Создание моделей логических элементов на полупроводниках

Работу выполнил: Безроднов Владимир, ученик 9 класса Новофедоровской школы-лицея Руководитель: учитель физики и информатики Доненко Леонид Николаевич

В настоящее время невозможно представить жизнь человека без компьютера. Компьютер состоит из миллиардов логических элементов, основой которых являются микроскопические полупроводниковые диоды и транзисторы. В настоящей работе я хочу охарактеризовать данные логические элементы и продемонстрировать их работу на моделях собственного изготовления. Цель работы – изучить принципы работы логических элементов на полупроводниках и изготовить действующие модели. Для реализации цели мне необходимо изучить соответствующую литературу по математической логике, программированию и электротехнике.

Благодаря этой рекламе сайт может продолжать свое существование, спасибо за просмотр.

Логические элементы — устройства, предназначенные для обработки информации в цифровой форме (последовательности сигналов высокого — «1» и низкого — «0» уровней в двоичной логике, последовательность «0», «1» и «2» в троичной логике, последовательности «0», «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7», «8» и «9» в десятичной логике). Физически логические элементы могут быть выполнены механическими, электромеханическими (на электромагнитных реле), электронными (на диодах и транзисторах), пневматическими, гидравлическими, оптическими и др.

С развитием электротехники от механических логических элементов перешли к электромеханическим логическим элементам (на электромагнитных реле), а затем к электронным логическим элементам на электронных лампах, позже — на транзисторах. После доказательства в 1946 г. теоремы Джона фон Неймана об экономичности показательных позиционных систем счисления стало известно о преимуществах двоичной и троичной систем счисления по сравнению с десятичной системой счисления.

От десятичных логических элементов перешли к двоичным логическим элементам. Двоичность и троичность позволяет значительно сократить количество операций и элементов, выполняющих эту обработку, по сравнению с десятичными логическими элементами. Логические элементы выполняют логическую функцию (операцию) над входными сигналами (операндами, данными).

Всего возможны 2

{(2

2)*1}=2

4=16 двоичных двухвходовых логических элементов и 2

{(2

3)*1}=2

8=256 двоичных трёхвходовых логических элементов (Булева функция).

Логические элементы могут быть подразделены на группы, которые в свою очередь могут создавать сложные комбинации.

Триггер — это схема, которая постоянно выдает выходное значение 0 или 1, оно не меняется до тех пор, пока одиночный импульс от другой схемы не переведет ее в противоположное состояние. Другими словами, выходное значение будет переключаться из одного состояния в другое только под воздействием внешних стимулов. Пока оба входных значения в схеме, представленной на рис. 1., равны нулю, выходное значение (0 или 1) будет неизменным. Однако даже кратковременное появление значения 1 на верхнем входе схемы вызовет установку на ее выходе значения 1, тогда как кратковременное появление значения 1 на нижнем входе вызовет установку на выходе значения 0.

Логическим элементом называется электрическая схема, выполняющая какую-либо логическую операцию (операции) над входными данными, заданными в виде уровней напряжения, и возвращающая результат операции в виде выходного уровня напряжения. Так как операнды логических операций задаются в двоичной системе счисления, то логический элемент воспринимает входные данные в виде высокого и низкого уровней напряжения на своих входах. Соответственно, высокий уровень напряжения (напряжение логической 1) символизирует истинное значение операнда, а низкий (напряжение логического 0) - ложное. Значения высокого и низкого уровней напряжения определяются электрическими параметрами схемы логического элемента и одинаковы как для входных, так и для выходных сигналов. Обычно, логические элементы собираются как отдельная интегральная микросхема. К числу логических операций, выполняемых логическими элементами относятся конъюнкция (логическое умножение, И), дизъюнкция (логическое сложение, ИЛИ), отрицание (НЕ) и сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ).