Come realizzare un circuito logico

Tramite: O2O 22/03/2020
Difficoltà: media
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Introduzione

I moderni computer, anche i più sofisticati ed i più complessi, sono costituiti da componenti base molto semplici: i circuiti logici. Questi elementi sono dei circuiti elettronici basati su di un numero finito di livelli di tensione elettrica. Le tensioni sono due e sono solitamente identificate con il numero zero (?0?) e con il numero uno (?1?) secondo quanto descritto dalla logica di Boole (o Booleana). I circuiti hanno lo scopo di eseguire un gran numero di funzioni logiche elementari che ?sommate? tra di loro possono dare vita a calcoli molto complessi, risolvendo in breve tempo problemi logici e matematici altrimenti di difficile decifrazione. Costruire un circuito logico è un?operazione piuttosto semplice se si ha un minimo di dimestichezza con i componenti elettronici. In questa guida vogliamo dunque illustrarvi come realizzare un circuito logico.

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Occorrente
  • Breadboard
  • Porte Logiche
  • Manuale di Elettronica
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La definizione dei circuiti digitali

Le parti elettroniche dei più moderni computer sono formate da circuiti digitali che, come già è stato accennato, sono in grado di elaborare segnali logici basati sullo 0 e sull?1. Gli elementi basilari dei circuiti logici sono rappresentati dalle porte logiche, le quali funzionano secondo il principio base di un?algebra particolare, detta algebra binaria, propugnata dallo scienziato George Boole. Ed è così che si stabilisce come ogni porta dispone di più variabili di ingresso, ma di una sola variante di uscita. Entrambi questi elementi (variabili di accesso e unica variabile di uscita) sono di tipo digitale. Questo consente di poter inserire, all'interno di una specifica tabella, l'insieme di tutte le possibili combinazioni che si possono verificare nel confronto fra ognuna delle variabili di ingresso. Dunque, l'uscita assume un valore di 0, oppure quello di 1 ed è posta in corrispondenza di ognuna delle combinazioni delle variabili di ingresso, in funzione della definizione assegnata. Date queste premesse, vediamo ora come iniziare a realizzare un circuito logico propriamente detto.

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L'applicazione dell'algebra di Boole

Per prima cosa è necessario conoscere le basi della logica Boolenana. Questa si compone di quattro operazioni fondamentali: la somma logica (indicata con ?OR?), il prodotto logico (indicato con ?AND?) e la negazione (indicata con ?NOT?). Gli operatori logici presentano il seguente funzionamento. Il circuito ?OR? compie la somma di due o più variabili in ingresso, dando in uscita ?1? se almeno uno degli ingressi è uguale ad ?1?, oppure ?0? se tutti gli ingressi sono pari a ?0?. Il circuito ?AND? esegue il prodotto logico di due o più variabili in ingresso. L?uscita si definirà dunque attorno al numero ?1? se tutti gli input sono pari a ?1?, mentre si attesterà attorno allo ?0? se almeno uno degli ingressi è ?0?. Infine, ?NOT? fornisce la negazione (anche detta complementazione) dell?input, cioè ?1? se entra ?0? e ?0? se entra ?1?. Va sottolineato che, nella maggior parte dei casi, gli operatori possono essere anche affiancati tra di loro creando nuove tipologie di circuiti, sempre più sofisticati ma che, in linea generale, seguono il medesimo schema di funzionamento appena descritto. Aggiungendo poi il circuito ?NOT? all'uscita di un ?OR? o di un ?AND?, si ottengono gli operatori ?NOR? e ?NAND?.

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La costruzione del circuito logico

Per realizzare un circuito logico è necessario predisporre un piccolo progetto ed eventualmente simularne il funzionamento con un software apposito (su Internet sono disponibili molti programmi gratuiti). In questo modo si evita di sprecare tempo e componenti elettrici in una costruzione che non funzionerà. I componenti base per costruire un circuito sono una breadboard, le porte logiche, dei fili rigidi per fare i collegamenti tra le porte ed un alimentatore (una pila o una batteria che può andare, a seconda del circuito da 3 Volt a 15 Volt). Tutti questi elementi si possono tranquillamente acquistare nei negozi di elettronica o su Internet. L?utilizzo di una breadboard facilita enormemente la realizzazione dei circuiti in quanto si possono così evitare le operazioni di saldatura tra i fili ed i vari componenti. Questi vengono infatti inseriti e bloccati ad incastro negli appositi punti sulla breadboard. Le porte logiche sono dotate di ?piedini? che ne facilitano un rapido inserimento.

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L'utilizzo della tecnologia CMOS

Il più recente sviluppo tecnologico ha ormai introdotto e consolidato la logica costruttiva, la quale basa il suo principio di funzionamento sulla cosiddetta "integrazione". In questo caso tutte le porte logiche sono caratterizzate dalla presenza di elementi attivi, i quali vengono definiti con il nome di transistor. La tecnologia CMOS (metallo-ossido-semiconduttore complementare) è una delle più diffuse e maggiormente affidabili ed impiega transistor complementari a effetto di campo MOSFET all?interno della stessa porta logica. Questa tecnologia possiede l?importante caratteristica di dissipare poca potenza. Un?altra logica costruttiva è la TTL (logica a transistori-transistori), molto resistente ai disturbi e che, per il suo acquisto, dispone di costi relativamente bassi. In definitiva, la parte più complessa della realizzazione di un circuito logico è la parte progettuale, che si basa in special modo sulla predisposizione delle porte logiche, che può essere approfondita su specifici testi di elettronica o anche in rete.

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