디지털 신호 및 게이트

이진법은 흥미로운 수학적 추상화이지만 전자공학에 실제로 적용되는 것은 아직 보지 못했습니다. 이 장은 이진 비트의 개념을 회로에 실제로 적용하는 것에만 전념합니다.

디지털 전자 제품의 응용에서 이진 계산이 중요한 이유는 비트를 물리적 용어로 쉽게 표현할 수 있기 때문입니다. 이진 비트는 0 또는 1의 두 가지 다른 값 중 하나만 가질 수 있기 때문에 두 개의 포화 상태 사이를 전환할 수 있는 모든 물리적 매체를 사용하여 비트를 나타낼 수 있습니다.

결과적으로 이진 비트를 표현할 수 있는 모든 물리적 시스템은 숫자 양을 나타낼 수 있으며 잠재적으로 이러한 숫자를 조작할 수 있습니다. 이것이 디지털 컴퓨팅의 기본 개념입니다.

이진 및 전자 회로

트랜지스터 이진 연산

전자 회로는 이진수 표현에 적합한 물리적 시스템입니다. 바이어스 한계에서 작동할 때 트랜지스터는 차단(제어 전류 없음) 또는 포화(최대 제어 전류)의 두 가지 다른 상태 중 하나에 있을 수 있습니다. 트랜지스터 회로가 이러한 상태 중 하나에 빠질 확률을 최대화하도록 설계된 경우(선형 또는 활성 모드에서 작동하지 않음) 이진 비트의 물리적 표현으로 사용될 수 있습니다.

"높음"에서 트랜지스터 입력

이러한 회로의 출력에서 ​​측정된 전압 신호는 단일 비트, 이진수 "0"을 나타내는 저전압 및 이진수 "1"을 나타내는 (상대적으로) 고전압을 나타내는 역할을 할 수도 있습니다. 다음 트랜지스터 회로에 유의하십시오.

이 회로에서 트랜지스터는 2위치 스위치를 통해 인가된 입력 전압(5볼트)으로 인해 포화 상태에 있습니다. 포화 상태이기 때문에 트랜지스터는 컬렉터와 에미터 사이의 전압을 거의 떨어뜨리지 않아 출력 전압이 (실질적으로) 0V가 됩니다.

이 회로를 사용하여 이진 비트를 나타내는 경우 입력 신호는 이진수 "1"이고 출력 신호는 이진수 "0"이라고 합니다. 전체 공급 전압(물론 접지를 기준으로 측정)에 가까운 전압은 "1"로 간주되고 전압 부족은 "0"으로 간주됩니다.

이러한 전압 수준에 대한 대체 용어는 높음입니다. (바이너리 "1"과 동일) 및 낮음 (바이너리 "0"과 동일). 회로 전압으로 이진 비트를 나타내는 일반적인 용어는 논리입니다. 수준.

"낮음"에서 트랜지스터 입력

스위치를 다른 위치로 이동하여 입력에 바이너리 "0"을 적용하고 출력에서 ​​바이너리 "1"을 수신합니다.

논리 게이트란 무엇입니까?

여기에서 단일 트랜지스터로 만든 것은 일반적으로 논리 게이트 또는 단순히 게이트로 알려진 회로입니다. . 게이트는 2진수 1과 0에 해당하는 전압 신호를 받아들이고 생성하도록 설계된 특수한 유형의 증폭기 회로입니다.

따라서 게이트는 아날로그 신호(0과 최대 전압 사이의 전압 신호)를 증폭하는 데 사용되지 않습니다. 함께 사용하면 여러 게이트가 이진수 저장(기억 회로) 또는 조작(계산 회로) 작업에 적용될 수 있으며, 각 게이트의 출력은 다중 비트 이진수의 한 비트를 나타냅니다.

이것이 어떻게 수행되는지는 다음 장의 주제입니다. 지금은 개별 게이트의 작동에 집중하는 것이 중요합니다.

인버터 또는 NOT 게이트

여기에 표시된 단일 트랜지스터가 있는 게이트를 인버터라고 합니다. , 또는 NOT 게이트는 입력된 것과 정확히 반대되는 디지털 신호를 출력하기 때문입니다. 편의상 게이트 회로는 일반적으로 구성 트랜지스터와 저항이 아닌 자체 기호로 표시됩니다. 다음은 인버터 기호입니다.

인버터의 대체 기호는 다음과 같습니다.

NOT 게이트 도식 기호

연산 증폭기의 삼각형 모양과 매우 유사한 게이트 기호의 삼각형 모양에 주목하십시오. 앞에서 언급했듯이 게이트 회로는 실제로 증폭기입니다.

입력 또는 출력 단자에 표시된 작은 원 또는 "거품"은 반전 기능을 나타내는 표준입니다. 의심할 수 있듯이 게이트 기호에서 거품을 제거하고 삼각형만 남기면 결과 기호는 더 이상 반전을 나타내지 않고 직접 증폭을 나타냅니다.

이러한 기호와 게이트가 실제로 존재하며 이를 버퍼라고 합니다. , 다음 섹션의 주제입니다.

연산 증폭기 기호와 마찬가지로 입력 및 출력 연결은 단일 와이어로 표시되며 각 전압 신호에 대한 암시적 기준점은 "접지"입니다. 디지털 게이트 회로에서 접지는 거의 항상 단일 전압 소스(전원 공급 장치)의 음극 연결입니다.

이중 또는 "분할" 전원 공급 장치는 게이트 회로에서 거의 사용되지 않습니다. 게이트 회로는 증폭기이기 때문에 작동하려면 전원이 필요합니다. 연산 증폭기와 마찬가지로 디지털 게이트의 전원 공급 장치 연결은 단순화를 위해 기호에서 생략되는 경우가 많습니다.

NOT 게이트 인 서킷

모두를 표시한다면 이 게이트를 작동하는 데 필요한 연결은 다음과 같습니다.

전원 공급 장치 도체는 각 게이트의 전원 공급 장치 연결이 있는 경우에도 게이트 회로도에 거의 표시되지 않습니다. 회로도에서 선을 최소화하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

"Vcc"는 접지를 기준으로 바이폴라 접합 트랜지스터 회로의 컬렉터에 공급되는 일정한 전압을 나타냅니다. "Vcc"라는 레이블이 표시된 게이트 회로의 해당 지점은 모두 동일한 지점에 연결되며 해당 지점은 일반적으로 5볼트인 DC 전압 소스의 양극 단자입니다.

이 장의 다른 섹션에서 볼 수 있듯이, 논리 게이트에는 여러 가지 유형이 있으며 대부분은 둘 이상의 신호를 수신하기 위한 여러 입력 단자를 가지고 있습니다. 모든 게이트의 출력은 입력 상태와 논리 기능에 따라 달라집니다.

진리표로 게이트 회로 기능 표현하기

게이트 회로의 특정 기능을 표현하는 일반적인 방법 중 하나를 진리표라고 합니다. 진리표는 논리 레벨 상태(게이트의 각 입력 단자에 대해 "높음" 또는 "낮음", "1" 또는 "0")와 해당 출력 논리 레벨의 관점에서 입력 조건의 모든 조합을 보여줍니다. "높음" 또는 "낮음." 방금 설명한 인버터 또는 NOT 회로의 경우 진리표는 실제로 매우 간단합니다.

물론 더 복잡한 게이트에 대한 진리표는 NOT 게이트에 대해 표시된 진리표보다 큽니다. 게이트의 진리표에는 고유한 입력 조합이 가능한 한 많은 행이 있어야 합니다.

NOT 게이트와 같은 단일 입력 게이트의 경우 0과 1의 두 가지 가능성만 있습니다. 두 개의 입력 게이트의 경우 네 가지 가능성(00, 01, 10 및 11)이 있으므로 해당 진리에 대한 4행 표.

3입력 게이트의 경우 8가지 가능성(000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111)이 있으므로 8행의 진리표가 필요합니다. 수학적으로 기울어진 사람은 게이트에 필요한 진리표 행의 수가 입력 단자 수의 거듭제곱인 2와 같다는 것을 깨닫게 됩니다.

검토:

<울>

디지털 회로에서 0과 1의 이진 비트 값은 접지라는 공통 회로 지점을 기준으로 측정된 전압 신호로 표시됩니다. 전압이 없으면 이진수 "0"을 나타내고 전체 DC 공급 전압이 있으면 이진수 "1"을 나타냅니다.

로직 게이트 또는 간단히 게이트는 로직 레벨 전압(2진 비트를 나타내기 위한 전압)을 입력 및 출력하도록 설계된 특수한 형태의 증폭기 회로입니다. 게이트 회로는 구성 트랜지스터와 저항이 아닌 고유한 기호로 회로도에서 가장 일반적으로 표시됩니다.

연산 증폭기와 마찬가지로 게이트에 대한 전원 공급 장치 연결은 단순화를 위해 회로도에서 생략되는 경우가 많습니다.

진리표는 게이트 회로의 입/출력 관계를 나타내는 표준 방식으로, 가능한 모든 입력 논리 수준 조합을 해당 출력 논리 수준과 함께 나열합니다.

관련 워크시트:

<울>

디지털 논리 신호 워크시트

<리>

기본 논리 게이트 워크시트

<리>

부울 대수학 워크시트