Kurs podstaw elektroniki cz. 6

Dodane przez 3 kwietnia 2010

W tej części zajmiemy się elektroniką cyfrową i związanymi z nią zagadnieniami. Poznamy działanie podstawowych elementów elektroniki cyfrowej, czyli bramek.

Kilka słów o elektronice cyfrowej

Elektronikę można podzielić na:

  • Analogową, w której nośnikami informacji są poziomy napięć, natężenia prądów i częstotliwości ich zmian. Mogą one przyjmować dowolne wartości.
  • Cyfrową, w której nośnikiem informacji jest zwykle napięcie, mogące przyjmować dwa ustalone stany – wysoki i niski.

Elektronika analogowa to budowane tradycyjnie zasilacze, generatory, filtry i urządzenia sterujące. Coraz częściej są one zastępowane przez cyfrowe odpowiedniki, pozwalające łatwiej lub lepiej realizować postawione im zadania. I tak zamiast tradycyjnych zasilaczy mamy przetwornice napięciowe sterowane przez mikrokontrolery, filtry i generatory realizowane na specjalizowanych układach DSP, a sterowniki zbudowane w oparciu o pojedynczy układ mikrokontrolera.

Praktycznie wszystkie popularne miniaturowe urządzenia, takie jak komórki i komputery działają głównie w oparciu o technikę cyfrową, a układów typowo analogowych używają jedynie do obróbki sygnału wejściowego i wyjściowego. Jednym z typów urządzeń, w których elektronika cyfrowa jeszcze nie jest zbyt popularna, jest sprzęt audio.

Poziomy logiczne

W elektronice cyfrowej używa się zwykle jedynie dwóch napięć:

  • Stan wysoki – H lub 1 – napięcie zbliżone do napięcia zasilania.
  • Stan niski – L lub 0 – napięcie zbliżone do 0V.

Oczywiście może być inaczej – konstruktor może przyjąć inne zasady, ale w przeważającej ilości przypadków wykorzystuje się właśnie taki standard.

Bramki logiczne

Podstawowymi elementami cyfrowymi są bramki, wykonujące podstawowe operacje logiczne z algebry Boole’a, takie jak suma, iloczyn czy negacja. W przykładach przedstawione jest działanie najpopularniejszych bramek dwuwejściowych – można też zbudować lub kupić bramki o większej ilości wejść. Obok symboli elementów pokazane są tablice prawdy. Literami Ai B oznaczone są wejścia bramek, a literą W wyjście.

Bramka NOT

Działanie bramki not jest bardzo proste – na jej wyjściu występuje stan odwrotny do stanu na wejściu.

Bramki AND i NAND

Na wyjściu bramki AND stan wysoki pojawia się gdy jej wszystkie wejścia posiadają stan wysoki. W przeciwnym wypadku występuje na nim stan niski.

Bramka NAND działa tak samo jak AND, tyle że stan na jej wyjściu jest odwrócony.

Bramki OR i NOR

Wyjście bramki OR przyjmuje stan wysoki jeśli choć jedno wejście jest w stanie wysokim.

Bramka NOR działa odwrotnie – na jej wyjściu pojawia się stan wysoki gdy wszystkie wejścia są w stanie niskim.

Bramki XOR i XNOR

Bramki tego typu są używane znacznie rzadziej niż opisane wcześniej, ale również warto znać ich działanie. Dla dwuwejściowych bramek XOR na wyjściu pojawia się stan wysoki gdy doprowadzone sygnały wejściowe różnią się od siebie.

Podobnie jak w przypadku opisanych wyżej bramek, wersja z dodatkową literą N, w tym przypadku XNOR  podaje na wyjściu wynik odwrotny do pierwowzoru bez tej litery. W tym wypadku stan wysoki otrzymamy gdy na obu wejściach ustawimy ten sam stan.

Projektowanie układów cyfrowych

Bramki można ze sobą łączyć i tym samym realizować bardziej skomplikowane funkcje. Jak konstruować urządzenia tak, aby miały one jak najprostszą budowę? Przede wszystkim można próbować minimalizować funkcje logiczne realizowane przez urządzenia za pomocą matematycznych metod. Mogą one przydać się przy konstruowaniu skomplikowanych układów, ale do naszych skromnych potrzeb wystarczy trochę zwykłego, logicznego myślenia i analizy działania urządzenia.

Dodatkowo, warto zapamiętać, że za pomocą samych bramek NAND lub NOR da się zbudować układ realizujący dowolną funkcję logiczną. Innymi słowy, jednym typem bramek można zastąpić inne. Oczywiście należy się zastanowić czy taka zamiana się opłaci. Przykładowo, aby uzyskać inwerter z bramki NOR należy połączyć jej wejścia w jedno. Inne ciekawe efekty można uzyskać ustalając odpowiednio spoczynkowy punkt pracy bramki, dołączając jedno z jej wejść na stałe do plusa lub minusa zasilania, czyli wymuszając na nim dany stan.

Układy scalone zawierające bramki

Takich układów jest naprawdę sporo – w końcu każdy układ cyfrowy, taki jak na przykład procesor zawiera bramki, często nawet bardzo dużą ich liczbę idącą w miliony. Nas jednak interesują proste i tanie scalaki zawierające kilka bramek, które można wykorzystać tak jak nam się podoba. Poniżej znajdziesz listę oznaczeń przykładowych, popularnych układów CMOS,  zawierających najpopularniejsze, omawiane w tej części kursu bramki.

  • NOT – 4069
  • AND – 4081
  • NAND – 4011
  • OR – 4071
  • NOR – 4001

Ćwiczenia

  1. Jak działa bramka NOT?
  2. Czy da się zbudować układ realizujący dowolną funkcję logiczną jedynie z bramek NAND?
  3. Jaka technika dominuje w komputerach – analogowa czy cyfrowa?
  4. Jakie napięcie zazwyczaj jest przyjmowane za stan niski?
  5. Kiedy wyjście bramki OR przyjmuje stan wysoki?

Odpowiedzi do zadań

  1. Bramka NOT zmienia stan logiczny na przeciwny.
  2. Tak, podobnie jak z bramek NOR.
  3. Cyfrowa.
  4. 0V
  5. Gdy którekolwiek z jej wejść jest w stanie wysokim.

Na koniec

W tej części kursu podstaw elektroniki poznaliśmy bramki logiczne. Są to podstawowe komponenty, tworzące układy cyfrowe. W następnej części zajmiemy się również elektroniką cyfrową – poznamy kolejne elementy, znajdujące zastosowanie w cyfrowych urządzeniach. Będzie też przykładowe urządzenie zbudowane z użyciem techniki cyfrowej.

  • http://forum.majsterkowicza.pl/user-53.html plunio7

    Jak zwykle dobrze :) Czekam na kolejną część, bo te kursy są jak tasiemce w telewizji – po obejrzeniu jednego odcinka, widzisz zapowiedź kolejnego i już się zastanawiasz co to będzie.

  • http://forum.majsterkowicza.pl/user-1.html btomasz

    Dzięki za opinię. Warto od czasu do czasu napisać artykuł by móc coś takiego przeczytać :). Można to potraktować jako zachętę do napisania własnego artykułu lub opisania zbudowanego urządzenia – z chęcią opublikuję każdy sensowny tekst w wortalu.

    Przy okazji chcę zadać pytanie – czy w poprzednich częściach kursu wszystko było dobrze i zrozumiale wytłumaczone, czy czegoś nie brakuje? Jaki temat powinienem jeszcze poruszyć?

  • http://forum.majsterkowicza.pl/user-0.html Gość

    Myślę, że na razie jest ok, rozkład jest dobry. W zrozumieniu dość dużą rolę odgrywają te symulacje. Mam nadzieję, że z nich nie zrezygnujesz ;)

  • http://forum.majsterkowicza.pl/user-1.html btomasz

    O ile nic złego nie stanie się ze skryptem obsługującym symulacje, to będą one w dalszym ciągu używane w kursie i poza nim.

  • http://forum.majsterkowicza.pl/user-0.html Gość

    elko naprawde super napisane, świetnie wytłumaczone :) , kiedy nastepny odcinek? :D czekam z niecierpliwością

  • http://forum.majsterkowicza.pl/user-1.html btomasz

    Jak dobrze pójdzie to następna część będzie w ciągu tygodnia. Ostatnio postanowiłem, że zwiększę częstotliwość dodawania nowych wpisów do dwóch na tydzień. Częściej będą pojawiać się krótsze wpisy dotyczące szerszych tematów – nie tylko elektronika, tak jak było dotychczas. Myślę, że taki sposób spodoba się Wam i przy okazji zwiększy ruch na stronie.

  • Tomasz G-ski

    Szkoda, że te symulacje już nie działają

  • http://ST-mobilny.pl/ Adrian

    U mnie działa