Тема 2.3 Логічні елементи та мікропроцесорні системи

Логічним елементом називається пристрій, що реалізує просту логічну операцію із сигналами. Під логічною операцією розуміють зв'язок Між сигналами, які можуть ухвалювати тільки два значення, одне з яких позначається як «1» (одиниця), а інше — «0» (нуль).

Сигнали, що ухвалюють тільки одне із двох названих вище значень, називаються логічними змінними.

Джерелом логічних змінних може бути будь-яка фізична система, що має два стійкі стани (наприклад, замкнені контакти — розімкнуті контакти, є напруга — немає напруги і т.д.). Одному зі станів приписується стан «1», а іншому — «0».

Логічні елементи є основою побудови більш складних логічних схем для розв'язку таких логічних завдань у пристроях і системах автоматики, як сигналізація, блокування, захист, керування і т.д.

Вхідні змінні прийнято позначати буквою х (х₁, х₂...), а вихідні — буквою в. Функціональний зв'язок між вихідними й вхідними логічними змінними називається логічною функцією в=φ(х₁, х₂...).

До найпростіших логічних операцій (або функціям) ставляться логічне заперечення (інверсія), логічні додавання й логічні множення. Ці операції мають скорочені назви: відповідно НЕ, АБО, И. В алгебраїчній формі логічні функції записуються в наступному виді:

функція НЕ: , (2.70)

функція АБО: (2.71)

функція И: (2.72)

Крім алгебраїчного запису логічних функцій, логічні операції представляють у вигляді таблиць, які називаються таблицями істинності. У таблиці встановлюється відповідність значень вихідна змінної певним значенням вхідних змінних.

Позначення логічних операцій відповідно до Держстандарт 2.743-72 наведено в таблиці 2.3.

2.3. Умовні позначки найпростіших логічних операцій

По фізичних принципах логічні елементи підрозділяються на електромеханічні (реле), електронні (напівпровідникові), пневматичні й ін.

Кожної логічної операції відповідає певна електрична схема або стан неелектричного логічного елемента (наприклад, пневматичного реле).

Вхідними й вихідними сигналами електричних і електронних логічних елементів, як правило, є електрична напруга, а пневматичних — тиск повітря.

Електромеханічні реле виконують логічні операції в електричних схемах, тому що їхні контакти можуть перебуває у двох станах (замкнені, розімкнуті). Вхідними сигналами реле є напруги, що подається на котушки реле, а вихідними — напруги в ланцюзі, створюваної контактами реле.

Напівпровідникові логічні елементи мають ряд переваг перед релейними: висока швидкодія, малий габарит, висока надійність і ін. Їх виконують на діодах, транзисторах або їх комбінаціях.

Пневматичні логічні елементи виконані на базі трьохмембранного пневматичного реле. Трьохмембранне реле (мал. 2.23) складається із чотирьох камер (А, Б, В, Г), розділених гнучкими мембранами 1, 2, 3. Мембрани з'єднані металевим штоком. Верхній і нижній кінці штока служать заслінками живильного й сбросного сопел. Шток разом із твердими центрами мембран являє собою тверде мембранне складання, яке може переміщатися у вертикальному напрямку залежно від співвідношення сил, створюваних тиском повітря в камерах на відповідні мембрани.

Рис. 2.23. Трьохмембране реле: 1, 2, 3 - мембрани; А, Б, В, Г — камери.

При порушенні рівноваги сил мембранне складання переміщається нагору або вниз, відкриває одне із сопел і закриває інше. Якщо закривається сбросное сопло й відкривається живильне сопло, то тиск на виході приблизно дорівнює тиску живлення. При зворотному переміщенні мембранного складання, тиск на виході зменшується.

Пневматичні сигнали підводять через вхідні штуцера камерах Б и В. Якщо в одній з камер створити попередньо надлишковий тиск, то пневматичні реле виконують логічні операції.

Схеми виконання простих логічних операцій різними елементами наведено в таблиці 2.4.

Логічні елементи характеризуються наступними основними параметрами: номінальними значеннями вхідних і вихідних сигналів, відповідних до логічної одиниці «1» і логічному нулю «0», споживаною потужністю, швидкодією й ін. Номінальні значення вхідних сигналів- значення сигналів, що відповідають логічної «1» і логічному «0», при яких логічний елемент переходить із одного стійкого стану в інше.

Споживана потужність визначається як середня потужність, що відбирається логічним елементом від джерела живлення у двох крайніх станах, що відповідають логічному «0» і логічної «1».

Швидкодія логічного елемента визначається часом перемикання з одного стану в інше: t⁰¹ - час перемикання з «0» в «1»; t¹⁰- час перемикання з «1» в «0».

Схеми логічних елементів

Логічні операції И логічні співвідношення вивчає математична логіка, основи якої були закладені більш 100 років тому англійським математиком Дж. Булем (1854 г.)

Основні закони логіки:

Сполучний

переміщувальний

Розподільний

Інверсія

Наслідку законів алгебри логіки:

Наслідку законів алгебри логіки використовуються для мінімізації логічних функцій складної системи з метою її спрощення.