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.

Двоичное число: нажимайте на биты

Логические элементы

&И1ИЛИ1НЕ&И-НЕ1ИЛИ-НЕ=1Искл. ИЛИ
Обозначения логических элементов по ГОСТ: кружок на выходе — инверсия

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.

Логический элемент и таблица истинности

Логика из диодов

VD1VD210 кОмABQ
Диодное ИЛИ (рис. 1.83): любой вход в «1» — на выходе «1»

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).

  1. Питание: вывод 14 — +5 В, вывод 7 — земля. Входы элемента — выводы 1 и 2, выход — 3.
  2. Каждый вход — подтяжка 10 кОм к земле и кнопка к +5 В. Светодиод на выходе.
  3. Проверьте таблицу И-НЕ: светодиод гаснет только когда нажаты обе кнопки.
  4. 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?

2. A = 1, B = 1. Что на выходе Исключающего ИЛИ?

3. Двоичное 1010 — это…

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.