Исследование работы логических элементов. Исследование логических элементов

Цель работы . Ознакомление с основными функциями и законами алгебры логики, характеристи­ками логических микросхем, основами анализа и синтеза простых и сложных логических схем.

Краткие теоретические сведения.

Анализ работы цифровых устройств и синтез логических цепей произ­водится на основе математического аппарата алгебры логики или «булевой» алгебры, оперирующей только двумя понятиями: истинным (логическая «1») и ложным (логический «0»). Функции, отображающие такую информацию, а также устройства, формирующие функции алгебры логики, называются логическими. Логические функции нескольких переменных определяют характер логических операций, в результате которых набору входных переменных x 0 , x 1 ,…, x n -1 ставится в соответствие выходная переменная F

F = f (x 0 , x 1 ,…, x n -1 ).

Функция преобразования характеризуется таблицей, в которой каждой комбинации входных переменных соответствует значение выходной переменной F . Ее называют таблицей истинности.

Основными функциями алгебры логики, с помощью которых можно осуществлять любые логические преобразования, являются логическое умножение (конъюнкция), логическое сложение (дизъюнкция) и логическое отрицание (инверсия).

Алгебра логики позволяет преобразовывать формулы, описывающие сложные логические зависимости, с целью их упрощения. Это помогает в конечном итоге определять оптимальную структуру того или иного цифрового автомата, реализующего любую сложную функцию. Под оптимальной структурой принято понимать такое построение автомата, при котором число входящих в его состав элементов минимально.

Основные законы алгебры логики .

Переместительный закон:

a + b = b + а; ab = ba .

Сочетательный закон:

(a + b) + c = a + (b + c); (ab)c = a(bc).

Распределительный закон:

a(b + c) = ab + ac; a + bc = (a + b)(a +c).

Закон поглощения:

a + ab = a(1 + b) = a; a(a + b) = a + ab = a.

Закон склеивания:

ab + a = a ; (a + b )(a + ) = a .

Закон отрицания:

или
.

Логические элементы . Логические элементы используют в качестве значений входных и выходных напряжений лишь два уровня: «высокий» и «низкий». Если логическому «0» соответствует напряжение низкого уровня, а логической «1» – высокого, то такую логику называют положительной, и наоборот, если за логический «0» принимают напряжение высокого уровня, а за логическую «1» – напряжение низкого уровня, то такую логику называют отрицательной. В транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ) напряжение логического «0» – U 0 со­став­ляет десятые доли вольт (менее 0,4 В), а напряжение логической «1» – U 1 >2,4 В. Логические элементы реализуют простейшие функции или систему функций алгебры логики.

	Таблица 1

П ростейшей функцией алгебры логики является функция НЕ. Она реализуется с помощью инвертора, условное графическое обозначение которого приведено на рис. 1. На вход инвертора подается величинаX , которая может принимать два значения: «0» и «1». Выходная величина Y , при этом тоже принимает два значения: «1» и «0». Взаимно однозначное соответствие X и Y дается таблицей истинности (табл. 1), причем значение выходной величины Y зависит не от предыдущих значений, а лишь от текущего значения входной величины X : Y = .

Это справедли­во для всех логических элементов, не имеющих памяти, у кото­рых в таблице истинности значение Y не зависит от порядка строк.

		Таблица 2

Л огическими элементами, реализующими функции логиче­ского сложения и логического умножения, являются элементы ИЛИ и И. Таблицы истинности для этих элементов однозначно связывают значение выходной величиныY со значениями двух (или более) входных величин х l , х 2 , ... x n . Условные графические обозначения логических эле­ментов ИЛИ и И приведены соответственно на рис. 2 и 3, а их таблицы истинности – в таблицах 2 и 3. Например, для логического элемента 2-ИЛИ, реализую­щего дизъюнкцию

Y = х l + х 2 или Y = х l  х 2 ,

а для элемента 2-И, реали­зую­щего конъюнкцию

Y = х l  х 2 или Y = х l  х 2 .

		Таблица 3

Н а наборе логиче­ских элементов И, ИЛИ, НЕ можно реализовать любую сколь угодно сложную логи­ческую функцию, поэ­тому данный набор элемен­тов на­зывают функциональ­но пол­ным.

На практике часто используется расширенный набор логических элементов, позволяющих также составлять функционально полные системы. К ним относятся элементы:

ИЛИ-НЕ (элемент Пирса), реализующий функцию

;

И-НЕ (элемент Шеффера), реализующий функцию

.

Их обозначения и таблицы истинности приведены на рис. 4 и в табл. 4.

			Таблица 4

В частности функционально полные системы могут состоять из эле­мен­тов только одного типа, например, реализующих функцию И-НЕ либо ИЛИ-НЕ.

Комбинационные логические цепи – это такие цепи, выходные сигналы которых однозначно определяются сигналами, присутствующими на их входах в рассматриваемый момент времени и не зависят от предыдущего состояния.

Набор логических элементов, входящих в состав учебного стенда по основам цифровой техники не содержит элементов, реализующих функцию ИЛИ-НЕ, что ограничивает число вариантов построения логических схем при их синтезе и позволяет составлять схемы только в базисе элементов И-НЕ.

Прежде чем перейти к вопросам анализа и синтеза логических устройств в заданном базисе элементов (И-НЕ), необходимо составить таблицу, в которую будут сведены все возможные формы представления выходных сигналов указанных элементов при условии, что на их входы поданы логические переменные х l и х 2 . При синтезе схем можно использовать два технических приема: двойное инвертирование входного исходного выражения или его части и применение теорем Де-Моргана. При этом функция преобразуется к виду, содержащему только операции логического умножения и инверсии, и переписывается через условные обозначения операции И-НЕ и НЕ.

Последовательность проведения анализа и синтеза комбинационных логических цепей:

Составление таблицы функционирования логической цепи (таблицы истинности).

Запись логической функции.

Минимизация логической функции и преобразование ее к виду, удобному для реализации в заданном базисе логических элементов (И-НЕ, НЕ).

Пример проведения анализа и синтеза логических цепей .

Пусть необходимо построить мажоритарную ячейку (ячейку голосования) на три входа, т.е. такую ячейку, у которой сигнал на выходе равен единице тогда, когда на двух или трех входах цепи присутствует сигнал единицы, в противном случае выходной сигнал должен быть равен нулю.

Вначале заполним таблицу истинности (табл. 5). Поскольку в данном случае имеются три входных сигнала х 1 , х 2 , х 3 , каждый из которых может принимать одно из двух возможных значений (0 или 1), то всего может быть восемь различных комбинаций этих сигналов. Четырем из этих комбинаций будет соответствовать выходной сигнал F , равный единице.

Таблица 5

	x 1	x 2	x 3

Пользуясь данными табл. 5, можно запи­сать логическую функцию, кото­рую должна реализовать синтезируемая цепь. Для этого нужно представить эту функцию в виде суммы логических произведений, соответствующих тем строкам табл. 5 (3, 5-7), для которых функция F равна единице. Аргументы записываются без инверсии, если они равны единице и с инверсией, если равны нулю.

Если в синтезируемой таблице истинности выходная величина чаще принимает значение «1», то синтезируются строки, в которых выходная величина равна «0».

При выполнении заданной процедуры получим функцию

F = . (1)

Для минимизации (упрощения) данной функции нужно применить основные законы алгебры логики. Возможна следующая последовательность преобразований, например, с применением закона склеивания (теоремы Де-Моргана):

F = =

+
=
. (2)

Как видно, полученное конечное выражение гораздо проще исходного.

Аналогично проводится анализ (составление таблиц истин­ности) и более сложных логических схем.

Для выполнения задания предлагается набор наиболее распространенных логических элементов (рис. 5).

Рис. 5. Набор логических элементов для выполнения задания

Задание к лабораторной работе

1. Составить таблицы истинности для всех логических элементов, приведенных на рис. 5.

2. Для каждого логического элемента из набора представленных на рис. 5. составить логические выражения, реализующие их функции в базисе логических элементов НЕ и И-НЕ и начертить полученные тождественные схемы.

3. Собрать рассмотренные схемы на стенде и, путем перебора комбинаций входных сигналов, составить их таблицы истинности.

4. Используя законы отрицания (теоремы Де-Моргана) произвести преобра­зование минимизиро­ван­ной функции (2) для реализации ее в базисе логических элементов НЕ и И-НЕ и начертить полученную тождественную схему.

5. Собрать представленную схему на стенде и, путем перебора комбинаций входных сигналов, проверить соответствие ее работы таблице истинности (табл. 5).

Контрольные вопросы

Что такое функционально полная система и базис логических элементов?

В чем особенности синтеза логических устройств?

В чем заключаются принципы минимизации логических устройств?

Назовите основные операции булевой алгебры.

Что отражают теоремы булевой алгебры? Сформулировать теоремы Де-Моргана: поглощения и склеивания.

Какие цифровые устройства называются комбинационными?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.

Подобные документы

Основные аксиомы и тождества алгебры логики. Аналитическая форма представления булевых функций. Элементарные функции алгебры логики. Функции алгебры логики одного аргумента и формы ее реализации. Свойства, особенности и виды логических операций.

реферат , добавлен 06.12.2010


Системы цифровой обработки информации. Понятие алгебры Буля. Обозначения логических операций: дизъюнкция, конъюнкция, инверсия, импликация, эквивалентность. Законы и тождества алгебры Буля. Логические основы ЭВМ. Преобразование структурных формул.

презентация , добавлен 11.10.2014


Булевы алгебры – решетки особого типа, применяемые при исследовании логики (как логики человеческого мышления, так и цифровой компьютерной логики), а также переключательных схем. Минимальные формы булевых многочленов. Теоремы абстрактной булевой алгебры.

курсовая работа , добавлен 12.05.2009


Свойства операций над множествами. Формулы алгебры высказываний. Функции алгебры логики. Существенные и фиктивные переменные. Проверка правильности рассуждений. Алгебра высказываний и релейно-контактные схемы. Способы задания графа. Матрицы для графов.

учебное пособие , добавлен 27.10.2013


Основы формальной логики Аристотеля. Понятия инверсии, конъюнкции и дизъюнкции. Основные законы алгебры логики. Основные законы, позволяющие производить тождественные преобразования логических выражений. Равносильные преобразования логических формул.

презентация , добавлен 23.12.2012


Основные понятия алгебры логики. Дизъюнктивные и конъюнктивные нормальные формы. Сущность теоремы Шеннона. Булевы функции двух переменных. Последовательное и параллельное соединение двух выключателей. Свойства элементарных функций алгебры логики.

контрольная работа , добавлен 29.11.2010


Понятие алгебры логики, ее сущность и особенности, основные понятия и определения, предмет и методика изучения. Законы алгебры логики и следствия из них, методы построения формул по заданной таблице истинности. Формы представления булевых функций.

учебное пособие , добавлен 29.04.2009

1. Цель работы

Целью работы является:

Теоретическое изучение логических элементов, реализующих элементарные функции алгебры логики (ФАЛ);

Экспериментальное исследование логических элементов, построенных на отечественных микросхемах серии К155.

2. Основные теоретические положения.

2.1. Математической основой цифровой электроники и вычислительной техники является алгебра логики или булева алгебра (по имени английского математика Джона Буля).

В булевой алгебре независимые переменные или аргументы (X) принимают только два значения: 0 или 1. Зависимые переменные или функции (Y) также могут принимать только одно из двух значений: 0 или 1. Функция алгебры логики (ФАЛ) представляется в виде:

Y = F (X 1 ; X 2 ; X 3 ... X N).

Данная форма задания ФАЛ называется алгебраической.

2.2. Основными логическими функциями являются:

Логическое отрицание (инверсия)

Логическое сложение (дизьюнкция)

Y = X 1 + X 2 или Y = X 1 V X 2 ;

Логическое умножение (коньюнкция)

Y = X 1 · X 2 или Y = X 1 L X 2 .

К более сложным функциям алгебры логики относятся:

Функция равнозначности (эквивалентности)

Y = X 1 · X 2 + или Y = X 1 ~ X 2 ;

Функция неравнозначности (сложение по модулю два)

Y = X 1 · + · X 2 или Y = X 1 X 2 ;

Функция Пирса (логическое сложение с отрицанием)

Функция Шеффера (логическое умножение с отрицанием)

2.3. Для булевой алгебры справедливы следующие законы и правила:

Распределительный закон

X 1 (X 2 + X 3) = X 1 · X 2 + X 1 · X 3 ,

X 1 + X 2 · X 3 = (X 1 + X 2) (X 1 + X 3) ;

Правило повторения

X · X = X , X + X = X ;

Правило отрицания

X · = 0 , X + = 1 ;

Теорема де Моргана

Тождества

X · 1 = X , X + 0 = X , X · 0 = 0 , X + 1 = 1.

2.4. Схемы, реализующие логические функции, называются логическими элементами. Основные логические элементы имеют, как правило, один выход (Y) и несколько входов, число которых равно числу аргументов (X 1 ;X 2 ;X 3 ... X N). На электрических схемах логические элементы обозначаются в виде прямоугольников с выводами для входных (слева) и выходных (справа) переменных. Внутри прямоугольника изображается символ, указывающий функциональное назначение элемента.

На рис.1 ¸ 10 представлены логические элементы, реализующие рассмотренные в п.2.2. функции. Там же представлены так называемые таблицы состояний или таблицы истинности, описывающие соответствующие логические функции в двоичном коде в виде состояний входных и выходных переменных. Таблица истинности является также табличным способом задания ФАЛ.

На рис.1 представлен элемент “НЕ”, реализующий функцию логического отрицания Y = .

Элемент “ИЛИ” (рис.2) и элемент “И” (рис.3) реализуют функции логического сложения и логического умножения соответственно.

Функции Пирса и функции Шеффера реализуются с помощью элементов “ИЛИ-НЕ” и “И-НЕ”, представленных на рис.4 и рис. 5 соответственно.

Элемент Пирса можно представить в виде последовательного соединения элемента “ИЛИ” и элемента “НЕ” (рис.6), а элемент Шеффера - в виде последовательного соединения элемента “И” и элемента “НЕ” (рис.7).

На рис.8 и рис.9 представлены элементы “Исключающее ИЛИ” и “Исключающее ИЛИ - НЕ”, реализующие функции неравнозначности и неравнозначности с отрицанием соответственно.

2.5. Логические элементы, реализующие операции коньюнкции, дизьюнкции, функции Пирса и Шеффера, могут быть, в общем случае, n - входовые. Так, например, логический элемент с тремя входами, реализующий функцию Пирса, имеет вид, представленный на рис.10.

В таблице истинности (рис.10) в отличие от таблиц в п.2.4. имеется восемь значений выходной переменной Y. Это количество определяется числом возможных комбинаций входных переменных N, которое, в общем случае, равно: N = 2 n , где n - число входных переменных.

2.6. Логические элементы используются для построения интегральных микросхем, выполняющих различные логические и арифметические операции и имеющих различное функциональное назначение. Микросхемы типа К155ЛН1 и К155ЛА3, например, имеют в своем составе шесть инверторов и четыре элемента Шеффера соответственно (рис.11), а микросхема К155ЛР1 содержит элементы разного вида (рис.12).

2.7. ФАЛ любой сложности можно реализовать с помощью указанных логических элементов. В качестве примера рассмотрим ФАЛ, заданную в алгебраической форме, в виде:

Упростим данную ФАЛ, используя вышеприведенные правила. Получим:

(2)

Проведенная операция носит название минимизации ФАЛ и служит для облегчения процедуры построения функциональной схемы соответствующего цифрового устройства.

Функциональная схема утройства, реализующая рассматриваемую ФАЛ, представлена на рис.13.

Следует отметить, что полученная после преобразований функция (2) не является полностью минимизированной. Полная минимизация функции проводится в процессе выполнения лабораторной работы.

3. Описание обьекта и средств исследования

Исследуемое в лабораторной работе устройство представлено на рис.14.

3.1. Устройство представляет собой группу логических элементов, выполненных на микросхемах серии К155 (элементы ДД1¸ДД4).

Для микросхем данной серии логической единице соответствует напряжение U 1 = (2,4 ¸ 5,0) B, а логическому нулю - U 0 = (0 ¸ 0,8) В.

3.2. Логические “0” и “1” на входе элементов задаются с помощью кнопок, расположенных на передней панели блока К32 под надписью “Программатор кодов”. Номера кнопок на панели соответствуют номерам на схеме устройства.

Полное графическое изображение кнопок данного типа (так называемых “кнопок с фиксацией”) показано только для кнопки SA1.

При нажатой кнопке вход элементов через резистор R1 подключается к источнику с напряжением 5В. При этом на входе элементов будет действовать напряжение U 1 , что соотвествует подаче на вывод микросхемы логической единицы. При отжатой кнопке вход элемента будет соединен с шиной, находящейся под потенциалом земли, что соответствует подаче на вывод микросхемы логического нуля U 0 .

3.3. Логические сигналы с выводов элементов ДД1 ¸ ДД4 поступают на цифровые индикаторы и индуцируются в виде символов “0” и “1”. Цифровые индикаторы расположены в блоке К32 слева (кнопка “IO 2”) под индикаторами должна находиться в нажатом состоянии.

3.4. Сигнал с выхода элемента ДД5 через цепи коммутации подается на вход мультиметра Н3014. Предварительно мультиметр устанавливается в режим измерения постоянного напряжения “-V” и выпорлняются следующие подсоединения:

3.4.1. Вход - гнездо мультиметра “-V” - кабелем соединяется с гнездом “Выход V ~“ блока К32.

3.4.2. Гнездо XS1 на плате устройства проводником соединяется с левым гнездом под надписью “Вход 1” в поле надписи “Коммутатор”.

3.4.3. Кнопка “ВСВ ВНК” над указанным выше гнездом должна находиться в нажатом состоянии.

3.4.4. Кнопка “ВХ 1” под надписью “Контроль V ~“ должна находиться в нажатом, а кнопка “ВСВ ВНК” в поле надписи “КВУ” - в отжатом состоянии.

4.1. Исследование особенностей функционирования логических элементов ДД1 ¸ ДД4 и определение их функционального назначения.

4.1.1. Задавая различные комбинации входных логических сигналов, определить значение выходного сигнала и по результатам измерений заполнить таблицы истинности для каждого элемента ДД1 ¸ ДД4 (таблица 1 или таблица 2 соответственно) в лабораторном отчете.

Таблица 1.

Таблица 2.

4.1.2. По результатам измерений (п.4.1.1.) определить функциональное назначение элементов и проставить их обозначение на схеме в лабораторном отчете.

Внимание! Вноситьт обозначения в текст методических указаний категорически запрещается.

4.2. Исследование особенностей функционирования элемента ДД5, определение его функционального гназначения и измерение уровней напряжения, соответсствующих логическим сигналам “0” и “1”.

4.2.1. Задавая с помощью кнопки SA12 лоргические сигналы “0” и “1”, на входе элемента ДД5 по соотношению выходных сигналов определить его функциональное назначение (см.п.3.1.). Провести измерения величины напряжения на выходе элемента для каждой комбинации входных сигналов с помощью мультиметра (п.3.4.). Данные измерений занести в таблицу.

Таблица 3.

4.2.2. По результатам измерений (п.4.2.1.) определить уровни напряжений логического нуля U 0 и логической единицы U 1 для данного типа микросхем и установить их соответствие паспортным данным.

4.3. Провести полную минимизацию ФАЛ, представленной в п.2.7. По результатам минимизации составить функциональную схему устройства.

1. Название и цель работы

2. Схема исследуемого устройства

3. Таблицы 1,2,3

4. Результаты измерений U 0 и U 1 (п.4.2.2.)

5. Формулы для расчета и расчет по п.4.3., схема устройства

6. Выводы по работе

6. Контрольные вопросы

1. Какими значениями переменных оперирует алгебра логики?

2. Основные формы задания ФАЛ

3. Вид основных логических функций в алгебраической форме

4. Что такое “логический элемент”?

5. Какие логические функции выполняют элементы Пирса и Шеффера?

6. Чем определяется число возможных комбинаций входных переменных для произвольного логического элемента?

7. Список использованной литературы

Электротехника и основы электроники. О.А.Антонова, О.П.Глудкин и др., Под ред. проф. О.П.Глудкина.-М.:Высшая школа, 1993.

СЕРГИЕВ ПОСАД

Лабораторная работа № 1

Логические функции, ЭЛЕМЕНТЫ и схемы

Цель работы

Исследование логических функций, логических элементов и схем.

Приборы и элементы

Логический преобразователь.

Генератор слов.

Вольтметр.

Логические пробники.

Источник напряжения + 5 В.

Источник сигнала "логической единицы".

Двухпозиционные переключатели.

Двухвходовые элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ.

Микросхемы серии 74.

Краткие сведения из теории

Аксиомы алгебры логики

Переменные, рассматриваемые в алгебре логики, могут принимать только два значения - 0 или 1. В алгебре логики определены отношение эквивалентности (обозначается знаком =), операции сложения (дизъюнкции), обозначаемая знаком , умножения (конъюнкции), обозначаемая знаками &, или точкой, и отрицания (или инверсии), обозначаемая надчеркиванием или апострофом ".

Алгебра логики определяется следующей системой аксиом:

x = 1, если x 0; x = 0, если x 1;

0&0 = 0; 1 1 = 1

1&1 = 1; 0 0 =0;

1&0 = 0&1 = 0; 0 1 = 1 0 = 1;

Логические выражения

Запись логических выражений обычно осуществляют в конъюнктивной или дизъюнктивной нормальных формах. В дизъюнктивной форме логические выражения записываются как логическая сумма логических произведений, в конъюнктивной форме – как логическое произведение логических сумм. Порядок действий такой же, как и в обычных алгебраических выражениях. Логические выражения связывают значение логической функции со значениями логических переменных.

Логические законы и тождества

При преобразованиях логических выражений используются следующие логические законы и тождества

Логические функции

Любое логическое выражение, составленное из n переменных с помощью конечного числа операций алгебры логики, можно рассматривать как некоторую функцию n переменных. Такую функцию называют логической. В соответствии с аксиомами алгебры логики функция может принимать в зависимости от значения переменных значение 0 или 1. Функция n логических переменных может быть определена для 2 n значений переменных, соответствующих всем возможным значениям n-разрядных двоичных чисел Основной интерес представляют следующие функции двух переменных х и у

f 1 (x,y) = x & y = x y = x – логическое умножение (конъюнкция),

f 2 (x,y) = x y – логическое сложение (дизъюнкция),

f 3 (x,y) = = – штрих Шеффера,

f 4 (x,y) = = – стрелка Пирса,

f 5 (x,y) = x y = – сложение по модулю 2,

f 6 (x,y) = – равнозначность.

Логические схемы

Физическое устройство, реализующее одну из операций алгебры логики или простейшую логическую функцию, называется логическим элементом. Схема, составленная из конечного числа логических элементов по определенным правилам, называется логической схемой. Основным логическим функциям соответствуют выполняющие их схемные элементы.

Таблица истинности

Так как область определения любой функции n переменных конечна (2 n значений), такая функция может быть задана таблицей значений f(i), которые она принимает в точках i, где i= 0,…,2 n -1. Такие таблицы называют таблицами истинности. В таблице 1 представлены таблицы истинности, задающие указанные выше функции.

Таблица 1

	Значения переменных
	x	у	f 1	f 2	f 3	f 4	f 5	f 6
0	0	0	0	0	1	1	0	1
1	0	1	0	1	1	0	1	0
2	1	0	0	1	1	0	1	0
3	1	1	1	1	0	0	0	1

Карты Карно

Если число логических переменных не превышает 5-6, преобразования логических уравнений удобно производить с помощью карт Карно. Цель преобразований - получение компактного логического выражения (минимизация). Минимизацию производят объединением соседних наборов (термов). Объединяемые наборы должны иметь одинаковые значения функции (все 0 или все 1). Для наглядности рассмотрим пример: пусть требуется найти логическое выражение для мажоритарной функции f m трех переменных x, у, z, описываемой таблицей истинности, показанной в Таблице 2.

Таблица 2

Мажоритарная функция

№	x	y	z	f m
0	0	0	0	0
1	0	0	1	0
2	0	1	0	0
3	0	1	1	1
4	1	0	0	0
5	1	0	1	1
6	1	1	0	1
7	1	1	1	1

Здесь номер строки равен числу i= 2 2 x+2 1 y+2 0 z, образованному значениями переменных.

Составим карту Карно. Она представляет собой нечто похожее на таблицу, в которой наименования столбцов и строк представляют собой значения переменных, причем переменные располагаются в таком порядке, чтобы при переходе к соседнему столбцу или строке изменялось значение только одной переменной. Например, в строке xy таблицы 3 значения переменных xy могут быть представлены следующими последовательностями 00,01,11,10 или 00,10,11,01. Таблицу заполняют значениями функции, соответствующими комбинациям значений переменных. Полученная таким образом таблица выглядит, как показано ниже (таблица 3).

Таблица 3

Карта Карно

мажоритарной функции

xy z	00	01	11	10
0	0	0	1	0
1	0	1	1	1

На карте Карно отмечаем группы, состоящие из 2 k соседних ячеек (2,4,8,) и содержащие 1, так как они описываются простыми логическими выражениями. Три овала в таблице определяют логические выражения xy, xz, yz. Каждый овал, объединяющий две ячейки, соответствует логическим преобразованиям:

Компактное выражение, описывающее функцию, представляет собой дизъюнкцию полученных при помощи карт Карно логических выражений. В результате получаем выражение в дизъюнктивной нормальной форме

f m = xy v xz v yz .

Если объединять 0, то получим выражение в конъюнктивной нормальной форме

f m = (x v y)(x v z)(y v z).

При реализации мажоритарной функции трех логических переменных получим схему, которая при подаче на ее входы трех сигналов сформирует на выходе сигнал, равный сигналу на большинстве входов (2 из 3 или 3 из 3). Эта схема применяется для восстановления истинного значения сигналов, поступающих на 3 входа, если возможна ошибка на одном из входов.

Для реализации этой функции на элементах 2И-НЕ необходимо провести следующие преобразования:

Для ДНФ получилось более простое выражение, поэтому его и следует реализовать. Соответствующая схемная реализация приведена на рис. 1.

Рис. 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Цель работы – Практическое изучение логических элементов, реализующих элементарные функции алгебры логики (ФАЛ ). Экспериментальное исследование логических элементов, построенных на отечественных микросхемах серии К155, К561.

1. Краткие теоретические сведения

1.1. Математической основой цифровой электроники и вычислительной техники является алгебра логики или булева алгебра (по имени английского математика Джона Буля).

В булевой алгебре независимые переменные или аргументы (X) принимают только два значения: 0 или 1. Зависимые переменные или функции (Y) также могут принимать только одно из двух значений: 0 или 1. Функция алгебры логики (ФАЛ) представляется в виде:

Y = F (X 1 ; X 2 ; X 3 ... X N).

Данная форма задания ФАЛ называется алгебраической.

1.2. Основными логическими функциями являются:

Логическое отрицание (инверсия)

Логическое сложение (дизьюнкция)

Y = X 1 + X 2 или Y = X 1 V X 2 ;

Логическое умножение (коньюнкция)

Y = X 1 ·X 2 или Y = X 1  X 2 .

К более сложным функциям алгебры логики относятся:

Функция равнозначности (эквивалентности)

Y = X 1 ·X 2 +
или Y = X 1 ~ X 2 ;

Функция неравнозначности (сложение по модулю два)

Y =
+
или Y = X 1 X 2 ;

Функция Пирса (логическое сложение с отрицанием)

Y =
;

Функция Шеффера (логическое умножение с отрицанием)

Y =
;

1.3. Для булевой алгебры справедливы следующие законы и правила:

Распределительный закон

X 1 (X 2 + X 3) = X 1 ·X 2 + X 1 ·X 3 ,

X 1 + X 2 ·X 3 = (X 1 + X 2) (X 1 + X 3) ;

Правило повторения

X·X = X , X + X = X ;

Правило отрицания

X·= 0 , X += 1 ;

Теорема де Моргана: Чтобы получить дополнительную булеву функцию, инвертируйте каждую переменную и замените И на ИЛИ

=
,
=
;

Тождества

X·1 = X, X + 0 = X, X·0 = 0 , X + 1 = 1.

1.4. Схемы, реализующие логические функции, называются логическими элементами. Основные логические элементы имеют, как правило, один выход (Y) и несколько входов, число которых равно числу аргументов (X 1 ; X 2 ; X 3 ... X N). На электрических схемах логические элементы обозначаются в виде прямоугольников с выводами для входных (слева) и выходных (справа) переменных. Внутри прямоугольника изображается символ, указывающий функциональное назначение элемента.

На рис. 2.1  2.10 представлены логические элементы, реализующие рассмотренные ниже функции. Там же представлены так называемые таблицы состояний или таблицы истинности, описывающие соответствующие логические функции в двоичном коде в виде состояний входных и выходных переменных. Таблица истинности является также табличным способом задания ФАЛ.

На рис. 2.1 представлен элемент “НЕ.

Рисунок 2.1. Элемент “НЕ”, реализующий функцию логического отрицания Y =

Элемент “ИЛИ” (рис. 2.2) и элемент “И” (рис. 2.3) реализуют функции логического сложения и логического умножения соответственно.

Рисунок 2.2

Рисунок 2.3

Функции Пирса и функции Шеффера реализуются с помощью элементов “ИЛИ-НЕ” и “И-НЕ”, представленных на рис. 2.4 и рис. 2.5 соответственно.

Рисунок 2.4

Рисунок 2.5

Элемент Пирса можно представить в виде последовательного соединения элемента “ИЛИ” и элемента “НЕ” (рис. 2.6), а элемент Шеффера – в виде последовательного соединения элемента “И” и элемента “НЕ” (рис. 2.7).

На рис. 2.8 и рис. 2.9 представлены элементы “Исключающее ИЛИ” и “Исключающее ИЛИ - НЕ”, реализующие функции неравнозначности и неравнозначности с отрицанием соответственно.

Рисунок 2.8

Рисунок 2.9

1.5. Логические элементы, реализующие операции коньюнкции, дизьюнкции, функции Пирса и Шеффера, могут быть, в общем случае, n - входные. Так, например, логический элемент с тремя входами, реализующий функцию Пирса, имеет вид, представленный на рис. 2.10.

Рисунок 2.10

В таблице истинности (рис. 2.10) в отличие от таблиц (рис. 2.4) имеется восемь значений выходной переменной Y. Это количество определяется числом возможных комбинаций входных переменных N, которое, в общем случае, равно: N = 2 n , где n - число входных переменных.

1.6. Логические элементы используются для построения интегральных микросхем, выполняющих различные логические и арифметические операции и имеющих различное функциональное назначение. Микросхемы типа К155ЛН1 и К155ЛА3, например, имеют в своем составе шесть инверторов и четыре элемента Шеффера соответственно (рис. 2.11), а микросхема К155ЛР1 содержит элементы разного вида (рис. 2.12).

Рисунок 2.11

Рисунок 2.12

1.7. Функции алгебры логики любой сложности можно реализовать с помощью указанных логических элементов. В качестве примера рассмотрим ФАЛ, заданную в алгебраической форме, в виде:

Упростим данную ФАЛ, используя вышеприведенные правила. Получим:

(2)

Проведенная операция носит название минимизации ФАЛ и служит для облегчения процедуры построения функциональной схемы соответствующего цифрового устройства.

Функциональная схема устройства, реализующая рассматриваемую ФАЛ, представлена на рис. 2.13.

Рисунок 2.13

Следует отметить, что полученная после преобразований функция (2) не является полностью минимизированной. Полная минимизация функции проводится студентами в процессе выполнения лабораторной работы.

Оборудование: Лабораторный стенд ЛКЭЛ – 4М 08 «Цифровая и цифро-аналоговая схемотехника»

2.1. Исследовать особенности функционирования логических элементов НЕ, 2ИЛИ, 2И, 2И-НЕ, 3И-НЕ, расположенных на панели стенда. Для исследования элемента НЕ, расположенного в левой части монтажного поля сигнал на вход подавать путем нажатия на черную кнопку. При этом свечение красного светодиода говорит о наличии «1» на входе и соответственно «0» на выходе. Для исследования остальных элементов за входной сигнал, как вариант, взять сигнал с гнезда, расположенного рядом со светодиодом. Построить таблицу истинности для каждого элемента, взяв за образец таблицу 1. Для измерений состояний и значений напряжений входа и выхода использовать осциллограф (вольтметром, расположенным на стенде).

2.1.1. Минимизировать функцию (2) используя различные варианты (можно один), разработать схему, исходя из наличия элементов на панели стенда, и реализовать ее на панели стенда. Результаты занести в таблицу 2.

2.1.2. По результатам исследований (п. 2.1.1) определить функциональное назначение элементов и проставить их обозначение на схеме в лабораторном отчете.

Название и цель работы.

Схема выполнения экспериментов.

Заполненные таблицы 2.1 и 2.2.

Результаты измерений U 0 и U 1 (п. 2.1).

Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы.

Какими значениями переменных оперирует алгебра логики?

Основные формы задания ФАЛ.

Вид основных логических функций в алгебраической форме.

Что такое “логический элемент”?

Какие логические функции выполняют элементы Пирса и Шеффера?

Чем определяется число возможных комбинаций входных переменных для произвольного логического элемента?

Дать определение СДНФ, СКНФ.

Таблица 2.1 Таблица 2.2