Radek Šefraný

ZÁKLADY ČÍSLICOVÉ TECHNIKY

ČÍSLICOVÁ TECHNIKA

Základní pojmy

Co představuje pojem číslicová technika

Číslicová technika je poměrně mladý obor elektroniky. Její princip se dá přirovnat k myšlenkovým pochodům u člověka. Ten, pokud chce rozhodnou a řešit nějakou situaci (v číslicové technice provést logickou operaci) musí o ní zjistit, pomocí svých vjemů, vstupní informaci (logickou proměnnou).

Ukažme si to na příkladu.

Chodec chce přejít světelnou křižovatku, podívá se na přechod a zjišťuje vstupní informace. Svítí na semaforu červené světlo? ANO – NE? Potom provede logickou operaci. Odpověď ANO - zůstane stát, odpověď NE – přejde silnici

Obdobně pracuje i číslicová technika.. Na rozdíl od člověka má však možnost pracovat pouze se dvěmi logickými stavy ANO/NE. Tyto stavy se vyjadřují v číslicové technice jako logická 1 a logická 0 nebo také vysoká logická úroveň – H (z anglického slova high – vysoký), nízká logická úroveň – L (z anglického low – nízký).

Tak by se dal zjednodušeně vysvětlit princip číslicové techniky.

Logická proměnná, logická funkce, logická operace

Co je to logická proměnná a logická operace jsme si vysvětlili v předchozí kapitole.V číslicové technice se však setkáváme i s pojmem logická funkce. Co si pod tímto pojmem představit? Je to určitý předpis, podle kterého se budeme rozhodovat, jaký výsledek bude mít logická operace.

Vysvětleme si to na příkladu. Na obrázku vidíte zapojený elektrický obvod. My od něho očekáváme, že po splnění určitých pravidel, se rozsvítí žárovka. Které podmínky to jsou?

• Musí být zapojen zdroj napětí ( U )
• Musí být sepnut spínací kontakt ( S )
• Žárovka musí být v pořádku

• Pokud tyto údaje zapíšeme do tabulky, bude vypadat následovně:

Jak sami vidíte v, tabulce 1, musí být splnění všechny tři podmínky, aby se žárovka rozsvítila. Pro tří vstupní proměnné jsme použili osm řádků. Proč? Musíme využít všechny možné kombinace, které se nám nabízí. Pro příště si budeme pamatovat, že počet řádků se bude rovnat 2ⁿ (kde n je počet vstupních proměnných).

Příklad: Dvě vstupní proměnné = čtyři řádky

Čtyři vstupní proměnné = šestnáct řádků

Na začátku jsme si však řekli, že v číslicové technice používáme tzv. logické 1 a 0 nebo také logické úrovně H a L.Pravdivostní tabulka pro elektrický obvod pak bude vypadat následovně., platí – li, že NE = 0 a ANO = 1

Proč právě pravdivostní tabulka? Všechny logické výroky jsou buďto pravdivé nebo nepravdivé. Tudíž k logickému výroku můžeme přiřadit hodnoty pravda, nepravda. Pro zjednodušení si v číslicové technice značíme pravdu jako logickou 1 a nepravdu jako logickou 0.

Uvedli jsme si jak ze vstupní proměnné získáme výsledek. Čím však toho dosáhneme?

Pomůže nám tzv. logický člen. Je to nejjednodušší prvek zpracovávající informace.

Mezi základní logické členy patří:

• logický součet OR
• logický součin AND
• negace INVERT.

Složené funkce nalezneme ve tvarech:

• negovaný logický součet NOR
• negovaný logický součin NAND
• výhradní logický součet EXCLUSIVE-OR
• negovaný výhradní logický součet KOMPARÁTOR.

Blíže si tyto funkce vysvětlíme později.

Pokud spojíme více logických členů v jeden celek, který má předem známé logické funkce, nazýváme tento celek logickým obvodem. Nejznámější logické obvody jsou integrované obvody.

Pro zapamatování si ještě jednou připomeňme nejdůležitější základní pojmy

• logická proměnná - vstupní informace, o které se rozhoduje, zda-li je pravdivá nebo nepravdivá

• logická funkce - předpis, podle kterého rozhodujeme o vstupních proměnných

• logická operace - vlastní zpracování logické proměnné

• logický člen - zpracovává vstupní proměnné podle předpisu

Další pojmy a používaná názvosloví:

• Kombinační logická funkce - je funkce, u níž je výstupní proměnná dána pouze okamžitou kombinací vstupních proměnných ( např. hradla ).

• Sekvenční logická funkce - je funkce, u níž je výstupní proměnná daná nejen okamžitou kombinací vstupních proměnných, ale i sledem předchozích hodnot. Výstup je tedy definován tehdy, je-li definována posloupnost – sekvence – změn vstupních hodnot ( např. klopné obvody )

• Statická paměť - zachovává vložené informace po neomezeně dlouhou dobu. Většinou bývá realizována součástkami, které mají dva stavy Může to být například bistabilní klopný obvod, na kterém se mění výstupní stavy za předpokladu, že se změní jeho vstupní proměnné. Po odpojení vstupních proměnných zůstává stav poslední změny. Pozor: po odpojení napájení však zapamatované informace mizí !!!

• Dynamická paměť - vloženou informaci zachovává pouze po omezenou dobu. Bývá realizována například kondenzátory, indukčností apod.

• Logický stav - je kombinací logických proměnných. V kombinaci nabývá každá logická proměnná jedné ze svých možných hodnot

• vstupní logický stav - je kombinací logických proměnných na vstupu logického členu

• výstupní logický stav - je kombinací logických proměnných na výstupu logického členu

• stabilní stav - je stav logického členu, který se beze změny vstupního logického stavu, nemění

• nestabilní stav - je stav logického členu, který se beze změny vstupního logického stavu, mění. Změna je určena funkcí nebo parametry některého členu obvodu.

• neurčitý stav - je stav, při kterém je hodnota výstupní proměnné náhodná a nelze ji přiřadit ke vstupním proměnným tak, aby odpovídala příslušné logické funkci..

• nepřípustný stav - je stav, při kterém by byla porušena správná činnost logického členu.

• Druhy logiky - logické proměnné přiřazujeme dvě napěťové úrovně. Podle přiřazení této úrovně můžeme rozlišit dva druhy logiky
• Pozitivní logika - v tomto druhu logiky bereme v úvahu, že logická 1 je napěťové kladnější než logická 0 ( např. log.1 = 2,4V; log.0 = 0V )

• Negativní logika - v tomto druhu logiky bereme v úvahu, že logická 0 je napěťové kladnější než logická 1 ( např. log.0 = 2,4V; log.1 = 0V ).

Pokud nebude, v této publikaci uvedeno jinak, budeme pracovat s pozitivní logikou.