Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

Н. — Как! Разве те схемы, о которых ты до сих пор мне рассказывал, не признавали логики?

Л. — Дорогой Незнайкин, оставь, пожалуйста, игру слов для других обстоятельств. Логическими элементами называют схемы, реализующие некоторые логические функции, описываемые алгеброй логики и тесно связанные с двоичной арифметикой. Рассматривая эти элементы, мы будем интересоваться лишь наличием или отсутствием напряжения. Отсутствие напряжения мы назовем нулем, а наличие некоторого положительного напряжения назовем 1. Иначе говоря, все, что не 1, будет нуль, а все, что не нуль, будет 1.

Н. — Все ясно, и я чувствую себя совершенно спокойно, если только дальше не появится что-то более сложное.

Л. — Не очень-то доверяй своему впечатлению, Незнайкин, именно за этой кажущейся простотой иногда скрываются трудности. Но как бы то ни было, ты увидишь, что это не уведет нас слишком далеко.

Начнем с элемента ИЛИ, обозначение которого приведено на рис. 125.

Рис. 125. Обозначение логического элемента ИЛИ, который выдает напряжение на выходе, когда напряжение имеется на одном или на другом входе(или на обоих входах одновременно).

Пусть тебя не беспокоит знак 1; он заимствован из специальной системы обозначений, в которую я предпочитаю тебя не посвящать. Элемент предназначен для выдачи напряжения на выходе 5, когда напряжение имеется на его входе А или на входе В или одновременно на обоих входах. Нечто аналогичное можно получить, если предположить, что напряжения А и В воздействуют на катушки двух реле, нормально разомкнутые контакты которых включены параллельно.

Н. — В твоей идее элемента ИЛИ меня несколько беспокоит отсутствие какой бы то ни было разницы между случаями, когда напряжение подается на один из двух входов и когда оно подается на оба сразу.

Л. — К этой идее необходимо привыкнуть. Представь себе, например, что мы установили электрический звонок и подключили к нему параллельно два включателя — кнопки, установленные в разных местах. Звонок зазвонит при нажатии как на одну, так и на другую кнопку. Он также зазвонит (но не вдвое громче), если я нажму одновременно на обе кнопки.

Н. — Согласен, но тогда твое определение ИЛИ следовало бы заменить каким-либо специальным словом.

Л. — Отчасти верно. Мы так привыкли придавать слову «или» исключающий характер, что если сами мы говорим о каком-то человеке, будто он большой или маленький, то, разумеется, не имеем в виду, что он может быть одновременно и большим, и маленьким. Но слово «или» употребляется и без исключающего смысла. Когда мы, например, говорим, что транзистор испорчен или неправильно используется, вполне возможно одновременно и то и другое и в этом случае слово «или» не носит идеи исключения.

Перейдем теперь к элементу И. Обозначение этого элемента я воспроизвел на рис. 126.

Рис. 126. Обозначение логического элемента И, который выдает напряжение на выходе, когда напряжение имеется одновременно на одном и на другом входах.

Этот элемент дает напряжение на выходе, когда напряжение одновременно подается на вход А и на вход В. Пример такого элемента мы можем получить: представь себе, что напряжения А и В приводят в действие два реле, нормально разомкнутые контакты которых включены последовательно.

А теперь я познакомлю тебя с логическим элементом НЕ. Его условное обозначение приведено на рис. 127.

Рис. 127. Обозначение элемента НЕ, который выдает напряжение на выходе, когда на входе напряжения нет, и наоборот.

Этот элемент дает напряжение на выходе, когда на его входе нет напряжения, и не дает выходного напряжения, когда на его вход подается напряжение. Такую схему можно получить, если входное напряжение А подавать на катушку реле, с нормально замкнутого контакта которого на выход схемы подается положительное напряжение.

Н. — Твои элементы представляются мне достаточно простыми, но я сожалею о наличии в них реле. Должно быть, имеется возможность заменить их какими-нибудь компонентами, способными работать быстрее.

Л. — Ты прав. Описанные мной элементы, использующие реле, предназначены только для того, чтобы ты хорошо понял принцип работы этих логических элементов. Если тебе нужен пример, то логический элемент (рис. 127) можно с успехом реализовать с помощью электронной схемы, изображенной на рис. 128.

Рис. 128. Схема элемента НЕ на одном транзисторе.

Как ты видишь, при подаче в точку А потенциала +Е (который рассматривается как наличие напряжения) транзистор запирается и выходное напряжение S становится равным нулю. В том случае, когда точка А замкнута на корпус (отсутствие напряжения на входе), по включенному в цепь базы резистору сопротивлением 10 ком протекает ток. Если коэффициент усиления этого транзистора по току превышает 10 (а это вполне нормально), то транзистор находится в режиме насыщения, и протекающий ток создаст на его коллекторе (т. е. на выходе S) потенциал, близкий к +Е. Имеется также возможность сделать на транзисторах довольно простые элементы И и ИЛИ.

Л. — Не беспокойся. Возможности этих элементов становятся большими, стоит только собрать их в достаточном количестве. Чтобы привести пример, построим схему, которая позволит нам складывать двоичные числа. Как ты сам убедился, при сложении двоичных чисел возможны три результата: нуль, если обе цифры равны нулю; единица, если одна из слагаемых цифр единица; нуль (и перенос единицы в следующий разряд), если обе слагаемые цифры единицы.

Мы попробуем так объединить элементы, чтобы полученное устройство давало выходное напряжение при приложении напряжения на один или на другой вход, но не давало при одновременной подаче напряжения на оба входа.

Н. — В этом случае элемент ИЛИ нас не устроит.

Л. — Правильно, одного этого элемента будет недостаточно. Но посмотри на схему, изображенную на рис. 129.

Рис. 129. Объединение логических элементов, носящее название «исключающее ИЛИ» (без выхода R) или полусумматора (с выходом S и R). Устройство дает напряжение на выходе, когда имеется напряжение на входе А или на входе В, но не одновременно на обоих входах.

Напряжения А и В одновременно подаются на элемент ИЛИ (1) и на элемент И (2). Как ты видишь, на выходе элемента И я поместил элемент НЕ (3). На входе этого элемента НЕ я получу единицу. Исключение будет лишь в том случае, если на входе всего устройства одновременно присутствуют напряжения А и В, ибо только при этом условии элемент И (2) дает выходное напряжение.

Н. — До сих пор я все понял без труда.

Л. — Остальное не сложнее. На выходе элемента ИЛИ (1) напряжение будет, когда оно имеется на входе А или на входе В или одновременно на обоих. А теперь посмотри, как ведет себя элемент И (4). Этот элемент не получит напряжения на свой нижний вход только в том случае, когда напряжение подается одновременно на входы А и В всего устройства. Во всех трех других случаях (напряжение в точках А и В равны нулю, напряжение в А равно нулю и присутствует в точке В, напряжение присутствует в А и равно нулю в точке В) на нижний вход элемента И (4) напряжение подается.

Следовательно, этот элемент не пропустит напряжение с выхода элемента 1 только в том случае, когда входное напряжение одновременно подается в точки А и В. Рассмотрев все возможные варианты, ты можешь убедиться, что на выходе S напряжение будет, когда оно подается только в А или только в В, но не одновременно на оба входа.

Н. — Это далеко не так просто, как ты обещал, но все же здесь можно разобраться. Только я не вижу, зачем нужен выход, обозначенный буквой R, который ты сделал после элемента 2.

Л. — Призови на помощь свою память. Незнайкин: она должна подсказать тебе, что при сложении двоичных цифр запоминать единицу для переноса в следующий разряд приходится лишь в том случае, если обе слагаемые цифры равны единице; иначе говоря, выход R служит для запоминания переноса и сигнал на нем появляется в случае наличия напряжения одновременно в точках А и В.