Cổng logic trong mạch điện

Các phần tử logic là các thiết bị tạo ra một kết nối nhất định giữa các giá trị đầu vào và đầu ra. Một phần tử logic cơ bản có hai đầu vào và một đầu ra. Các tín hiệu đến chúng là rời rạc, nghĩa là chúng lấy một trong hai giá trị có thể - 1 hoặc 0. Sự hiện diện của điện áp đôi khi được coi là một và sự vắng mặt của nó đôi khi được coi là 0. Hoạt động của các thiết bị như vậy được phân tích bằng cách sử dụng các khái niệm về đại số Boolean—đại số logic.

Các thiết bị hoạt động với tín hiệu rời rạc được gọi là rời rạc. Hoạt động của các thiết bị như vậy được phân tích bằng cách sử dụng các khái niệm về đại số Boolean—đại số logic.

Nguyên tắc cơ bản của đại số logic

Biến logic là một giá trị đầu vào chỉ có thể nhận hai giá trị trái ngược nhau: x = 1 hoặc x = 0. Hàm logic là sự phụ thuộc của giá trị đầu ra vào đầu vào và trên chính tín hiệu đầu ra, cũng chỉ có thể nhận hai giá trị : y = 1 hoặc y = 0. Phép toán logic là hành động được thực hiện bởi phần tử logic với các biến logic theo một hàm logic.Các giá trị 1 và 0 đối nhau (đảo ngược): 1 = 0, 0 = 1. Dấu gạch ngang có nghĩa là phủ định (đảo ngược).

Giả sử rằng 0 • 0 = 0, 0 + 0 = 0, 1—0 = 0, 1 + 0 = 1, 1 • 1 = = 1, 1 + 1 = 1.

Khi biến đổi các công thức của đại số logic, các phép toán đảo ngược được thực hiện trước, sau đó là phép nhân, phép cộng và sau đó là tất cả các phép toán khác.

Xem thêm về chủ đề này: Định luật đại số mạch liên hệ

Các hoạt động logic cơ bản được thảo luận ở đây: thiết bị logic

Các phần tử logic ở dạng mạch tiếp điểm-rơle

Các phần tử logic có thể được biểu diễn dưới dạng mạch tiếp điểm-rơle (Hình 1).

Cơm. 1. Các phần tử logic cơ bản (a) và tương đương với tiếp điểm rơle (b)

Nếu chúng ta giả sử rằng các tiếp điểm đóng tương ứng với một tín hiệu và các tiếp điểm mở tương ứng với 0, thì phần tử A có thể được biểu diễn dưới dạng các tiếp điểm được kết nối x1 và x2 và rơle y. Nếu cả hai tiếp điểm đều đóng, thì dòng điện sẽ chạy qua cuộn dây, rơle sẽ hoạt động và các tiếp điểm của nó sẽ đóng lại.

Phần tử OR có thể được biểu diễn dưới dạng hai tiếp điểm KHÔNG được kết nối song song. Khi cái đầu tiên hoặc cái thứ hai được đóng lại, rơle được kích hoạt và đóng các tiếp điểm của nó mà tín hiệu sẽ đi qua.

Phần tử NOT có thể được biểu diễn dưới dạng một tiếp điểm NO x và một tiếp điểm NC y. Nếu không có tín hiệu nào được đưa vào đầu vào (x = 0), thì rơle không hoạt động và các tiếp điểm của y vẫn đóng, dòng điện chạy qua chúng. Nếu bạn đóng các tiếp điểm x, rơle sẽ hoạt động và mở các tiếp điểm của nó, khi đó tín hiệu đầu ra sẽ bằng không.

Trong bộ lễ phục. 2 cho thấy một mạch thực hiện thao tác OR — NOT.Nếu không có tín hiệu nào được áp dụng cho bất kỳ đầu vào nào, thì bóng bán dẫn sẽ vẫn đóng, không có dòng điện chạy qua nó và điện áp đầu ra sẽ bằng với nguồn emf Uy = Uc, tức là y = 1.

Cơm. 2. Lược đồ phần tử logic OR—NOT, thực hiện các phép toán logic

Nếu một điện áp được đặt vào ít nhất một trong các đầu vào, thì điện trở của bóng bán dẫn sẽ giảm từ ∞ xuống 0 và dòng điện sẽ chạy qua mạch thu-phát. Điện áp rơi trên bóng bán dẫn sẽ bằng không (Uy = 0). Điều này có nghĩa là không có tín hiệu ở đầu ra, tức là y = 0. Để phần tử hoạt động bình thường, cần tạo ra sự dịch chuyển của điện thế gốc so với điểm chung, điều này đạt được nhờ một nguồn đặc biệt Ucm và một điện trở Rcm. Điện trở R6 giới hạn dòng phát cơ sở.

Các phần tử logic được xây dựng trên rơle điện từ, bóng bán dẫn, lõi từ, đèn điện tử, rơle khí nén là quá lớn, đó là lý do tại sao các mạch tích hợp hiện nay được sử dụng.

Ví dụ về sử dụng cổng logic trong mạch

Hãy xem xét một số cụm mạch điện thường thấy nhất trong ổ điện. Trong bộ lễ phục. Hình 3a cho thấy bộ nguồn của cuộn dây công tắc tơ K.

Cơm. 3. Các nút mạch có phần tử logic: 1 — 8 — số đầu vào và đầu ra

Khi nhấn nút KNP, dòng điện chạy qua đường dây và công tắc tơ được kích hoạt. Các tiếp điểm chính của nó (không được hiển thị trong sơ đồ) kết nối động cơ với mạng và các tiếp điểm K, đóng, bỏ qua nút KNP. Bây giờ dòng điện sẽ chạy qua các tiếp điểm này và nút KNP có thể được nhả ra.Dưới tác động của lò xo, nó sẽ mở các tiếp điểm của nó, nhưng cuộn dây sẽ tiếp tục được cấp điện thông qua các tiếp điểm K. Khi nhấn nút KnS, dòng điện bị ngắt và công tắc tơ được nhả ra.

Nút này có thể được thực thi trên các phần tử logic. Mạch bao gồm cuộn dây của công tắc tơ K, các nút KNP và KNS, hai phần tử logic OR — NOT và một bộ khuếch đại. Trạng thái ban đầu là x1 = 0 và x2 = 0, sau đó ở đầu ra của phần tử 1 ta được y1 = x1 + x2 = 0 + 0 = 1. Ở đầu ra của phần tử 2 — y5 = x3 + x4 = 1 + 0 = 0, t .là cuộn dây bị tắt, rơle không hoạt động.

Nếu bạn nhấn KnP thì y1 = x1 + x2 = 1 + 0 = 0. Ở đầu ra của phần tử 2 y5 = x3 + x4 = 0 + 0 = 1. Dòng điện chạy qua cuộn dây và công tắc tơ được kích hoạt. Tín hiệu y2 được đưa vào đầu vào x2 nhưng y1 không bị thay đổi bởi điều này vì y1 = x1 + x2 = 1 + 1 = 0. Do đó, cuộn dây của công tắc tơ được cấp điện.

Nếu bạn nhấn nút KNS, thì tín hiệu x4 = 1 sẽ được đưa vào đầu vào của phần tử thứ hai, sau đó y2 = x3 + x4 = 0 + 1 = 0 và công tắc tơ được nhả ra.

Mạch đang xem xét có khả năng «ghi nhớ» các lệnh: tín hiệu y2 không thay đổi ngay cả khi nhả nút.

Chức năng bộ nhớ tương tự có thể được thực hiện với một flip-flop. Nếu tín hiệu x1 = 1 được đưa vào đầu vào, thì tín hiệu y = 1 sẽ xuất hiện ở đầu ra và sẽ không thay đổi cho đến khi chúng ta nhấn nút KnS. Sau đó, flip-flop được chuyển mạch và tín hiệu y = 0 xuất hiện ở đầu ra. Tín hiệu này sẽ không thay đổi cho đến khi chúng ta nhấn lại nút KNP.

Trong bộ lễ phục. Hình 3, b hiển thị khối chặn điện của hai rơle PB (thuận) và PH (nghịch), loại trừ hoạt động đồng thời của chúng, vì điều này sẽ dẫn đến đoản mạch.Thật vậy, khi nhấn nút KnV, rơle PB được kích hoạt và các tiếp điểm phụ của nó mở ra và cuộn dây PH không thể được cấp điện ngay cả khi nhấn nút KnN. Lưu ý rằng không có thao tác điều khiển các tiếp điểm đóng của các nút ở đây, tức là không có mô-đun bộ nhớ.

Trong mạch có các phần tử logic, khi nhấn nút KNV ở phần tử thứ nhất ta được x1 = 1, y2 = x1 = 0. Ở phần tử thứ hai, y7 = x5 + x6 = y2 + x6= 0 + 0 = 1

Rơle PB được kích hoạt và tín hiệu y7 được cấp cho đầu vào của phần tử 4 (y7 — x8 = 1). Không có tín hiệu ở đầu vào của phần tử 3 (x2 = 0) thì y4 = x2 = 1. Ở phần tử thứ 4: y10 = x8 + x9 = x8 + y4 = 1 + 1 = 0, tức là rơle PH không hoạt động , ngay cả khi nút KnN được nhấn. Sau đó, chúng tôi nhận được kết quả tương tự: 10 = x8 + x9 = = x8 + y4 = 1 + 0 = 0.

Trong bộ lễ phục. 3, c hiển thị rơle nhả trong trường hợp nhấn nút KnS hoặc mở các tiếp điểm của công tắc hành trình VK. Trong mạch có các phần tử logic ở vị trí ban đầu y3 = x1 + x2 = 0 + 0 = 1, tức là cuộn dây rơle được cấp điện. Khi nhấn nút KnS ta được y3 = x1 + x2 = 1 + 0 = 0 và rơle được nhả ra.

Trong bộ lễ phục. 3, d hiển thị thiết bị để bật rơle trong trường hợp nhấn nút KNP khi đóng tiếp điểm VK. Trong mạch có các phần tử logic ở trạng thái bình thường của các tiếp điểm ta được y7 = NS6 = y6 = NS4 = y3 = x1x2 = 0 • 0 = 0. Nếu chỉ nhấn nút KNP thì y7 = x1x2 = 1 • 0 = 0. Nếu chỉ tiếp điểm VK đóng thì y7 = = x1x2 = 0 • 1 = 0 Khi KNP đóng và VK ta được y7 = x1x2 = 1 • 1 = 1. Điều này có nghĩa là rơle được kích hoạt.

Trong bộ lễ phục. Hình 3, e trình bày mạch điều khiển hai rơle P1 và P2.Khi điện áp được đặt vào mạch, rơle thời gian PB được kích hoạt, các tiếp điểm của nó ở đường dây 3 sẽ mở ngay lập tức. Mạch đã sẵn sàng hoạt động. Khi nhấn nút KNP, rơle P1 được kích hoạt, các tiếp điểm của nó đóng lại, bỏ qua nút. Các tiếp điểm khác trên dòng 2 mở và trên dòng 3 đóng. Rơle PB được nhả và các tiếp điểm của nó đóng lại với thời gian trễ, rơle P2 được kích hoạt. Do đó, sau khi nhấn nút KNP, rơle P1 được kích hoạt ngay lập tức và P2 - sau một thời gian.

Trong một mạch có các phần tử logic, nút "Bộ nhớ" được xây dựng trên một flip-flop. Để không có tín hiệu ở đầu ra (y3 = 0), rơle P1 và P2 bị ngắt điện. Nhấn nút KNP, một tín hiệu xuất hiện trên đầu ra kích hoạt. Rơle P1 được kích hoạt và phần tử EV bắt đầu đồng bộ hóa.

Khi có tín hiệu y5 = 1, rơle P2 được kích hoạt. Khi bạn nhấn nút KnS, bộ kích hoạt được chuyển đổi và sau đó y3 = 0. Rơle P1 và P2 được nhả ra.

Các tổ hợp điển hình với các phần tử logic được sử dụng rộng rãi trong các mạch phức tạp hơn và các mạch như vậy đơn giản hơn nhiều so với mạch thiết bị rơle-công tắc tơ.