Повышение уровня автоматизации судовых холодильных установок приводит к усложнению функций систем управления, что требует выполнения логических операций. Наиболее просто такие операции осуществляются в системах дискретного действия. Для удобства монтажа и ремонта логические устройства собирают из конструктивно законченных и легкосъемных модулей. Чаще всего используют полупроводниковые бесконтактные модули, выпускаемые в виде серий. «Транслог», «Транслог-2», «Логика-Т» и др. Каждая серия содержит модули для реализации функций двузначной логики, запоминания, задержки, согласования уровня и усиления дискретных сигналов. Модули одной серии имеют одинаковые электрические, конструктивные и технологические параметры.
Ниже рассматриваются основные функциональные элементы, на базе которых строятся бесконтактные модули систем управления. Для каждого элемента приводится лишь одна из возможных схем, раскрывающая суть происходящих явлений. Подробные сведения о конкретных сериях бесконтактных модулей содержатся в. К ним следует обращаться также по поводу интегральных микросхем, которые позволяют реализовать такие же функции и имеют высокую надежность, низкую стоимость и малые габариты.
Сигналы на входах и выходах логических и запоминающих элементов принимают лишь два значения, символически обозначаемые 0 и 1. При построении и преобразовании логических схем используется алгебра логики, разработанная в 1847 г. Дж. Булем. Основу ее составляют три функции:
а) логическое отрицание (инверсия) НЕ: F = а, если а = 1, то F = 0, и наоборот;
б) логическое сложение (дизъюнкция) ИЛИ:
F = а + b, иначе F = а V b, F = 1, если a = 1 или b = 1; или a = b = 1; F = 0, если a = b = 0;
в) логическое умножение (конъюнкция) И:
F = а·b, иначе F = а/\b,
F = 1, если а = b = 1; в остальных случаях F =0.
На базе указанных функций выводятся более общие зависимости и законы алгебры логики, которые позволяют минимизировать логические выражения с целью построения наиболее простых логических схем, состоящих из наименьшего количества элементов.
Для реализации логических функций используют типовые элементы. В полупроводниковых потенциальных элементах входные и выходные переменные представляют собой напряжение, меняющее дискретно свой уровень. Обычно нижний по абсолютному значению уровень сигналов выбирают близким к нулю. Его обозначают 0, а верхний уровень сигналов независимо от значения и знака напряжения обозначают 1. Элементы, реализующие функции НЕ, И, ИЛИ, составляют основной набор. На практике применяют также комбинированные элементы, реализующие последовательно не одну, а две и более логических функций. К ним относятся элементы ИЛИ — НЕ, И — НЕ и др. Каждый такой элемент образует функционально полный набор, т. е. из конечного числа их можно построить логическую схему любой сложности. Применение простейших и комбинированных логических элементов в одной схеме диктуется стремлением уменьшить общее их количество.
Если на входе а потенциал равен нулю или близок к нулю, то на базу транзистора Т подается нулевой сигнал через резистор Rв и положительное напряжение смещения Ес через . В целом потенциал на базе транзистора положительный. Транзистор закрыт, коллекторный ток через резистор Rк не проходит. На выходе получается напряжение, близкое к Ек, что свидетельствует о наличии сигнала 1. Если на вход а подан сигнал в виде отрицательного напряжения, то при соответствующем подборе сопротивлений Rв и Rc на базе транзистора будет отрицательный потенциал. Транзистор откроется; падение напряжения на нем окажется близким к Нулю. Сигнал на выходе F примет нулевое значение.
Рис. 1. Схема и условное обозначение основных логических элементов:
а, б — элемент НЕ; в, г — элемент ИЛИ; д, е — элемент И
Элемент ИЛИ. Обычно элемент ИЛИ имеет несколько входов, например, два. Если на вход а и b подан сигнал 0, то транзистор T1 закрыт положительным смещением Ес на его базе. На выходе F транзистора T1 имеется сигнал 1 в виде отрицательного напряжения, которое через резистор Rб подается на вход транзистора Т2, обеспечивая открытие его. Падение напряжения на Т2 мало, и сигнал на выходе F = 0. Если подается сигнал через любой из входных диодов, транзистор Т1 открывается. На его выходе F сигнал исчезает. Транзистор Т2 закрывается напряжением смещения Ес и на выходе F схемы появляется сигнал 1. Такое же положение сохранится, если сигнал будет подан на другой вход или на все входы вместе. На выходе F транзистора Т1 получается инвертированный сигнал. Здесь реализуется функция ИЛИ — НЕ.
Если на входах а, b потенциалы равны нулю, то средние точки делителей, состоящих из Rв и Rc имеют положительные потенциалы. Диоды находятся в проводящем состоянии, и на базе транзистора Т1 имеется положительный потенциал, так как прямое сопротивление диодов во много раз меньше сопротивления R0. Транзистор Т1 закрыт, Т2 открыт, и на выходе F сигнала нет. Если на один из входов подается сигнал в виде отрицательного напряжения, то на средней точке соответствующего делителя также появляется отрицательный потенциал. Диод, связывающий эту точку с базой транзистора Т1, оказывается включенным в обратном направлении и отключает эту цепь от базы. Однако от другого (других) входа на базе транзистора Т1 сохраняется положительный потенциал. Состояние схемы изменится лишь после того, как на все входы будут поданы сигналы 1. При этом псе диоды оказываются под обратным напряжением, снимается шунтировка входа транзистора Т1. Через резистор R0 проходит базовый ток. Транзистор Т1 открывается, а Т2 закрывается. На выходе F схемы появляется сигнал 1. Сигнал на выходе F инвертирован по отношению к. сигналу F. Следовательно, на выходе транзистора Т1 реализуется функция И—НЕ.
Условное обозначение, формула и таблица сигналов для ряда комбинированных элементов с двумя входами приведены в табл. 1.
С помощью рассмотренных элементов строятся комбинационные (однотактные) логические схемы, выходной сигнал которых зависит от комбинации входных сигналов в данный момент времени. В последовательностных (многотактных) логических схемах значение выходного сигнала зависит не только от конкретной комбинации значений входных сигналов, но и от их значений в более ранние моменты времени. При построении таких схем наряду с логическими элементами используются триггеры и мультивибраторы, обеспечивающие запоминание, задержку или преобразование сигналов.
Триггер. Он представляет собой логическую схему с обратными связями, которая обладает двумя состояниями устойчивого равновесия и может под воздействием соответствующих сигналов переходить скачком из одного состояния в другое. Обычно применяют потенциальные триггеры, в которых состояния равновесия отличаются друг от друга уровнем потенциала на выходе. Триггеры со статическими входами реагируют на уровень входных сигналов, а триггеры с динамическими входами воспринимают только изменение уровня сигналов от 0 к 1 или от 1 к 0, В синхронизируемых триггерах срабатывание возможно только в момент подачи синхронизирующего (тактового) импульса на специальный вход с.
В зависимости от способа организации логических связей различают: а) RS-триггеры с установочными (раздельными) входами; б) Т-триггеры со счетным входом; в) Д-триггеры с задержкой сигнала; г) универсальные триггеры. Все триггеры могут собираться из типовых логических элементов.
Пусть в начальном состояний транзистор Т1 закрыт, а транзистор Т2 открыт. Потенциал на выходе Q близок к нулю, а на выходе Q он близок к Ек. Через резистор Rб2 на базу транзистора Т2 подается отрицательное напряжение, что обеспечивает открытие Т2. На базу транзистора Т1 практически поступает только положительное напряжение смещения Ес которое держит транзистор Т1 закрытым. Конденсатор С1 имеет малый заряд, величина которого не превышает половины напряжения смещения. Конденсатор С2 заряжен до Ек. Описанное состояние триггера устойчиво независимо от наличия сигнала на входе R.
Рис. 2. RS-триггер:
а — схема на транзисторах; б — временная диаграмма; в — соединение элементов ИЛИ — НЕ; г — условное обозначение
При подаче отрицательного напряжения на вход S за счет Возникновения прямого тока базы транзистор Т1 начинает открываться. Напряжение на его коллекторе уменьшается. Соответственно снижается потенциал, подаваемый на базу транзистора Т2 через резистор Rб2. Транзистор Т2 начинает закрываться. Появляется базовый ток транзистора T1 через резистор Rб1 и в первый момент и через конденсатор С1, что ускоряет открытие транзистора T1. После открытия T1 потенциал на базе транзистора Т2 становится положительным и примерно равным напряжению смещения, так как через резистор Rб2 поступает потенциал, близкий к нулю. Конденсатор С2 оказывается подключенным положительно заряженной обкладкой к базе транзистора Т2, что способствует ускоренному закрытию T2. В итоге процесс переключения протекает очень быстро, и схема принимает второе устойчивое состояние, Когда Т2 закрыт, а Т1 открыт. Теперь вернуть схему в исходное состояние можно лишь путем подачи сигнала 1 на вход R.
Подача отрицательного напряжения одновременно на оба входа не допускается, так как она вызывает появление неустойчивого состояния триггера. При отсутствии входных сигналов и повторном воздействии на тот же вход состояние RS-триггера не изменяется, что обеспечивает запоминание сигналов.
Положительный сигнал, поданный на базу закрытого транзистора, не вызывает изменений в схеме. Поданный на базу открытого транзистора, он приводит к запиранию транзистора и переключению всей схемы. Следующий сигнал той же полярности переключает триггер в исходное состояние. Очевидно, что Т-триггер осуществляет деление числа поступающих импульсов на два. Условное изображение и временная диаграмма сигналов Т-триггера, срабатывающего при изменении входного сигнала от 1 к 0.
D-триггер имеет один информационный вход D и один синхронизирующий вход С. Под действием входного сигнала в момент появления синхронизирующего импульса триггер принимает состояние, соответствующее входному сигналу. Однако выходной сигнал может быть использован только при поступлении следующего тактового импульса. Тем самым достигается задержка сигнала на один такт. Универсальные триггеры могут выполнять различные функции. Они легко преобразуются в RS-, Т- или D-трйггеры путем внешних переключений.
Одним из назначений триггеров является формирование прямоугольных сигналов. Синусоидальное напряжение преобразуется в прямоугольные сигналы при помощи симметричного RS-триггера с дополнительной согласующей схемой. Для. преобразования сигнала произвольной формы в прямоугольные сигналы используется несимметричный триггер с эмиттерной связью, называемый триггером Шмитта. Особенность его состоит в том, что коллектор транзистора Т2 не связан с внутренними частями схемы. Это обеспечивает слабое влияние нагрузки на работу триггера и большую крутизну фронтов выходного сигнала. Как и все триггеры, он имеет два устойчивых состояния. Пороговые уровни, при которых срабатывает триггер, имеют одинаковый знак, но разную величину.
Рис. 3. Обозначение (а) и диаграмма сигналов (б) Т-триггера
Рис. 4. Схема (а) и статическая характеристика (б) триггера Шмитта
При отсутствии входного сигнала транзистор Т1 закрыт, а Т2 открыт, так как на базу его подается отрицательный потенциал с коллектора транзистора Т1. Через сопротивление в цепи эмиттеров протекает. коллекторный ток Iк2 транзистора Т2. Он создает падение напряжения AU — Iк2Rэ. Разность напряжений Uб.э =U1—AU между базой и эмиттером транзистора T1 получается положительной, что обеспечивает закрытие транзистора T1. Напряжение на выходе триггера U2 = AU, так как выход Q практически накоротко соединен с эмиттерами через насыщенный транзистор Т2.
С ростом отрицательного напряжения на входе наступает момент, когда U1 =AU, а Uб.э = 0, что приводит к отпиранию транзистора Т1. Напряжение на его коллекторе уменьшается. Соответственно уменьшаются базовый и коллекторный токи транзистора Т2. Падение напряжения AU на резисторе Rэ уменьшается, несмотря на появление коллекторного тока Iк1 транзистора Т1. Дело в том, что Rк1к2, следовательно, Iк1 < Iк2. С уменьшением AU возрастает отрицательное смещение Uб.э, способствующее еще большему отпиранию транзистора Т1. Поэтому процесс переключения развивается лавинообразно. По окончании его транзистор Т1 открыт, Т2 закрыт, на выходе триггера U2 EK. На резисторе Rэ происходит падение напряжения AU = Iк1Rэ, которое удерживает транзистор Т2 запертым.
Обратное переключение схемы осуществляется аналогично при уменьшении входного напряжения чуть ниже AU. При этом напряжение Uб.э станет положительным, и транзистор T1 закроется. Изменяя сопротивление резистора Rэ можно регулировать одновременно напряжения «срабатывания» AU и «отпускания» AU' схемы, а изменяя коллекторные сопротивления Rк1 и Rк2 — гистерезис AU — AU'. Для преобразования знакопеременных напряжений, в том числе и синусоидальных, на вход транзистора Т1 подают напряжение смещения, с которым суммируется входной сигнал. Часто триггер Шмитта используют в качестве порогового элемента.
Мультивибратор. Он представляет собой двухкаскадный генератор импульсов почти прямоугольной формы, в котором хотя бы одна положительная обратная связь не резистивная, а емкостная. В отличие от триггера он имеет не более одного состояния устойчивого равновесия. Наличие емкостной обратной связи приводит к состоянию квазиравновесия, в котором за счет сравнительно медленных изменений токов и напряжений создаются условия для скачкообразного перехода схемы из одного состояния в другое.
Если одна обратная связь емкостная, а другая резистивная, то мультивибратор имеет состояние равновесия и состояние квазиравновесия. Из состояния равновесия он выводится только под действием внешнего импульса. Возвращение в это состояние происходит самостоятельно по истечении времени, определяемого параметрами схемы. Такой мультивибратор работает в ждущем режиме. Его часто называют одновибратором. Рассмотрим одну из возможных схем.
В состоянии устойчивого равновесия транзистор Т1 закрыт положительным смещением через резистор Rc, а транзистор Т2 — открыт базовым током через резистор Rб2. Конденсатор Сб заряжен почти до напряжения Ек, так как левая обкладка имеет потенциал — Ек, а правая — потенциал, близкий к нулю. Ускоряющий конденсатор Са имеет малый заряд. Сигнала на выходе схемы Q нет.
Рис. 5. Схема (а) и диаграмма сигналов (б) ждущего мультивибратора
Рис. 6. Схема мультивибратора, работающего в автоколебательном режиме
Из состояния равновесия схема выводится путем подачи импульса положительной полярности на вход 5. При этом транзистор Т2 запирается, а транзистор T1 открывается базовым током через резистор Rб1. Мультивибратор переходит в состояние квазиравновесия. На выходе Q появляется сигнал 1. Конденсатор Сб начинает перезаряжаться, поскольку теперь левая обкладка имеет близкий к нулю потенциал, а к правой обкладке через резистор Rб2 подключен источник питания — Ек. По мере перезаряда конденсатора Сб изменяется потенциал на базе транзистора Т2. Как только он становится отрицательным, транзистор Т2 открывается, процесс квазиравновесия заканчивается, и схема возвращается в исходное состояние. Длительность процесса, квазиравновесия ти зависит от емкости конденсатора Сб и сопротивления резистора Rб2. Она приблизительно равна ти = 0, 7Rб2Сб.
Для получения входных импульсов из последовательности сигналов 0 и 1, обозначенной буквой В, в состав типового одновибратора входит дифференцирующая цепочка. Она выдает импульсы нужной полярности только при повышении или только при понижении уровня сигналов. Поэтому продолжительность сигнала на выходе ждущего мультивибратора не зависит от длительности входного сигнала.
Когда обе обратные связи у замкнутого в петлю двухкаскадного усилителя емкостные, состояния устойчивого равновесия нет. Мультивибратор работает в автоколебательном режиме, находясь поочередно в одном из двух состояний квазиравновесия. Пусть в некоторый момент времени транзистор Т1 открыт, конденсатор Са разряжен, а Сб. заряжен почти до напряжения Ек. С правой обкладки конденсатора Сб положительное напряжение приложено к базе транзистора Т2, что обеспечивает его закрытие. Мультивибратор находится в состоянии квазиравновесия, длительность которого составляет ти2=0,7RбСб. На выходе Q имеется сигнал 1. Конденсатор Сб перезаряжается через резистор Rб и насыщенный транзистор Т1. Конденсатор Са заряжается через резистор Rк2.
Как только конденсатор Сб разрядится, транзистор Т2 открывается, а T1 вновь запирается. Мультивибратор переходит в другое состояние квазиравновесия, длительность которого равна ти1=0,7RаСа. Сумма тН1 + тН2 определяет период автоколебаний мультивибратора, который в рассматриваемом режиме работает как генератор стандартных сигналов. Ждущий мультивибратор также используется для генерации последовательности импульсов прямоугольной формы. При этом запуск его осуществляется короткими импульсами нужной частоты.
Генераторы пилообразнбго напряжения. Обычно их строят на принципе заряда или разряда конденсатора. Для получения линейного изменения напряжения на конденсаторе необходимо стабилизировать протекающий черёд него ток. Когда требования к линейности невысоки, применяют схему с зарядом конденсатора С от источника постоянного напряжения Un через резистор R. Напряжение на конденсаторе Uc после подачи питания изменяется по экспоненциальной зависимости
Если использовать начальный участок экспоненты, получается приблизительно линейное изменение Uc. Когда достигается напряжение U1 зажигания неоновой лампы или другого газоразрядного прибора Л с неоднозначной характеристикой, происходят включение лампы и быстрый разряд конденсатора через нее:
Внутреннее сопротивление лампы Rл должно быть во много раз меньше зарядного сопротивления R, чтобы разряд конденсатора происходил значительно быстрее заряда. Разряд продолжается до достижения напряжения U2 погасания лампы. За тем процесс повторяется. Если U1<0,3Uп, то отличие экспоненты от прямой линии невелико.
Длительность рабочего хода в рассмотренном генераторе пилообразного напряжения определяется параметрами схемы. Он работает в автоколебательном режиме. Если запуск его осуществлять по определенному сигналу, то получится ждущий режим. Многие генераторы не сами производят пилообразное напряжение, а формируют его из прямоугольных сигналов, подаваемых на вход схемы. Их называют формирователями.
Рис. 7. Простейший генератор пилообразного напряжения:
а — схема; б диаграмма напряжений
Рис. 8. Трехразрядный счетчик импульсов
Счетчики импульсов. Суммирование, вычитание, деление и запоминание числа импульсов осуществляют счетчики импульсов. Основным элементом счетчика является триггер. Количество триггеров определяет число разрядов счетчика. Простейший счетчик строится на базе триггера, имеющего счетный и установочный входы. Триггеры соединяются между собой дифференцирующей цепочкой, обеспечивающей формирование импульса нужной полярности. Установочный вход используется для приведения триггеров в исходное состояние после включения счетчика. При подаче импульсов на вход Т счетчика происходит поочередное изменение состояния триггеров. Каждому состоянию соответствует определенный номер импульса в двоичном коде. При восьмом импульсе в трехразрядном счетчике устанавливается исходное состояние. Последующие импульсы вызывают аналогичные переключения триггеров. Такой счетчик помимо суммирования импульсов от 0 до 7 осуществляет их деление на 8.
Для построения вычитающего счетчика установочный сигнал додают на входы S, поэтому в исходном состоянии все прямые выходы триггеров имеют сигнал 1. К дифференцирующим цепочкам подключаются не прямые, а инвертированные выходы триггеров. По мере поступления входных импульсов записанное в двоичном коде число уменьшается.
Преобразователи сигналов. Они делятся на аналого-цифровые и цифроаналоговые. Первые преобразуют аналоговые (непрерывные) сигналы в дискретные, а вторые, наоборот, дискретные в аналоговые. По принципу работы различают аналого-цифровые преобразователи: последовательного счета; поразрядного кодирования; непосредственного отсчета. В системах управления наибольшее распространение получили аналого-цифровые преобразователи последовательного счета с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал. Такие преобразователи строятся на базе бесконтактных модулей.
Преобразуемое напряжение U1 поступает на один вход нуль-органа НО. На другой его вход поступает линейно изменяющееся напряжение Uл от генератора пилообразного напряжения ГПН. При наличии положительной разности U1-Uл > 0 с выхода НО поступает сигнал на ключ К. Работой преобразователя управляет генератор тактовых сигналов ГТС. В начале каждого такта счетчик Сч переводится в исходное достояние, запускается ГПН и открывается ключ К. Через открытый ключ импульсы от генератора стабильной частоты ГСЧ поступают на-счетчик. В момент, когда напряжения U1 и Uл сравняются, нуль-орган запирает ключ, и подача импульсов на счетчик прекращается.
В качестве нуль-органа может применяться дифференциальный усилитель, триггер Шмитта, ждущий мультивибратор и другие устройства. Точность работы преобразователя зависит в основном от линейности пилообразцого сигнала и напряжения срабатывания нуль-органа.
Рис. 9. АЦП с преобразованием напряжений во временной интервал:
а — блок-схема; б — диаграмма сигналов
В-связи с тенденцией к переработке и представлению информации в цифровом виде цифро-аналоговые преобразователи применяют реже, чем аналого-цифровые. Устройство цифро-аналоговых преобразователей несколько проще.
Используемая литература: Ейдвюс А. И. Системы и средства автоматизации судовых
холодильных установок. М.: Легкая и пищевая пром-сть,
1983.— с.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com