Бесконтактные логические элементы

⇐ ПредыдущаяСтр 26 из 36Следующая ⇒

Развитие электроники связано с появлением и быстрым совершенствованием интегральной элементной базы, используемой в том числе и при разработке управляющих устройств. Устройства, выполненные на интегральной элементной базе, обладают малыми размерами, массой и высокой надежностью.

В развитии технологии цифровых интегральных схем условно можно выделить три этапа:

1-й этап — разработка базовых серий схем, выполняющих простые логические функции (И—НЕ, ИЛИ—НЕ, НЕ и др.) и имеющих от 10 до 50 элементов в одном корпусе;

2-й этап — создание более сложных функционально законченных устройств (счетчиков, регистров, дешифраторов, полусумматоров) с числом элементов в корпусе от 50 до 500;

3-й этап — разработка сложных функциональных устройств с уровнем интеграции от 500 до 1000 элементов на одном кристалле.

Дальнейшее развитие интегральных схем продолжается в направлении роста степени интеграции, быстродействия, помехоустойчивости и снижения потребляемой мощности.

Условные обозначения интегральных схем отражают их принадлежность к классам, группам и сериям. В серию объединяют схемы по технологическому и конструктивному признакам. Она представляет собой набор схем, необходимых для построения устройств.

Условное обозначение интегральных схем включает в себя следующие элементы:

цифру, соответствующую их группе (1, 5, 7 — полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 — гибридные; 3 — пленочные, керамические);

три цифры (от 0 до 999) порядкового номера разработки серии микросхемы;

две буквы, указывающие подгруппу и вид микросхемы в соответствии с ее функциональным назначением;

условный номер разработки микросхемы, соответствующий ее функциональному признаку в данной серии.

Условное обозначение интегральных микросхем, используемых в широко применяемых устройствах, начинается с буквы К. Следующие два элемента обозначения соответствуют серии микросхемы. Например, К155ЛА1 — это полупроводниковая микросхема широкого применения с порядковым номером разработки 55, функциональным назначением ЛА и условным номером разработки по функциональному признаку 1.

Классификация микросхем по функциональному признаку приведена в специальных справочниках. Так, ЛМ означает логический элемент И; ЛЛ-ИЛИ; ЛН-НЕ; ЛА-И-НЕ; ЛЕ-ИЛИ-НЕ.

Ранее в системах автоматики и телемеханики применяли логические элементы серии «Логика-Т». Однако по надежности, нагрузочной способности, помехозащищенности, функциональным возможностям и некоторым другим показателям они не соответствуют современным требованиям.

В целях улучшения показателей логических элементов разработана и внедрена в производство серия элементов «Логика-И» на базе интегральных микросхем типа К511 с повышенными помехозащищенностью и быстродействием.

Для реализации различных алгоритмов управления в составе серии «Логика-И» применены следующие элементы: логические И-101...И-112; И-122, И-123; цифровые И-113...И-121; функциональные И-201...И-209; времени И-301...И-302; усилительные И-401... И-406. Напряжение питания этой серии 15 В, потребляемая мощность 0, 1... 1 Вт. Напряжение сигнала, соответствующего логическому нулю, на входе до 6 В, на выходе до 1, 5 В. Напряжение сигнала, соответствующего логической единице, на входе более 8 В, на выходе более 12 В.

В серии «Логика-И» логическая функция ИЛИ может быть реализована с помощью элемента И-105, который имеет две схемы ИЛИ на четыре входа (4ИЛИ); функция И — с помощью элемента И-102, имеющего две схемы 4И; функция НЕ — с помощью элемента И-107, имеющего две схемы НЕ. Незадействованные выходы схем элементов подключаются к шине питания 15 В или объединяются с рабочими выходами. Входы неиспользованных схем элементов подключаются к нулевой шине.

Для реализации функции ИЛИ —НЕ используется элемент И—108, имеющий четыре схемы на два входа ИЛИ —НЕ.

Для перехода из базисов И, ИЛИ, НЕ в базис ИЛИ —НЕ или в базис И —НЕ выполняется преобразование логической формулы с использованием двойного отрицания.

Пример. Преобразование логической формулы для перехода из базисов И, ИЛИ, НЕ соответственно в базис ИЛИ —НЕ и базис И-НЕ:

Схемы, построенные по этим формулам, показаны на рис. 13.3.

Синтез логических устройств

Различают комбинационные и последовательностные логические устройства.

В комбинационных логических устройствах значения выходных сигналов зависят только от комбинации входных сигналов в дан-ный момент времени.

В последователъностных логических устройствах выходные сигналы зависят от значений входных сигналов не только в данный, но и в предыдущие моменты времени. В состав этих устройств обязательно входят элементы памяти — триггеры. Различают несколько видов триггеров в зависимости от того, какую элементарную функцию памяти они реализуют.

При разработке логического устройства сначала формулируют словесное описание алгоритма его действия. Затем составляют удовлетворяющую этому описанию логическую функцию (выполняют абстрактный синтез) и далее разрабатывают структурную логическую схему устройства (производят структурный синтез).

В процессе абстрактного синтеза осуществляется переход от словесного описания технологического процесса (его нормального хода и аварийных ситуаций) к составлению алгоритма функционирования в виде таблицы, циклограммы, графика и т. п. Для составления логического алгоритма управления необходимо иметь полную информацию о технологическом процессе, каждой технологической операции, применяемом оборудовании. На этой стадии уточняют последовательность операций и необходимые временные задержки для всех режимов работы объекта управления, определяют параметры, подлежащие контролю и учету в ходе ТП; формулируют требования со стороны управляемого объекта к логическому устройству. Эти требования представляют в виде значений двоичных сигналов, которые должны подаваться на исполнительные устройства системы управления в зависимости от состояния управляемого объекта.

Циклограмма представляет собой ряд горизонтальных строк, число которых равно числу входов и выходов логического устройства. Включенное состояние элемента обозначают на строке штриховкой. Вертикальными линиями со стрелками на циклограммах обозначают передачу управления, т.е. причинно-следственные связи между командными, оповестительными устройствами и исполнительными механизмами.

В процессе структурного синтеза производится переход от логической функции, описывающей алгоритм функционирования, к структурной схеме логического устройства.

Однако прежде чем приступить к разработке схемы, необходимо попытаться упростить исходную логическую функцию до максимально простого вида. Для упрощения логических функций комбинационных устройств используют булеву алгебру, а для анализа логических функций, описывающих действие последовательностных логических устройств, — теорию конечных автоматов.

На основе структурной схемы логического устройства разрабатывают его принципиальную схему с использованием конкретной элементной базы, например в базисе ИЛИ —НЕ или базисе И- НЕ.

Завершающий этап создания схемы логического устройства — это разработка и согласование его узлов связи с оператором и управляемым объектом, выполнение защиты от помех и т.п.

Пример. Резервуар, из которого непрерывно вытекает вода, наполняется автоматически по трубопроводу, на котором установлен электромагнитный вентиль. Требуется, чтобы вентиль открывался, когда уровень воды становится ниже местоположения датчика нижнего уровня, и закрывался, когда уровень достигает верхнего уровня, контролируемого другим датчиком.

Сигнал от первого датчика обозначим х₁ сигнал от второго датчика — х₂ а сигнал к вентилю от логического устройства — у.

Пусть х₁ = 1 при уровне воды h> h_ви х₁ = 0 при h ≤ h_в; х₂ = 1 при h > h_н и х₂ = 0 при h ≤ h_н; у = 1 соответствует открытому вентилю, а у₁ = 0 — закрытому вентилю.

Предположим, что непрерывно повторяются одинаковые циклы: наполнение—расход. Для синтеза логического устройства рассмотрим один такой цикл. В этом цикле выделяются четыре такта:

1-й такт — уровень воды ниже h_н, вентиль открыт, резервуар наполняется;

2-й такт — уровень выше h_н, но ниже h_в, вентиль открыт, резервуар наполняется;

3-й такт — уровень превысил h_ввентиль закрыт, жидкость расходуется, уровень понижается;

4-й такт — уровень ниже h_вно выше h_н, вентиль закрыт, уровень понижается.

Указанная последовательность изменения состояний входных х и выходных у переменных в системе отражена в табл. 13.5.

Здесь выходная переменная у принимает разные значения при одинаковых значениях входных переменных в тактах 2 и 4, но при разных значениях этих переменных в предшествующих тактах 1 и 3, что характерно для последовательного автомата. Для «запоминания» предыдущего такта вводится дополнительная логическая

переменная z = у_t_-1 значение которой формируется элементом памяти и равно значению выходной переменной в предыдущем такте. В этом случае вид исходной таблицы состояний переменных изменится (табл. 13.6).

Преобразованная таблица состояний является формой представления алгоритма функционирования последовательностного логического устройства и служит основой для проведения следующих этапов синтеза устройства.

⇐ Предыдущая 21 22 23 24 252627 28 29 30 Следующая ⇒