Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Передовые энергетические технологии | Обучение электриков | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Основы электроники / Логические элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и их таблицы истинности


 Школа для электрика в Telegram

Логические элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и их таблицы истинности



Электронные логические схемы широко используются в калькуляторах, компьютерах, телефонных станциях и во всех приложениях, где задействованы системы с двумя состояниями.

Система с двумя состояниями имеет только два уровня в любой точке, они называются «включено» или «выключено», «да» или «нет», «вверх» или «вниз» и так далее. Логические элементы — это небольшие электронные подсистемы, которые выполняют логические решения НЕ, И, ИЛИ и т. д., встроенные в любое цифровое электронное оборудование.

Содержание статьи:

Цифровые схемы — это тип электронных схем, в которых сигналы обычно имеют два уровня напряжения и обозначаются цифрами 0 и 1, что позволяет использовать алгебру логики, поэтому эти схемы называются логическими схемами.

Логические схемы являются основными элементами современной электроники. Благодаря пониженной чувствительности к помехам цифровые схемы обеспечивают лучшие результаты и меньшую интенсивность отказов. Логические элементы можно использовать во многих электронных проектах.

Используя логические элементы и полагаясь на логическую алгебру, мы можем создавать и проектировать различные системы, такие как системы сигнализации, цифровые радиоприемники или даже компьютер.

Логические схемы включают логические элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Булевы функции, используемые в логических схемах, представляют собой математические модели логических схем.

Цифровые микросхемы на плате электронного устройства

Что такое логические элементы

Электрическая схема, предназначенная для выполнения какой-либо логической операции с входными данными, называется логическим элементом. Входные данные представляются здесь в виде напряжений различных уровней, и результат логической операции на выходе — также получается в виде напряжения определенного уровня.

Операнды в данном случае подаются в двоичной системе счисления — на вход логического элемента поступают сигналы в форме напряжения высокого или низкого уровня, которые и служат по сути входными данными. Так, напряжение высокого уровня — это логическая единица 1 — обозначает истинное значение операнда, а напряжение низкого уровня 0 — значение ложное. 1 — ИСТИНА, 0 — ЛОЖЬ.

Логический элемент — элемент, осуществляющий определенные логические зависимость между входными и выходными сигналами. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления. Для всех видов логических элементов, независимо от их физической природы, характерны дискретные значения входных и выходных сигналов.

Все цифровые логические схемы можно отнести к одной из двух категорий: либо к комбинационным (также называемым комбинаторными), либо к последовательным логическим схемам.

Выходной логический уровень комбинационной схемы зависит только от текущих логических уровней на входах схемы. И наоборот, последовательные логические схемы имеют характеристику памяти, из-за чего выход последовательной схемы зависит не только от текущих входных условий, но и от текущего состояния выхода схемы.

Основным строительным блоком комбинационных схем является логический элемент. Тремя простейшими функциями логических элементов являются НЕ, И и ИЛИ.

Логический элемент — это базовый строительный блок логических схем, который выполняет логическую функцию. Обычно он имеет один или несколько входов и один выход. Значение на выходе логического члена является функцией входных значений. Используя логические элементы И, ИЛИ и НЕ, можно реализовать любую логическую схему и, следовательно, любую цифровую систему. 

Логические элементы имеют один или несколько входов и один или два (обычно инверсных друг другу) выхода. Значения «нулей» и «единиц» выходных сигналов логических элементов определяются логической функцией, которую выполняет элемент, и значениями «нулей» и «единиц» входных сигналов, играющих роль независимых переменных.

Логическая функция — это функция, которая возвращает логические значения для конечного числа входных параметров. Она используется в математической логике, в области теории управления, в цифровой и микропроцессорной технике. Параметры булевой функции являются булевыми переменными.

Логическую функцию можно задать с помощью словесного описания, таблицы истинности, аналитически в виде алгебраического выражения (логического уравнения) или графически с логическими символами.

Существуют элементарные логические функции, из которых можно составить любую сложную логическую функцию. 

Логические элементы реализуют элементарные логические функции. Они используются для построения логических схем большей сложности.

Логические элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и их таблицы истинности

В зависимости от устройства схемы элемента, от ее электрических параметров, логические уровни (высокие и низкие уровни напряжения) входа и выхода имеют одинаковые значения для высокого и низкого (истинного и ложного) состояний.

Интегральная микросхема

Традиционно логические элементы выпускаются в виде специальных радиодеталей — интегральных микросхем

Логические операции, такие как конъюнкция, дизъюнкция, отрицание и сложение по модулю (И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ) — являются основными операциями, выполняемыми на логических элементах основных типов.

Используя логические элементы И, ИЛИ и НЕ, можно реализовать любую логическую схему и, следовательно, цифровую систему. Члены И и ИЛИ дополняют друг друга с помощью члена НЕ. Это значит, что их можно подменять друг другом удобным способом. Любая цифровая система может быть реализована только с помощью логических элементов И-ИЛИ или НЕ-ИЛИ или И и НЕ или ИЛИ и НЕ (всегда достаточно элементов с двумя входами).

Далее рассмотрим каждый из этих типов логических элементов более внимательно.

Логический элемент «И» - конъюнкция, логическое умножение, AND

Логический элемент И

«И» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы «И» с 2, 3, 4 и 8 входами) входов и один выход.

Условные обозначения логических элементов «И» с разным количеством входов приведены на рисунке. В тексте логический элемент «И» с тем или иным числом входов обозначается как «2И», «4И» и т. д. - элемент «И» с двумя входами, с четырьмя входами и т. д.

Таблица истинности для элемента 2И

Таблица истинности для элемента 2И показывает, что на выходе элемента будет логическая единица лишь в том случае, если логические единицы будут одновременно на первом входе И на втором входе. В остальных трех возможных случаях на выходе будет ноль.

На западных схемах значок элемента «И» имеет прямую черту на входе и закругление на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «&».

Логический элемент «ИЛИ» - дизъюнкция, логическое сложение, OR

Логический элемент ИЛИ

«ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию дизъюнкции или логического сложения. Он так же как и элемент «И» выпускается с двумя, тремя, четырьмя и т. д. входами и с одним выходом. Условные обозначения логических элементов «ИЛИ» с различным количеством входов показаны на рисунке. Обозначаются данные элементы так: 2ИЛИ, 3ИЛИ, 4ИЛИ и т. д.

Таблица истинности для элемента 2ИЛИ

Таблица истинности для элемента «2ИЛИ» показывает, что для появления на выходе логической единицы, достаточно чтобы логическая единица была на первом входе ИЛИ на втором входе. Если логические единицы будут сразу на двух входах, на выходе также будет единица.

На западных схемах значок элемента «ИЛИ» имеет закругление на входе и закругление с заострением на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «1».

Логический элемент «НЕ» - отрицание, инвертор, NOT

Логический элемент НЕ

«НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического отрицания. Данный элемент, имеющий один выход и только один вход, называют еще инвертором, поскольку он на самом деле инвертирует (обращает) входной сигнал. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «НЕ».

Таблица истинности для элемента НЕ

Таблица истинности для инвертора показывает, что высокий потенциал на входе даёт низкий потенциал на выходе и наоборот.

На западных схемах значок элемента «НЕ» имеет форму треугольника с кружочком на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «1», с кружком на выходе.

Логический элемент «И-НЕ» - конъюнкция (логическое умножение) с отрицанием, NAND

Логический элемент И-НЕ

«И-НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход. Другими словами, это в принципе элемент «И», дополненный элементом «НЕ». На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2И-НЕ».

Таблица истинности для элемента И-НЕ

Таблица истинности для элемента «И-НЕ» противоположна таблице для элемента «И». Вместо трех нулей и единицы — три единицы и ноль. Элемент «И-НЕ» называют еще «элемент Шеффера» в честь математика Генри Мориса Шеффера, впервые отметившего значимость этой логической операции в 1913 году. Обозначается как «И», только с кружочком на выходе.

Логический элемент «ИЛИ-НЕ» - дизъюнкция (логическое сложение) с отрицанием, NOR

Логический элемент ИЛИ-НЕ

«ИЛИ-НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход. Иначе говоря, это элемент «ИЛИ», дополненный элементом «НЕ» - инвертором. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2ИЛИ-НЕ».

Таблица истинности для элемента ИЛИ-НЕ

Таблица истинности для элемента «ИЛИ-НЕ» противоположна таблице для элемента «ИЛИ». Высокий потенциал на выходе получается лишь в одном случае - на оба входа подаются одновременно низкие потенциалы. Обозначается как «ИЛИ», только с кружочком на выходе, обозначающим инверсию.

Логический элемент «исключающее ИЛИ» - сложение по модулю 2, XOR

Логический элемент исключающее ИЛИ

«исключающее ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения по модулю 2, имеет два входа и один выход. Часто данные элементы применяют в схемах контроля. На рисунке приведено условное обозначение данного элемента.

Изображение в западных схемах — как у «ИЛИ» с дополнительной изогнутой полоской на стороне входа, в отечественной — как «ИЛИ», только вместо «1» будет написано «=1».

Таблица истинности

Этот логический элемент еще называют «неравнозначность». Высокий уровень напряжения будет на выходе лишь тогда, когда сигналы на входе не равны (на одном единица, на другом ноль или на одном ноль, а на другом единица) если даже на входе будут одновременно две единицы, на выходе будет ноль — в этом отличие от «ИЛИ». Данные элементы логики широко применяются в сумматорах.

Логические элементы и их таблицы истинности

Логические элементы 2И, 2ИЛИ, НЕ, 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ, таблицы истинности, условные обозначения логических операций и контактно-релейные схемы

Логические схемы

Принципы работы логических схем на самом деле очень просты. Микроволновая печь, стиральная машина, механизм открывания гаражных ворот и компьютер в основном управляются логическими схемами, которые оценивают определенную ситуацию в соответствии с разработанной логической функцией.

Представим себе, к примеру, лифт, где необходимо следить, закрыта ли дверь, не перегружена ли она и не нажата ли кнопка выбора этажа и т. д. Вышеприведенные факты являются для нас так называемыми «входными переменными».

В соответствии с разработанной логической схемой он затем использует свои «выходные функции» для включения двигателя, подачи сигнала о перегрузке или срабатывания сигнализации при внезапной блокировке лифта, т. е. он автоматически управляет работой лифта.

Логическая зависимость «выходов» от «входов» решается внутренней структурой. Она разработана в соответствии с принципами алгебры логики и может быть решена как комбинационная или последовательная логическая схема. Реальная физическая реализация зависит только от наших возможностей.

Контроллер для управления лифтом в многоэтажном доме

Контроллер управления лифтом

Аппаратная и программная реализация логических схем

Любой логический элемент может быть реализован путем подходящего соединения транзисторов, диодов, резисторов и других компонентов. Часто можно встретить логические устройства в виде интегральных схем (например, серии 74хх), в которых затворы собраны из нескольких транзисторов.

В настоящее время дискретные логические элементы используются очень мало и заменяются логическими схемами более высокой степени интеграции, выполняющими более сложные логические функции. Однако эти функции по-прежнему реализуются из множества более простых схем.

Цифровые схемы позволяют обрабатывать цифровые сигналы просто и в то же время очень быстро. Автоматизация, робототехника, компьютеры, телекоммуникационное оборудование — вот области техники, в которых мы наблюдаем больше всего экспоненциальный рост, в основном за счет использования все новых и новых поколений цифровых схем. 

С точки зрения конструкции и технологии все цифровые интегральные схемы можно разделить на биполярные, в которых основными элементами являются биполярные транзисторы и однополярные, называемые также МОП-схемами, где основные компоненты - МОП-транзисторы.

Просматривая каталоги производителей цифровых схем, можно легко заметить, что элементы И-НЕ являются самым широким предложением, потому что они чаще всего используются пользователями.

Логические элементы, как цифровые схемы с не очень сложной структурой, относятся к малогабаритным интегральным схемам, так называемым SSI (Small Scale Integration) - тип интеграции для цифровых схем, содержащих десятки транзисторов, обеспечивающих несколько логических элементов на кристалл.

Один чип микропроцессора содержит несколько миллионов транзисторов. Схемы с таким уровнем интеграции называются VLSI (Very Large Scale Integration).

В области управления логические элементы используются при проектировании логических схем, которые затем выполняются программируемыми логическими контроллерами. В этом случае логические элементы являются  виртуальными, а выполнение выбранной логической функции обеспечивается программным алгоритмом.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика