論理ゲート回路

科目：

はじめに
論理ゲート
組み合わせ回路と自動車用途

導入：
現代の自動車の情報処理は、大部分が、あるいは完全にデジタル化されているわけではありません。デジタル情報は電圧で構成され、電圧レベルに基づいて「はい/いいえ」または「オン/オフ」が形成されます。の中にインターフェースエレクトロニクスは、センサー電圧が XNUMX と XNUMX で構成されるデジタルメッセージに変換される A/D コンバーター (アナログ / デジタル) 上にあります。

デジタルエレクトロニクスでは、論理 1 または論理 0 について話します。電圧は TTL レベル (トランジスタトランジスタロジック) です。

はいまたはオン: 論理1：5ボルト
いいえまたはオフ: 論理0：0ボルト

ECU 上の基本的な電子回路には、論理回路を作成する多くの IC が含まれています。これらの論理回路には論理ゲートが含まれており、ハードウェアまたはソフトウェアのいずれかで CPU によって制御できます。

論理ゲート:
ALU (算術論理演算ユニット) は、ECU のマイクロプロセッサの中心部分です。 ALU は算術演算と論理演算を実行します。 ALU は、実行されるプログラムの次のコマンドがメモリ内のどこにあるかもチェックします。

ALU には、多くの場合シリコン半導体で構成される論理ゲートが含まれています。論理ゲートはバイナリコードを使用して数ナノ秒以内に演算を実行できます。 8 と 16 の組み合わせ。これにより、オンまたはオフ、導電性または非導電性の 32 つのオプションで構成されるコマンドが与えられます。複数のコマンドが ALU で同時に処理され、コンピュータアーキテクチャに応じて連携して XNUMX、XNUMX、または XNUMX ビットの「ワード」を形成します。ワードは、単一のデータレジスタに格納されるデータの最大量です。これは、プロセッサーが一度に処理できるデータの量です。

ALU では次の基本操作が行われます。

XNUMX つ以上のビット位置を左または右に移動 (シフト)
加算や加算 (add) など、XNUMX つの単語に対して算術演算を実行します。
データに対して論理演算を実行します (AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR、XNOR)。

以下の画像は、シンボルとしての ALU (左) と、演算を A および B (受信) から R (送信) に変換する IEC シンボルとともに示しています。

右側の ALU にある NOT、OR、および AND ゲートは、論理演算を実行するために使用される最も一般的なゲートです。これら XNUMX つの基本ポートに加えて、いくつかのポートがあります。これについては、このページで後ほど説明します。 NOT、OR、AND ゲートを使用すると、入力の結果を事前にプログラムできます。はい/いいえ、または真/偽などの答えを出力する回路を使用すると、たとえばハンドブレーキ警告灯を XNUMX つの入力に基づいて作動させることができます。

ハンドブレーキはかかっていますか？
ブレーキフルードリザーバーのレベルは適正ですか？

一方または両方の回答が「はい」と答えられる場合、警告灯が点灯します。このページでは、さらに多くの例を示します。

次の表は、これら XNUMX つの基本ポートを示しています。このページでは、読者が混乱しないように主に英語の名前 (EN ではなく AND) を使用しますが、もちろんどちらも正しいです。シンボル (IEC および ANSI) にも同じことが当てはまります。私たちは IEC 記号を適用しますが、アメリカの文献では主に ANSI 記号が使用されます。以下の点も当てはまります。これらを混同せず、XNUMX 種類の記号を使用してください。

表の下には各ゲートのプロパティの説明があり、真理値表はどの入力が 0 または 1 の出力を与えるかを示しています。

以下は、シンボルと真理値表を使用した XNUMX つのゲートの説明であり、さまざまな入力の組み合わせに対する出力を示しています。

AND ゲート:
AND ゲート (オランダ語: AND ゲート) は複数の入力を持つことができますが、出力は常に 1 つだけです。この画像では、入力 a と b が表示されます。両方の入力にそれぞれ独立して 0 または 1 を設定できます。入力 (a と b) が両方とも 1 の場合、出力 (Q) は 0 になります。それ以外の場合はすべて、出力 Q は XNUMX です。

AND ゲートの XNUMX つの入力 (この場合は入力 A と B) がある場合、出力を生成する回路は XNUMX つあります。これらは、AND ゲート画像の右側の真理値表に示されています。
16 つの入力では XNUMX の可能性があります。
256 つの入力の場合、XNUMX 通りの可能性もあります。

OR ゲート:
OR ゲート (オランダ語: OF ゲート) は、1 つの出力を持つ複数の入力を持つこともできます。 OR ゲートでは、1 つの入力のうちの 1 つが XNUMX の場合、または両方の入力が XNUMX の場合、出力は XNUMX になります。

ゲートではありません:
NOT ゲート (オランダ語: NOT ゲート) はインバータとして機能し、入力と出力が 1 つだけあります。入力信号は反転されます。入力信号が 0 の場合、出力信号は XNUMX になり、その逆も同様です。

前述の回路 (AND、OR、NOT) に加えて、多数の派生論理回路も知られています。これらの回路を使用すると、前に説明した XNUMX つの回路を XNUMX つの回路に組み合わせることができます。

NANDゲート:
Not-AND ゲートは、AND ゲートの後に NOT ゲートが続くものです。複数の入力が 1 の場合、出力は 1 になります。すべての入力が 1 の場合にのみ、出力は 0 になります。これは、前に説明した AND ゲートのまったく逆です。

NOR ゲート:
Not-OR ゲート (Non-OR ゲート) は、OR ゲートの後に NOT ゲートが続くものです。複数の入力を持つことができますが、出力は 1 つだけです。この回路では、両方の入力が 0 の場合、出力は XNUMX のみになります。

XOR ゲート:
排他的論理和ゲートは、1 つの入力のみが 1 の場合に出力が 0 になるゲートです。両方の入力が同じ論理状態を持つ場合、出力は XNUMX になります。XOR ゲートには XNUMX つを超える入力が存在することはありません。

XNORポート:
排他的 OR ゲートには NOT ゲートが装備されており、排他的 NOT-OR ゲートになります。出力は XOR ゲートで反転されます。

各 IC では、閉回路を実現するために電源とグランドの両方が接続されていることが重要です。フローティング測定を防ぐために、両方のポートにも電圧を受け取る必要があります。入力と出力を適切に切り替えるには、プルアップ抵抗とプルダウン抵抗が必要です。これらの抵抗がないと、ポートは制御されずに「アクティブ」のままになる可能性があります。その場合、ポートは信頼できなくなります。

組み合わせ回路と自動車用途:
デジタル IC は、一方の IC の出力をもう一方の IC の入力に接続することで相互に接続できます。これらの組み合わせにより、任意の入力の組み合わせに対して希望の出力の組み合わせを生成する回路を作成できます。複数の IC が一緒に接続されている場合、組み合わせ回路と呼ばれます。組み合わせ回路の感覚をつかむために、自動車の技術的な例を以下に示します。

軽警報回路:
組み合わせ回路の実際の例は、ライト警告の回路です。イグニッションをオフにし、車外灯が点灯しているときにドアを開けると、ブザーでドライバーに警告する必要があります。 AND ゲートは 1 つの入力信号に使用されます。前のセクションで説明したように、出力に 1 を取得してブザーをアクティブにするには、AND ゲートへのすべての入力が 0 である必要があります。 AND ゲートへの 0 つの入力のうち XNUMX つが XNUMX の場合、出力は XNUMX のままで、ブザーはオフのままになります。

ライトスイッチ: スイッチがオフの場合、a を入力すると 0 が表示されます。パーキングライトまたはロービームライトがオンの場合、これは 1 になります。
イグニッションロック: イグニッションロックがオンになると、入力 b に 1 が表示されます。イグニッションがオフになると、0 になります。この場合、NOT ゲートは 0 を 1 に反転して、AND ゲートに対する正しい信号を取得します。
ドアスイッチ: ドアが開くと、信号がアースに切り替わります。イグニッションスイッチと同様に、AND ゲートが適切に機能するには、0 を 1 に反転する必要があります。