Логические элементы цифровых устройств

Логическими элементами называются элементы, выполняющие логические операции И, ИЛИ, НЕ и комбинации этих операций. Указанные логические операции можно реализовать с помощью контактно-релейных схем и с помощью электронных схем. В настоящее время в подавляющем большинстве применяются электронные логические элементы, причем электронные логические элементы входят в состав микросхем. Имея в распоряжении логические элементы И, ИЛИ, НЕ, можно сконструировать цифровое электронное устройство любой сложности. Электронная часть любого компьютера состоит из логических элементов. Логические элементы цифровых устройств во многом определяют функциональные возможности последних, их конструктивное выполнение, технологичность и надежность. В настоящее время логические элементы выпускаются промышленностью в виде серий, включающих в себя широкую номенклатуру схем различной степени сложности.

Простейшим логическим элементом является инвертор, который просто изменяет значение входного сигнала на прямо противоположное значение. Его логическая функция НЕ записывается в следующем виде:

где черта над входным значением x обозначает изменение его на противоположное.

В качестве логического инвертора можно использовать обычный транзисторный усилитель с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером. Схема логического инвертора, выполненная на биполярном n-p-n транзисторе, приведена на Рис. 12.2, а.

Логический элемент И (Рис. 12.2,б) реализует операцию логического умножения "И":

F(x₁,x₂) = x₁ ^ x₂ ,

где символ ^ и обозначает функцию логического умножения.

Следующим простейшим логическим элементом является схема, реализующая операцию логического сложения "ИЛИ":

F(x₁,x₂) = x₁V x₂ ,

где символ V обозначает функцию логического сложения.

а)	б)	в)
Рис. 12.2 – Схемы логических элементов: а) – инвертор; б) –элемент И; в) элемент ИЛИ

Специальные элементы цифровых устройств составляют блоки управления, обмена информацией, индикаций, контроля, диагностики и другие. В этих блоках используются схемы, выполняющие различные специальные функции (преобразование уровней, генерирование различных сигналов, формирование временных параметров сигналов и др.). Требования к специальным элементам весьма разнообразны и, как правило, определяются конкретной разработкой, в связи с чем их уровень интеграции и номенклатура значительно ниже, чем аналогичные параметры для логических элементов.

Важным требованием при разработке специальных элементов является совместимость их по входу и выходу с логическими элементами, на базе которых проектируется цифровое устройство, поэтому основное внимание уделяется реализации перечисленных выше специальных элементов па базе стандартных логических элементов.

Логические расширители – это специальные элементы цифровых устройств, предназначенные для увеличения количества логических входов у логических элементов, расширения класса реализуемых этими элементами логических функций и построения нетиповых схем. Поскольку первые две функции расширителей основные, расширители выполняются в составе каждой конкретной серии на основе базовой схемы или ее части.

Триггерные элементы цифровых устройств (триггеры) - устройства с двумя устойчивыми состояниями выхода, содержащие элементарную запоминающую ячейку и схему управления, преобразующую поступающую информацию в комбинацию сигналов, действующих непосредственно на входы элементарной запоминающей ячейки.

Триггеры широко используются в формирователях импульсов, генераторах одиночных сигналов, для построения делителей частоты, счетчиков, пересчетных устройств, регистров, накапливающих сумматоров, в устройствах управления и т. д.

Электронные ключи – это устройства (или элементы), предназначенные для включения или выключения электрических цепей при подаче управляющего напряжения.

Электронные ключи относят к классу нелинейных устройств, вольтамперные характеристики которых имеют вид нелинейных функций, а процессы в них описываются нелинейными уравнениями различного вида. Основным нелинейным элементом электронного ключа может являться полупроводниковый диод, тиристор или транзистор.

На рис. 12.3, а. показана упрощенная принципиальная схема электронного ключа на транзисторе. На рис. 12.3, б приведены временные диаграммы, поясняющие работу данной схемы. Эта схема с помощью небольшого управляющего тока может создавать в нагрузке, которой обычно является другая схема, ток значительно большей величины. Электронный ключ является транзисторным переключателем. При нулевом входном сигнале (U_ВХ ≈ 0), транзистор закрыт – ток через нагрузку равен нулю, а напряжение U_ВЫХ ≈ U_П. Когда входной сигнал больше 0,6 В (для кремниевых транзисторов) – транзистор открыт и практически все напряжение питания приложено к нагрузке, и U_ВЫХ ≈ 0.

Транзистор для ключа выбирают по предельным характеристикам - предельному напряжению между коллектором и эмиттером U_кэмах и по предельному току коллектора I_кмах. При этом необходимо выполнить условие, чтобы I_кмах > I_нмах, т. е тока нагрузки. Иногда к этим параметрам добавляют частоту. Условие согласования транзистора с нагрузкой обычно легко выполнимо.

Рис.12.3 – Электронный ключ: а) - упрощенная электрическая схема; б) - временные диаграммы напряжений

Транзисторные переключатели позволяют производить переключение очень быстро, время переключения измеряется обычно долями микросекунд. Еще одно достоинство транзисторных переключателей состоит в том, что они дают возможность производить дистанционные переключения, при которых на переключатели поступают только маломощные управляющие сигналы постоянного тока.

В цифровой технике электронный ключ широко используется, например, в качестве инвертора, осуществляющего логическую операцию отрицания. Подав на его вход логическую единицу – высокий уровень напряжения, на выходе получим логический ноль, т. е. низкий уровень напряжения, и наоборот. На основе электронных ключей реализуются также логическое умножение, логическое сложение и другие.

Компараторы – устройства, позволяющие сравнивать сигналы по их уровню. Принцип работы компаратора для сравнения входного аналогового сигнала с заданным (пороговым) уровнем другого сигнала приведен на рис.12.4. Данная схема компаратора фактически представляет собой электронный ключ (Рис. 12.4,а), порог срабатывания которого определяется величиной порогового напряжения U₀.

Рис. 12.4 – .Компаратор: а) - принципиальная электрическая схема; б) - временные диаграммы напряжений

Если напряжение U_ВХ < U₀ , транзистор VT будет закрыт, ток коллектора транзистора I_K = 0, падение напряжения на сопро-тивлении нагрузки не будет и на выходе схемы формируется напряжение высокого уровня (U_ВЫХ ≈ U₀). При превышении входного напряжения над пороговым (U_ВХ > U₀) транзистор открывается, появляется ток коллектора. Сопротивление открытого транзистора R_КЭ >> R_Н и напряжение U_КЭ = U_ВЫХ ≈ 0 (Рис.12.4, б).

В современной импульсной и цифровой технике очень широко используются операционные усилители (ОУ), работающие в ключевом режиме. Принцип работы компаратора на ОУ поясняется на рис. 12.5. Входное напряжение U_ВХ подается на инвертирующий вход ОУ, к прямому входу которого подключено пороговое напряжение U₀. (Рис. 12.5, а). Для питания ОУ использован двухполярный источник.

Рис. 12.5 – Компаратор на ОУ: а) - схема компаратора; б) - временные диаграммы напряжений

Если величина входного напряжения U_ВХ < U₀ , то на выходе схемы формируется перепад напряжения U_ВЫХ ≈ + U_П . В случае, если входное напряжение превысит пороговое значение, то на выходе схемы будет формироваться отрицательное напряжение U_ВЫХ ≈ - U_П.Так работают аналоговые компараторы.

В цифровых устройствах сравнение кодов двух чисел осуществляют с помощью сравнивающих компараторов. На выходе компаратора появляется логическая единица, если сравниваемые двоичные числа А и В равны. Если А не равно В, то на выходе компаратора будет логический нуль.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) – устройства, обеспечивающие преобразование входного сигнала в цифровой код по правилам системы двоичного счисления, например, путем преобразования временного интервала в цифровой код. Схема АЦП зависит от метода преобразования и способа его реализации. Различают следующие методы построения АЦП:

- временного преобразования;

- последовательного счета;

- последовательного приближения;

- параллельного преобразования.

Рассмотрим метод временного преобразования. В этом методе значению аналогового входного напряжения u_ВХ ставится в соответствие временной интервал, длительность которого пропорциональна u_ВХ. Этот интервал заполняется импульсами стабильной частоты, количество n которых и является цифровым эквивалентом преобразуемого напряжения.

Упрощенная схема АЦП, в котором реализуется метод временного преобразования напряжения в цифровой код, приведена на рис. 12.6.

Рис. 12.6 – Упрощенная схема АЦП

Работа схемы заключается в следующем. На входы компаратора (схемы сравнения) К поступают входное (измеряемое) напряжение u_ВХ и линейно изменяющееся напряжение u_ГЛИН, которое формируется генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) по импульсам, приходящим с генератора тактовых импульсов (ГТИ). На выходе компаратора К при превышении напряжения u_ГЛИН над напряжением u_ВХ формируется положительный импульс (логическая единица), поступающий на вход формирователя временных интервалов (ФВИ). На второй вход ФВИ постоянно подаются тактовые импульсы с ГТИ. Схема ФВИ устроена так, что с приходом тактового импульса на ее выходе начинает формироваться положительный импульс u_ВИ (логическая единица, Рис. 12.7, время t = 0).

Рис. 12.7 – Временные диаграммы, поясняющие работу АЦП

Длительность t_ВИ импульса u_ВИ линейно связана с уровнем напряжения u_ВХ в момент его совпадения с напряжением u_ГЛИН. Величина t_ВИ при непостоянном напряжении u_ВХ будет изменяться (t_ВИ2 ˂ t_ВИ1, см. рис. 12.7).Этот импульс подается на первый вход схемы И. Второй вход схемы И связан с выходом генератора счетных импульсов (ГСИ). С приходом положительного импульса с выхода компаратора К на вход ФВИ,формирование импульса u_ВИ заканчивается.

При наличии логической единицы (импульса u_ВИ) на первом входе схемы И счетные импульсы через схему совпадения И поступают на вход счетчика. Количество n счетных импульсов, поступивших на вход счетчика СЧ, зависит от величины временного интервала t_ВИ и, соответственно, от величины преобразуемого напряжения u_ВХ. Выходной код счетчика при этом является цифровым эквивалентом напряжения на входе ЦАП.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) служит для преобразования цифровой информации в аналоговую форму, т.е. выходной сигнал ЦАП в общепринятых единицах измерения тока или напряжения (мВ, В, мА) соответствует численному значению входной кодовой комбинации. Эти устройства преобразуют информацию, представленную в цифровом коде, в информацию аналоговую, как правило, в напряжение.

Принцип работы ЦАП основан на том, что каждый разряд двоичного кода имеет определенный вес, пропорциональный соответствующему весовому коэффициенту. При этом полагается, что вес каждого последующего старшего разряда в 2 раза больше веса предыдущего, более младшего разряда. Таким образом, любому двоичному коду, записанному в виде

X_n, X_n-1,….,X₁ ставится в соответствие напряжение

U_ВЫХ = ∆U×(X_n×2 ^(n-1)+X_n-1×2 ^(n-2)+…+X₂×2¹+X₁×2⁰),

где ∆U - напряжение, соответствующее весу младшего разряда.

Для примера, ЦАП может быть создан на суммирующем операционном усилителе (Рис.12.8). Исходя из принципа поразрядного распределения весовых коэффициентов, сопротивление резистора, через которое подключен сигнал, соответствующий старшему разряду, должно быть R, следующее 2R, далее 4R и т.д.

Рис.12.8 – Схема простейшего трехразрядного ЦАП

При увеличении на одну единицу кода трехразрядного числа, выходное напряжение будет изменяться скачком, называемым шагом квантования (преобразования) ∆U. Выходное напряжение трехразрядного ЦАП, изображенного на рис.12.8, как функции числа в двоичном коде будет изменяется в соответствии с графиком, приведенным на рис.12.9

Рис. 12.9 – График зависимости выходного напряжения трехразрядного ЦАП от значений цифрового кода на его входе

Интерфейсы ПЛК

ПЛК в своём составе не имеют интерфейса для человека в виде клавиатуры и дисплея. Их программирование, диагностика и обслуживание производится подключаемыми для этой цели программаторами - специальным устройством или устройствами на базе более современных технологий - персонального компьютера или ноутбука, со специальными интерфейсами и со специальным программным обеспечением (например, SIMATIC STEP 7 в случае ПЛК SIMATIC S7-300 или SIMATIC S7-400). В системах управления технологическими процессами ПЛК взаимодействуют с различными компонентами систем человеко-машинного интерфейса (например, операторскими панелями) или рабочими местами операторов на базе ПК.

Датчики и исполнительные устройства подключаются к ПЛК двояким образом:

- централизованно, когда в корзину ПЛК устанавливаются модули ввода-вывода, а датчики и исполнительные устройства подключаются отдельными проводами непосредственно, либо при помощи согласующих модулей и к входам и выходам сигнальных модулей;

- по методу распределённой периферии, когда удалённые от ПЛК датчики и исполнительные устройства связаны с ПЛК посредством каналов связи и, возможно, корзин-расширителей с использованием связей типа «ведущий-ведомый».

Интерфейс для подключения датчиков и исполнительных механизмов является коммуникационной системой (AS), предназначенной для использования на самом нижнем уровне иерархии промышленного автоматизированного комплекса - на уровне управляемого процесса. Непременный атрибут этого уровня – развитая сеть соединительных кабелей замещается одним единственным кабелем AS-интерфейса. С помощью AS-кабеля и ведущего устройства AS-интерфейса простейшие бинарные датчики и исполнительные устройства могут подключаться к средствам управления посредством модулей AS-интерфейса.