Loginiai vartai: apibrėžimas, tipai, tiesos lentelės ir veikimo principas
Loginiai vartai — tai elektroninis komponentas, skirtas valdyti ar perduoti elektros energijai arba signalams pagal aiškiai apibrėžtas logines taisykles. Vartų išėjimas yra taisyklių taikymo vienam arba keliems įėjimams rezultatas; įėjimai gali būti atviri laidai, jungikliai arba kitų loginių vartų išėjimai.
Kas yra loginiai vartai ir kaip jie veikia
Loginiai vartai yra skaitmeniniai komponentai, kurie paprastai veikia dviem įtampos lygiais: aukštu (loginė 1) ir žemu (loginė 0). Aukštas lygis dažnai vadinamas įjungta būsena, o žemas — išjungta. Įjungimo metu įtampa tipinėse grandinėse būna nuo 3,5 iki 5 voltų, tačiau daugelyje šiuolaikinių sistemų naudojamos mažesnės srovės ir įtampos (pvz., 3,3 V, 1,8 V ir pan.).
Loginiai vartai nustato išėjimo būseną pagal jų apibrėžtas logines taisykles. Kai sąlygos tenkinamos, vartai laikomi aktyviais arba įjungtais, per juos teka srovė ir išėjime pasirodo aukštas (loginė 1) arba žemas (loginė 0) signalas.
Loginiai vartai apibūdinami kaip elektroninės loginių loginių loginių funkcijų realizacijos, o jų elgesį vaizduoja tiesos lentelės, kuriose išvardijami visi įėjimų deriniai ir atitinkami išėjimai.
Pagrindiniai loginiai vartai ir jų tiesos lentelės
- NOT (NE) — vieno įėjimo invertorius.
A | Q
0 | 1
1 | 0 - AND (IR) — išėjimas 1 tik kai visi įėjimai 1.
A B | Q
0 0 | 0
0 1 | 0
1 0 | 0
1 1 | 1 - OR (ARBA) — išėjimas 1 jei bent vienas įėjimas 1.
A B | Q
0 0 | 0
0 1 | 1
1 0 | 1
1 1 | 1 - NAND — AND rezultatas invertuotas (dažnai naudojamas dėl paprastesnės realizacijos).
A B | Q
0 0 | 1
0 1 | 1
1 0 | 1
1 1 | 0 - NOR — OR rezultatas invertuotas.
A B | Q
0 0 | 1
0 1 | 0
1 0 | 0
1 1 | 0 - XOR (išskirtinis ARBA) — išėjimas 1, jei įėjimai skirtingi.
A B | Q
0 0 | 0
0 1 | 1
1 0 | 1
1 1 | 0 - XNOR — XOR invertuotas; išėjimas 1, jei įėjimai lygūs.
A B | Q
0 0 | 1
0 1 | 0
1 0 | 0
1 1 | 1
Simboliai ir jungimas
Loginiai vartai diagramose žymimi standartiniais simboliais (pvz., trišakis su ratu invertoriui). Vartai jungiasi serijomis arba lygiagrečiai, sudarydami sudėtingesnes logines funkcijas (sumos, daugybos, multiplexerius, demultiplekserius, latching grandines ir kt.).
Technologijos ir realizacijos
Loginiai vartai gali būti realizuoti keliais būdais:
- TTL (transistor–transistor logic) — tradicinė, robusti technologija.
- CMOS (complementary MOS) — plačiai naudojama dėl mažesnio energijos suvartojimo ir geresnio mastelio mažinant įtampas.
- Diskretūs elementai — vartai galima surinkti iš tranzistorių, diodų ir rezistorių prototipams arba mokymo tikslais.
Pradmenys apie parametrus
- Įtampa ir lygiai — loginės 1 ir 0 ribos priklauso nuo naudojamos technologijos ir maitinimo įtampos (pvz., 5 V, 3,3 V).
- Propagacijos vėlavimas — laikas nuo įėjimo pokyčio iki stabilaus išėjimo; svarbu aukšto dažnio grandinėms.
- Fan-in ir fan-out — maksimalus įėjimų skaičius, kurį gali turėti vartai (fan-in) ir kiek vartų gali būti tiesiogiai varoma vienu išėjimu (fan-out).
- Triukšmo atsparumas (noise margin) — tolerancija signalų trikdžiams tarp loginių lygių.
- Energijos suvartojimas — statinis ir dinaminis; CMOS pasižymi labai mažu statiniu suvartojimu.
Pritaikymas ir pavyzdžiai
Loginiai vartai yra skaitmeninės technikos pagrindas. Jie naudojami kuriant:
- aritmetines grandines (sumatoriai, dauginimo blokai),
- valdiklius ir procesorius (ALU, registrai),
- atminties elementus (latch, flip-flop),
- signalo tvarkymo blokus (filtravimas, srovės šaltiniai, valdymo logika),
- skaitmeninius jutiklius ir vartotojo sąsajas.
Kaip toliau mokytis
Naudingi žingsniai:
- praktiniai bandymai su NOT, AND, OR, NAND, NOR grandinėmis;
- suprasti boolean algebra taisykles (De Morgan dėsniai ir pan.);
- mokytis schemų analizės ir dizaino (sumatorius, dekoderiai, multiplexers);
- susipažinti su CMOS pagrindais, propagacijos vėlavimu ir galios analizėmis.
Loginiai vartai — paprasta, bet galinga skaitmeninės logikos dalis. Supratę jų veikimo principus ir parametrus, galėsite kurti tiek paprastas grandines, tiek sudėtingas skaitmenines sistemas.
AND loginiai vartai
AND vartai turi du įėjimus. AND vartų išėjimas yra įjungtas tik tada, kai abu įėjimai yra įjungti. Jei bent vienas iš įėjimų yra išjungtas, išėjimas bus išjungtas.
Pagal dešinėje esantį paveikslėlį, jei A ir B yra įjungtos būsenos, išėjimas (out) bus įjungtos būsenos. Jei A arba B yra būsenos Išjungta, išėjimas taip pat bus būsenos Išjungta. Kad išėjimas būtų įjungtas, A ir B turi būti įjungti.
| Tiesos lentelė | ||
| A | B | Išėjimas |
| Išjungta | Išjungta | Išjungta |
| Svetainėje | Išjungta | Išjungta |
| Išjungta | Svetainėje | Išjungta |
| Svetainėje | Svetainėje | Svetainėje |
Bendra loginių vartų AND simbolio idėja
OR loginiai vartai
OR vartai turi du įėjimus. OR vartų išėjimas bus įjungtas, jei bent vienas iš įėjimų bus įjungtas. Jei abu įėjimai išjungti, išėjimas bus išjungtas.
Pagal dešinėje esantį paveikslėlį, jei A arba B yra įjungtas, išėjimas (out) taip pat bus įjungtas. Jei ir A, ir B yra išjungti, išėjimas bus išjungtas.
| Tiesos lentelė | ||
| A | B | Išėjimas |
| Išjungta | Išjungta | Išjungta |
| Svetainėje | Išjungta | Svetainėje |
| Išjungta | Svetainėje | Svetainėje |
| Svetainėje | Svetainėje | Svetainėje |
Bendra loginių vartų OR simbolio idėja
NOT loginiai vartai
NOT loginiai vartai turi tik vieną įėjimą. Jei įėjimas įjungtas, išėjimas bus išjungtas. Kitaip tariant, NOT loginiai vartai keičia signalą iš Įjungta į Išjungta arba iš Išjungta į Įjungta. Kartais jis vadinamas inverteriu.
| Tiesos lentelė | |
| A | Išėjimas |
| Išjungta | Svetainėje |
| Svetainėje | Išjungta |
Bendra NOT loginių vartų simbolio idėja
XOR loginiai vartai
XOR vartai turi du įėjimus. XOR vartų išėjimas bus teisingas, jei tik vienas iš įėjimų yra teisingas. Jei abu įėjimai yra įjungti, išėjimas bus išjungtas.
| Tiesos lentelė | ||
| A | B | Išėjimas |
| Svetainėje | Svetainėje | Išjungta |
| Svetainėje | Išjungta | Svetainėje |
| Išjungta | Svetainėje | Svetainėje |
| Išjungta | Išjungta | Išjungta |
| · v · t · e | |
| Loginiai vartai | AND vartai - ARBA vartai - NOR vartai - NAND vartai - XOR vartai - XNOR vartai - NE vartai |
| Kiti puslapiai | Būlio algebra - Loginiai vartai |
Bendra XOR loginių vartų simbolio idėja
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra loginiai vartai?
A: Loginiai vartai - tai elektroninis komponentas, kuris gali būti naudojamas elektros energijai perduoti pagal tam tikrą taisyklę. Vartų išėjimas nustatomas taikant šią taisyklę vienam ar daugiau įėjimų, kurie gali būti du laidai arba kitų loginių vartų išėjimai.
K: Kaip veikia loginiai vartai?
A: Loginiai vartai paprastai veikia esant tik dviem įtampos lygiams - teigiamam ir nuliniam. Paprastai jie veikia pagal dvi būsenas - įjungta ir išjungta. Įjungimo būsenoje įtampa yra teigiama, o išjungimo būsenoje įtampa lygi nuliui. Įjungimo būsenoje paprastai naudojama įtampa nuo 3,5 iki 5 voltų, tačiau kai kuriais atvejais šis diapazonas gali būti mažesnis. Loginiai vartai lygina būseną savo įėjimuose, kad nuspręstų, kokia turėtų būti būsena jų išėjime, ir yra aktyvūs, kai jų taisyklės yra teisingai įvykdytos.
K: Kokio tipo logika naudojama loginiuose vartuose?
A.: Loginės užtūros yra elektroninės Būlio logikos versijos, o tai reiškia, kad tiesos lentelės nurodo, koks bus išėjimas priklausomai nuo pateiktų įėjimų.
K: Ar visos įtampos, kai būsena "Įjungta", yra vienodos?
A: Ne, ne visos įjungimo būsenos įtampos yra vienodos, nes paprastai naudojama nuo 3,5 iki 5 voltų įtampa, tačiau kai kuriais atvejais ši įtampa gali būti mažesnė.
K: Ar visų tipų loginiai vartai turi du įėjimus?
A: Nebūtinai - kai kurie tipai gali turėti daugiau nei du įėjimus, o kiti gali turėti tik vieną įėjimą arba iš viso neturėti, priklausomai nuo jų paskirties ir konstrukcijos.
K: Ar visada per loginius vartus teka elektra, kai jie yra aktyvūs?
A: Taip, kai loginiai vartai yra aktyvūs arba teisingai laikomasi jų taisyklių, pro juos teka elektra, o jų išėjime nustatomas įjungtos būsenos įtampos lygis (paprastai 3-5 V).
