Logic Gates 101

Logikgatter sind das Fundament der modernen Elektronik. Diese winzigen Schaltkreise führen grundlegende logische Operationen wie AND, OR und NOT aus und helfen so bei der Verarbeitung und Entscheidungsfindung in digitalen Systemen.

In diesem Leitfaden erfahren Sie, was Logikgatter sind, wie sie funktionieren und warum sie für das Design von Schaltkreisen unerlässlich sind.

Perfekt für Anfänger, diese Einführung wird Ihnen helfen, Ihre ersten Schritte zu machen!

Es sieht hart aus (ist es auch!), aber mit der Zeit und Übung werden Sie die Strecke natürlich erkennen!

Kompletter Kurs

Intro

Dieser Leitfaden ist langweilig und wortreich ! Und doch ist es die Basis für Elektronik seit den 50er Jahren bis heute.

Sie werden sich die Logikgatter als eine Möglichkeit vorstellen, eine Geschichte zu erzählen :

Die Geschichte vom logischen Königreich

Es war einmal vor langer Zeit, als es im Logischen Königreich vier mächtige Zauberer gab: NOT, AND, OR und XOR. Sie lebten in Harmonie und halfen den Bürgern, Probleme zu lösen und Entscheidungen in ihrem täglichen Leben zu treffen. Jeder Zauberer hatte einzigartige Kräfte und eine eigene Denkweise.

Das Problem der mysteriösen Lampe

Eines Tages kamen die Stadtbewohner mit einem eigenartigen Problem zu den Zauberern. Eine magische Lampe im Schloss funktionierte nicht richtig. Der König erklärte: "Die Lampe darf nur unter den richtigen Bedingungen leuchten. Helfen Sie uns zu bestimmen, wann es leuchten sollte!"

Die Zauberer versammelten sich, um den Regeln des Königs zu lauschen

NOT: "Die Lampe sollte nicht leuchten, wenn der Raum bereits beleuchtet ist."
AND: "Es sollte nur leuchten, wenn sowohl das Gerät eingeschaltet ist als auch der Schalter gedrückt wird."
OR: "Er kann auch leuchten, wenn entweder der Notschalter oder der Hauptschalter eingeschaltet ist."
XOR: "Aber sie sollte NOT aufleuchten, wenn beide Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind – das verwirrt die Lampe!"

Die Beiträge der Wizards

NOT sprach zuerst. Er winkte mit seinem Stab und erklärte: "Wenn der Raum beleuchtet ist, bleibt die Lampe aus." Die Menge nickte verständnisvoll, denn NOT machte die Dinge immer umgekehrt.

Als nächstes trat AND vor. "Selbst wenn der Raum dunkel ist, leuchtet die Lampe nicht, es sei denn, sowohl das Gerät ist eingeschaltet als auch der Hauptschalter wird gedrückt", erklärte er. Er war streng und ließ nur dann handeln, wenn alles in Ordnung war.

Dann kam OR, der flexibler war. "Wenn der Notschalter OR der Hauptschalter eingeschaltet ist, kann die Lampe aufleuchten", sagte er. OR liebte es, mehrere Optionen anzubieten und zumindest einen Weg zu finden, um die Dinge zum Laufen zu bringen.

Schließlich trat der clevere XOR vor. "Aber Vorsicht! Wenn beide Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind, muss die Lampe NOT leuchten – es ist das eine oder das andere, nicht beides!" Seine Macht war subtil, aber unerlässlich, um Verwirrung zu vermeiden.

Die Lösung

Die Zauberer vereinten ihre Kräfte:

Zunächst stellte NOT sicher, dass die Lampe nicht leuchtete, wenn der Raum bereits hell war.
Dann stellte AND sicher, dass sowohl der Strom- als auch der Hauptschalter bereit waren.
OR bot Flexibilität, so dass der Notschalter auch die Lampe aktivieren konnte.
XOR verhinderte, dass sich die Lampe schlecht verhielt, wenn beide Schalter eingeschaltet waren.

Der König war entzückt, und die Lampe gehorchte nun der vollkommenen Logik.
Und so wurden NOT, AND, OR und XOR zu Helden, gefeiert für ihre Weisheit und Fähigkeit, Klarheit ins Chaos zu bringen.

Puffer (automatische Umschaltung)

Es ist eine Diode. Das Puffergatter ist ein einfaches Logikgatter, das nur einen einzigen Zweck erfüllt: sein Eingangssignal unverändert an seinen Ausgang weiterzuleiten. Es invertiert, verändert oder verarbeitet das Signal nicht – es stellt lediglich sicher, dass das Signal stark bleibt und Stall . Damit keine Shorts !

Der Auto-Schalter ist sehr wichtig, um den Energiefluss zu stoppen, um in den "falschen Weg" zu gehen. Es wird verhindern, dass der Strom "zurückgeht".

Auch wenn es redundant erscheinen mag, sind Buffer Gates nützlich für:

+ Signalverstärkung: Puffer verstärken schwache Signale, um sicherzustellen, dass sie längere Strecken zurücklegen oder mehrere Komponenten ohne Beeinträchtigung ansteuern können

+ Signalisolierung: Sie isolieren Teile einer Schaltung, um Interferenzen oder unbeabsichtigte Wechselwirkungen zu verhindern

Mehr über den Auto-Switch

Es ist in einem anderen Beitrag: So verwenden Sie einen Autoswitch

NOT (Wechselrichter)

Ein NOT-Gatter ist eines der einfachsten Logikgatter in der Digitalelektronik. Es wird auch als Wechselrichter weil es das Eingangssignal umdreht oder invertiert.

RESET mit einem NOT-Gatter

In dem roten Kasten unten links befindet sich eine sogenannte RESET-Schaltung. Es besteht nur aus zwei Teilen:

einen Knopf (links) und einen Wechselrichter (rechts). Er ist an die Hauptstromversorgung (unten) angeschlossen und liefert oben den Strom an den Rest des Stromkreises. Der gesamte Strom, der an den Rest des Stromkreises abgegeben wird, wird durch ihn geleitet.

Wenn Sie die Taste drücken, ist die Stromversorgung für einen kurzen Moment (ein Ticken) unterbrochen und der gesamte Stromkreis wird gelöscht. Es ist ein RESET

OR

Der Zweck eines OR-Gates ist einfach: Es gibt den Stromfluss (Licht an) aus, wenn jegliche seiner Eingänge (hier Wandschalter) eingeschaltet sind.

Es ist wie eine Regel, die besagt: "Wenn entweder A oder B oder C wahr (offen) ist, ist der Ausgang wahr."

NOR

Ein NOR-Gatter ist eine Kombination aus einem OR-Gatter gefolgt von einem NOT-Gatter. Es gibt das entgegengesetzte (invertierte) Ergebnis eines OR-Gatters aus

Stellen Sie sich ein System vor, in dem ein Licht nur dann eingeschaltet wird, wenn weder von drei Schaltern eingeschaltet ist. Wenn einer der Schalter umgelegt wird, erlischt das Licht.

Das NOR-Gate ist aufgrund seiner Vielseitigkeit und seiner Rolle bei der Vereinfachung des Schaltungsdesigns leistungsstark!

AND

Ein AND-Gatter ist ein einfaches Logikgatter, das nur dann 1 (HIGH) ausgibt, wenn alle seine Eingänge 1 (HIGH) sind. Wenn ein Eingang 0 (LOW) ist, ist der Ausgang 0 (LOW).
Ja, wir haben angefangen, uns in binärer :) zu unterhalten

Zu anderen Bedingungen, wenn alle die Schalter eingeschaltet sind, dann Das Licht leuchtet. Wenn eine von ihnen ausgeschaltet ist, erlischt das Licht.

Es ist mein persönlicher Favorit :)

AND mit 4 Garagentoren

AND-Tor mit 3 Schaltern zum Öffnen oder Schließen von Garagentoren.

Jeder Schalter erhielt eine Lampe, um den Stromkreis zu testen und den Energiefluss zu verfolgen. Grün für die Wandschalter, Pink für den Zustand des AND-Gatters und Gelb für das Ergebnis (auch "Q" genannt)

+ Wenn nur eine Tür offen (1,2 oder 3), then Das vierte Türchen ist offen (die weiße Tür oben).

+ Wenn 1 und 2 und 3 sind geschlossen, then Die vierte Tür schließt sich.

NAND

Ein NAND-Gatter ist die Umkehrung eines AND-Gatters. Es kombiniert ein AND-Gatter mit einem NOT-Gatter, um den Ausgang zu invertieren

Stellen Sie sich ein System vor, bei dem ein Warnalarm nur dann stumm bleiben sollte, wenn beide Bedingungen erfüllt sind (z. B. Tür geschlossen und kein Näherungssensor aktiviert). Wenn eine der Bedingungen abweicht, ertönt der Alarm.

XOR

Ein XOR-Gatter (exklusives OR-Gatter) ist ein Logikgatter, das HIGH (1) ausgibt, wenn genau einer seiner Eingänge HIGH (1) ist. Es unterscheidet sich von einem Standard-OR-Gatter dadurch, dass es den Fall ausschließt, in dem beide Eingänge HIGH (1) sind

Stellen Sie sich ein Licht vor, das von zwei Schaltern gesteuert wird, aber die Das Licht geht nur an, wenn ein Schalter umgelegt wird , nicht beides. Wenn beide Schalter aus- oder eingeschaltet sind, bleibt das Licht aus

XOR, um eine Loot-Tür zu öffnen

Wir verwenden einen XOR, um eine elektrische Tür zu öffnen, wenn du eines von zwei Spielen gewinnst, aber nicht beide
Mehr erfahren Über dieses XOR-Beispiel

XNOR

Ein XNOR-Gate (exklusives NOR-Gate) ist die Ergänzung zu einem XOR-Gate. Es gibt HIGH (1) aus, wenn die Eingänge gleich sind (beide 0 oder beide 1). Wenn die Eingänge unterschiedlich sind, ist der Ausgang LOW (0).

Stellen Sie sich ein digitales Schloss vor, das sich nur öffnet, wenn zwei Eingänge (z. B. PINs) übereinstimmen. Sind die Eingänge identisch, öffnet sich die Sperre. Wenn sie sich unterscheiden, bleibt es gesperrt.

IMPLY

Ein IMPLY-Gatter (oder Implikationsgatter) ist ein weniger verbreitetes, aber interessantes Logikgatter, das logische Implikationen modelliert. Es gibt LOW (0) nur aus, wenn die erste Eingabe (als Antezedens bezeichnet) WAHR (1) und die zweite Eingabe (als Konsequenz bezeichnet) FALSCH (0) ist. In allen anderen Fällen ist der Ausgang HIGH (1).

Überlegen Sie sich eine Regel wie: Wenn es regnet (A), dann trage ich einen Regenschirm (B).
Wenn A, dann B (oder A → B).

Ja ich weiß. Es ist nicht sehr nützlich in No Man's Sky :)