Digitale signalen en poorten

Hoewel het binaire nummeringssysteem een ​​interessante wiskundige abstractie is, hebben we de praktische toepassing ervan op elektronica nog niet gezien. Dit hoofdstuk is daar precies aan gewijd:het concept van binaire bits praktisch toepassen op circuits.

Wat binaire nummering zo belangrijk maakt voor de toepassing van digitale elektronica, is het gemak waarmee bits in fysieke termen kunnen worden weergegeven. Omdat een binaire bit slechts één van twee verschillende waarden kan hebben, ofwel 0 of 1, kan elk fysiek medium dat kan schakelen tussen twee verzadigde toestanden worden gebruikt om een ​​bit weer te geven.

Bijgevolg kan elk fysiek systeem dat in staat is om binaire bits weer te geven, numerieke grootheden vertegenwoordigen en potentieel in staat zijn om die getallen te manipuleren. Dit is het basisconcept dat ten grondslag ligt aan digitaal computergebruik.

Binaire en elektronische circuits

Transistor binaire werking

Elektronische schakelingen zijn fysieke systemen die zich goed lenen voor de weergave van binaire getallen. Transistors kunnen, wanneer ze op hun voorspanningslimieten worden gebruikt, zich in een van twee verschillende toestanden bevinden:ofwel afgesneden (geen geregelde stroom) of verzadiging (maximale gecontroleerde stroom). Als een transistorcircuit is ontworpen om de kans te maximaliseren dat het in een van deze toestanden valt (en niet in de lineaire of actieve modus werkt), kan het dienen als een fysieke weergave van een binaire bit.

Transistoringang op "Hoog"

Een spanningssignaal gemeten aan de uitgang van een dergelijke schakeling kan ook dienen als een weergave van een enkele bit, een lage spanning die een binaire "0" vertegenwoordigt en een (relatief) hoge spanning die een binaire "1" vertegenwoordigt. Let op het volgende transistorcircuit:

In deze schakeling bevindt de transistor zich in een staat van verzadiging dankzij de aangelegde ingangsspanning (5 volt) via de tweestandenschakelaar. Omdat deze verzadigd is, laat de transistor zeer weinig spanning vallen tussen collector en emitter, wat resulteert in een uitgangsspanning van (praktisch) 0 volt.

Als we dit circuit zouden gebruiken om binaire bits weer te geven, zouden we zeggen dat het ingangssignaal een binaire "1" is en dat het uitgangssignaal een binaire "0" is. Elke spanning in de buurt van de volledige voedingsspanning (uiteraard gemeten ten opzichte van aarde) wordt als een "1" beschouwd en een gebrek aan spanning wordt als een "0" beschouwd.

Alternatieve termen voor deze spanningsniveaus zijn hoog (hetzelfde als een binaire "1") en laag (hetzelfde als een binaire "0"). Een algemene term voor de weergave van een binair bit door een circuitspanning is logica niveau.

Transistoringang op "Laag"

Als we de schakelaar naar de andere positie verplaatsen, passen we een binaire "0" toe op de ingang en ontvangen we een binaire "1" aan de uitgang:

Wat zijn logische poorten?

Wat we hier hebben gemaakt met een enkele transistor is een circuit dat algemeen bekend staat als een logische poort, of gewoon poort . Een poort is een speciaal type versterkercircuit dat is ontworpen om spanningssignalen te accepteren en te genereren die overeenkomen met binaire enen en nullen.

Als zodanig zijn poorten niet bedoeld om te worden gebruikt voor het versterken van analoge signalen (spanningssignalen tussen 0 en volledige spanning). Samen gebruikt, kunnen meerdere poorten worden toegepast op de taak van opslag van binaire getallen (geheugencircuits) of manipulatie (computercircuits), waarbij de uitvoer van elke poort één bit van een multi-bit binair getal vertegenwoordigt.

Hoe dit precies wordt gedaan, is een onderwerp voor een later hoofdstuk. Op dit moment is het belangrijk om te focussen op de bediening van individuele poorten.

Omvormer of NIET-poort

De hier getoonde poort met de enkele transistor staat bekend als een inverter , of NOT-poort omdat het precies het tegenovergestelde digitale signaal uitvoert als wat wordt ingevoerd. Voor het gemak worden poortcircuits over het algemeen weergegeven door hun eigen symbolen in plaats van door hun samenstellende transistors en weerstanden. Het volgende is het symbool voor een omvormer:

Hier wordt een alternatief symbool voor een omvormer weergegeven:

NIET Schematisch Symbool Poort

Let op de driehoekige vorm van het poortsymbool, vergelijkbaar met die van een operationele versterker. Zoals eerder vermeld, zijn poortschakelingen eigenlijk versterkers.

De kleine cirkel of "bubbel" die op de ingangs- of uitgangsaansluiting wordt weergegeven, is standaard om de inversiefunctie weer te geven. Zoals je zou kunnen vermoeden, als we de bel van het poortsymbool zouden verwijderen en er alleen een driehoek overblijft, zou het resulterende symbool niet langer inversie aangeven, maar slechts directe versterking.

Zo'n symbool en zo'n poort bestaan ​​echt, en het heet een buffer , het onderwerp van de volgende sectie.

Net als een operationeel versterkersymbool worden ingangs- en uitgangsverbindingen weergegeven als enkele draden, waarbij het impliciete referentiepunt voor elk spanningssignaal "aarde" is. In digitale poortcircuits is aarde bijna altijd de negatieve aansluiting van een enkele spanningsbron (voeding).

Dubbele of "gesplitste" voedingen worden zelden gebruikt in poortschakelingen. Omdat poortcircuits versterkers zijn, hebben ze een stroombron nodig om te werken. Net als operationele versterkers worden de voedingsaansluitingen voor digitale poorten omwille van de eenvoud vaak weggelaten uit het symbool.

GEEN poort in circuits

Als we alles zouden laten zien de nodige aansluitingen die nodig zijn om deze poort te bedienen, zou het schema er ongeveer zo uit zien:

Voedingsgeleiders worden zelden weergegeven in schema's van poortschakelingen, zelfs als de voedingsaansluitingen bij elke poort dat wel zijn. Door lijnen in ons schema te minimaliseren, krijgen we dit:

"Vcc" staat voor de constante spanning die wordt geleverd aan de collector van een bipolaire junctietransistorschakeling, met betrekking tot aarde. Die punten in een poortcircuit gemarkeerd met het label "Vcc" zijn allemaal verbonden met hetzelfde punt, en dat punt is de positieve klem van een gelijkspanningsbron, meestal 5 volt.

Zoals we in andere secties van dit hoofdstuk zullen zien, zijn er nogal wat verschillende soorten logische poorten, waarvan de meeste meerdere ingangsaansluitingen hebben voor het accepteren van meer dan één signaal. De output van een poort is afhankelijk van de status van de input(s) en zijn logische functie.

Poortcircuitfuncties uitdrukken met waarheidstabellen

Een veelgebruikte manier om de specifieke functie van een poortcircuit uit te drukken, wordt een waarheidstabel genoemd. Waarheidstabellen tonen alle combinaties van ingangscondities in termen van logische niveautoestanden (ofwel "hoog" of "laag", "1" of "0", voor elke ingangsklem van de poort), samen met het corresponderende logische uitgangsniveau, ofwel "hoog of laag." Voor de zojuist geïllustreerde omvormer, of NIET, is de waarheidstabel inderdaad heel eenvoudig:

Waarheidstabellen voor complexere poorten zijn natuurlijk groter dan die voor de NIET-poort. De waarheidstabel van een gate moet zoveel rijen hebben als er mogelijkheden zijn voor unieke invoercombinaties.

Voor een poort met één invoer zoals de NIET-poort zijn er slechts twee mogelijkheden, 0 en 1. Voor een poort met twee invoer zijn er vier mogelijkheden (00, 01, 10 en 11), en dus vier rijen voor de corresponderende waarheid tafel.

Voor een poort met drie ingangen zijn er acht mogelijkheden (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 en 111) en dus is een waarheidstabel met acht rijen nodig. De wiskundigen zullen zich realiseren dat het aantal waarheidstabelrijen dat nodig is voor een poort gelijk is aan 2 verheven tot de macht van het aantal invoerterminals.

BEOORDELING:

• In digitale circuits worden binaire bitwaarden van 0 en 1 weergegeven door spanningssignalen die worden gemeten met betrekking tot een gemeenschappelijk circuitpunt dat aarde wordt genoemd. De afwezigheid van spanning vertegenwoordigt een binaire "0" en de aanwezigheid van volledige DC-voedingsspanning vertegenwoordigt een binaire "1".
• Een logische poort, of gewoon een poort, is een speciale vorm van een versterkerschakeling die is ontworpen om spanningen op logisch niveau in en uit te voeren (spanningen die bedoeld zijn om binaire bits weer te geven). Poortcircuits worden meestal in een schema weergegeven door hun eigen unieke symbolen in plaats van door hun samenstellende transistors en weerstanden.
• Net als bij operationele versterkers worden de voedingsaansluitingen naar poorten omwille van de eenvoud vaak weggelaten in schematische diagrammen.
• Een waarheidstabel is een standaardmanier om de ingangs-/uitgangsrelaties van een poortcircuit weer te geven, waarbij alle mogelijke combinaties van logische ingangsniveaus worden weergegeven met hun respectieve logische uitgangsniveaus.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad digitale logische signalen

• Basis logische poorten werkblad

• Booleaanse algebra-werkblad