Digitális elektronika és logikai alapműveletek

Bevezetés

A modern számítógépek, hálózati eszközök, mikrovezérlők és digitális rendszerek működésének alapját:

• a digitális elektronika
  biztosítja.

A digitális rendszerek:

• két állapotot használnak:
  • van jel
  • nincs jel

Ez általában:

0 → alacsony szint
1 → magas szint

A digitális áramkörök ezekből építenek fel:

• számítógépeket
• memóriákat
• processzorokat
• vezérlőegységeket
• hálózati eszközöket

Az egész modern informatika végső soron több milliárd apró kapcsoló együttműködése. Az emberiség létrehozta a mesterséges intelligenciát úgy, hogy elképesztő sebességgel kapcsolgatja a „van áram / nincs áram” állapotokat. Különös faj.

Analóg és digitális jelek

Analóg jel

Az analóg jel:

• folyamatosan változhat.

Példa:

• mikrofon jele
• hőmérő

Digitális jel

A digitális jel:

• meghatározott állapotokkal dolgozik.

Általában: 0 és 1

Digitális jel tulajdonságai

Fontos:

• magas zajtűrés
• könnyű feldolgozás
• egyszerű tárolás
• hibajavítási lehetőség

Bináris számrendszer

A digitális elektronika:

• kettes számrendszert használ.

Bináris számjegyek

Bit és bájt

Bit: Binary Digit

Lehetséges értékei: 0 vagy 1

Bájt: 8 bit

Félvezetők szerepe

A digitális elektronika:

• félvezető elemekből épül fel.

Legfontosabbak:

• dióda
• tranzisztor

Tranzisztor

A tranzisztor:

• elektronikus kapcsolóként működhet.

Állapotai:

• nyitott
• zárt

A modern processzorok

A CPU-k:

• több milliárd tranzisztorból épülnek fel.

Logikai műveletek

A logikai műveletek:

• bemenetekből
• kimeneteket állítanak elő.

Alap logikai kapuk

Fontos:

• ÉS (AND)
• VAGY (OR)
• NEM (NOT)
• XOR
• NAND
• NOR

ÉS kapu (AND)

Az ÉS kapcsolat:

• csak akkor ad 1-et,
  ha minden bemenet 1.

Igazságtábla

VAGY kapu (OR)

Legalább egy bemenet: 1 esetén: 1

Igazságtábla

NEM kapu (NOT)

Megfordítja a bemenetet.

Igazságtábla

XOR kapu

Kizáró VAGY.

A kimenet:

• akkor lesz 1, ha a bemenetek különböznek.

Igazságtábla

NAND kapu

Az ÉS művelet negált változata.

Igazságtábla

NOR kapu

A VAGY művelet negált változata.

Univerzális kapuk

NAND és NOR:

• bármely más logikai áramkör felépítésére használható.

Boole-algebra

A digitális elektronika:

• matematikai alapja a Boole-algebra.

Példa

ÉS kapcsolat: Y=A·B

VAGY kapcsolat: Y=A+B

Negáció: Y=¬A

Kombinációs áramkörök

Kimenetük:

• csak a pillanatnyi bemenetektől függ.

Példák:

• összeadó
• dekóder
• multiplexelő

Szekvenciális áramkörök

Kimenetük:

• előző állapotoktól is függ.

Példák:

• memória
• számláló
• flip-flop

Mi az a Flip-Flop?

A Flip-Flop:

• egy digitális memóriaelem.

Képes:

• egy bit tárolására.

Mire használható?

Példák:

• memória
• regiszter
• számláló
• processzor

RS Flip-Flop

Bemenetei:

• Set
• Reset

Működés

Set: Q=1

Reset: Q=0

D Flip-Flop

A D Flip-Flop:

• órajel hatására tárol adatot.

Clock (órajel)

Az órajel:

• szinkronizálja
  a digitális áramköröket.

Impulzus és impulzustechnika

Az impulzus:

• rövid ideig fennálló jel.

Impulzus jellemzői

Példa

Ha:

bekapcsolt idő = 2 ms
periódus = 10 ms

akkor: 

D=20%

Műveleti erősítők röviden

A műveleti erősítő:

• nagy erősítésű elektronikus áramkör.

Felhasználás:

• szűrés
• erősítés
• komparátor
• érzékelők

Digitális elektronika felhasználása

Példák:

• számítógépek
• routerek
• switchek
• PLC-k
• mikrovezérlők
• Arduino
• mobiltelefonok

Gyakorlati feladat

Feladat

Építs próbapanelen:

1. ÉS kaput
2. VAGY kaput
3. XOR kaput

Majd:

• készíts igazságtáblát
• mérd meg a kimeneti feszültségeket
• dokumentáld a működést

Ellenőrző kérdések