Digitalteknikk
Digitalteknikk er fysisk virkeliggjøring av en logikk som forholder seg kun til sant eller usant. Elektriske spenningsnivåer representerer logisk sant eller usant. Den fysiske virkeliggjøringen skjer i dag normalt med logiske porter innbakt i elektroniske brikker (chips), men elektriske releer kan virkeliggjøre dette også. De logiske portene finnes elektronisk tilgjengelig som slike enkeltvis, eller satt sammen til svært komplekse systemer som for eksempel prosessoreren (CPU) i en datamaskin.
Innhold
Anvendelse i MJ
Digitalteknikk finnes i svært mye av det vi kaller forbrukselektronikk, der digitalstyring av lokomotiver og motorvogner er et godt eksempel på det innenfor MJ. For den vanlige MJ-er er dette ting man bare tar i bruk uten behøve å bekymre seg for hvordan digitalteknikken virker.
Det er likevel fullt mulig for den vanlige MJ-er å kunne benytte seg av digitalteknikken til egne prosjekter for å få ting til å skje på MJ-anlegget. Inngangsterskelen for å forstå og bruke digitalteknikk er relativt lav. Denne artikkelen forsøker å gi en slik grunnleggende innføring i digitalteknikk, nok til at man selv kan bygge mindre prosjekter som er nyttige på modelljernbanen.
Digitalteknikk ble tatt i bruk av MJ-ere allerede på 1960-tallet. Det var direkte anvendelig til å styre signalbilder, avhengighet mellom signaler og sporveksler (forrigling), stillverk og lignende som er bygd opp på grunnlag av logiske beslutninger for hva som skal kunne skje. Alt som skal skje ut fra spørsmål om noe er tilfelle eller ikke (ja/nei-svar) er egnet for å iverksettes som digitalteknikk.
De grunnleggende byggesteinene i digitalteknikken, de logiske portene, er svært få, og disse byggesteinene er handelsvarer ned til noen få kroners stykke.
Digital logikk
For å kunne nyttiggjøre seg digitalteknikken, må man kjenne til noen få regler innen det som på fagspråket kalles boolsk algebra. Reglene er egentlig intuitive, og vi nyttigjør dem mer eller mindre bevisst hver gang vi resonnerer oss fram til noe.
Det som behandler logiske verdier (elektriske spenningsnivåer) kalles logiske operatorer, eller logiske porter når vi snakker om elektronikk. Siden nesten all omtale av disse portene (gates) også hos norske forhandlere bruker de engelske betegnelsene på operatorene, er det bare å lære seg disse med en gang. I starten i denne artikkelen anvendes både norske og engelse betegnelser som en innføring. Operatorene er disse:
| Engelsk | Norsk | Kort funksjonsbeskrivelse |
|---|---|---|
| OR | Eller | Sann, hvis minst en av inngangene er sanne |
| AND | Både og | Sann, hvis alle inngangene er sanne |
| NOT | Ikke | Utgangen omvendt av inngangen |
| XOR | Enten eller | Sann, hvis bare en av inngangene er sanne |
NOT kan legges til utgangen for å få operatorene NOR, NAND og XNOR. Med NOR eller NAND kan enhver annen kombinasjon konstrueres. Disse portene kalles derfor universalporter.
Grunnenheten
Digit betyr egentlig 'finger', og den sier vi kan ha to stillinger: den peker eller peker ikke. Å peke kaller vi "1" eller "sann". Å ikke peke kaller vi "0" eller "falsk". Grunneenheten i all digitalteknikk er at noe kan være sannt eller falsk. Noe nivå i mellom tillates ikke.
Matematisk uttrykkes dette i et tallsystemet som består av kun 1 og 0. Det kalles binært eller 2-tallsystemet (i motsetning til vårt vanlige som er et 10-tallsystem). Ett digitalt siffer 1 eller 0 kan imidlertid settes sammen med andre digitale tall for å uttrykke en hvilken som helst tallstørrelse.
Eller / OR
Hvis Per eller Kari er fra Oslo, er det et sannt utsagn dersom minst en av dem er fra Oslo, men det holder at bare en av dem er det. Dette uttrykkes logisk ved utsagnet A eller B. Dette kan settes opp i en sannhetstabell som viser hva som er resultatet av en slik eller-forbindelse, eller OR som det heter på engelsk.
| A | B | Resultat (A OR B) |
|---|---|---|
| falsk | falsk | falsk |
| sann | falsk | sann |
| falsk | sann | sann |
| sann | sann | sann |
Eller med binære tall:
| A | B | Resultat (A OR B) |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Symbolet for dette i elektronisk digitalteknikk er slik:
De to strekene på venstre siden er de to inngangene A og B (likegyldig hvilken), mens streken ut på høyre siden er resultatet.
Både og / AND
Hvis (A) godstoget har et lokomotiv og (B) godstoget har fått klart i utkjørsignalet, kan (R) godstoget faktisk kjøre ut av stasjonen. Begge tilfellene A og B må være oppfylt samtidig for at toget skal klare å kjøre ut av stasjonen.
| A | B | Resultat (A AND B) |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Symbolet for dette i elektronisk digitalteknikk er slik:
Ikke / NOT - Inverterer
Hvis er signal viser "stopp", så viser det ikke "kjør" (og omvendt).
| A | Resultat (NOT A ) |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
Symbolet for dette i elektronisk digitalteknikk er slik:
Det er den lille sirkelen som er selve inverteringssymbolet. Trekant uten sirkel med bare én inngang, betyr et elektronisk buffer.
Enten eller / XOR
Et tog kan kjøre ut i den samme enden av en tosporsstasjon det vises "kjør" for det ene sporet (logisk 1 0), eller det kan vises "kjør" for det andre sporet (logisk 0 1), men det er ulovlig å vise "kjør" for begge sporene på en gang (logisk 1 1).
| A | B | Resultat (A XOR B) |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Symbolet for dette i elektronisk digitalteknikk er slik:
NOR, NAND, XNOR
Hvis man inverterer utgangen får man operatorene NOR, NAND og XNOR. De er mye brukt i praksis. Derfor er det både egne symboler for dette (sirkel på utgangen), og egne elektroniske brukker også. Flere av disse er faktisk enklere i sin konstruksjon, og de oppstod historisk sett først.
Elektroniske brikker
De ovennevnte logiske operatorene er virkeliggjort ved hjelp av transistorer og dioder som er pakket inn i små digitale brikker (IC). To utbredte utgaver av disse kalles 7400-serien og 4000-serien.
7400-serien, TTL
De logiske portene er utført ved hjelp av såkalt transistor-transistor-logikk. Disse ble funnet opp i 1961 og kom på markedet i 1963. Dette er robuste brikker, men har den ulempen at de er kresne på driftsspenningen som må ligge temmelig nære 5,0 volt DC. Hver pakke bruker også endel strøm. TTL har derfor i nyere mistet mye av sin markedsandel, og er særlig forbigått av CMOS-teknologien:
4000-serien, CMOS
CMOS-brikkene har den fordelen framfor TTL at de bruker mye mindre strøm, og kan bruke driftsspenninger fra ca 3,7 volt og henimot 18 volt DC. Ulempen er at de er noe utsatt for å ødeleges ved statisk elektrisitet. Dette må man ta hensyn til under montering av brikkene ved forskjellige enkle forholdsregler og tiltak.
Andre artikler om digitalteknikk
Digitale brikker o.l.
- 4011 CMOS NAND-port(4)
- 7400 TTL NAND-port (4)
- 7404 TTL NOT-port (6)
- 7408 TTL AND-port (6)
- 74138 TTL dekoder (3 bit paralell til 8 enkeltutganger)
- 74147 TTL dekoder (omvendt av 74138)
- 7473 TTL JK-flipflop
- NE555 Klokkepulsgenerator
- PICAXE Programmerbar brikke
Praktisk om digitalteknikk
Bruk av digitalteknikk
- Blokksignalmodul
- CMRI
- Dekoder
- Kjørekontroller
- Systemer for detektering av belagte spor
- Vekseldekoder
