Вовед во електроника 8 - логички кола

[Devil]

Основни, базични градбени елементи во дигиталната електроника се логичките кола (порти).
Но, како прво, што е дигитална електроника? Тоа е начин на работа на електрониката (електронските склопови) во која што постојат две состојби или две напонски нивоа, нула (0) и единица (1). Најчесто нула на некој излез или влез значи напон од 0V додека единица (1) значи напон од 5V. Сепак може да има и варијации како на пример напони под 1V да се сметаат како нула (наречена логичка нула) а напони над 3V како единица (наречена логичка единица).

Логичките кола се сместени во интегрирани кола изработени со помош на активни и пасивни компоненти (транзистори и отпорници) и се дизајнирани така да може да се примени математичката теорија наречена булова алгебра (boolean algebra). Интегрираните кола кои во себе содржат логички кола најчесто содржат две, четири или шест кола (порти) за поефикасно искористување на просторот. Најпопуларни серии од овие кола се 74хх серијата и 40xx серијата. Еве еден пример за вакво коло (поточно колото CD4011) и што тоа содржи во него:

 

Постојат повеќе видови на логички кола (порти) од кои најкористени и најчесто сретнувани се следните:

Основни логички кола (базични):

• И (AND)
• ИЛИ (OR)
• НЕ (NOT) (инвертор)

Изведени логички кола:

• НИ (NOR)
• НИЛИ (NAND)

Специјални логички кола:

• ЕКСИЛИ (XOR)
• ЕКСНИЛИ (XNOR)

Помошни логички кола:

• Бафер
• Шмитов тригер

[BorceBT]

Да почнеме со опис и функционалноста на секое од овие кола:

И коло

Шематскиот приказ на И колото е следен:



И колото има два влеза и еден излез и работи на тој начин што само доколку на првиот влез И вториот влез има логичка единица (напонско ниво) тогаш на неговиот излез дава единица. Во сите други случаи дава нула на излез. Во буловата алгебра ова се смета за логичко множење и се дефинира со равенката Y=A*B

ИЛИ коло

Шематскиот приказ на ИЛИ колото е следен:



ИЛИ колото има два влеза и еден излез и работи на тој начин што доколку на првиот влез ИЛИ на вториот влез има логичка единица (напонско ниво) тогаш на неговиот излез дава единица. Само ако на двата влеза има нула на излез дава нула. Во буловата алгебра ова се смета за логичко собирање и се дефинира со равенката Y=A+B

НЕ коло

Шематскиот приказ на НЕ колото е следен:



НЕ колото има еден влез и еден излез и работи на тој начин што на излез дава логичка состојба која е спротивна од таа на влезот, значи за единица на влез дава нула на излез и обратно. Исто така ова коло се вика и инвертор. Во буловата алгебра ова се смета за логички комплемент и се дефинира со равенката Y=A^

НИ коло

Шематскиот приказ на НИ колото е следен:



НИ колото работи слично со И колото со тоа што на неговиот излез има инвертор (НЕ коло). Со ова добиваме коло кое работи на следниот начин: доколку на првиот влез И на вториот влез има логичка единица (напонско ниво) тогаш на неговиот излез дава нула. Во секој друг случај на излез дава единица. Во буловата алгебра ова се смета за комплементарно множење и се дефинира со равенката Y=A^*B^ или Y=(A+B)^

НИЛИ коло

Шематскиот приказ на НИЛИ колото е следен:



НИЛИ колото работи слично со ИЛИ колото со тоа што на неговиот излез има инвертор (НЕ коло). Со ова добиваме коло кое работи на следниот начин: доколку на првиот влез ИЛИ на вториот влез има логичка единица (напонско ниво) тогаш на неговиот излез дава нула. Само ако на двата влеза има нула на излез дава единица. Во буловата алгебра ова се смета за комплементарно собирање и се дефинира со равенката Y=A^+B^ или Y=(A*B)^

ЕКСИЛИ коло

Шематскиот приказ на EКСИЛИ колото е следен:



ЕКСИЛИ колото работи слично со ИЛИ колото, значи ако на првиот влез ИЛИ на вториот влез има единица тогаш на излез има единица со една разлика што ако и на двата влеза има единица колото на излез дава нула. Ова коло се вика ексклузивно ИЛИ коло или ЕКСИЛИ поради ова особина да ја менува состојбата ако и двата влеза се единици. Во буловата алгебра ова се смета за ексклузивно собирање и се дефинира со равенката Y=A⊕B

ЕКСНИЛИ коло

Шематскиот приказ на ЕКСНИЛИ колото е следен:



ЕКСНИЛИ колото работи слично со НИЛИ колото, значи ако на првиот влез ИЛИ на вториот влез има единица тогаш на излез има нула со една разлика што ако и на двата влеза има единица колото на излез дава единица. Ова коло се вика ексклузивно НИЛИ коло или ЕКСНИЛИ поради ова особина да ја менува состојбата ако и двата влеза се единици. Во буловата алгебра ова се смета за комплементирано ексклузивно собирање и се дефинира со равенката Y=(A⊕B)^

Бафер

Шематскиот приказ на бафер колото е следен:



Бафер колото има еден влез и еден излез и работи на тој начин што на излез ја дава истата логичка состојба која е на влезот, значи за единица на влез дава единица на излез и обратно. Ова коло се користи за засилување на излезот на некое логичко коло да може да биде приклучено на повеќе влезови одеднаш. Ова не значи дека едно логичко коло неможе да се приклучи на десетина влезови сепак многу пати е битна самата брзина на размена на овие состојби и секое логичко коло ја губи својата брзина доколку се приклучат премногу влезови од логички порти на неговиот излез (заради капацитивноста на влезовите) и во тој случај баферот е тој што ни го решава овој проблем. Во буловата алгебра ова коло се смета за логички следбеник и се дефинира со равенката Y=A

Шмитов тригер

Шематскиот приказ на шмитовиот тригер е следен:



Шмитовиот тригер има еден влез и еден излез и работи на тој начин што на излез ја дава логичката состојба која е на влезот, значи за единица на влез дава единица на излез и обратно. Значи ова коло работи слично со бафер колото со една разлика што ова коло има вградена хистереза. Што значи тоа, значи дека за да ја промени состојбата му треба малку поголем напон отколку што му била потребна за да биде во таа состојба. Практично кажано шмитовиот тригер му треба повеќе од 3 волти за да даде единица на излез но за да даде нула напонот на влезот треба да падне под 1 волт а во меѓувреме ја задржува својата состојба на излез. Иако навидум непотребно ова коло многу се користи во склопови каде се јавуваат меѓусостојби на напонот а треба точно да се знае кога треба да е единица а кога да е нула. Во буловата алгебра ова коло се смета за исто како бафер колото (следбеник) и се дефинира со равенката Y=A

Овде треба да се напомене и дека постои инвертиран шмитов тригер што во суштина е НЕ коло со вградена хистереза. Шематскиот симбол е сличен со кругче на излезот што означува дека излезот е инвертиран. Во буловата алгебра ова коло се смета за исто како НЕ колото (комплемент) и се дефинира со равенката Y=A^

[BorceBT]

Освен логичките кола во дигиталната електроника се користат и таканаречени секвенцијални (мемориски) компоненти. Овие секвенцијални елементи се познати под името флип-флопови.

Флип-флоповите се кола коишто служат за помнење на претходната логичка состојба. Со овие кола може да се запомне една логичка состојба, нула или единица (еден бит). Постојат повеќе типови на флип-флопови од кои најчесто користени се четири типа:

• SR флип-флоп
• ЈК флип-флоп
• D флип-флоп
• T флип-флоп

Да почнеме со опис и функционалноста на секое од овие кола:

SR флип-флоп

Шематскиот приказ на SR флип-флопот е следен:



SR флип-флопот го добил името од своите влезови, S и R или Set и Reset. Работи на следниот начин, има два влеза и два излеза. Влезовите се: за "сетирање" (Set) и ресетирање (Reset). Излезите се во суштина комплементарни што значи дека излезот Q е неинвертиран а излезот Q^ е инвертиран. Со ставање на влезот S на логичка единица флип-флопот ја запамтува таа единица и на излезот Q држи единица (нормално на излезот Q^ е нула бидејќи е комплементиран (инвертиран)). Флип-флопот ја чува оваа состојба се додека на влезот R не се донесе единица со што излезот Q станува нула (Флип-флопот се ресетира). Овде треба да се напомене дека не е дозволено да се донесе логичка единица на S и на R истовремено бидејќи неможе да се гарантира што ќе се случи со состојбата на излез.

Постои и таканаречен инвертиран SR флип-флоп кај кој влезовите се инвертирани, што значи дека работи на истиот принцип но за сетирање треба да донесете нула на S а за ресетирање нула на R. Шематскиот симбол на овој инвертиран SR флип-флоп е следен:



JK флип флоп

Шематскиот приказ на JK флип-флопот е следен:



ЈК флип флопот е универзален и иако посложен може да се поврзе да ги замени сите останати типови на флип-флопови но е со повисока цена. Може да се користи исто како SR флип-флоп при што влезот J станува влез S и влезот K станува влез R. Дополнително, овој флип флоп нема забранета состојба, што значи дека ако се донесе единица на двата влеза истовремено овој флип-флоп ќе ја промени својата состојба на излезот, значи ако било нула ќе стане единица и обратно. Исто така некои од овие флип-флопови содржат и таканаречен трет влез за такт (го има на симболот) што значи тие ги игнориаат влезовите се додека не добијат промена на влезот за такт (clock) со што ги прави синхрони и со ова можат заедно да се поврзат повеќе флип-флопови во секвенцијална мрежа.

D флип флоп

Шематскиот приказ на D флип-флопот е следен:



D флип-флопот го добива своето има според својата функција како Data флип-флоп или Delay флип-флоп. Овој флип-флоп е со такт (clock) влез и работи на начин што кога ќе има промена на такт влезот ја пресликува состојбата на неговиот Data влез (D) на излезот Q. Ова се користи за да се направи секвенцијална мрежа - меморија за чување на некој податок и се користат повеќе флип-флопови во зависност од тоа колку битови сакаме за зачуваме одеднаш. Исто така многу често овие флип-флопови доаѓаат и со влезови S и R (како на симболот) за да може надворешно впишување или бришење на "меморијата".

Т флип флоп

Шематскиот приказ на Т флип-флопот е следен:



Т флип-флопот работи на следниот начин: Доколку неговиот Т влез е единица и на такт влезот (долниот) ја промениме состојбата од нула во еден излезот ја менува неговата состојба (од нула во еден или обратно) а доколку неговиот влез Т е нула такт влезот нема ефект и флип-флопот ја задржува неговата претходна состојба на излезот.

[BorceBT]

За да не е темата премногу обемна и детална за почетниците наредните логички единици составени од логички кола ќе бидат само спомнати заедно со нивната примена, а деталниот начин на работа и нивното користење нема да биде опишан.

Кола за реализација на аритметичко-логички функции:

Сите основни аритметички операции, па дури и диференцирањето и интегрирањето можат да се извршуваат со различни постапки на собирање од каде што произлегува фактот дека бинарните собирачи се од основно значење во дигиталните аритметички уреди.

1. Полу-собирач: Комбинација од логички кола која собира два бита но не го зема во предвид остатокот. Најпросто полу-собирач може да се направи вака:



2. Полн-собирач: Комбинација од логички кола која собира два бита заедно со остатокот и цифрата која прескокнува во наредната "десетка". Шемата за овој собирач е следната:



Прекинувачки матрици:

Прекинувачките матрици се сложени комбинациони мрежи, кај коишто прекинувачките елементи се подредени во редици и колони формирајќи матрични структури. Секоја од овие матрици функционира на различен начин, така што нив ги разликуваме по нивните функционални имиња:

1. Кодер: Со носење на единица на еден од засебните влезови се добива некој коден збор на излезите.

2. Декодер: Со носење на коден збор на влезот еден од засебните излези станува единица.

3. Мултиплексер (селектор): Состојбата на еден од засебните влезови е пропуштена на излезот во зависност од бит-комбинацијата на селекторот за влез.

4. Демултиплексер (дистрибутор): Состојбата на влезот е пропуштена на еден од засебните излези во зависност од бит-комбинацијата на селекторот за излез.

5. Програмабилни логички кола: Ваквите комбинациони мрежи имаат сложена матрична структура, а нивната најважна карактеристика е фактот што дава можност за програмирање на врските помеѓу прекинувачките елементи, т.е. за поврзување на прекинувачките елементи на начин којшто ќе биде зададен од страна на корисникот. Најпознати вакви структури се CPLD и FPGA чиповите.

6. Регистри: Ова се најчесто употребуваните елементи во дигиталните уреди, и тоа посебно во комбинација со аритметичко-логичките единици. Регистрите се составени од одреден број на флип-флопови. Секој бит од информацијата се помни во посебен флип-флоп, заради што регистрите припаѓаат во групата на секвенцијални мрежи. Постојат повеќе видови на регистри но најпознати се стационарните и поместувачките регистри. Во стационарните регистри привремено се меморира некој бинарен податок со ограничена должина додека во поместувачките регистри може да се врши поместување бит по бит на содржината на регистарот т.е. на податокот кој што се наоѓа во него и да оди на излез.

7. Бројачи: И бројачите спаѓаат во групата на секвенцијални мрежи, затоа што како основен градбен елемент употребуваат мемориски елемент, флип-флоп. Со секоја појава на импулсите на влезот од бројачот доаѓа до последователно менување на состојбата на бројачот. Постојат декадни и бинарни бројачи.

8. Мемории: Мемориите чуваат бинарни податоци во неизменет облик, така што по определен временски период тие податоци можат повторно да се користат. Меморијата може да се сфати како едно уредено множество на регистри, при што секој регистар претставува една мемориска локација во која може да се чува еден податок. Статичките мемории се поскапи и се изградени од флип-флопови додека динамичките мемории се поевтини и се направени од мосфет со кондензатор на неговиот гејт.

9. Дигитални кола за А/D И D/A конверзија: Трансформацијата, односно претворањето на аналогните напони во дигитални сигнали е функцијата на аналогно-дигиталниот (A/D) Конвертор. Овој конвертор од аналоген напон на влезот дава бинарен број на неговите излези. Инверзната постапка спаѓа во доменот на електронските кола кои што се викаат дигитално-аналогни (D/A) конвертори. На влез од D/A конверторoт доаѓа бинарен број, а на излез се добива се аналоген напон со одредена вредност.

Дополнителни информации:

Тростатички логички кола: Кај овие кола може на излез да се појави т.н. трета состојба, состојба на висока отпорност. Кога колото се наоѓа во оваа состојба, тогаш логичкото коло ниту дава ниту пак троши струја, исто како на излез да сме приклучиле бесконечно голем отпорник. Третата состојба се управува со нивото на додаден контролен влез најчесто наречен овозможи (Enable) влез.