Логические дискретные элементы

Проектирование устройств автоматики на основе дискретных элементов базируется на определенной системе абстрактных пред­ставлений, в частности, широко используется понятие логической функции. В качестве базисных (основных) логических функций для двоичных элементов, принимающих два возможных состояния, при­няты следующие:

- функция "И",

- функция "ИЛИ",

- функция "НЕ".

Функцию "И" выполняет дискретный элемент, воспринимающий несколько (не менее двух) входных дискретных сигналов (рис. 3.1).

Входной и выходной сигналы могут принимать только два зна­чения (условно - 0 и 1). Выходной сигнал принимает значение "1" только в том случае, если оба входных - (XI и Х2) имеют значения "1". Во всех остальных случаях Y=0. (см. таблицу состояний).

Функция "И" может быть записана в виде:

Y = XI∙Х2

или Y = XI & Х2

или Y = X1^X2.

Таблица состояний

Рис. 3.1. Элемент “И” и таблица его состояний:

X1, Х2 - входные сигналы;

Y — выходной сигнал (состояние элемента).

В роли элемента «И» можно использовать электрические вклю­чатели, соединенные последовательно (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Реализация функции “И” контактами К1, К2, К3

Вся электрическая цепь будет замкнута только тогда, когда будут замкнуты все три выключателя (К1 и К2 и КЗ).

Функцию "ИЛИ" выполняет дискретный элемент, воспринимающий несколько (не менее двух) входных дискретных сигналов (см. рис. 3.3).

Рис. З.3. Элемент "ИЛИ" и таблица его состояний".

X1, Х2 - входные сигналы,

Y - выходной сигнал (состояние элемента)

Выходной сигнал принимает значение "1" в тех случаях, если хотя бы один входной (или X1, или Х2, или X1 и Х2) имеет значение "1" (см. таблицу).

Функция "ИЛИ" может быть записана в виде: Y = X1 + Х2, или Y = XlvX2.

В роли элемента "ИЛИ" можно использовать электрические включатели, соединенные параллельно (рис. 3.4).

Вся электрическая цепь будет замкнута тогда, когда будет зам­кнут хотя бы один выключатель (К1 или К2 или КЗ).

Рис. З.4. Реализация функции "ИЛИ"контактами К1, К, К3

Функцию "НЕ" (отрицание) выполняет дискретный элемент, воспринимающий ТОЛЬКО ОДИН входной сигнал (рис. 3.5).

Рис. З.5. Элемент "НЕ" и таблица его состояний

Выходной сигнал принимает значение "1" в том случае, если входной имеет значение "О", и наоборот (см. таблицу).

Функция "НЕ" записывается в виде: Y=X или Y=NOT(X). В роли элемента "НЕ" можно использовать электрический раз­мыкающий контакт (рис. 3.6).

Рис. З.6. Реализация функции "НЕ" контактом К1

Электрическая цепь будет замкнута при отсутствии нажатия на контакт и разомкнута при нажатии.

Смысл введения перечисленных логических функций можно пояснить следующими примерами:

А) Предположим, что на бетонорастворном узле необходимо автоматически включать механизм, производящий поочередную разгрузку в смеситель бункеров весовых дозаторов, в которых нахо­дятся отмеренные порции компонентов бетонной смеси. Запуск ме­ханизма может быть произведен только в том случае, если все ве­совые дозаторы загружены соответствующими компонентами; в противном случае будет произведена попытка выгрузить пустой до­затор, т.е. нужный компонент не поступит в смеситель и смесь полу­чится бракованной.

Эту задачу можно сформулировать следующим образом: - сиг­нал запуска разгрузки весовых дозаторов формируется в том слу­чае, если поступает сигнал о заполнении дозатора цемента, И сигнал о заполнении дозатора щебня, И сигнал о заполнении до­затора песка, И сигнал о заполнении дозатора воды. Задача мо­жет быть решена с использованием элемента "И" с четырьмя входами (см. рис. 3.7).

Элемент "И" даст сигнал включения разгрузки только тогда, когда будут готовы все дозаторы.

Б) Предположим, что необходимо предусмотреть возможность аварийной остановки какого-либо агрегата, например, ленточного транспортера из различных пунктов.

Задачу можно сформулировать следующим образом: - сиг­нал останова транспортера формируется, если поступает сигнал останова из пункта 1, ИЛИ из пункта 2, ИЛИ из пункта 3, ИЛИи т.д. из пункта N.

Рис. 3.7.Элемент "И" на четыре входа

В этом случае необходимо использовать элемент, выполняю­щий функцию "ИЛИ" с N входами (см. рис. 3.8).

Единичное значение сигнала останова транспортера будет вы­работано элементом при поступлении единичного значения сигнала из любого пункта.

В) При движении кабины лифта в лифтовой шахте необходимо обеспечить возможность останова кабины на выбранном этаже. В кабине лифта имеются кнопки выбора этажа; в шахте на уровне каждого этажа располагаются контактные датчики, срабатывающие при достижении кабиной соответствующего этажа; т.е. при нахож­дении кабины на уровне этажа, сигнал соответствующего датчика примет значение "1", в остальных случаях он равен "О".

Предположим, что необходимо предусмотреть возможность останова кабины на любом из четырех этажей, начиная с первого и до четвертого. Останов кабины должен произойти, если совпали сигнал кнопки выбора этажа и соответствующего датчика этажа для всех возможных выбранных этажей.

Рис. 3.8. Элемент "ИЛИ" на N входов

Сигнал останова лифта должен вырабатываться во всех случа­ях, когда совпадают единичные сигналы выбора этажа И датчика этажа, - ИЛИ для первого этажа, ИЛИ для второго, ИЛИ для тре­тьего, ИЛИ для четвертого этажей.

На рис. 33 приведена схема, вырабатывающая единичное зна­чение сигнала "СТОП" для управления остановом двигателя подъем­ника лифта.

Приведенные примеры поясняют смысл введенных логических функций "И", "ИЛИ", "НЕ": достаточно сформулировать условие за­дачи таким образом, чтобы в тексте формулировки задачи исполь­зовались слова-связки (И, ИЛИ, НЕ); то

ИСКОМАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВ, ВЫПОЛНЕННАЯ НА ЛОГИ­ЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ, ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ЛИШЬ ГРАФИЧЕС­КУЮ ИНТЕРПРЕТАЦИЮ СЛОВЕСНОГО УСЛОВИЯ ЗАДАЧИ.

Иначе говоря, от словесного условия задачи перейти к схеме создаваемого устройства можно «механически». Это открывает возможность автоматизации, например, на основе ЭВМ, создания схем различных устройств автоматики

- (автоматически создавать автоматические устройства!) Необходимо отметить очень важный момент: - перечисленные выше логические функции составляют так называемый ПОЛНЫЙ БАЗИС т.е., используя только эти функции можно синтезировать любую выразимую функцию, например, арифметические операции, любые, сколь угодно сложные логические операции и др.

Рис. 3.9. Схема формирования сигнала останова подъемника лифта

Рассмотренные логические функции связывают входные и вы­ходные сигналы однозначным образом. Качественно новые свойства приобретают схемы на логических элементах при введении в них ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ, т.е. когда выходной сигнал одного или груп­пы элементов является одновременно одним из входных для этой группы. На рис. 3.10.а. приведен пример такой схемы.

Рис. 3.10. Примеры схем с обратными связями

Если на ее входе действует сигнал "0", то выходной сигнал мо­жет быть как "0", так и "1". При подаче питания на такую схему, нельзя предугадать какое значение примет выходной сигнал. Если же на вход подать сигнал "1", то выход примет значение "1" и сохра­нит это значение "навсегда" и после того, как на входе будет дей­ствовать "0". Обратите внимание на идентичность поведения схем рис. 3.10 и рис. 2.3 описания лаб. работы № 1.

На рис. 3.10б. приведен "усовершенствованный" вариант рас­смотренной схемы. Если на входе 1 действует "0", а на входе 2 -"1", то при подаче питания на эту схему значение выхода непредсказуе­мо. Если затем кратковременно подать на вход 1 логическую едини­цу, то выход примет значение "1" и будет его сохранять, если же подать на вход 2 кратковременное значение "О", то выход примет значение "О" и будет его сохранять до тех пор, пока на вход 1 опять не поступит "1".

Такие схемы, обладающие способностью сохранять свое со­стояние и при отсутствии активных значений входных сигналов, по­лучили название ТРИГГЕРНЫХ схем или ТРИГГЕРОВ. Основное применение таких схем - запоминание информации, что является очень важной и часто используемой операцией при решении задач автоматизации, и чем более "интеллектуальным" является устрой­ство, тем, как правило, больше запоминающих элементов оно содер­жит (ведь устройство должно, как минимум, "помнить" поставлен­ную ему задачу).

На рис. 3.11 приведен вариант симметричной схемы триггера.

Рис. 3.11. Схема симметричного триггера

Достаточно на вход 1 (R) кратковременно подать сигнал «1», на выходе А появится сигнал "О", а на выходе Б - "1"; причем это со­стояние будет сохраняться сколь угодно долго и при нулевом значе­нии сигнала на входе 1. Если же подать сигнал " 1" на вход 2 (S), то значения сигналов на выходах изменятся на противоположные и тоже будут сохраняться, пока опять не будет подан сигнал на вход 1. Т.е. можно сказать, что по входу 2 триггер взводится (SET), а по входу 1 - сбрасывается (RESET).

Таким образом, триггер представляет собой элементарную запо­минающую ячейку. При проектировании устройств нет смысла в каж­дом случае изображать схему триггера (рисДК) в развернутом виде, а можно использовать укрупненное его изображение, которое представлено на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Графическое условное обозначение симметричного триггера:

S(set) - вход установки триггера в 1 (выход Q);

R(reset) - вход сброса триггера в 0

Существуют и другие, часто используемые структуры, кото­рые имеют стандартное построение и изображаются укрупнено (на­пример, счетчики, шифраторы - кодируют одну комбинацию сигна­лов в другие, дешифраторы и др.).

На рис. 3.13. приведена схема управления системой из двух ленточных транспортеров, которая позволяет включать-выклю­чать транспортеры кратковременным нажатием кнопок "ПУСК" и "СТОП". Кроме этого, в схеме использованы сигналы датчи­ков вращения пассивных барабанов транспортеров, которые при нормальной работе соответствующего транспортера вырабаты­вают сигнал "1", а при аварии (неисправность двигателя, обрыв ленты и др.) - "0".

При нажатии на кнопку "ПУСК" единичное значение сигнала по входу S триггера установит его выход Q в значение "1", что запу­стит двигатели транспортеров. Если, после этого, какой либо из дат­чиков вращения не выработает сигнал "1", а будет иметь значение "0", то по входу R триггер сбросится в "0" и отключит двигатели, что предотвратит развитие аварийной ситуации в системе.

Между логическими функциями существуют различные взаи­мосвязи, например, функция "И" может быть выражена через функцию "ИЛИ" и функцию "НЕ":

т.е. приведенные ниже две схемы \ _-.,. эквивалентны по выпол­няемым функциям (рис. 3.14.а,б).

Аналогичное соотношение существует и для функции «ИЛИ»:

Из сказанного следует, что полный базис образуют всего лишь две функции: либо И и НЕ, либо ИЛИ и НЕ.

Рис. 3.13. Схема управления системой ленточных транспортеров

Существуют и другие соотношения между логическими функ­циями, которые мы здесь рассматривать не будем, но отметим, что эти соотношения позволяют трансформировать одну схему из диск­ретных элементов в другую, которая будет выполнять те же функ­ции. При этом число элементов в новой схеме может получиться меньше, чем в исходной.

Существует и соответствующий математический аппарат, полу­чивший по имени своего основоположника Джорджа БУЛЯ название БУЛЕВА АЛГЕБРА, которая изучает взаимосвязи в системах логи­ческих (булевых) функций и является теоретической основой для прак­тики создания автоматических устройств на дискретных элементах.

Рис. 3.14. Пример преобразования логических функций

Рассмотренные принципы могут быть реализованы на элемен­тах различных конструкций и физических принципов работы: меха­нических, электромеханических, пневматических и др.

Упомянутые пневматические логические элементы широко ис­пользуются при автоматизации пожаро- и взрывоопасных произ­водств, т.к. при работе этих элементов практически отсутствует ве­роятность нагрева и искрения.

На рис. 3.15. приведен пример простейшего пневматического эле­мента "И". Kl, К2 – клапаны.

Рис. 3.15. Пневматический элемент И

Трубопровод будет открыт тогда, когда будут открыты оба кла­пана К1 и К2. Обратите внимание на аналогию рис. 3.2 и 3.15.

Наибольшее развитие и распространение получили логические элементы в, так называемом, интегральном исполнении - в виде по­лупроводниковой интегральной микросхемы. Интегральной микро­схема называется потому, что на одном кристалле полупроводника создается целая электрическая схема - совокупность взаимосвя­занных элементов. Входными и выходными сигналами является элек­трическое напряжение в пределах 0-0,8 вольт для логического нуля и 2,4 - 5 вольт для логической единицы (т.н. TTL уровни).

В виде интегральных микросхем изготавливаются не только отдельные логические элементы, а и целые функциональные узлы и, даже управляющие устройства - микроконтроллеры, содержащие до нескольких сотен тысяч - миллионов логических элементов.

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 105; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!