Министерство образования Российской Федерации
Петрозаводский Государственный Университет им.Куусенена
Кафедра “Механизациисельского хозяйства”
Курс “Автоматизация ”
Реферат по теме:
“Исполнительные и логические устройства ”
Выполнил: студент гр. 43204
Ковалевский В.Н.
Руководитель: преподаватель
Кондрашов В.Ф.
Петрозаводск
2006 г.Содержание
TOC o «1-2» h z Содержание… PAGEREF _Toc131603615 h 2
Введение.PAGEREF _Toc131603616 h 3
Параметрылогических интегральных микросхем.PAGEREF _Toc131603617 h 4
Диодно-транзисторнаялогика.PAGEREF _Toc131603618 h 4
Транзисторно-транзисторныелогические элементы.PAGEREF _Toc131603619 h 6
Базовыелогические элементы эмиторно-связной логики.PAGEREF _Toc131603620 h 10
ПРИНЦИПДЕЙСТВИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ БЛЭ ЭСЛ.PAGEREF _Toc131603621 h 12
СхемотехникаБЛЭКМОП-типа.PAGEREF _Toc131603622 h 14
БЛЭИнтегрально-инжекционной логики.PAGEREF _Toc131603623 h 16
Исполнительныеустройства.PAGEREF _Toc131603624 h 18
Списокиспользуемой литературы… PAGEREF_Toc131603625 h 20Введение.
Автоматика,отрасль науки и техники, охватывающая теорию ипринципы построения систем управления, действующих без непосредственногоучастия человека; в узком смысле — совокупность методов и технических средств,исключающих участие человека при выполнении операций конкретного процесса. Каксамостоятельная область техники автоматизация получила признание на 2-й Мировойэнергетической конференции (Берлин, 1930), где была создана секция по вопросамавтоматического и телемеханического управления. В СССР термин «Автоматизация» получил распространение в начале 30-х гг.
Автоматизации как наукавозникла на базе теории автоматического регулирования, основы которой былизаложены в работах Дж. К. Максвелла (1868), И. А. Вышнеградского (1872-1878),А. Стодолы (1899) и др.; в самостоятельную научно-техническую дисциплинуокончательно оформилась к 1940. История автоматизации как отрасли техники тесносвязана с развитием автоматов, автоматических устройств и автоматизированныхкомплексов. В стадии становления автоматизации опиралась на теоретическуюмеханику и теорию электрических цепей и систем и решала задачи, связанные срегулированием давления в паровых котлах, хода поршня паровых и частотывращения электрических машин, управления работой станков-автоматов, АТС,устройствами релейной защиты. Соответственно и технические средства автоматизациив этот период разрабатывались и использовались применительно к системамавтоматического регулирования. Интенсивное развитие всех отраслей науки итехники в конце первой половины 20 века вызвало быстрый рост техникиавтоматического управления, применение которой становится всеобщим.
Вторая половина 20 векаознаменовалась дальнейшим совершенствованием технических средств автоматизациии широким, хотя и неравномерным для разных отраслей народного хозяйства,распространением автоматических управляющих устройств с переходом к болеесложным автоматическим системам, в частности в промышленности — отавтоматизации отдельных агрегатов к комплексной автоматизации цехов и заводов.
Существенной чертой являетсяиспользование автоматизации на объектах, территориально расположенных набольших расстояниях друг от друга, например крупные промышленные иэнергетические комплексы, системы управления космическими летательнымиаппаратами и т. д. Для связи между отдельными устройствами в таких системахприменяются средства телемеханики, которые совместно с устройствами управленияи управляемыми объектами образуют телеавтоматические системы. Большое значениепри этом приобретают технические (в т. ч. телемеханические) средства сбора иавтоматической обработки информации, т. к. многие задачи в сложных системахавтоматического управления могут быть решены только с помощью вычислительнойтехники. Наконец, теория автоматического регулирования уступает местообобщённой теории автоматического управления, объединяющей все теоретическиеаспекты автоматизации и составляющей основу общей теории управления.
В большинстве современныхЭВМ и цифровых устройствах различного назначения обработка информациипроисходит с помощью двоичного кода, когда информационные сигналы могут приниматьтолько два значения: 1 и 0. Операции по обработке двоичной информации выполняютлогические элементы.
Используя набор логическихэлементов, выполняющие элементарные логические операции И, ИЛИ, НЕ, можнореализовать в двоичном коде любую сложную логическую функцию.Параметры логическихинтегральных микросхем.
1 Входное U1вхи выходное U1выхнапряжениелогической единицы – значение высокого уровня напряжения на входе и выходемикросхемы;
2 Входное U0вхи выходное U0выхнапряжениелогического нуля – значение низкого уровня напряжения на входе и выходемикросхемы;
3 Входной I1вхи выходной I1выхтокилогической единицы, входной I0вхи выходной I0выхтоки логического нуля;
4 Логический периодсигнала Uпор вх– напряжениена входе, при котором состояние микросхемы изменяется на противоположное;
5 Входноесопротивление логической ИМС– отношение приращения входного напряжения к приращению входного тока(различают R0вхи R1вх), выходное сопротивление – отношение приращениявыходного напряжения к приращения выходного тока (различают R0выхи R1вых);
6 Статическаяпомехоустойчивость – максимально допустимое напряжение статической помехи повысокому U1поми низкому U0помуровням входного напряжения, при котором еще непроисходят изменения уровня выходного напряжения микросхемы;
7 Среднепотребляемая мощность Pпотр ср= (P0потр+ Р1потр)/2, где P0потри Р1потр– мощности, потребляемые микросхемой в состоянии соответственно логическогонуля и единицы на выходе;
8 Коэффициентобъединения по входу Коб, показывающий, какое число аналогичныхлогических ИМС можно подключить к входу данной схемы, и определяющиймаксимальное число входов логической ИМС;
Коэффициент разветвления по входу Кразв, показывающий какоеколичество аналогичных нагрузочных микросхем можно подключить к выходу даннойИМС, и характеризующий нагрузочную способность логической ИМС.Классическиевиды логических элементов.
Наиболее распространенный тип интегральных микросхемы – аналоговые. Ихассортимент необычайно широк и разнообразен, но основное поле деятельности взвуковой технике (усилители и т.д.), поскольку они оперируют сигналами, уровенькоторых может меняться плавно, непрерывно, приобретая в процессе этих измененийбессчётное множество разных значений.
Дискретные (цифровые) применяются в компьютерныхобластях, там где нужны быстрые и чёткие сигналы.
Диодно-транзисторнаялогика.
Одним из первых семейств цифровой логики мы рассмотримдиодно-транзисторную логику. Основная схема ДТЛ приведена в соответствии срисунком 1а. Если отбросит часть схемы, изображенную пунктиром, схемапревращается в инвертор, и по ней можно построить передаточную характеристику Uxот Ua.Если напряжение на входе А равно 0, то диод VD1смещен впрямом направлении и напряжение U1равно +0,6 В. Эта величина недостаточна дляоткрывания диодов VD2и VD3и перехода база-эмиттер транзистора VТ1. Поэтому ток i1течетчерез диод VD1, источник напряжения Uaи на землю. Транзистор VТ1 закрыт, при этом Ux= +5 В. Если Uaувеличивается, то U1такжерастет до тех пор, пор пока не достигнет 1,2 В. При этом U1= 1,8 В.В этот момент VD2, VD2, VТ1открываются и ток i1течет через транзистор VТ1 и переводит его в насыщение. Дальнейшееувеличение напряжение Uaзапирает диод VD1. но не может повлиять на величину U1илисостояние транзистора VТ1. Это относительно резкое изменениевеличины напряжение Uxот +0,5 В довеличены на насыщенном транзисторе Uкэнасприведено, в соответствии срисунком 1б. Из графика видно, что интервалы напряжений, соответствующиелогическим состояниям 0 и 1, примерно равны
0≤U0≤1.2B
1.5≤U1≤5В
Практически U0обычноменьше 0,4 В, а U1очень близко к 5 В, что обеспечивает хороший шумовойзапас по постоянному току.
Если на вход поданонапряжение, соответствующее логической 1, то диод VD1смещен вобратном направлении и, следовательно, потребляет минимальную мощность с выходапредыдущей схемы. Однако если на входе поддерживается напряжение логического 0,то ток i1должентечь из входной клеммы элемента через насыщенный транзистор на землю. Этосоответствует одной единичной нагрузке. Если к одному выходу подсоединено nвходов, то насыщенный транзистор должен пропускатьток, в nраз больше чем i1. Если nувеличивается, то будет расти и напряжение Ua, что эквивалентно увеличению напряжения выходноготранзистора. Этот эффект приведен в соответствии с рисунком 1б, гдепередаточная характеристика изображена для случая одной выходной единичнойнагрузки и для случая восьми единичных нагрузок (максимально допустимое количестводля базового элемента ДТЛ).
Если к схеме, в соответствиис рисунком 1а, добавить второй диод для получения входа Ub, то напряжение Uxбудет соответствовать логической 1, если хотя бы одиниз входов будет в состоянии логического нуля. Логический нуль на выходе можнополучить только в том случае, если на обоих входах присутствует напряжениелогической единице, т.е. логическая операция выполняемая данной схемой имеетвид:
Х =
Что соответствуетоперации НЕ-И. Добавлением дополнительных диодов для расширения объема входачисло входов в базовом элементе ДТЛ НЕ-И может доведено до 20.
Если выходы двух (и более)ДТЛ элементов НЕ-И соединены вместе, результирующая схема осуществляет операциюИ на выходов элементов НЕ-И. Из схемы видно, что если хотя бы на одном из двухвыходов присутствует напряжение логического нуля, то общий выход находится всостоянии логического нуля. Если оба выхода элемента НЕ-И в состояниилогической 1, то на выходе – тоже логическая единица. Такое соединение называетсяпроводным И. Выходная нагрузочная способность такой схемы должна быть уменьшенана одну единичную нагрузку для каждого дополнительного выхода проводномсоединении, так как следует учитывать возможность шунтирования общего выходаколлекторными сопротивлениями транзисторов, выходные напряжения которыхсоответствуют логической единицы.
Задержка передачи длятипичного элемента ДТЛ составляет 30 нс. Это сравнительно большая величена, вомногих случаях оказывается вполне приемлемой.
Семейство диодно-транзисторнойлогики содержит элементы И, ИЛИ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Это семействоудобно для конструктора, так как имеет большой набор различных элементов.Большинство схем содержит несколько незадействованных входных клемм, которыерекомендуется соединять с положительным полюсом источника питания илизаземлять. Это увеличивает помехозащищенность и уменьшает время задержкипередачи.Транзисторно-транзисторные логическиеэлементы.
Простейший базовыйэлемент ТТЛ, в соответствии с рисунком 2а, за счет использованиямногоэмиттерного транзистора, объединяющего свойства диода и транзисторного усилителя, позволяет увеличитьбыстродействие, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологиюизготовления микросхемы.
Базовый элемент ТТЛ также выполняет логическую операцию И-НЕ. Принизком уровне сигнала (логический 0) хотя бы на одном из выходовмногоэмиттерного транзистора VT1последний находится в состоянии насыщения, а VT2закрыт.На выходе схемы существует высокий уровень напряжения (логическая единица). Привысоком уровне сигнала на всех входах VT1работает в активном инверсном режиме, а VT2находится в состоянии насыщения. Описанный здесь базовые элемент ТТЛ, несмотряна прощеную технологию изготовления, не нашел широкого применения из-за низкойпомехоустойчивости, малой нагрузочной способностью и малого быстродействия приработе на емкостную нагрузку. Его целесообразно использовать лишь приразработке микросхем с открытым коллектором, в соответствии с рисунком 2б, длявключения внешних элементов индикации, когда не требуется высокаяпомехоустойчивость и большая нагрузочная способность.
Улучшенными параметрами посравнения с предыдущей схемой обладает базовый элемент ТТЛ, в соответствии срисунком 3. Однако объединение выходов в схеме не допустимо.
В статических режимах работысхемы, в соответствии с рисунком 3, VT4повторяет состояние VT2. Призапирании VT2база транзистора VT4черезрезистор R3подключается к “земле”, чем и обеспечивается закрытоесостояние VT4.
Если VT2насыщен,то через базуVT4протекает ток:
Iб4= Iэ2– IR3= [(Eк — Uкэн2– Uбэ4)/a2·R2] – (Uбэ4/R3)
Для транзисторов,выполненных по интегральной технологии, обычно принимают Uкэн = 0,2В, Uбэ= 0,8В.
Для обеспечения режиманасыщения VT4при закрытых транзисторе VT3и диоде VDнеобходимо выполнить условие:
Iб4·В4 ≥ Iкн= n·I0вх нагр
Где: n– число нагрузочных ТТЛ-схем, подключенных к выходурассматриваемой схемы;
I0вх нагр–входной ток нагрузочной ТТЛ-схемы.
Положив в данное выражениезнак равенства, можно определить нагрузочную способность данной схемы, т.е.максимальное число нагрузочных схем, при котором транзистор VT4ещеработает в режиме насыщения:
nmaz= Iб4·В4/ I0вхнагр
Состояние VT3 в статических режимах работы схемы, всоответствии с рисунком 3, всегда противоположно состояниюVT4, аследовательно, VT2. При насыщенном VT4транзистор VT3закрыт. Диод VDповышает порог отпирания VT3,обеспечивая его закрытое состояние при насыщенном транзисторе VT4.Действительно:
Uбэ3= Uкэн2+ Uбэ4– Uкэн4– Uд≈ Uбэ4 — Uд
Так как типичны значения: Uбэ4= 0,8В; Uд= 0,7В; Uпор=0,6В.
Помехоустойчивость ТТЛ-схемпо высокому и низкому уровням входного напряжения различны, т.е. U0пом≠ U1пом.
ТТЛ-схема болеечувствительна к помехе U0пом,которая накладывается на сигнал U0вхивызывает ложное переключение схемы (U0пом
U0вх+ U0пом+ Uкэн1≤ 2Uпор
Откуда найдем:
U0пом≤ 2Uпор — U0вх — Uкэн1
Приняв U0вх= 0,2 В; Uпор= 0,6 В; Uкэн= 0,2 В, получим U0пом≤ 0,6 В
При определении U1помсхема считаются переключенной, если открываетсязакрытый переход база – эмиттер многоэмиттерного транзистора VT1. Врежиме логическое единицы на входепотенциал базы транзистора VT1относительно “земли” равен сумме напряжений наоткрытых переходах база-коллектор VT1и база-эмиттер VT2и VT4, т.е. Uб1= Uбк1+ Uбэ2+ Uбэ4= 2,14В. Тогда напряжение на закрытом переходе база-эмиттер VT1: Uбэ1 = Uб1– U1вх. Принимая U1вх= 3,6В, будем иметь Uбэ1 = -1,2 В.
Напряжение помехи, при которомтранзистор VT1можно считать открытым, U1пом= Uбэ1– Uпор= -1,2 –0,6 = -1,8 В.
Помехоустойчивость ТТЛ-схемысо сложным инвертором по логическому нулю выше, а по логической единице, чемТТЛ-схемы, в соответствии с рисунком 2а.
Быстродействие ТТЛ-схемопределяется в основном переходными процессами при переключении транзисторов, атакже зарядом паразитной нагрузочной емкости Сн, котораяпредставляет собой суммарную емкость нагрузочных ТТЛ-схем. В схеме, всоответствии с рисунком 2а, заряд емкости Сн происходит с большойпостоянной времени через коллекторный резистор R2, чтоухудшает быстродействие схемы.
В ТТЛ-схеме со сложным инвертором постоянная заряда нагрузочнойемкости существенно уменьшается, так как емкость Сн заряжается черезвыходное сопротивление Rвых 3
Схема базового элемента сосложным инвертором лежит в основе разработок большинства серий интегральныхмикросхем ТТЛ. Для расширения функциональных возможностей элементапромышленностью выпускают так называемые расширители по ИЛИ, в соответствии срисунком 4а, которые представляют собой часть структуры ТТЛ и подключаются кточкам а и б элемента, в соответствии с рисунком 2. Полученная при этомлогическая схема, в соответствии с рисунком 4б, реализует функцию И-ИЛИ-НЕ. Навыходе схемы устанавливается логический нуль, если на всех выходах VT1поступают сигналы, соответствующие логической единице. При всех остальныхкомбинациях сигналов на выходах схемы выходное напряжение соответствуетлогической единице.
Повысить быстродействиеТТЛ-схем можно, применив в схеме базового элемента, в соответствии с рисунком3, вместо обычных транзисторов транзисторы Шотки, работающие в активном режиме. Тем самым сокращаетсявремя переключения транзисторов схемы за счет исключения времени рассасыванияносителей заряда в базе транзистора при их запирании. Логические ИМС, выполненные на базе транзисторов Шотки, называютсямикросхемами ТТЛШ.
Недостатком ТТЛ-схемявляется сильная генерация токовых помех по цепи питания, обусловленных броском тока черезсложный инвертор при переключении схемы из состояния логического нуля в единицу.После запирания VT2транзистор VT3откроется раньше, чем закроется насыщенный транзисторVT4, так какдля выхода VT4из режима насыщения потребуется некоторое время длярассасывания неосновных носителей в базе. В результате в течении некоторогопромежутка времени оба транзистора VT3и VT4открыты и по цепи, состоящей из элементов Ек,VT3, VDи VT4, протекает ток, значение которого определяетсяэмитторным током VT3, находящегося в активном режиме:
Iпом max= Iэ3= Iб3· В + Iб3= Iб3 (В+1)
Так как базовый токтранзистор равен:
То:
Iпомmax=
Для устранения влияниятоковых помех, генерируемых данной микросхемой, на работу соседних микросхемрекомендуется включать высокочастотные блокировочные конденсаторы между шинойпитания и землей.
ЭлементИ – НЕ с открытым коллекторомпредназначен для согласования логических схем с внешними исполнительными ииндикаторными устройствами, например светодиодными индикаторами, лампочкинакаливания, обмотки реле и т.д. Его отличие от ранее рассмотренногозаключается в выполнении выходного усилителя мощности по однотактной схеме безсобственного резистора. Принципиальная электрическая схема такого элементаприведена в соответствии с рисунком 5.
В данном элементе такжеотсутствует цепь нелинейной коррекции. Это связано с тем, что элемент ставитсяна выходе логического устройства и к нему в меньшей степени предъявляютсятребования квантования сигнала. Обычно выходной транзистор VT3схемывыполняется с большими допустимыми значениями коллекторного тока и напряжением,чем обычный элемент.
В отличии от стандартных,элементы ТТЛ с открытым коллектором допускают параллельное включение выходныхвыводов. При этом относительно выходных сигналов каждого элемента реализуется логическаяоперация И: Uвых= Uвых 1Uвых 2… Uвых n
Это позволяет решить двезадачи:
1. Упростить схему проектируемого устройства за счетисключения дополнительных элементов, реализующих операцию И;
2. Обеспечить работу нескольких выходов на общую шину,т.е. реализовать режим работы с разделением информации по времени.Базовые логические элементыэмиторно-связной логики.
Причиной появления БЛЭЭСЛ явилось желание повысить быстродействие цифровых устройств. Это желаниепривело к использованию в них совершенно отличного от ТТЛ схемотехническогорешения. Как было показано выше, основными причинами инерционности ключей,выполненных на биполярных транзисторах, являются время рассасывания неосновныхносителей из его базовой области и постоянная времени перезарядки выходнойемкости. Если время рассасывания транзистора при работе последнего в активнойобласти может быть полностью исключено, то от влияния постоянной времениперезаряда выходной емкости транзистора полностью избавиться не представляетсявозможным. Это влияние можно лишь уменьшить путем увеличения коллекторного токатранзистора, как это было сделано в БЛЭ ТТЛ серии 513. При неизменном постоянном токе перезарядка выходной емкоститранзистора, длительность его перехода из состояния, классифицируемого каклогического 0, в состояние, классифицируемого как логической 1 и обратно можетбыть уменьшено только за счет уменьшения логического перепада. Такое решениепозволяет повысить быстродействие. Однако дается оно за счет сниженияпомехоустойчивости БЛЭ, что требует создания схем при прочих равных условияхменее подверженных действию помех. Этот принцип и использован при построенииБЛЭ ЭСЛ.
Основой БЛЭ ЭСЛ являетсятоковый ключ, выполненный на двух транзисторах, в соответствии с рисунком 6. Набазу одного из них, например VT2, подано некоторое постоянное опорное напряжение Uоп.Изменение напряжения подаваемого на вход х0ниже или выше Uопприводитк перераспределению постоянного тока Iэ, заданного токостабилизирующим резистором Rэ, междутранзисторами VT1и VT2. При этом транзисторы не попадают в режим насыщенияи, следовательно, в ключе принципиально отсутствует интервал рассасывания ихнеосновных носителей. Таким образом, особенностью БЛЭ ЭСЛ является постоянствопотребляемого тока независимо от выходного сигнала ключа.
Эта особенность выгодноотличает БЛЭ ЭСЛ от БЛЭ ТТЛ, в котором момент переключения ток, потребляемыйэлементом, резко возрастет, создавая внутренние помехи, ухудшающиепомехозащищенность цифрового устройства.
Не трудно заметить, чтообщей шиной является шина +Uп, в результате чего потенциалы точек схемыотрицательны относительно общей шины. Однако в схеме токового ключа так же, каки в схемах ТТЛ, реализован принцип положительной логики, при котором большемувыходному напряжению соответствует сигнал логической 1, а меньшему – сигналлогического 0.
Быстродействие такого ключавесьма велико, так как, во-первых, транзисторы принципиально не заходят вобласть насыщения, и, во-вторых, мал логический перепад напряжений междузначениями логического нуля и логической единицы. Последнее реализовано выбороммалых сопротивлений резисторов Rк1и Rк2схемы, что крайне полезно с точки зрения уменьшенияпостоянной времени перезаряда выходной емкости транзистора.
С токового ключа снимаютсяодновременно два сигнала – прямой и инверсный, связанные с сигналом х0на входе схемы соотношениями:
y1= x0
y0=
Следует отметить, чтосхемотехнически токовый ключ, в соответствии с рисунком 6, повторяет схемудифференциального усилителя постоянного тока.
Выходное напряжение,снимаемое с выходов y1 и у0всегда больше Uоп, таккак транзисторы VT1и VT2всегда работают в ненасыщенном режиме. Поэтомунепосредственное последовательное включение нескольких таких ключей невозможно.Для этого необходим согласующий каскад. В качестве такого согласующего каскадаиспользуются схемы эммитерных повторителей включенных между выходами токовогоключа и выходами элемента.
Полная схема БЛЭ,выполненного на основе токового ключа, приведена в соответствии с рисунком 7.Базовый элемент получен путем замены входного транзистора VT1токовогоключа группой параллельно включе6нных транзисторов VT1– VTn.
Функционально схему БЛЭможно разбить на три узла:
1. Токовый ключ на транзисторах VT1– VTn+1ирезисторе Rn+2;
2. Источник эталонного напряжения, включающийпараметрический стабилизатор на элементах Rn+4, VD1,VD2, Rn+5иэммиторный повторитель на VTn+2 и Rn+3;