Логически схеми

1

Т2. ОСНОВНИ ЛОГИЧЕСКИ СХЕМИ


1.ОБЩИ ПОЛОЖЕНИЯ.

Операциите, които се извършват в цифровите устройства за
автоматично управление, имат логически характер. Логическите операции
се осъществяват от съответните логически схеми, които най-често работят в
режим на превключване, т. е. те са импулсни.
Главната особеност на почти всички аналогови (линейни) електронни
схеми е, че те имат един вход, на който се подава относително слаб сигнал, и
един изход, където в товара се получава усиленият сигнал. Следователно
тук основното изискване е усилване на сигнала по мощност при запазване
на неговата форма.
При логическите (цифровите) интегрални схеми входовет е
обикновено са няколко, а изходът е един. Логическите схеми са
многовходови устройства и тяхната задача е да изработят определен
изходен сигнал при съответно съчетание на входните сигнали.
Тук се работи с цифрови сигнали, които могат да имат само две нива
— ниско и високо (фиг.1.а). Ниското ниво се нарича логическа нула (0), а
високото — логическа единица (1) (фиг.1.б.).

Фиг.1
Тези сигнали имат една и съща амплитуда както на входовете, така и
на изхода, т.е тук няма усилване по напрежение. Но тъй като транзисторите
са усилватели на мощност, към изхода на дадена логическа схема могат да
се свържат входовете на десетки други схеми и това е принципна особеност
на цифровата схемотехника. Основното изискване при логическите схеми е

2

при дадено съчетание на входните сигнали на изхода да се получи сигнал с
точно определено ниво (ниско или високо). Следователно входните
сигнали, като преминат през логическата схема, трябва да се преобразуват
така, че изходният сигнал да съответствува на определен логически закон.
Оттук е дошло и названието логически схеми.
Още в 1854 г. английският математик Джордж Бул е разработил
основите на логическата алгебра (Булева алгебра), която отначало била
използвана за изследване на човешкото мислене. По късно тази алгебра
става основа на електронно-изчислителната техника. Причината за това е,
че в Булевата алгебра аргументите и функциите могат да имат само две
стойности, а това много добре се реализира на практика чрез двете
състояния на транзистора (отпушено -запушено, или ниско ниво -високо
ниво). Тук се крие и причината за използване на двоичната бройна система,
която позволява лесно кодиране на информацията и обработването й с
големи скорости.
Броят на различните логически схеми е голям, обаче всичките те се
свеждат обикновено до три основни. Това са схемите „НЕ", „ИЛИ" и „И".
Всички останали логически схеми и логически устройства се получават чрез
съответно свързване на основните схеми И, ИЛИ и НЕ, като едната от
схемите непременно е НЕ.
По своята структура различните цифрови устройства (например
тригери, броячи, суматори, регистри, шифратори, дешифратори, памети,
микропроцесори и др.) са изградени от голям брой еднотипни схеми,
свързани помежду си по определен начин.

2. ЛОГИЧЕСКА СХЕМА „НЕ” (NOТ).

Тази схема има един вход и един изход. Тя най-лесно може да се
реализира с обикновен инвертор с биполярен транзистор (фиг.2.а).

3

Инверторът може да се реализира и с МOS транзистор. Основното свойство
на логическата схема НЕ е това, че изходното ниво е винаги
противоположно на входното. Затова се казва, че с тази схема се извършва
операция отрицание.

Фиг. 2
Прието е с X да се означава входният сигнал (аргументът), а с Y —
изходният (функцията). Логическото отрицание се означава с черта,
поставена над аргумента:
Y = ХХ (1)
и се чете "Y не X". Смисълът на това е, че ако входният сигнал е 1,
изходният е 0, и обратно (фиг. 2.б).
Логическото съответствие между входния и изходния сигнал може да
се онагледи чрез така наречената таблица за истинност (фиг. 2.в). Например
за първия вариант от таблицата може да се напише Y= ХХ = 00=1, а при втория
Y = ХХ = 10 = 0. Поставянето на черта означава обръщане (инвертиране) на
нивото — например 10 = 0 и 00 = 1.
На (фиг.2.г) са показани блоковите означения на логическата схема
“НЕ” (на изхода има малко кръгче). Входното и изходното напрежение се
измерват спрямо нулевия проводник (шаси). Много често нулевият
проводник (а също и захранването) не се изобразява, а се подразбира. Това е
важна особеност при чертане на логически схеми. Като пример на
(фиг.3.а,б) е показано как логическата схеми „НЕ” инвертира (обръща)
електрическите нива.

4


Фиг.3
На (фиг.3.в) е показано свързване на две схеми „НЕ”, при което от
един входен сигнал X се получават два изходни сигнала: Y
Х и Y
0.
Електрическата мощност, която се получава в изхода на дадена
логическа схема, е много по-голяма от мощността, която се подава на входа.
Това се дължи на усилвателните качества на транзистора, използван като
ключ. Благодарение на тази особеност към изхода на дадена схема могат да
се свързват входовете на няколко (напр. 10-30) други схеми (фиг. 3.г).
Именно това осигурява възможността чрез различни комбинации да се
реализира всяка предварително зададена функция.

3. ЛОГИЧЕСКА СХЕМА „ И” (OR).

Обикновено се нарича схема на съвпадение и изпълнява операцията
логическо умножение (конюнкция). На изхода на схемата „И” сигнал се
получава само когато има подадено напрежение едновременно на всички
входове, т. е. сигнал на изхода на схемата „И” има, когато се подава сигнал
на първия вход, „И” на втория вход, „И” на третия вход,... „И” на всички
останали входове. На (фиг. 2) е показан модел на схема „И”, който е
съставен от резистор R и ключове К
1—Кn. Ключовете се управляват от
входния сигнал.

Тази схема има един изход и най
достигат до 8 и повече).
Основното свойство на схемата
получава високо ниво само тогава, когато и на двата входа
всичките входове се подаде високо ниво, т.е. когато и двата транзистора са
отпушени. Схемата се нарича още схема
произведение.
Да разгледаме схемата
цифровата техника е прие
логика), която се използува в устройствата със заземен минусов полюс на
токоизточника (както е в схемите с
показана такава схема с два входа. На първия вход се подава поредицата от
импулси uвх1 а на втория
равносилно на съединяването му с общия проводник и съответният диод се
отпушва.



Фиг.4
Тази схема има един изход и най-малко два входа (в практиката те
достигат до 8 и повече).
Основното свойство на схемата „И” се състои в това, че на изхо
получава високо ниво само тогава, когато и на двата входа,
всичките входове се подаде високо ниво, т.е. когато и двата транзистора са
отпушени. Схемата се нарича още схема за съвпадение или логическо
Да разгледаме схемата за съвпадение на положителни импулси (в
цифровата техника е прието такъв сигнал да се нарича
която се използува в устройствата със заземен минусов полюс на
а (както е в схемите с NPN транзистори). На (фиг.
показана такава схема с два входа. На първия вход се подава поредицата от
а на втория— uвх2. Когато на даден вход сигналът е нула, това е
равносилно на съединяването му с общия проводник и съответният диод се
5
малко два входа (в практиката те
се състои в това, че на изхода се
респективно на
всичките входове се подаде високо ниво, т.е. когато и двата транзистора са
а съвпадение или логическо
ложителни импулси (в
то такъв сигнал да се нарича положителна
която се използува в устройствата със заземен минусов полюс на
транзистори). На (фиг.3.а) е
показана такава схема с два входа. На първия вход се подава поредицата от
Когато на даден вход сигналът е нула, това е
равносилно на съединяването му с общия проводник и съответният диод се

Съпротивлението на отпушения диод е малко и напрежението на
изхода на схемата практически е нула. При подаването на
положителен сигнал с размах, по
напрежението на изхода се повишава до
тивлението на запушения диод е много по
Достатъчно е обаче един диод в схемата да е
напрежение ще е нула. За да бъде изходното
необходимо всичките диоди да са запу
на всичките входове да са
(времедиаграмата на фиг.
На (фиг.5.б) е показана схема
цифровата

Фиг.5.а
Съпротивлението на отпушения диод е малко и напрежението на
изхода на схемата практически е нула. При подаването на
положителен сигнал с размах, по-малък от Е сс, диодът се запушва и
напрежението на изхода се повишава до Есс (при условие, че съпро
тивлението на запушения диод е много по-голямо от съпротивле
Достатъчно е обаче един диод в схемата да е отпушен и изходното
напрежение ще е нула. За да бъде изходното напрежение високо, е
необходимо всичките диоди да са запушени, а затова трябва едновременно
на всичките входове да са постъпили положителни импулси
времедиаграмата на фиг.5.а).
е показана схема „И” за отрицателни импулси (в
Фиг.5.б
6
Съпротивлението на отпушения диод е малко и напрежението на
изхода на схемата практически е нула. При подаването на входа на
диодът се запушва и
(при условие, че съпро-
голямо от съпротивлението R).
отпушен и изходното
напрежение високо, е
шени, а затова трябва едновременно
постъпили положителни импулси
за отрицателни импулси (в

7

техника този сигнал се нарича отрицателна логика). В тази схема
полярността на включване на диодите е противоположна на тази от схемата
И за положителни импулси и резисторът R е свързан към общия проводник.
Диодите се отпушват при подаване на входа на положителен сигнал и
съответно изходното напрежение е положително. Диодите се запушват при
отрицателно входно напрежение. За да бъде напрежението на изхода равно
на нула, е необходимо всички диоди да са запушени, т. е. на всичките
входове да се подаде едновременно нулев входен сигнал.
Схема „И” може да се реализира с два или повече последователно
свързани транзистори, работещи в ключов режим. На (фиг.6.a) е показана
логическа схема „И”, реализирана с биполярни транзистори. Подобна схема
може да се реализира и с МОS транзистори. Транзисторите са включени
като емитерни повторители, т.е. изходният сигнал "повтаря" входния.
При всички останали комбинации на напреженията на входовете поне
един от транзисторите ще бъде запушен и изходното ниво ще е ниско
(фиг.6.б.). Логическото произведение при n входа се означава по следния
начин:
Y =X
Х.X
0…X
1 (2)
При два входа Y = Х1.Х2, при три входа Y = Х1.Х2 .Х3 и т.н. Като се
има предвид, че Х1 и X2 могат да имат стойности само 0 и 1, при два входа
възможните варианти са четири и те са дадени в таблицата за истинност на
(фиг.6.в). Например при първия вариант Y = Х1.Х2 = 0.0 = 0, при втория Y =
Х1.Х2 = 1.0 = 0 и т.н.

На (фиг.6.г) са показани блоковите озна