4 элемента в корпусе), а чаще — одна строчка кода в микроконтроллере.
Опыт на макетной плате
Нужно: микросхема 74HC00 (четыре И-НЕ), две кнопки, резисторы 10 кОм, светодиод с 330 Ом, 5 В (USB-модуль или 3 × АА).
- Питание: вывод 14 — +5 В, вывод 7 — земля. Входы элемента — выводы 1 и 2, выход — 3.
- Каждый вход — подтяжка 10 кОм к земле и кнопка к +5 В. Светодиод на выходе.
- Проверьте таблицу И-НЕ: светодиод гаснет только когда нажаты обе кнопки.
- Соедините входы второго элемента вместе — получился НЕ.
Не оставляйте входы КМОП-микросхем «в воздухе»: они ловят наводки, и схема ведёт себя случайно. Всегда подтяжка к земле или питанию.
Проверьте себя
1. A = 1, B = 0. Что на выходе И?
И даёт 1, только если все входы 1.
2. A = 1, B = 1. Что на выходе Исключающего ИЛИ?
Входы одинаковые — ноль.
3. Двоичное 1010 — это…
8 + 2 = 10.
4. Почему нельзя оставлять вход КМОП свободным?
По книге: П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники» (М.: БИНОМ, 2014), гл. 8, с. 495–529. Текст урока — пересказ, схемы перерисованы.