Логические элементы

Логические элементы используют в качестве значений входных и выходных напряжений лишь два уровня: высокий и низкий. Если логическому «0» соответствует напряжение низкого уровня, а логической «1» – высокого, то такую логику называют положительной, и наоборот, если за логический «0» принимают напряжение высокого уровня, а за логическую «1» – напряжение низкого уровня, то такую логику называют отрицательной. В транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ) напряжение логического «0» U⁰ со­став­ляет десятые доли вольт (менее 0,4 В), а напряжение логической «1» U¹ > 2,4 В. Логические элементы реализуют простейшие функции или систему функций алгебры логики.

Простейшей функцией алгебры логики является функция НЕ. Она реализуется с помощью инвертора, условное графическое обозначение которого приведено на рис. 5.1. На вход инвертора подается величина X, которая может принимать два значения: «0» и «1». Выходная величина Y при этом тоже принимает два значения: «1» и «0». Взаимно однозначное соответствие X и Y дается таблицей истинности (табл. 5.1), причем значение выходной величины Y зависит не от предыдущих значений, а лишь от текущего значения входной величины X: Y = .

Это справедли­во для всех логических элементов, не имеющих памяти, у кото­рых в таблице истинности значение Y не зависит от порядка строк.

 

Таблица 5.1 Таблица истинности инвертора

 

 

Рис. 5.1. Условные обозначения

инвертора

 

Логическими элементами, реализующими функции логиче­ского сложения и логического умножения, являются элементы ИЛИ и И. Таблицы истинности для этих элементов однозначно связывают значение выходной величины Y со значениями двух (или более) входных величин х_l, х₂,... x_n. Условные графические обозначения (УГО) логических эле­ментов ИЛИ и И приведены соответственно на рис. 5.2 и 5.3, а их таблицы истинности – это таблицы 5.2 и 5.3. Например, для логи­ческого элемента 2–ИЛИ, реализую­щего дизъюнкцию, Y = х_l + х₂ или Y = х_l Ú х₂, а для элемента 2–И, реализую­щего конъюнкцию, Y = х_l × х₂ или Y = х_l Ù х₂.

На наборе логиче­ских элементов И, ИЛИ, НЕ можно реализовать любую сложную логи­ческую функцию, поэ­тому данный набор элемен­тов на­зывают функциональ­но пол­ным.

Таблица 5.2 Таблица истинности элемента 2–ИЛИ

 

 

Рис. 5.2. УГО элемента 2–ИЛИ

 

 

Таблица 5.3 Таблица истинности элемента 2–И

 

 

 

Рис. 5.3. УГО элемента 2–И

 

На практике часто используется расширенный набор логических элементов, позволяющих также составлять функционально полные системы. К ним относятся элементы:

Таблица 5.4 Таблица истинности элемента 2–ИЛИ–НЕ и 2–И–НЕ

– ИЛИ–НЕ (элемент Пирса), реализующий функцию ;

– И–НЕ (элемент Шеффера), реализующий функцию .

Их обозначения и таблицы истинности приведены на рис. 5.4 и в таблице 5.4.

В частности, функционально полные системы могут состоять из эле­мен­тов только одного типа, например реализующих функцию И–НЕ либо ИЛИ–НЕ.

Комбинационные логические цепи – это такие цепи, выходные сигналы которых однозначно определяются сигналами, присутствующими на их входах в рассматриваемый момент времени и не зависят от предыдущего состояния.

Набор логических элементов, входящих в состав учебного стенда по основам цифровой техники, не содержит элементов, реализующих функцию ИЛИ–НЕ, что ограничивает число вариантов построения логических схем при их синтезе и позволяет составлять схемы только в базисе элементов И–НЕ.

Прежде чем перейти к вопросам анализа и синтеза логических устройств в заданном базисе элементов (И–НЕ), необходимо составить таблицу, в которую будут сведены все возможные формы представления выходных сигналов указанных элементов при условии, что на их входы поданы логические переменные х_l и х₂. При синтезе схем можно использовать два технических приема: двойное инвертирование входного исходного выражения или его части и применение теорем де Моргана. При этом функция преобразуется к виду, содержащему только операции логического умножения и инверсии, и переписывается через условные обозначения операции И–НЕ и НЕ.

Последовательность проведения анализа и синтеза комбинационных логических цепей:

1. Составление таблицы функционирования логической цепи (таблицы истинности).

2. Запись логической функции.

3. Минимизация логической функции и преобразование ее к виду, удобному для реализации в заданном базисе логических элементов
(И–НЕ, НЕ).