Цифровая электроника для начинающих: от базовых концепций до практического применения

Начинающему радиолюбителюЦифровая электроникаэлектроникаэлектроника для начинающихКириченко

Руководство для начинающих по цифровой электронике

» Перейти к дополнительным материалам

УЗНАЙТЕ, КАК ЦИФРЫ «1» И «0» ИЗМЕНИЛИ МИР

Эта статья была написана специально для новичков в области цифровой электроники. Если вы всегда хотели знать, как устроен цифровой мир, продолжайте читать. Вам не нужно знать исчисление, алгебру или какие-либо сложные формулы, чтобы закончить эту статью. Единственными требованиями являются интерес к цифровой электронике и желание учиться. Поскольку вы читаете этот абзац, очевидно, что вы хотя бы немного интересуетесь цифровым миром. К счастью, любопытство — это полдела на пути к просветлению.

Аналоговый и цифровой

Мир электроники намного легче понять, если мы начнем с разделения его на две отдельные категории: «аналоговый» мир и «цифровой» мир. Аналоговый мир обычно относится к любому природному явлению, которое меняет свои свойства с течением времени. Возьмем, к примеру, температуру наружного воздуха. Мы замечаем, что она довольно медленно меняется в течение дня, и в любой момент мы можем измерить, насколько на самом деле жарко или холодно, с помощью простого термометра.

Те же изменяющиеся свойства можно наблюдать, измерять и записывать в других природных явлениях, таких как атмосферное давление, скорость ветра, солнечная радиация и т. д. заметил бы одну схожую характеристику: физические свойства каждого явления меняются со временем.

В каждом случае, если вы соедините все точки на графике, результаты всегда будут формировать некоторый тип «аналогового сигнала» (волны), как в этих примерах:

Работа инженера-электронщика аналогового состоит в том, чтобы иметь дело со многими из этих тепловых, магнитных, оптических, акустических, биологических, химических или электрических «сигналов», разрабатывая соответствующие аналоговые датчики и схемы управления.

Цифровой мир

Цифровая электроника, с другой стороны, представляет собой совершенно другой тип животных. Чем цифровой мир отличается от аналогового мира? Что ж, в цифровой сфере (т. е. в цифровых электронных схемах) важны только два «состояния»: ВКЛ или ВЫКЛ. Например, когда вы включаете выключатель света в своей ванной, вы знаете, что он может находиться только в двух возможных положениях (да, ВКЛ или ВЫКЛ). Вас не волнует, что может быть 110, 113, 120 или 125 вольт (т. е. колебание аналог «сигнал»), проходящий через электропроводку, подключенную к выключателю света.

Важно помнить, что включение света не только выполняло какую-то полезную работу (освещал ванную), но также передавалось реальную базовую цифровую информацию — свет был включен, а не выключен. Этот код ВКЛ/ВЫКЛ именно так работает в мире цифровой электроники. Как вы увидите позже, это переключение ВКЛ/ВЫКЛ является той же логикой, которая используется для построения цифровых электронных схем внутри вашего портативного компьютера, устройства GPS и смартфона. взгляните на Рисунок 1 чтобы вы четко представляли себе разницу между аналоговым и цифровым миром.

РИСУНОК 1.

Рисунок 1a представляет собой график, показывающий, как электричество (уровень напряжения) в вашем доме меняется в течение 12 часов. В какой-то момент в течение 12 часов мы видим, что уровень напряжения в 14:00 составлял 110 вольт. В 16:00 оно изменилось на 120 вольт. В Рисунок 1b , с другой стороны, у нас есть выключатель света, который можно включать или выключать в течение дня. Обратите внимание, что в Рисунок 1b , выключатель света был включен в 14:00, а затем выключен в 16:00. Затем снова его включили в 19:00, а затем выключили в 21:00.

В данном примере не имеет большого значения, какой уровень напряжения присутствует во всей электрической цепи (105В, 110В, 115В, 120В). Что важно здесь, так это «информация», передаваемая в Рисунок 1b — был ли переключатель включен или выключен. Это «мгновенное» электрическое переключение ВКЛ/ВЫКЛ обычно называют «цифровым» сигналом.

[Примечание автора: Не хочу вас запутать, но — и это очень важно — цифровые электронные схемы работают от 1,5-15 вольт постоянного тока ( DC ), а не 110 вольт переменного тока ( AC ), который выходит из розетки в вашем доме. Уровень напряжения переменного тока в Рисунок 1b использовался только для демонстрации того, как выглядит цифровой сигнал (прямоугольная волна) по сравнению с аналоговым сигналом (т. е. флуктуирующая волна в Рисунок 1a ).]

Цифровой — Вкл. или Выкл.

Чтобы увидеть, как выключатель света может передавать цифровую информацию, давайте предположим, что вы сказали другу по телефону, что если она проедет мимо вашего дома позже и заметит, что свет на вашем крыльце выключен, вы Есть компания — не подходи. Однако, если свет на крыльце включен, она должна зайти. Как видите, этот маленький «код» позволяет вам использовать один свет для передачи двух сообщений. Теперь давайте разовьем эту идею немного дальше и используем два источника света.

Если вы скажете своей подруге, когда она увидит, что свет в спальне ВЫКЛЮЧЕН, а свет на крыльце ВЫКЛЮЧЕН, это значит, что ваши родители все еще дома, так что, опять же, не подходите. Однако, если свет в спальне включен, а свет на веранде выключен — остановитесь. Кроме того, если она увидит, что свет в спальне выключен, а свет на крыльце включен, это означает, что вы встретите ее в пиццерии.

Наконец, если свет в спальне включен и свет на крыльце включен, вы встретите ее позже в доме Сью. Обратите внимание, что на этот раз, используя только «два» индикатора (включенных или выключенных), вы передали «четыре» сообщения (см. , рис. 2 ).

РИСУНОК 2.

Вопрос в следующем: сколько сообщений вы можете передать своему другу, если вы используете четыре лампочки вместо двух? Проверьте Рисунок 3 для ответа.

РИСУНОК 3.

Поскольку существует четыре источника света и только два «состояния» или положения, в которых может находиться выключатель освещения (ВКЛ или ВЫКЛ), имеется максимум 16 сообщений (2 для 4 ^th power или 2 ⁴ = 2x2x2x2), которые вы можете передать своему другу. Очевидно, что с 16 сообщениями вам и вашему другу понадобится список инструкций для расшифровки каждой последовательности огней.

Обратите внимание на то, как в нашем предыдущем примере информация передавалась (передавалась) с помощью простого выключателя света, который был ограничен только двумя положениями или «логическими состояниями» (ВКЛ или ВЫКЛ). Опять же, не имело значения, сколько электричества течет в цепях освещения крыльца, спальни, гаража или гостиной.

Здесь следует помнить два наиболее важных фактора: были ли лампы включены или выключены, и в какой последовательности или положении находились лампы.

Как видите, цифровая электроника основана на «логике переключения». ” (ВКЛ или ВЫКЛ). С другой стороны, аналоговая электроника больше связана с колеблющимися (постоянно изменяющимися) электрическими величинами, такими как напряжение и/или ток. При необходимости обратитесь к Рисунок 1 еще раз, чтобы уяснить разницу между цифровыми и аналоговыми сигналами. Это очень важная концепция для понимания, поэтому не продолжайте чтение, пока не сделаете различие между аналоговой и цифровой информацией/сигналами.

Двоичная система

В наших предыдущих примерах мы видели, как работает мир цифровой электроники, ограничиваясь двумя состояниями. Двоичная (би = два) система счисления также имеет дело с двумя состояниями, или числами: 1 и 0. Как вы увидите, двоичные числа очень важны и полезны в области цифровой электроники.

Теперь предположим, что мы возьмем наш предыдущий пример с четырьмя источниками света ( Рисунок 3 ) и вместо использования кода ВКЛ или ВЫКЛ заменим «1» на «ВКЛ» и «0» на «ВЫКЛ». На рис. 4 показано, как выглядит наша диаграмма сообщений после этого изменения.

РИСУНОК 4.

Вам может показаться, что расположение ВКЛ и ВЫКЛ в Рис. 3 и расположение 1 и 0 в Рис. 4 были выбраны случайным образом. Дело в том, что единицы и нули, которые вы видите в Рис.0098 = 1, 2 ¹ = 2, 2 ² = 4, 2 ³ = 8, 2 ⁴ = 16 и т. д., и наша десятичная система счисления основана на числе «десять:» 10 ⁰ = 1, 10 ¹ = 10, 10 ² = 100, 10 ³ = 1000, 10 ⁴ = 10 000 и т. Д.

Например, давайте преобразуем двоичное число 1101 из списка в Рисунок 4 в его десятичный эквивалент (с основанием 10):

В этом примере двоичное число 1101 равно десятичному числу 13.

Из этого примера можно извлечь четыре ключевых момента: 2 , 4 и 8

Обратите внимание, что каждая позиция в двоичной системе счисления соответствует точному значению десятичного числа (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и т. д.).

Давайте преобразуем еще одно двоичное число в десятичное, прежде чем двигаться дальше. Преобразование 1010110 в десятичное число:

Еще раз обратите внимание, что хотя каждый ноль в двоичном числе 1010110 занимает свое место и очень важен, его десятичное значение игнорируется, когда мы складываем все десятичные числа вместе ( всего = 86).

Эти примеры должны дать вам представление о том, как был создан список двоичных чисел в Рисунок 4 . Первоначально мы использовали световые переключатели ON и OFF для передачи закодированных сообщений (9).0022 Рисунок 3 ). Теперь вместо сообщений мы можем конвертировать двоичные числа в их десятичный эквивалент.

Если вы задаетесь вопросом, какое отношение это имеет к цифровой электронике, вы задали очень важный вопрос. Если вы помните, что мы говорили о цифровой логике (что это логика переключения — ВКЛ или ВЫКЛ), вы, вероятно, можете видеть, что передача этих двоичных единиц и нулей по электрическому проводу — это просто вопрос «включения» электрического напряжения и ВЫКЛ (пять вольт = 1, ноль вольт = 0). Помните, что с электричеством вы можете делать только две вещи: вы можете включить его или выключить.

Допустим, нам нужно отправить десятичные числа 72, 69, 76 и 80 с компьютера в одном офисе на компьютер в другом офисе. Все, что нам нужно сделать, это преобразовать каждое десятичное число 72, 69, 76 и 80 в двоичное число, преобразовать эти двоичные единицы и нули в электрический сигнал (пять вольт = 1, ноль вольт = 0), а затем отправить это цифровое код через электрический провод (см. Рисунок 5 ).

РИСУНОК 5.

Если вы учитесь Рисунок 5 Через какое-то время ответ на ваш первоначальный вопрос (Какое отношение двоичная система счисления имеет к цифровой электронике?) станет очевидным. На рис. 5 показано, как десятичные числа 72, 69, 76 и 80 и их двоичный эквивалент преобразуются компьютером в цифровой сигнал (ноль вольт и пять вольт), а затем передаются по электрическому проводу. Цифровая электронная схема внутри компьютера № 2 преобразует уровни напряжения (ноль вольт и пять вольт) в двоичные единицы и нули, а затем отображает (ЖК-монитор) эту информацию в буквенно-цифровых символах, чтобы мы могли понять исходное сообщение.

Как вы могли догадаться, числа 72, 69, 76 и 80 в приведенном выше примере взяты не из воздуха. Если вы посмотрите на любую таблицу American Standard Code for Information Interchange (ASCII), вы увидите, что число 72 = H, 69 = E, 76 = L и 80 = P — это код слова HELP.

Что важно в этом примере, так это то, что мы можем преобразовать слово HELP в десятичные числа, затем в двоичный код единиц и нулей и, наконец, в цифровые уровни напряжения, которые могут передаваться по электрическому проводу. Просто подумай об этом. Все началось с включения и выключения света в ванной!

Теперь, когда вы знаете, что цифровой мир управляется двоичными числами (1 или 0), пришло время использовать эту двоичную систему для создания цифровых логических элементов. Вы действительно увидите, насколько важны двоичные числа для цифровых схем, после прочтения следующего раздела.

Цифровые логические элементы: строительные блоки всех цифровых электронных схем

Понимание цифровых логических элементов является основным условием для изучения того, как работают все цифровые электронные схемы. По сути, существует три типа электронных «логических вентилей»: вентиль И, вентиль ИЛИ и вентиль НЕ. (На самом деле существует еще несколько типов вентилей, о которых мы поговорим позже в этой статье.) Помните, что логические вентили являются основными строительными блоками всех цифровых логических схем.

Логический элемент И

Давайте сначала проанализируем логический элемент И в Рисунок 6 . Взгляните на логический символ логического элемента И в . Рисунок 6a .

РИСУНОК 6.

Имеет два входа (A и B) и один выход (X). Логический элемент И работает (логически) следующим образом: если на входе A есть двоичная 1, а на входе B двоичная 1, двоичный выход (X) будет равен 1. Если на входе A есть 1, а на входе B есть 0, выход (X) равен 0. В свою очередь, если на входе B есть 1, а на входе A есть 0, то на выходе (X) будет 0. Наконец, если на входе A есть 0, а на входе B есть 0, то выход (X) также будет 0,

Хорошо, теперь давайте создадим электрическую схему, которая имитирует эту логику И. Взгляните на электрическую цепь в Рисунок 6b . У нас есть девятивольтовая батарея, лампочка и два выключателя. Обратите внимание, что если мы замкнем переключатель A, свет НЕ ВКЛЮЧИТСЯ, потому что переключатель B разомкнут (т. е. электрический свет не подключен к батарее).

Если переключатель B замкнут, а переключатель A разомкнут, освещение остается ВЫКЛЮЧЕННЫМ. Обратите внимание, что свет включается только тогда, когда переключатель A «И» переключателя B замкнут.

Теперь посмотрите на , рис. 7b , и вы должны увидеть, что наш старый знакомый логический вентиль И работает так же, как наша электрическая схема освещения в , рис. 7a . Вы можете увидеть этот очень важный момент, взглянув на две логические таблицы в Рисунок 7 .

Обратите внимание на Рисунок 7b , что единицы (1) в таблице логической истинности соответствуют (в том же положении) «замкнутым» переключателям в таблице истинности схемы Рисунок 7a .

РИСУНОК 7.

Важно, чтобы вы понимали, как связаны логический символ И в Рис. 7b и электрическая цепь в Рис. 7a . Обратите внимание на Рис. 7b , как здесь играет роль двоичная система счисления. Единственное время, когда выход (X) равен 1, это когда оба входа A и B также равны 1. Единственный раз, когда свет включается в Рисунок 7a , это когда оба переключателя A и B замкнуты.

Хорошо, вопрос в том, что произойдет, если мы поменяем единицы и нули в Рисунок 7 в цифровые электронные сигналы (1 = пять вольт, 0 = ноль вольт)? Посмотрите на Рисунок 8 и вы получите ответ на этот вопрос.

РИСУНОК 8.

Глядя на Рис. 8c , вы можете видеть, что хотя мы изменили двоичные единицы и нули на пять вольт и ноль вольт, таблицы истинности все те же. Это означает, что электрическая схема с двумя переключателями A и B (, рис. 8a, ) работает как таблица истинности логических элементов И в 9.0022 Рисунок 8b и Рисунок 8c .

Вы, наверное, спрашиваете себя: «Нужны ли мне все эти таблицы истинности, вентили И и логика 1 и 0, чтобы понять цифровую электронику?» Ответ на этот вопрос — ДА! Весь цифровой мир основан на знании входных и выходных значений любой цифровой логической схемы.

Например, посмотрите на интегральную схему (ИС) 7400 в Рисунок 9 . Вы можете приобрести эту микросхему в Интернете и убедиться, что она работает точно так же, как таблицы истинности, которые мы построили.

РИСУНОК 9.

В микросхему 7400 встроен тот же вентиль И, о котором мы говорили в Рисунок 7 и Рисунок 8 .

Если вы подключите микросхему 7400, как показано на рис. 9 , вы можете доказать себе, что таблица истинности для пяти вольт и нулевого вольта в рис. 8c верна. Что еще более важно, вы увидите, как цифровые логические элементы и таблицы истинности используются для создания цифровых электронных схем.

Теперь, когда вы понимаете, как работает вентиль И, давайте применим этот электронный вентиль И в реальном приложении. Допустим, у нас есть лифт с двумя дверями, которые обязательно должны быть закрыты, прежде чем лифт начнет двигаться вверх или вниз. Каждая дверь имеет электрический выключатель (A и B), который подключен к вентилю И.

Выход (X) логического элемента И соединен с электродвигателем, который перемещает лифт вверх или вниз.

Наша работа состоит в том, чтобы обеспечить движение лифта только тогда, когда обе двери полностью закрыты. Давайте составим таблицу истинности того, что мы хотим от лифта (см. 9).0022 Рисунок 10 ). Обратите внимание, как мы создали таблицу в Рисунок 10 . Мы определили, как должен реагировать выход (X) (двигатель ВКЛ или двигатель ВЫКЛ) в зависимости от положения каждой двери (ОТКРЫТА или ЗАКРЫТА).

РИСУНОК 10.

Также обратите внимание ( Рисунок 11 ), что таблица истинности лифта такая же, как таблица истинности вентиля И и наша логическая (двоичная) таблица истинности.

РИСУНОК 11.

Теперь должно быть очевидно, что логический элемент И и его таблица истинности могут быть использованы для проектирования и построения цифровых электронных схем, имеющих практическое применение в реальном мире.

Теперь давайте посмотрим на наши следующие ворота: ворота «ИЛИ».

Элемент ИЛИ

Как упоминалось ранее, элемент И является одним из трех основных логических элементов (И, ИЛИ, НЕ). Давайте посмотрим, чем вентиль ИЛИ отличается от вентиля И.

Глядя на электрическую цепь в Рисунок 12 , вы заметите, что два переключателя (A, B) соединены параллельно. Обратите внимание, что если переключатель A ЗАМКНУТ, он замкнет электрическую цепь и загорится индикатор (X).

РИСУНОК 12.

Теперь, если переключатель A ОТКРЫТ, а переключатель B ЗАКРЫТ, свет также включится. Если оба переключателя ЗАКРЫТЫ, свет также горит. Обратите внимание, что пока один переключатель (A ИЛИ B) ЗАКРЫТ, свет будет включен.

Свет выключается только тогда, когда оба переключателя находятся в положении РАЗОМКНУТ. Изучайте Рисунок 12 до тех пор, пока не увидите, как Таблица истинности логических элементов ИЛИ соответствует Таблице истинности электрических цепей.

Давайте рассмотрим практическое применение ворот операционной. Схема ворот ИЛИ может использоваться для защиты дома от грабителя. На рис. 13 показана простая система сигнализации, основанная на воротах операционной.

РИСУНОК 13.

На рис. прозвучит сигнал тревоги. Обратите внимание, что в таблице истинности вентиля ИЛИ ( рис. 13b ) переключатель A ИЛИ B может включить тревогу.

Как видите, таблица истинности логических элементов ИЛИ может использоваться для разработки системы охранной сигнализации точно так же, как таблица истинности логических элементов И использовалась для запуска и остановки двигателя лифта.

Взгляните теперь на Рисунок 14 , чтобы вы могли увидеть разницу между вентилем И и вентилем ИЛИ.

РИСУНОК 14.

Обратите внимание на основное различие между вентилем ИЛИ и вентилем И. Логический элемент ИЛИ выводит единицу (1), когда любой из входов A ИЛИ B равен 1, тогда как логический элемент И выводит 1 только тогда, когда оба входа A И B равны 1.

Вентиль НЕ (инвертор )

Обратим внимание на последний из трех основных вентилей: вентиль НЕ (см. Рисунок 15 ).

РИСУНОК 15.

Элемент НЕ обычно называют «инвертором». Он имеет один вход (А) и один выход (Х). Если на входе элемента НЕ (A) будет 1, на выходе будет 0. И наоборот, если на входе элемента НЕ (A) будет 0, то на выходе будет 1. Теперь вы можете понять, почему они называют вентиль НЕ «инвертором».

Чтобы лучше понять, как работает вентиль НЕ, посмотрите на электрическую схему в Рисунок 15 . Здесь, если переключатель А ЗАКРЫТ, электрический ток от батареи будет обходить свет; следовательно, у света не будет достаточно тока, чтобы включиться.

Однако, если переключатель (A) ОТКРЫТ, свет останется включенным, потому что электрический ток обходит переключатель и проходит прямо к светильнику. Вентиль НЕ широко используется в цифровых логических схемах.

Далее вы увидите, как он может заменить вентили И и вентили ИЛИ на вентили НЕ-И и ИЛИ-НЕ.

Инвентарь

Пришло время подвести итоги того, что мы уже узнали. Возможно, вы этого не осознавали, но были затронуты некоторые очень важные концепции. Вы начали с простого настенного выключателя в ванной, который включал или выключал свет. Вы преобразовали эти цифровые сигналы ВКЛ и ВЫКЛ в двоичный код 1 и 0. Вы узнали о логических элементах И, ИЛИ и НЕ и связанных с ними таблицах истинности.

Наконец, вы преобразовали все эти единицы и нули в электрические схемы с реальными приложениями. Хорошая работа!

Элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩИЙ-НИ

В предыдущем разделе я упомянул о важности элемента НЕ в цифровых электронных схемах. Теперь вы увидите, как вентиль НЕ используется для создания вентилей И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Кроме того, мы рассмотрим два других специальных вентиля, используемых в мире цифровой электроники: вентили EX-OR и EX-NOR.

Вентиль И-НЕ

Начнем с вентиля И-НЕ. Элемент И-НЕ ( N или И ) в основном представляет собой элемент И с элементом НЕ (инвертором), подключенным к его выходу (см. 9).0022 Рисунок 16 ).

РИСУНОК 16.

Обратите внимание на кружок на выходе (X) логического элемента И-НЕ в Рисунок 16 . Этот кружок является стандартным символом в цифровой электронике для обозначения инверсии (НЕ = ИНВЕРТОР). По логике он равен воротам НЕ с его символами треугольника и круга.

Итак, с этого момента каждый раз, когда вы видите кружок на входе или выходе вентиля, это означает, что вы должны инвертировать сигнал или логику (1 на 0, 0 на 1, ноль вольт на пять вольт, пять вольт на ноль вольт, ВЫСОКИЙ в НИЗКИЙ, НИЗКИЙ в ВЫСОКИЙ).

Как вы можете видеть на Рис. 16 , таблица истинности показывает, что единственный раз, когда выход логического элемента И-НЕ будет равен 0 (или НИЗКИЙ), это когда оба входа A и B равны 1 (ВЫСОКИЙ). Также обратите внимание в таблице истинности, что любой 0 (НИЗКИЙ) на входе A или B сделает выход (X) равным 1. Другими словами, любой 0 (НИЗКИЙ) на входе логического элемента И-НЕ создаст 1 (ВЫСОКИЙ) на выходе (Х).

Как и вентили И и ИЛИ, рассмотренные ранее, давайте применим вентиль И-НЕ в практическом приложении реального мира. Предположим, мы строим электрическую схему ворот И-НЕ, которая контролирует два уличных охранных фонаря, так что если любой из них гаснет (ВЫКЛ), звучит сигнал тревоги. Опять же, первое, что мы делаем, — это устанавливаем таблицу истинности для нашей световой схемы (см.0022 Рисунок 17 ).

РИСУНОК 17.

Еще раз обратите внимание на таблицу истинности, что если «либо» индикатор A, либо индикатор B выключается, сигнализация включается. Вы также должны увидеть, что сигнализация останется ВЫКЛЮЧЕННОЙ только до тех пор, пока горят «оба» индикатора.

Значение таблиц истинности при проектировании электронных схем невозможно переоценить. В любой цифровой электронной схеме, в которой используются логические элементы (И, НЕ, ИЛИ, НЕ-И и т. д.), вы должны определить, что вы хотите, чтобы схема делала. Очевидно, что лучший способ увидеть, какой будет входная и выходная логика вашей схемы, — это составить таблицу истинности.

Теперь давайте перейдем к нашим следующим воротам: воротам НЕ-ИЛИ.

Ворота ИЛИ-НЕ

И снова таблица истинности в Рисунок 18 говорит нам, как именно работает вентиль ИЛИ-ИЛИ. Единственный раз, когда выход (X) логического элемента ИЛИ-ИЛИ будет равен 1, это когда «оба» входа A и B равны 0. Другой способ сказать, что это когда оба входа логического элемента ИЛИ-ИЛИ равны 0 (НИЗКИЙ), выход вентиль ИЛИ-НЕ будет равен 1 (ВЫСОКИЙ). Рис. 18 Обратите внимание, что если «любой» вход A или B логического элемента ИЛИ-ИЛИ равен 1, выход (X) равен 0. Мы также можем сказать, что любая 1 на любом входе (A или B) логического элемента ИЛИ-ИЛИ даст 0 (НИЗКИЙ) на его выходе (X).

Давайте перейдем к следующим воротам: EX-OR.

Ворота EX-OR

Посмотрите на Рисунок 19c , и вы заметите, что свет включается, когда переключатель A находится в положении 0, а переключатель B — в положении 1. Обратное также верно.

РИСУНОК 19.

Цепь будет замкнута (горит свет), когда переключатель B находится в положении 0, а переключатель A – в положении 1. Ни при каких обстоятельствах свет не загорится, если переключатель A или переключатель B находятся в одном и том же положении (1, 1 или 0, 0).

Можно сказать по-другому: либо 1, либо 0, но не то и другое одновременно. Давайте теперь обсудим ворота EX-NOR.

Ворота EX-NOR

Как вы можете видеть на рис. 20c , свет включается только тогда, когда переключатель A и переключатель B находятся либо в положении 1, либо в положении 0.

РИСУНОК 20.

Другими словами, у вас есть выход (свет горит), когда «оба» переключателя A и переключателя B находятся в одном и том же положении, но не когда A и B либо 1, либо 0 или 0, 1.

Вы можете сказать это так: и то, и другое, но не одно или .

Элементы EX-OR и EX-NOR широко используются в цифровых схемах. Одно из применений EX-NOR, довольно часто используемое в коммуникациях, — проверка равенства двух двоичных чисел.

Помните, мы можем преобразовать двоичные числа в десятичные числа и с помощью вентилей EX-NOR сравнить два десятичных числа, сравнив их двоичный эквивалент.

Например, если бы нам нужно было сравнить два двоичных числа, таких как 10 и 01, чтобы убедиться, что они равны, мы могли бы использовать вентильную схему EX-NOR в Рисунок 21 .

РИСУНОК 21.

Двоичные 1, 0 и 0, 1, подаваемые на входы обоих вентилей EX-NOR, дают 0 на выходе вентиля AND. Следовательно, 1, 0 и 0, 1 не являются равными двоичными числами.

Теперь попробуйте подать 1, 0 и 1, 0 на входы обоих вентилей EX-NOR. Выход логического элемента И будет равен 1, тем самым сигнализируя, что оба двоичных числа равны.

Ну вот и все. Надеюсь, вам понравилось узнавать о цифровом мире. NV

Электроника для начинающих: простое введение

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 27 марта 2021 г.

Они хранят ваши деньги. Они следят твое сердцебиение. Они несут звук вашего голоса в чужие дома. Они привозят самолеты на землю и безопасно направлять машины к месту назначения — они даже стреляют подушки безопасности, если мы попадем в беду. Удивительно подумать, сколько вещи, которые «они» на самом деле делают. «Они» — это электроны: крошечные частицы внутри атомов, движущиеся по определенным траекториям, известным как цепи, передающие электрическую энергию. Одна из величайших вещей людей научились делать в 20-м веке было использовать электроны для управления машины и технологическая информация. Электронная революция, как это известно, ускорил компьютер революция, и обе эти вещи изменили многие области нашей жизни. Но как именно наноскопически маленькие частицы, слишком маленькие видеть, достигать таких масштабных и драматичных вещей? давайте возьмем поближе посмотри и узнай!

Фото: Компактная электронная плата с веб-камеры. Эта плата содержит несколько десятков отдельных электронных компонентов, в основном это небольшие резисторы и конденсаторы, плюс большой черный микрочип (внизу слева), который выполняет большую часть работы.

Содержание

1. В чем разница между электричеством и электроникой?
2. Аналоговая и цифровая электроника
3. Электронные компоненты
4. Электронные схемы и печатные платы
5. Для чего используется электроника?
6. Краткая история электроники
7. Узнать больше

В чем разница между электричеством и электроникой?

Если вы читали нашу статью об электричестве, вы узнаете, что это своего рода энергия — очень разносторонний вид энергии, которую мы можем производить самыми разными способами и использовать во многих других. Электричество — это создание электромагнитной энергии. обтекать цепь, чтобы она приводила в действие что-то вроде электродвигателя или нагревательного элемента, электроприборы, такие как электромобили, чайники, тостеры и лампы. Как правило, электроприборам требуется много энергии для работы. работают, поэтому они используют довольно большие (и часто довольно опасные) электрические токи. Нагревательный элемент мощностью 2500 Вт внутри электрического чайника работает от тока около 10 ампер. Напротив, электронные компоненты используют токи вероятно, измеряется в долях миллиампер (которые составляют тысячные доли ампер). Другими словами, типичный электрический прибор, вероятно, будет использовать токи в десятки, сотни или тысячи раз больше, чем типичный электронный.

Электроника — это гораздо более тонкий вид электричества, в котором крошечные электрические токи (и, в теории, отдельные электроны) тщательно направлена ​​вокруг гораздо более сложных схем для обработки сигналов (таких как те, которые несут радио и телевизионные программы) или хранить и обрабатывать Информация. Подумайте о чем-то вроде микроволновой печи духовке, и легко увидеть разницу между обычным электричество и электроника. В микроволновой печи электричество обеспечивает сила, генерирующая высокоэнергетические волны, которые готовят вашу еду; электроника контролирует электрическую цепь, которая делает приготовление пищи.

Работа: Микроволновые печи питаются от электрических кабелей (серого цвета), которые подключаются к стене. Кабели подают электричество, питающее сильноточные электрические цепи и слаботочные электронные. Сильноточные электрические цепи питают магнетрон (синий), устройство, создающее волны, которые готовят вашу еду. и поверните поворотный стол. Слаботочные электронные схемы (красные) управляют этими мощными цепями, и такие вещи, как цифровой дисплей.

Аналоговая и цифровая электроника

Существует два совершенно разных способа хранения информации, известных как аналоговые и цифровые. Звучит как довольно абстрактная идея, но это действительно очень просто. Предположим, вы делаете старомодную фотографию кто-то с пленочной камерой. Камера фиксирует поток света в сквозь ставни спереди в виде узора света и темные участки на химически обработанном пластике. Сцена, в которой ты фотография превращается в своего рода мгновенное химическое рисование — «аналогия» того, на что вы смотрите. Вот почему мы говорим, что это аналог способ хранения информации. Но если вы сфотографируете именно та же сцена с цифровой камерой, камера хранит совсем другую запись. Вместо того, чтобы сохранить узнаваемый узор из света и тьмы, он преобразует свет и тьму области в числа и вместо этого сохраняет их. Хранение числового, закодированного версия чего-либо известна как цифровая.

Фото: Цифровые технологии: Большие цифровые часы, подобные этим, быстро и легко считываются бегунами. Фотография Джи Л. Скотта предоставлена ​​ВМС США.

Электронное оборудование обычно работает с информацией в любом аналоговом или цифровой формат. В старомодном транзисторном радио, широковещательные сигналы поступают в схему радио через залипание антенны из дела. Это аналоговые сигналы: это радиоволны, путешествуя по воздуху от отдаленного радиопередатчика, который вибрировать вверх и вниз по образцу, который точно соответствует словам и музыку они несут. Так что громкая рок-музыка означает более сильные сигналы, чем тихая. классическая музыка. Радио сохраняет сигналы в аналоговой форме, т.к. получает их, усиливает и превращает обратно в звуки, которые вы можете слышать. Но в современном цифровом радио, все происходит по-другому. Во-первых, сигналы передаются в цифровом формате. формат — в виде кодированных чисел. Когда они прибудут на ваше радио, цифры преобразуются обратно в звуковые сигналы. Это совсем другой способ обработки информации и имеет как преимущества, так и недостатки. Как правило, большинство современных форм электронного оборудования (включая компьютеры, сотовые телефоны, цифровые камеры, цифровые радиоприемники, слуховые аппараты и телевизоры) используют цифровая электроника.

Электронные компоненты

Если вы когда-нибудь смотрели на город из окна небоскреба, вы будете восхищаться всеми крошечными зданиями под вами и улицы, связывающие их вместе всевозможными замысловатыми способами. Каждый здание имеет функцию и улицы, которые позволяют людям путешествовать из одной части города в другую или посетить разные здания в очередь, заставить все здания работать вместе. Коллекция здания, то, как они устроены, и многочисленные связи между Именно они делают динамичный город гораздо большим, чем сумма его отдельные части.

Схемы внутри электронного оборудования немного похожи на города тоже: они набиты компонентами (похожий на здания), которые выполняют разные задачи, а компоненты связаны между собой. вместе кабелями или печатными металлическими соединениями (похожий на улицы). В отличие от города, где практически каждое здание уникально и даже два якобы одинаковых дома или офисных блока могут быть тонко разные, электронные схемы строятся из небольшого количества стандартные компоненты. Но, как и в случае с LEGO®, вы можете компоненты вместе в бесконечном числе различных мест, так что они выполнять бесконечное количество различных работ.

Вот некоторые из наиболее важных компонентов, с которыми вы столкнетесь:

Резисторы

Это самые простые компоненты любой схемы. Их работа заключается в ограничении потока электронов и уменьшении ток или напряжение, протекающие путем преобразования электрической энергии в тепло. Резисторы бывают разных форм и размеров. Переменные резисторы (также известные как потенциометры) имеют дисковое управление, поэтому они изменить величину сопротивления, когда вы поворачиваете их. Регуляторы громкости в в звуковом оборудовании используются переменные резисторы, подобные этим.

Подробнее читайте в нашей основной статье о резисторах.

Фото: Типичный резистор на плате от магнитолы.

Диоды

Электронные эквиваленты улиц с односторонним движением, диоды пропускают электрический ток через них только в одном направлении. Они также известны как выпрямители. Диоды можно использовать для изменения переменного тока (текущего обратно и вперед по кругу, постоянно меняя направление) в прямое токи (те, которые всегда текут в одном и том же направлении).

Подробнее читайте в нашей основной статье о диодах.

Фото: Диоды внешне похожи на резисторы, но работают по-другому и делать совсем другую работу. В отличие от резистора, который можно вставить в цепь в любом случае диод должен быть подключен в правильном направлении (соответствующем стрелке на этой плате).

Конденсаторы

Эти относительно простые компоненты состоят из двух частей проводящего материала (например, металла), разделенных непроводящий (изолирующий) материал, называемый диэлектриком. Они есть часто используются в качестве устройств измерения времени, но они могут преобразовывать электрические токи и другими способами. На радио, одна из самых важных работ, Настройка на станцию, которую вы хотите слушать, осуществляется с помощью конденсатора.

Подробнее читайте в нашей основной статье о конденсаторах.

Фото: Небольшой конденсатор в транзисторной радиосхеме.

Транзисторы

Транзисторы — самые важные компоненты компьютеров. включать и выключать крошечные электрические токи или усиливать их (преобразовывать малые электрические токи в гораздо большие). Транзисторы которые работают поскольку переключатели действуют как память в компьютерах, а транзисторы работают как усилители увеличивают громкость звуков в слуховых аппаратах. Когда транзисторы соединены вместе, они образуют устройства, называемые логическими вентилями, которые могут выполнять очень простые операции. формы принятия решений. (Тиристоры немного похожи на транзисторы, но работать по-другому.)

Подробнее читайте в нашей основной статье о транзисторах.

Фото: Типичный полевой транзистор (FET) на электронной плате.

Оптоэлектронные (оптико-электронные) компоненты

Существуют различные компоненты, которые могут превращать свет в электричество или наоборот. Фотоэлементы (также известные как фотоэлементы) генерируют крошечные электрические токи, когда на них падает свет, и они используются как лучи «волшебного глаза». в различных типах сенсорного оборудования, включая некоторые виды дымовых извещателей. Светодиоды (LED) работают наоборот, преобразовывая небольшие электрические токи в свет. Светодиоды обычно используются на приборных панелях стереосистем. оборудование. Жидкокристаллические дисплеи (LCD), такие как те, которые используются в ЖК-телевизоры с плоским экраном и ноутбуки компьютеры, являются более сложными примерами оптоэлектроники.

Фото: Светодиод, встроенный в электронную схему. Это один из Светодиоды, излучающие красный свет внутри оптической компьютерной мыши.

У электронных компонентов есть нечто очень важное общее. Какую бы работу они ни выполняли, они работают, контролируя поток электронов. через их структуру очень точным образом. Большинство этих компонентов изготовлены из цельных кусков частично проводящего, частично изолирующего материалы, называемые полупроводниками (описанные более подробно в нашем статью о транзисторах). Поскольку электроника подразумевает понимание точные механизмы того, как твердые тела пропускают через себя электроны, это иногда называют физикой твердого тела. Вот почему вы часто увидите электронное оборудование, описываемое как «твердотельное».

Электронные схемы и печатные платы

Ключом к электронному устройству являются не только его компоненты содержит, но так, как они расположены в цепях. Простейший возможная схема представляет собой непрерывный цикл, соединяющий два компонента, например две бусины, прикрепленные к одному ожерелью. Аналоговые электронные приборы как правило, имеют гораздо более простые схемы, чем цифровые. Базовый транзистор Радио может состоять из нескольких десятков различных компонентов и печатной платы. вероятно, не больше, чем обложка книги в мягкой обложке. Но в чем-то подобно компьютеру, в котором используются цифровые технологии, схемы гораздо плотные и сложные и включают в себя сотни, тысячи или даже миллионы отдельный пути. Вообще говоря, чем сложнее схема, тем больше сложные операции, которые он может выполнять.

Фото: Электронная плата внутри компьютерного принтера. Какие электронные компоненты ты видишь здесь? Я могу различить конденсаторы, диоды и интегральные схемы (большие черные штуки, описание которых приведено ниже).

Если вы экспериментировали с простой электроникой, то знаете, что Самый простой способ построить схему — это просто соединить компоненты вместе. с короткими медными кабелями. Но чем больше компонентов вам нужно подключить, тем сложнее это становится. Вот почему разработчики электроники обычно выбирают более систематический способ расположения компонентов на том, что называется печатной платой. Базовая схема доска это просто прямоугольник из пластика с медными соединительными дорожками с одной стороны и множеством отверстий, просверленных в нем. Вы можете легко соединить компоненты вместе просовывая их через отверстия и используя медь, чтобы соединить их вместе, удаляя кусочки меди по мере необходимости и добавляя дополнительные провода сделать дополнительные подключения. Этот тип печатной платы часто называется «макетной доской».

Электронное оборудование, которое вы покупаете в магазинах, расширяет эту идею. далее с использованием печатных плат, которые изготавливаются автоматически на заводах. Точная схема схемы химически напечатана на пластике. плата, при этом все медные дорожки создаются автоматически во время производственный процесс. Затем компоненты просто проталкиваются предварительно просверленные отверстия и закреплены на месте с помощью электрического токопроводящий клей, известный как припой. Схема, изготовленная таким образом известна как печатная плата (PCB).

Фото: Впаивание компонентов в электронную схема. Дым, который вы видите, исходит от плавления припоя и превращения его в пар. Синий пластиковый прямоугольник, к которому я припаиваюсь, представляет собой типичную печатную плату, и вы видите различные компоненты, торчащие из нее, в том числе группу резисторов спереди и большую интегральную схему вверху.

Хотя печатные платы представляют собой большой шаг вперед по сравнению с печатными платами, смонтированными вручную, их все еще довольно сложно использовать, когда вам нужно подключить сотни, тысячи или даже миллионы компонентов вместе. Причина раннего компьютеры были такими большими, энергоемкими, медленными, дорогими и ненадежными. потому что их компоненты были соединены вместе вручную в этом старомодным способом. В конце 1950-х годов, однако, инженеры Джек Килби и Роберт Нойс самостоятельно разработал способ создания электронных компоненты в миниатюрной форме на поверхности кусочков кремния. С использованием эти интегральные схемы, он быстро стал можно выжать сотни, тысячи, миллионы, а потом и сотни миллионов миниатюрные компоненты на кремниевые чипы размером с ноготь пальца. Так компьютеры стали меньше, дешевле и намного более надежным с 1960-х годов.

Фото: Миниатюризация. Там больше вычислительной мощности в процессорном чипе, который лежит у меня на пальце, чем вы нашли бы в комнате размером с комнату. компьютер из 1940 лет!

Для чего используется электроника?

Электроника сейчас настолько распространена, что о ней почти легче думать вещи, которые не используют его, чем вещи, которые делают.

Развлечения были одной из первых областей, которые выиграли, с радио (и позже телевидение) оба критически в зависимости от прибытия электронные компоненты. Хотя телефон был изобретен до того, как электроника была должным образом развита, современная телефонные сети, сети сотовой связи, и компьютерные сети в сердце Интернета, все извлекают выгоду из сложная цифровая электроника.

Попробуйте подумать о том, что вы делаете, что не связано с электроникой и вы можете бороться. Двигатель вашего автомобиля вероятно, имеет электронные схемы в нем — а как насчет спутника GPS навигационное устройство, которое подскажет, куда идти? Даже подушка безопасности в вашем рулевое колесо приводится в действие электронной схемой, которая определяет, когда вам нужна дополнительная защита.

Электронное оборудование спасает нам жизнь и в других отношениях. Больницы упакованы всевозможными электронными гаджетами, от пульсометра от мониторов и ультразвуковых сканеров до сложных сканеров головного мозга и рентгеновских аппаратов машины. Слуховые аппараты были одними из первых гаджетов, получивших преимущества от разработка крошечных транзисторов в середине 20-го века, и Интегральные схемы все меньшего размера позволили слуховым аппаратам стать меньше и мощнее в последующие десятилетия.

Кто бы мог подумать, что у вас есть электроны? мог себе представить, изменил бы жизнь людей во многих важных способы?

Краткая история электроники

Фото: сэр Дж. Дж. Томсон, который открыл, что электроны являются отрицательно заряженными частицами, в Кембриджском университете в 1897 году. Томсон получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году за свою работу. Фото Bain News Service предоставлено Библиотекой Конгресса США.

• 1874: ирландский ученый Джордж Джонстон Стони. (1826–1919 гг.11) предполагает, что электричество должно быть «построено» из крошечных электрических обвинения. Примерно 20 лет спустя он придумал название «электрон».
• 1875: американский ученый Джордж Р. Кэри. строит фотоэлемент, который вырабатывает электричество, когда на него падает свет Это.
• 1879: англичанин сэр Уильям Крукс (1832–1919) разрабатывает свою электронно-лучевую трубку (похожую на старомодную, «ламповое» телевидение) для изучения электроны (которые тогда были известны как «катодные лучи»).
• 1883: плодовитый американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1919 гг.31) обнаруживает термоэлектронную эмиссию (также известную как Эдисон). эффект), где электроны испускаются нагретой нитью.
• 1887: немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) узнает больше о фотоэлектрическом эффекте, связь между светом и электричеством, на которую Кэри наткнулся предыдущее десятилетие.
• 1897: Британский физик Дж.Дж. Томсон (1856–1940) показывает, что катодные лучи представляют собой отрицательно заряженные частицы. Томсон называет их «корпускулами», но вскоре они переименовываются в электроны.
• 1904: Джон Эмброуз Флеминг (1849–1945), английский ученый, изготовил клапан Флеминга (позже переименован в диод). Он становится незаменимым компонентом в радиоприемниках.
• 1906: американский изобретатель Ли Де Форест. (1873–1961), пошел еще дальше и разработал улучшенный клапан, известный как триод (или аудион), значительно улучшивший конструкцию радиоприемников. Де Фореста часто называют отцом современного радио.
• 1947: американцы Джон Бардин (1908–1991), Уолтер Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989) разработать транзистор в Bell Laboratories. Он произвел революцию в электронике и цифровом ЭВМ во второй половине 20 века.
• 1958: Работая независимо друг от друга, американские инженеры Джек Килби (1923–2005) из Texas Instruments and Роберт Нойс (1927–1990) из Fairchild Semiconductor (а позже и Intel) разрабатывают интегральные схемы.
• 1971: Марсиан Эдвард (Тед) Хофф (1937–) и Федерико Фаггин (1941–) удается втиснуть все ключевые компоненты компьютера на один чип, создающий первый в мире микропроцессор общего назначения Intel 4004.
• 1987: Американские ученые Теодор Фултон и Джеральд Долан из Bell Laboratories разработали первый одноэлектронный транзистор.
• 2008: Исследователь Hewlett-Packard Стэнли Уильямс создает первый работающий мемристор, новый вид компонента магнитной цепи, который работает как резистор с памятью, впервые придуманный американским физиком Леоном Чуа почти четыре десятилетия назад (в 1971 году).

Подробнее

На этом сайте

• Компьютеры
• Электричество и электроника
• История электричества
• Интегральные схемы
• Пайка и сварка

Книги для юных читателей

• Easy Electronics by Charles Platt. Мейкер Медиа, 2017.
• Электроника для детей: играйте с простыми схемами и экспериментируйте с электричеством Ойвинд Нидал Даль. Без крахмала, 2016.
• Очевидец: Электричество Стива Паркера. Дорлинг Киндерсли, 2013.

Книги для читателей старшего возраста

• Марка: Electronics by Charles Platt. O’Reilly, 2015. Практическое руководство, в котором вы узнаете об электронных компонентах, используя их во все более сложных схемах.
• Научитесь электричеству и электронике, Стэн Джибилиско и Саймон Монк. Макгроу Хилл, 2016.
• Искусство электроники, Пол Горовиц, Уинфилд Хилл. Издательство Кембриджского университета, 2015.
.

Веб-сайты: история электроники

• Открытие электрона: Эта онлайн-выставка Американского института физики объясняет, как Дж. Дж. Томсон исследовал тайны электрона в Кембриджском университете.
• Атомные новинки: Британский музей науки объясняет, как исследование Дж. Дж. Томсона вписывается в более масштабную историю атома. [Архивировано с помощью Wayback Machine.]
• Transistorized ! : веб-сайт PBS, посвященный истории транзисторов.
• «Таинственный мемристор», Салли Ади, IEEE Spectrum, 1 мая 2008 г. Увлекательное и простое для понимания введение в разработку мемристоров.

Веб-сайты: практические проекты и руководства для любителей

• Evil Mad Scientist: Еженедельно обновляемый блог, в котором публикуются проекты в области электроники (и другие подобные материалы) с остроумием, изобретательностью и духом открытого исходного кода.