1. Что такое логический вентиль?
Логические вентили - это небольшие цифровые электронные устройства, которые выполняют булеву функцию с двумя входами и предоставляют выход. Данные представлены в бинарном виде. Логическая 1 означает истину или высокий уровень, а логический 0 - ложь или низкий уровень. В зависимости от типа логического вентиля, логическая операция отличается, и результат варьируется. Каждый логический вентиль следует таблице истинности, которая дает возможные комбинации входов и соответствующие получаемые выходы.
Работу каждого логического вентиля можно легко понять, она схожа с операциями сложения и умножения, которые мы уже знаем из обычной математики. Логический вентиль подобен выключателю света: он включен, когда выход равен единице, иначе выключен, если выход равен 0. Различные электронные устройства создаются с помощью логических вентилей, и они используются вместе с диодами, транзисторами и реле. Некоторые из наиболее широко используемых семейств транзисторов, такие как серия TTL 7400 от Texas Instruments и серия CMOS 4000, были созданы с помощью логических вентилей малой степени интеграции.
2. Типы логических вентилей и таблицы истинности
Символьное представление логических вентилей показано в табличном формате для вашего удобства. Существует статья, представляющая символы логических вентилей.
В этом разделе мы подробно рассмотрим семь базовых логических вентилей и таблицы истинности:
Вентиль И можно отнести к основным логическим вентилям, поскольку на его основе можно реализовать некоторые другие логические вентили, такие как И-НЕ (NAND). Он выполняет умножение или операцию "точка" (.) над логическими входами. Как видно, A и B - это два входа, поданные на терминалы, а O - выход. Если внимательно посмотреть на таблицу истинности вентиля И, выход высокий только когда оба входа высокие, в остальных случаях выход низкий.
Источник: www.elprocus.com
Вентиль ИЛИ является важным вентилем, как и И, поскольку на его основе можно реализовать XOR и XNOR. Вентиль ИЛИ выполняет простое сложение или операцию '+' над входами. Выход низкий или 0 только когда оба входа равны 0, а для всех остальных случаев выход высокий или логическая 1.
Источник: www.elprocus.com
Вентиль НЕ является самым простым среди всех логических вентилей. Он выполняет операцию инверсии над единственным входом. В НЕ доступен только один терминал, и если входное значение 1, то выход 0, а если вход 0, то выход 1.
Источник: www.elprocus.com
Вентиль И, за которым следует вентиль НЕ - это фактическая концепция, лежащая в основе логического вентиля И-НЕ, одного из универсальных вентилей. При инверсии выхода вентиля И получается результат на другом терминале. Взгляните на таблицу истинности ниже для лучшего понимания операции И-НЕ.
Источник: www.elprocus.com
ИЛИ-НЕ - это комбинация или инверсия логического вентиля ИЛИ и также является универсальным логическим вентилем. Когда входы низкие или ложные, результирующий выход высокий или истинный.
Источник: www.elprocus.com
Вентиль XOR также известен как исключающее ИЛИ. Если посмотреть на таблицу истинности XOR, можно заметить, что если любой из входов высокий, результат высокий или истинный.
Источник: www.elprocus.com
Вентиль XNOR или исключающее ИЛИ-НЕ основывает свою работу на вентиле ИЛИ-НЕ. При инверсии вентиля ИЛИ-НЕ получается вентиль XNOR. Выход прямо противоположен выходу вентиля XOR. Если любой из входов высокий, исключая условие, когда оба высокие, выход низкий или 0.
Источник: www.elprocus.com
3. Преимущества анализа логических вентилей
- Большинство электронных устройств или цепей, которые мы используем в повседневной жизни, состоят из логических вентилей.
- Каждое цифровое устройство современного поколения, такое как ноутбук, компьютер, планшет и мобильный телефон, использует логические вентили. Например, рассмотрим компьютерную память.
- Логические вентили имеют функциональность хранения данных, и поэтому они объединяются для формирования схемы "защелки", а при управлении тактовыми сигналами образуют "триггеры".
- Они известны как последовательная логика или комбинационная логика и отвечают за скорость и сложность.
- Усовершенствованная версия, трехстабильный логический вентиль, находит место в CPU и шинах для выполнения нескольких операций и также поддерживает подключаемые модули.
- В настоящее время CMOS является развивающейся технологией в разработке микросхем, где логические вентили являются основными функциональными блоками.
- Технические микропроцессоры, используемые в логических схемах, содержат более 100 миллионов вентилей.
4. Случаи использования логических вентилей
Электронные устройства: Следует отметить, что каждое электронное устройство, которое мы используем сегодня, содержит цифровые схемы и логические вентили. Хотя схема логического вентиля выполняет базовые логические функции, она по-прежнему является наиболее важной частью любой цифровой схемы. Роль логических вентилей заключается в принятии решений на основе цифрового входа. Затем они упрощают вход, давая один из двух выходов: истина или ложь. Проще говоря, логический вентиль функционирует как выключатель света.
Промышленные предприятия: Логические вентили обычно используются на промышленных предприятиях в качестве параметров безопасности. Мы используем вентиль ИЛИ для обнаружения любого действия в системе. Он сообщает нам о возникновении любых нежелательных событий. Таким образом, логические вентили выступают в качестве индикатора при нарушении или превышении безопасных значений каких-либо параметров. Они дают выход, указывающий на необходимость начала работы некоторых превентивных мер. Простым примером является повышение температуры предприятия, о котором сообщают логические вентили, чтобы принять меры.
Измерение частоты: Мы также можем использовать логический вентиль для измерения частоты волны или импульса. Один из логических вентилей, вентиль И, также обычно известен как вентиль разрешения. Это означает, что он позволяет проходить только волнам с определенной частотой и останавливает остальные. Вентиль НЕ также обычно используется как инвертор, поскольку он инвертирует данный вход и отправляет его обратно как выход.
5. Ограничения логических вентилей
Хотя логические вентили очень популярны, существуют определенные ограничения:
- Для более сложной системы или проектирования схемы реализация логического вентиля невозможна, так как может быть сложно правильно разместить их и соединить.
- Схемы с использованием реализации логических вентилей потребляют больше энергии, чем это приемлемо.
- Логические схемы требуют систем питания от батарей или портативных источников питания.
6. История логических вентилей
Изначально Готфрид Лейбниц усовершенствовал идею двоичной системы. Он также предложил, что можно объединить арифметические и логические принципы, используя двоичную систему счисления в 1705 году. Позже, в 1854 году, Джордж Буль открыл концепцию булевой алгебры, которая последовательно сравнивает числа для построения решений. Затем он опубликовал свою работу в книге под названием "Исследование законов мышления, на которых основаны математические теории логики и вероятностей". Он хотел показать, как математическая форма может представлять человеческое рассуждение.
Позже, в 1886 году, концепция логической операции в электрической схеме переключения была описана Чарльзом Пирсом. Тем временем, клапан Флеминга использовался в качестве логических вентилей, а реле были заменены вакуумными трубками в 1907 году. В 1954 году Вальтер Боте получил Нобелевскую премию в области физики за изобретение первого современного электронного вентиля И в 1924 году. Клод Шеннон затем упомянул понятие булевой алгебры в 1937 году для проектирования переключательных схем. До сих пор проводятся исследования и анализы для разработки молекулярных логических вентилей.
7. Примеры логических вентилей
Полный сумматор - один из хороших примеров использования логических вентилей. Полный сумматор работает с тремя входами и дает два выхода, такие как сумма и перенос. Широко используемый для вычислений, он выполняет операцию сложения заданных данных. Этот процесс происходит за секунды, поскольку время переключения быстрое по сравнению с аналоговыми схемами. Сумматор с опережающим переносом, двоично-десятичный сумматор и полусумматор - другие категории сумматоров, используемых в цифровых каналах.
Источник: www.geeksforgeeks.org
Надеюсь, вы использовали калькуляторы, и это наш следующий пример, который отображает комбинации логических вентилей. Хотя мы вводим наши данные в виде чисел, вот что происходит внутри устройства. Каждый сегмент, включенный в дисплей, подключен к набору логических вентилей и обозначается как a, b, c, d, e, f и g. Например, когда вы нажимаете 1 на интерфейсе, происходит следующий процесс, и сегменты f и e подсвечиваются или загораются на дисплее.
Источник: www.explainthatstuff.com
8. Как создать логический вентиль с помощью EdrawMax?
Перед началом процесса проектирования вы должны четко понимать требования к схеме и планировать, как разместить их без путаницы. Вы также можете выполнить работу на бумаге, представив, как должен выглядеть дизайн, что значительно упростит ваш процесс.
Шаг 1: Скачайте и запустите программное обеспечение на вашем устройстве или войдите в EdrawMax Online.
Шаг 2: После завершения, откройте программу и нажмите на опцию "Библиотеки" на панели инструментов.
Шаг 3: Выберите опцию "Схемы и логические диаграммы", и вы увидите некоторые опции, такие как "Аналоговая и цифровая логика" и "Компоненты интегральных схем".
Шаг 4: Нажмите на опцию "Аналоговая и цифровая логика" в библиотеке и начните создавать свою аналоговую схему с помощью функций логических вентилей, которые появляются в левой части.
Шаг 5: После вставки вентиля вы можете настроить его, нажав на кнопку конфигурации. Вы можете изменить тип вентиля, вход и выход.
[匹配渠道块数据有误btn-multi-device.html]
9. Часто задаваемые вопросы о логических вентилях
Как работает логический вентиль?
Логический вентиль работает с потоком электрического тока. Вы должны подать на него вход, и если передача включена, он позволяет току проходить через него. Логический вентиль обычно описывает условия для потока тока, который вы используете в качестве переключателя. С помощью логических вентилей вы можете выполнять различные двоичные операции, такие как сложение, умножение и деление.
Какие существуют семь логических вентилей?
Вот семь базовых логических вентилей: И (AND), ИЛИ (OR), НЕ (NOT), И-НЕ (NAND), ИЛИ-НЕ (NOR), Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOR), Исключающее ИЛИ (XOR). Все эти вентили выполняют различные двоичные операции. Возьмем вентиль И в качестве примера. Он возвращает выход как истину, когда все входы истинны; между тем, вентиль ИЛИ возвращает истину, если хотя бы один из входов истинен.
Как изменить логический вентиль на вентиль И-НЕ?
Вы можете использовать вентиль И-НЕ для изменения любого логического вентиля. Если вы подаете на вентиль И-НЕ одинаковый вход, то он будет действовать как вентиль НЕ. Когда на вентиль И-НЕ поступают два входа, и вы подаете его выход как вход на другой вентиль И-НЕ, он будет служить как вентиль И. Если вы подаете один вход на один вентиль И-НЕ и другой вход на другой вентиль И-НЕ, а затем используете оба их выхода в качестве входа для нового вентиля И-НЕ, это даст вам тот же выход, что и вентиль ИЛИ.
