Simboli, vrste i karakteristike logičkih vrata
Simboli, vrste i karakteristike logičkih vrataDatum objave: 19-04-2023 🕒 11 min čitanja
Današnjim svijetom dominiraju digitalni sustavi – računala, pametni telefoni, ali i pametni hladnjaci i sustavi kućne automatizacije koji nam olakšavaju život. Ekstenzivne industrijske sustave ne treba niti spominjati. Svi ti uređaji za rad zahtijevaju pravilno dizajniranu elektroniku, opremljenu procesorima, memorijama i sustavima za obradu podataka. Svaku od ovih komponenti možemo predstaviti kao zasebnu elektroničku komponentu, ali u stvarnosti se ti čipovi sastoje od ogromnog broja manjih komponenti koje su logička vrata. Oni su, međutim, napravljeni od još manjih komponenti, tj tranzistora. U ovom članku, međutim, nećemo ići na tako nisku razinu i držat ćemo se logičkih vrata.
Logičke funkcije i Booleova algebra
Kako računala zapravo rade? Svaki zadatak, bez obzira pretražujemo li internet ili koristimo programe, koji obavlja središnja jedinica u konačnici se svodi na matematičke izračune i prijenos podataka.
Međutim, računala izračunavaju na nešto drugačiji način nego što mislite. Kao ljudi, navikli smo se na decimalnu aritmetiku, tj. na deset znamenki od 0 do 9. Zahvaljujući njima možemo sastavljati veće brojeve. Međutim, računalo radi malo drugačije, radi u binarnom sustavu. To znači da ima samo dvije znamenke, 0 i 1, a od njih se moraju kreirati ostali brojevi. U digitalnim sustavima nule i jedinice nazivaju se logičkim stanjima (0 - nisko stanje, 1 - visoko stanje) i usko su povezane s razinama napona. Jednostavno rečeno, 0 (nula) - nema napona, logična 1 ( jedinica) - postoji napon.
Kao što decimalni sustav ima određena pravila, tako i binarna aritmetika ima svoja. U ovom slučaju koristimo se Booleovom algebrom koja daje određene logičke funkcije. Na tome se temelje prije spomenuta logička vrata. Svaka vrata obavljaju jednu od osnovnih logičkih funkcija. Njihovim kombiniranjem u veće strukture možemo izgraditi vrlo napredne sustave, poput procesora.
Gdje možemo pronaći logička vrata?
U početku su se logička vrata proizvodila kao pojedinačni integrirani krugovi koji su unutar sebe mogli imati nekoliko takvih struktura. Tada su inženjeri koji su željeli izgraditi veći uređaj morali projektirati prilično velike sklopove opremljene mnogim pojedinačnim integriranim krugovima. Primjer je konstrukcija prvih računala, koja su zauzimala nekoliko soba. U početku su bili izgrađeni na sustavima izrađenim u TTL tehnologiji, tj. baziranim na bipolarnim tranzistorima. Zahvaljujući TTL čipovima, stvoren je prvi logički standard u kojem su se sustavi napajali s 5V, dok su rasponi napona za visoko i nisko stanje bili 2V - 5V odnosno 0,4V - 0,8V. Nakon nekog vremena razvijeni su i sustavi temeljeni na tranzistorima s efektom polja (nazivamo ih CMOS). Postoji nekoliko razlika između TTL i CMOS, ali najvažnije su naponi napajanja i potrošnja energije. CMOS sustavi, u usporedbi s prijašnjim dizajnom, mogu se napajati puno većim naponom (do oko 15 V) i također troše mnogo manje struje, što je posebno korisno u baterijskim konstrukcijama.
Razvojem tehnologije sve je postalo minijaturno. Ovaj proces zahvatio je i logička vrata (naravno, još uvijek ih možemo naći u obliku pojedinačnih sustava), koja su postala neodvojivi dio silicijskih jezgri integriranih sklopova. Nedavno su također postala popularna jednostruka logička vrata smještena u mala SMD kućišta. Ovo je vrlo praktično rješenje, s obzirom na to da proizvođači elektroničke opreme neprestano pokušavaju smanjiti troškove.
Također je vrijedno spomenuti da su logička vrata asinkroni sustavi. To ih razlikuje od većine sustava koji se danas koriste, koji zahtijevaju signal takta da ispravno funkcioniraju - takvi se čipovi nazivaju sinkroni. U logičkim vratima, izlazni signal gotovo trenutno reagira na promjenu ulaznog impulsa. Jedino ograničenje ovdje su vremena propagacije, tj. nanosekunde u kojima će silicijska struktura odgovoriti na promjenu napona.
Osnovna logička vrata
Kao što već znamo, svaka vrata obavljaju odabranu logičku funkciju, a u nastavku ćemo govoriti o pojedinim tipovima na konkretnim primjerima.
NOT vrata
Vrata NOT to je jedna od najjednostavnijih struktura. Ima jedan ulaz i izlaz. Ova vrata obavljaju funkciju negacije, tj. invertiraju stanje ulaza i prenose ga na izlaz. Ako damo visoko stanje na ulazu, dobit ćemo nisko stanje na izlazu. Slično, ako date nisko stanje na ulazu, na izlazu će se pojaviti logično stanje. Opis rada logičkih vrata najčešće se daje u obliku tzv. tablica istine.
| A | Y |
|---|---|
| A | Y |
| 1 | 0 |
| 0 | 1 |
Ovo nije ništa drugo nego grafički prikaza njihovog rada. S lijeve strane, u stupcu koji odgovara ulazu A, nalaze se sva stanja koja ovaj ulaz može prihvatiti, tj. 1 i 0. S druge strane, nalaze se ona koja će se tada pojaviti na izlazu vrata označena slovom Y. Osim toga, NOT vrata mogu se opisati jednadžbom , tj. na izlazu Y dobivamo negirani signal A. Negaciju označavamo vodoravnom crtom iznad slova.
Simbol NOT vrata je mali trokut s ulazom i izlazom na obje strane. U blizini izlaza nalazi se mali krug.
AND vrata
Vrata AND je konstrukcija s dva ulaza u kojem će se logički jedan pojaviti na izlazu samo kada su oba ulaza visoka. Drugim riječima, AND izvodi funkciju umnoška (također nazvanu konjunkcija), opisanu formulom Y = AB. Vrijedno je znati da AND vrata mogu imati više od dvije ulazne verzije, ali njihov rad ostaje nepromijenjen.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Simbol AND vrata nalikuje kombinaciji polovice kvadrata i kruga, s ulazima smještenim s lijeve strane i jednim izlazom s desne strane.
NAND vrata
Još jedna od osnovnih logičkih vrata su NAND vrata, ova konstrukcija je doslovno obrnuta od AND vrata. Njegov izlaz će pokazati visoko stanje u svim slučajevima osim u jednom - kada postavimo visoko stanje na sve ulaze. Možemo zamisliti NAND vrata kao I, s dodatnim (jednim ili više) NOT vrata postavljenim na izlazu. Imajte na umu da je, baš kao i kod AND vrata, broj ulaza gotovo neograničen.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
NAND vrata ponekad se opisuju logičkom funkcijom s jednadžbom Y=\bar{AB}. NAND simbol je gotovo identičan AND vratima, jedina razlika je krug postavljen na izlazu.
OR vrata
Jedna od osnovnih logičkih vrata također je konstrukcija koja implementira (alternativnu) funkciju zbroja. Zovemo je OR vratima. Kao što ime sugerira, ova vrata će dodati signale s ulaza, kojih može biti mnogo. Drugim riječima, izlaz će se pojaviti logično kada bilo koji od ulaza preuzme ovo stanje. Međutim, ako se visoko stanje pojavi na nekoliko ili čak na svim ulazima, izlaz će ga također prihvatiti.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Logička funkcija koja opisuje OR vrata je Y = A+B, a njen se simbol značajno razlikuje od prethodno spomenutih vrata i nalikuje obliku vrha strelice.
NOR vrata
Kao što su NAND vrata inverzna AND vrata, NOR vrata su inverzna OR vrata. Sličnosti ne završavaju ovdje, NOR vrata također možemo zamisliti kao OR, s NOT vratima (ili nekoliko njih) postavljenim na izlazu, negirajući stanja ulaza, kojih, kao i u prethodnim konstrukcijama, može biti mnogo. Rad vrata je prilično jednostavan, izlaz će biti visok samo kada se na svim ulazima pojavi logička nula. Opisuju se funkcijom
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
Simbol NOR vrata je figura koja podsjeća na vrh strelice (kao u slučaju OR), s krugom postavljenim na izlazu. Analogno tome, ulazi su smješteni s lijeve strane, a izlazi s desne strane.
XOR vrata
Jedna od klasičnih logičkih konstrukcija također su vrata s oznakom XOR. Njihov rad je vrlo zanimljiv jer će postaviti izlaz na visoko samo kada su ulazi različiti jedni od drugih. Drugim riječima, kada jednom od ulaza damo 1, a drugom 0, ako svi ulazi poprime isto stanje, na izlazu vrata će se pojaviti logička nula. Takvu logičku funkciju opisujemo kao: i zovemo je disjunktivna alternativa ili zbroj modula 2.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Grafički prikaz XOR vrata nalikuje vrhu strelice poznatom iz vrata OR i NOR, s tom razlikom što je ovdje dodatna linija postavljena paralelno s lijevom stranom. Ulazi i izlazi su klasično postavljeni lijevo i desno..
XNOR vrata
XOR vrata također ima svoji inverziju, koja se zove XNOR vrata. Njeno djelovanje, slično ostalim "obrnutim" konstrukcijama, suprotno je od osnovnih vrata. U ovom slučaju, da bismo dobili visoko stanje na izlazu, moramo osigurati isto stanje na svim ulazima, nije bitno je li ono logička jedinica ili nula.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Rad XNOR vrata opisano funkcijom , a njen je simbol gotovo identičan XOR vratima, s dodatnim malim krugom na izlazu
Vrata koja ništa ne mijenjaju?
Vrlo zanimljive konstrukcija koje se mogu klasificirati kao logička vrata su međuspremnici i međuspremnici s tri stanja. Samo gledajući grafički simbol, možete ih povezati s NOT vratima, bez kruga na izlazu. Je li međuspremnik tada inverzan NOT vratima? Da, ali zašto koristiti inverziju negacije, tj. u osnovi prijenos stanja s ulaza na izlaz, ako takva vrata ne obavljaju nikakvu logičnu funkciju? Odgovor na ovo pitanje je trenutna učinkovitost. Izlaz svakog logičkog ulaza ima određenu učinkovitost, tj. na njega možemo spojiti određeni broj ulaza drugih vrata ili, na primjer, LED diode. Ako se kapacitet prekorači, nepovratno ćemo oštetiti vrata. U tom slučaju treba koristiti međuspremnik čija je učinkovitost izlazne struje mnogo veća. Neće promijeniti status signala, ali će vam omogućiti povezivanje više prijemnika.
Drugi simbol na slici je međuspremnik s tri stanja. On također ne mijenja stanje signala, ali ima dodatni ulaz označen slovom S. Omogućuje "isključivanje" izlaza, odnosno, stručno rečeno, stavljanje u stanje visoke impedancije označeno slovom Z. U u ovom stanju (također nazvanom nedefinirano stanje) nismo u mogućnosti odrediti koji je signal na izlazu vrata, možete ga zamisliti kao žicu koja visi u zraku bez ičega povezanog s njom.
| A | S | Y |
| 0 | 0 | Z |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | Z |
| 1 | 1 | 1 |
Ako se međuspremnik s tri stanja aktivira s visokim stanjem na ulazu S, samo u tom slučaju će se stanje s ulaza prenijeti na izlaz, inače će izlaz biti stavljen u stanje visoke impedancije. Ova vrsta konstrukcije koristi se za povećanje učinkovitosti izlazne struje, ali i kada trebamo odspojiti određeni krug od ostatka sustava. Međuspremnici s tri stanja također su korišteni s većim digitalnim konstrukcijama u kojima su se podaci prenosili sabirnicama. Bilo je prilično jednostavno odspojiti određeni modul sa sabirnice, zahvaljujući čemu su preostali dijelovi sustava mogli lako međusobno prenositi informacije.
Povezivanje logičkih vrata
Kada se raspravlja o temi logičkih vrata, ne može se ne spomenuti metode i principe njihovog povezivanja. Jednostavno rečeno, izlazi vrata se ne mogu kombinirati! Ovo je općeprihvaćeno pravilo kojeg se treba pridržavati. Na primjer - dva AND vrata generiraju signal na izlazu koji treba aktivirati jednu LED diodu, u ovom slučaju ne možete spojiti dva izlaza vrata i diodne anode. Moglo bi se upitati zašto? Odgovor je jednostavan, zamislite što će se dogoditi kada izlaz jednih vrata bude 1, dok je izlaz drugih nizak. Iz perspektive prvih vrata, izlaz drugih vrata će jednostavno biti uzemljen, struja neće teći kroz LED, već kroz izlaz drugih vrata, čime će se nepovratno oštetiti.
Rješenje problema je korištenje još jednog, trećeg tipa vrata, na čije ćemo ulaze spojiti izlaze AND vrata. U ovom slučaju, ako želimo da svaki od signala aktivira LED diode koje svijetle, treba koristiti OR vrata. Bez obzira na to koji izlaz AND vrata postane vis oko stanje OR vrata aktiviraju svoj izlaz, dopuštajući tako struji da teče kroz LED.
Transfer Multisort Elektronik (TME) jedan je od najvećih svjetskih distributera elektroničkih komponenti, elektrotehničkih dijelova, radioničke opreme i industrijske automatizacije. Katalog uključuje više od 1.500.000 proizvoda od 1.300 vodećih proizvođača. Moderna logistička središta TME-a u Łódźu i Rzgówu (Poljska), s ukupnom površinom većom od 40.000 m², svakodnevno šalju gotovo 6.000 paketa kupcima u više od 150 zemalja.
TME također ulaže u razvoj znanja i vještina mladih inženjera i zaljubljenika u elektroniku putem projekta TME Education te podržava tehnološku zajednicu organiziranjem serije događaja TechMasterEvent, koji promiču inovacije i razmjenu iskustava.
