Автоматики

§ 12. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В современных системах автоматики для управления исполни­тельными механизмами требуется мощность, во много раз превы­шающая выходную мощность сигнала датчика. Для усиления этих сигналов применяют различные типы усилителей.

Усилители — это промежуточные элементы автоматики, увеличивающие передаваемую мощность за счет энергии посторон­него источника. Процесс усиления заключается в том, что энергия от маломощного источника управляет энергией другого, более мощ­ного источника, воздействующего на основной рабочий процесс. В зависимости от вида управляемой энергии усилители класси­фицируют как электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Основными показателями, характеризую­щими работу любого усилителя, являются коэффициент усиления, мощность на Входе и на выходе, искажения, вносимые усилителем, КПД и др. Коэффициент усиления представляет собой отношение изменения выходной величины к соответствующему изменению входной величины усилителя.

Идеальным усилителем является устройство, в котором харак­тер изменения выходной величины строго соответствует характеру изменения входной величины. Однако вследствие инерционности усилителя, нелинейности его характеристик форма выходного сиг­нала может отличаться от формы входного сигнала. Эти искажения формы называют искажениями, вносимыми реальным усилителем. Коэффициент полезного действия усилителя равен отношению полезной мощности выходного сигнала, развиваемого на нагрузке, к мощности, потребляемой от источника питания.

Электрические усилители. В качестве усилительных элементов в электронных усилителях используют электронные лампы и транзисторы. Электронные усилители характеризуются высо­кими коэффициентами усиления и входным сопротивлением, срав­нительно небольшими габаритами, простотой настройки и постоян­ными характеристиками.

Работу электронного усилителя удобнее рассматривать на од­ном каскаде усиления, поясняя ее потенциально-временными диа­граммами.

Во входной цепи усилителя с электронной лампой (рис. 22, а) последовательно включены постоянное смещение U_{g 0} и изменяю­щийся входной сигнал U_BX. При U_BX = 0 потенциал управляющей сетки постоянен и равен U_{g 0}. Ток I _{а 0} анодной цепи создает паде-

ние напряжения на сопротивлений нагрузки поэ-

тому анодное напряжение равно

При подаче на вход усилителя переменного напряжения U_BX потенциал управляющей сетки изменяется. В первый, положи-

Рис. 22. Электронные усилители: на электронной лампе (а), его характери­стики (б); на транзисторе (в), его характеристики (г)

тельный, полупериод отрицательное смещение сетки уменьшается, анодный ток возрастает, что приводит к росту U’_a0. При этом на­пряжение на аноде U_a0 соответственно уменьшается. Во второй, отрицательный, полупериод входного сигнала анодный ток и па­дение напряжения на сопротивлении R_a уменьшается и анодное напряжение возрастет (рис. 22, б).

Таким образом, изменяющийся сигнал, приложенный между сеткой и катодом лампы, вызывает появление переменной состав­ляющей анодного тока и падение напряжения, причем амплитуда переменной составляющей значительно больше амплитуды вход-

ного сигнала. В этом и заключается эффект усиления в ламповом усилителе.

Аналогично происходит усиление входного сигнала в усилителе с транзистором (рис. 22, в), потенциально-временные диа­граммы которого приведены на рис. 22, г.

При U_BX = 0 напряжение между базой и эмиттером постоянно и равно напряжению смещения U_CM. Это напряжение вызывает ток базы I _{б 0}, который может быть просто определен по входным характеристикам транзистора I _б = f (U _б.э). Постоянный ток базы и определяет рабочий ток I _{k 0}, который вызывает падение напряже­ния на сопротивлении нагрузки U _{k 0} = I _{k 0} R_K.

При подаче на вход усилителя переменного напряжения U_BX напряжение между базой и эмиттером изменится. В первый поло­жительный полупериод отрицательное смещение уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы транзистора. Соответственно уменьшается ток коллектора и напряжение на нагрузке. Во второй отрицательный полупериод входного сигнала токи базы и коллек­тора возрастут, что приведет к увеличению напряжения на сопро­тивлении нагрузки.

Таким образом, изменяющийся входной сигнал вызывает по­явление переменной составляющей коллекторного тока транзи­стора и напряжения нагрузки, причем амплитуда переменной со­ставляющей значительно больше амплитуды входного сигнала. В этом и заключается эффект усиления.

Рассмотренные однокаскадные электронные усилители обла­дают ограниченным коэффициентом усиления. Для получения большего коэффициента усиления несколько таких усилителей по­следовательно соединяют. Общий коэффициент усиления такого многокаскадного усилителя определяется произведением коэффи­циентов усиления отдельных каскадов усиления.

Принцип действия магнитного усилителя основан на изменении индуктивного сопротивления катушки со стальным сер­дечником при дополнительном его подмагничивании. Эти усили­тели применяют для предварительного усиления слабых сигналов, для суммирования и сравнения нескольких сигналов, управления следящими приводами с помощью исполнительных механизмов.

В простейшем виде магнитный усилитель представляет собой переменную индуктивность (рис. 23, а). На управляющую обмотку I подается сигнал U₌, подлежащий усилению. Обмотка II, назы­ваемая рабочей, подключается к источнику напряжения перемен­ного тока через сопротивление нагрузки Z_H, которое при отсутствии сигнала управления в несколько раз меньше индуктивного сопро­тивления рабочей обмотки.

Если рабочую обмотку с малым активным сопротивлением под­ключить к источнику синусоидального напряжения, то почти все подаваемое напряжение будет приложено к индуктивному сопротивлению обмотки. Оно будет уравновешиваться возникаю­щей в обмотке II ЭДС самоиндукции е = U_msin t. Согласно за-

отсюда величина магнитной индукции равна

_Кону электромагнитной индукции, эта ЭДС пропорциональна ско­рости изменения магнитного потока Ф_II — BS в сердечнике и числу витков в обмотке W_II, т. е.

где S — сечение сердечника; В_т = U_т/(W_IIS) — амплитуда пе­ременной составляющей магнитной индукции; В_о — постоянная интегрирования, определяемая начальным состоянием сердеч­ника.

Из уравнения (1) следует, что амплитуда магнитной индукции В_т не зависит от магнитных свойств сердечника, а следовательно, и величины постоянного подмагничивания и однозначно опреде­ляется амплитудой приложенного к обмотке переменного напря­жения.

В то же время величина напряженности магнитного поля, а следо­вательно, и тока в рабочей обмотке существенно зависит от вели­чины подмагничивания сердечника постоянным током. В магнит­ных усилителях применяют сердечники из магнитомягких мате­риалов, имеющих очень узкую петлю гистерезиса, что позволяет заменить ее средней кривой намагничивания.

Если подмагничивание отсутствует, т. е. В_о = 0, то при маг­нитной индукции В_т напряженность магнитного поля будет равна Н_т (рис. 23, б). При подмагничивании сердечника, т. е. В_о 0,

начальная точка О сдвигается на нелинейный участок кривой на­магничивания О'. Как видно из графических построений функции Н = f (В_т), при одинаковой величине амплитуды магнитной ин­дукции В_т амплитуда напряженности Н_т резко увеличивается, а величина абсолютной магнитной проницаемости материала сер­дечника _а падает:

_а= ₀

где — относительная магнитная проницаемость; ₀= 4 10^-7— магнитная постоянная, характеризующая магнитное поле в ва­кууме.

Индуктивность рабочей обмотки магнитного усилителя изме­няется пропорционально магнитной проницаемости

где l — длина средней линии магнитопровода.

Итак, при увеличении подмагничивания уменьшаются абсолют­ная магнитная проницаемость _а, а следовательно, и индуктив­ность рабочей обмотки L_II. Ток в нагрузке Z_H с увеличением под­магничйвания будет возрастать в соответствии с уравнением

где R _н и Х _н— соответственно активное и реактивное соппотивгтр
ния нагрузки; R_II и L _II _ соответственно активное и реактивное

сопротивления рабочей обмотки усилителя; — частота питающего напряжения.
К преимуществам магнитных усилителей относятся- простота
конструкции, отсутствие вращающихся частей, высокая надеж-
ность, нечувствительность к перегрузкам, вибрациям и т д.
Коэффициент усиления по мощности у магнитных усилителей в
зависимости от частоты переменного тока, типа сердечника наличия
обратных связей и других факторов находится в пределах от 50
до 20 000. Недостатком магнитных усилителей, ограничивающим
их применение, является большая инерционность.
Электромашинные усилители служат для усиленна
электрической энергии и применяются тогда, когда требуется по
лучить значительную мощность постоянного тока, которую трудно
обеспечить другими типами усилителей (электронными магнит-
ными и др.). Обычно электромашинные усилители служат для пи'
тания исполнительных двигателей постоянного тока скорость
которых должна регулироваться плавно.

В электромашинных усилителях используется энергия вспомо- гательного двигателя, который вращает вал электрического гене- ратора. Простейшим электромашинным усилителем является обычный агрегат, состоящий из двигателя и генератора постоянного тока с независимым возбуждением. Управление напряжением генератора осуществляется путем изменения тока в обмотке возбуж-

пения. Входная мощность, потребляемая цепью возбуждения, в хо­роших усилителях составляет малую величину по сравнению с мощностью, развиваемой на выходе генератора.

Кроме такого простейшего усилителя с коэффициентом усиле­ния порядка 10 1000, в автоматике широко применяют более совершенные агрегаты — электромашинные усилители с попереч­ным полем. Коэффициент усиления такого усилителя колеблется в пределах от нескольких сотен до 10 000.

Упрощенная схема электромашинного усилителя с поперечным магнитным полем приведена на рис. 23, в. Магнитная система ге­нератора отличается от обычной увеличенной шириной полюсов, а схема включения якоря — наличием двух пар щеток, располо­женных перпендикулярно, вместо одной пары щеток в обычных усилителях. На полюсах намотаны обмотка управления W_y и ком­пенсационная обмотка W_K. Обе обмотки укладываются в пазах полюсных наконечников, чем достигается более точная компенса­ция потока реакции якоря.

Под действием тока /_у, который протекает по управляющей обмотке W _y, в продольной оси создается магнитный поток Ф _у. При вращении якоря в продольном магнитном поле Ф _у в поперечной цепи якоря наводится ЭДС Е_о. Поперечная пара щеток Щ1 — Щ2 замкнута накоротко так, что даже небольшая ЭДС Е_о вызывает появление в поперечной цепи якоря значительного тока I _я. В ре­зультате по обмотке якоря протекает ток I _я, которым создается магнитный поток реакции якоря Ф _я, направленный перпендику­лярно потоку управления Ф _у. Благодаря большой величине тока в короткозамкнутой обмотке якоря и соответствующей конструк­ции полюсов генератора этот поток может иметь большую величину, чем в обычном генераторе постоянного тока. В продольной цепи якоря, вращающегося в созданном им самим поперечном магнит­ном поле, наводится ЭДС продольной цепи, снимаемая с щеток ЩЗ — Щ4 на нагрузку.

Ток нагрузки I _н, протекая по обмотке якоря, вызывает появле­ние своего потока реакции Ф _н, направленного навстречу потоку управления Ф _у. Чтобы поток реакции Ф _н не уменьшил поток уп­равления Ф _у, на полюсах генератора усилителя уложена компенса­ционная обмотка W_K. По этой обмотке протекает ток нагрузки /_н и создает поток, который компенсирует Ф _н.

Гидравлические и пневматические усилители. Такие усилители содержат обычно два основных элемента: управляющий и исполни­тельный. Управляющий элемент представляет собой дроссель пе­ременного сечения, выполненный в виде золотника, струйной трубки или сопла с подвижной заслонкой. Исполнительный элемент уси­лителя — поршень, перемещаемый в цилиндре, или мембрана, связанные с помощью штоков с другими частями системы управ­ления.

Под действием маломощного входного сигнала в усилителях

этого типа происходит перемещение управляющего элемента (на-

фимер, золотника), что изменяет проходное сечение канала,

по которому движется рабочая жидкость или газ в напорной ма­гистрали к исполнительному элементу усилителя. Вследствие этого изменяется давление в рабочей полости исполнительного элемента и перемещается шток.

Усилие на штоке определяется давлением в рабочей полости, площадью поршня или мембраны и может быть достаточно большим. Коэффициент усиления по мощности в усилителях этого типа мо­жет доходить до 100 000.

На рис. 24, а показан усилитель с золотниковым управ­ляющим элементом. Рабочая жидкость под давлением Р₁ посту­пает в управляющий золотник через трубку 1. Трубки 2 сообщаются

V

Рис. 24. Усилители: с золотником (а); со струйной трубкой (б), сопло-за­слонка (в)

с внешней средой, и через них происходит слив рабочей жидкости. При нейтральном положении золотника окна 4 перекрыты и давление жидкости в верхней и нижней камерах цилиндра одина­ковое. Если золотник 3 переместится вверх, то верхнее окно 4 приоткроется и в верхнюю камеру цилиндра 5 начнет поступать жидкость, подводимая к золотнику под давлением Р₁. В это же время нижнее окно 4 окажется приоткрытым для слива жидкости из нижней части цилиндра. В результате этого давление в верхней и нижней камерах цилиндра станет различным и на поршень ци­линдра будет действовать сила, пропорциональная разности этих давлений. То же произойдет и при перемещении золотника вниз, только в этом случае выходное усилие будет действовать в противо­положном направлении.

Входной величиной усилителя золотникового типа является перемещение золотника Х_вх, выходной — перемещение поршня Х_вых. Подобные усилители позволяют получать коэффициент уси­ления 1000 и более, а усилие на штоке — тысячи ньютонов.

Усилитель со струйной трубкой (рис. 24, б) состоит из струйной трубки, приемного устройства с двумя каналами, свя­занными с исполнительным элементом — цилиндром с поршнем. Принцип действия усилителя со струйной трубкой основан на преобразовании кинетической энергии быстродвижущейся струи жидкости (газа) в потенциальную энергию давления. Струя жид­кости выходит с большой скоростью из струйной трубки и попа­дает в приемные каналы. При симметричном расположении трубки

относительно каналов приемного устройства давление в обеих камерах исполнительного элемента одинаково. При смещении струйной трубки под действием внешнего усилия относительно оси приемного устройства давление в одной из камер возрастает, а в другой — уменьшается. В результате на поршне образуется пе­репад давления, который создает на штоке большое усилие, доста­точное для перемещения регулирующих органов.

Входной величиной в усилителе данного типа является перемеще­ние струйной трубки, а выходной — перемещение (или усилие) штока. Струйная трубка реагирует на очень небольшие перемеще­ния (несколько десятков микрометров). Коэффициент усиления такого усилителя еще выше, чем у усилителя с золотником.

Изменение давления газа или жидкости также может осущест­вляться с помощью сопла и заслонки, которые особенно часто ис­пользуют в пневматических усилителях. Схема усилителя с соплом и заслонкой приведена на рис. 24, в. В трубку 1 нагнетается воз­дух. Через дроссель постоянного сечения воздух поступает в сопло 3 и истекает в атмосферу. Междроссельное пространство 2 свя­зано каналом с исполнительным элементом (мембраной, сильфо-ном) усилителя. При перемещении заслонки 4 изменяется проход­ное сечение сопла (сопротивление истечению воздуха через сопло). В результате давление в междроссельной камере изменяется, что вызывает осевое перемещение сильфона.

В этом усилителе входной величиной является перемещение заслонки Х _вх, a выходной — перемещение штока (донышка) силь­фона Х _вых. Подобные усилители обладают большой чувствитель­ностью и коэффициентом усиления.

Недостатками гидравлических и пневматических усилителей являются: большая инерционность, ограниченность дистанцион­ного действия, необходимость специальных компрессорных или насосных установок.

§ 13. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ И ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Разнообразие задач управления предопределяет необходимость использования в системах различных классов вычислительных и логических элементов автоматики.

Все вычислительные счетно-решающие устройства разделяются на аналоговые (непрерывного действия) и цифровые (дискретного действия).

Аналоговые вычислительные устройства. В этих устройствах все математические величины, участвующие в решении задачи, представлены в некотором масштабе непрерывно изменяющимися физическими величинами: перемещениями, углами поворота, на­пряжениями, токами и др. Устройства этого типа являются физи­ческими системами (механические, электрические и др.), в которых протекают процессы, описываемые уравнениями, подобными урав­нениям задачи, подлежащей решению. Таким образом, аналого­вые вычислительные устройства являются математическими мо-

    При большом К последний член в уравнении (2) стремится к нулю. Тогда U_вых будет связано с U_BX следующей зависимостью

делями изучаемых процессов. Отсюда другое название этих уст­ройств — моделирующие.

Широкое распространение получили электронные моделирую­щие устройства. Это объясняется, с одной стороны, пригодностью одних и тех же математических уравнений для описания объектов и явлений различной физической природы, с другой — тем, что этот вид аналоговых устройств удобен в управлении, компактен и обладает гибкой структурой.

Электронные устройства обеспечивают решение обыкновенных дифференциальных уравнений любого порядка. В состав этих уст­ройств входят следующие блоки: интегрирующие, суммирующие, множительные; осуществляющие масштабное преобразование; функ­циональные для образования нели­нейных функций и ряд вспомо­гательных блоков, обеспечивающих возможность наблюдения и ре­гистрации решения и управления устройством.

Рис. 25. Структурная схема операционного суммирующего усилителя

Математические операции в таких электронных моделях выполняются с помощью операционных (решаю­щих) усилителей, которые являются основными базовыми элементами ана­логовых вычислительных устройств. Операционные усили­тели — это усилители постоян­ного тока с очень большим коэффициентом усиления К (несколько десятков тысяч), охваченные отрицательной обратной связью. В электронных моделях процессов используются суммирующие, инвертирующие, интегрирующие и дифференцирующие усилители, построенные на основе операционных усилителей. Структурная схема суммирующего усилителя приведена на рис. 25. Составим уравнение для суммы токов в узле А. Так как входное сопротивле­ние операционного усилителя велико, входным током можно пренебречь. Учитывая, что i_j = (U_j — U_a)/R_j, i₀ = (U_a — U_вых)/R₀ и U_a = - U_вых/K,

получим = i ₀

Таким образом, операционный усилитель будет умножать вход-ные напряжения (а значит, и представляемые ими моделирующие величины) на коэффициент R₀/Rj и затем их складывать.

Если в схеме суммирующего усилителя вместо R_o включить конденсатор, то получится интегрирующий усилитель, причем при наличии у него нескольких входов происходит интегрирование суммы. Если в схеме суммирующего усилителя вместо сопротивле­ний Rj включить конденсаторы, то получим дифференцирующий усилитель.

Соединяя определенным образом различные блоки аналоговых вычислительных устройств, можно получать различные электрон­ные модели, довольно точно описывающие явления, протекающие в технологических объектах.

Вычислительные устройства дискретного действия. В них все математические величины представляют в виде дискретных значе­ний. Вычисление заключается в последовательном выполнении арифметических операций. В устройствах этого типа широко при­меняют логические элементы, триггеры, регистры, счетчики, де­шифраторы и т. д.

Для решения сложных задач управления технологическими про­цессами в системах автоматики используют различные логиче­ские элементы. К логическим элементам относятся схемы, реализующие основные логические функции — И, ИЛИ и НЕ. Поскольку любая сложная логическая функция может быть вы­ражена через элементарные функции И, ИЛИ и НЕ, система логи­ческих элементов И, ИЛИ и НЕ называется функционально пол­ной. Иногда в качестве типовых используют и более сложные эле­менты, реализующие логические функции И—НЕ, ИЛИ—НЕ и др., позволяющие строить более сложные комбинационные схемы для управления технологическими объектами.

К логическим элементам, выполняющим основные логические функции, относятся схемы НЕ, И (схема совпадения) и ИЛИ (схема собирательная).

С помощью схемы НЕ реализуется логическая функция НЕ (от­рицание). Эта схема выполняется на активных элементах — реле, транзисторах и т. д. На рис. 26, а показана схема НЕ, выполнен­ная на транзисторе: положительный сигнал на ее выходе (коллек­торе транзистора) будет только при отрицательном сигнале на ее входе.

С помощью схемы совпадения реализуется логическая функция И (конъюнкция). Схема совпадения, выполненная на пассивных элементах (диодах), показана на рис. 26, в. На выходе этой схемы сигнал будет только в том случае, если есть сигналы на обоих вхо­дах одновременно. В этом случае диоды Д запираются и через со­противление R_K в цепи коллектора не протекает ток; на выходе схемы высокое положительное напряжение. Отсутствие положи­тельного сигнала хотя бы на одном из входов схемы приводит к от­крыванию одного из диодов, появлению тока через сопротивление R_k и, как следствие,— падению напряжения на выходе схемы.

С помощью собирательной схемы реализуется функция ИЛИ (дизъюнкция). Эта схема показана на рис. 26, д. Сигнал на выходе схемы появится только тогда, когда есть сигнал- хотя бы на одном из входов.

Триггер представляет собой устройство, с помощью ко­торого можно записывать, хранить и считать двоичную информа­цию. Триггер имеет два устойчивых состояния равновесия. Од­ному из этих состояний приписывается значение 1, а другому — 0. Состояние триггера распознается по его выходному сигналу. Под влиянием входного сигнала триггер скачкообразно переходит из одного устойчивого состояния в другое, при этом скачкообразно изменяется уровень напряжения его выходного сигнала.

Рис. 26. Логические элементы автоматики: схема НЕ (а), ее условное обозна­чение (б); схема И (в), ее условное обозначение (г); схема ИЛИ (д), ее услов­ное обозначение (e)

Для удобства использования в схемах вычислительных уст­ройств триггеры обычно имеют два выхода: прямой Q (называемый также «выход 1») и инверсный («выход 0»). В единичном состоя­нии триггера на выходе Q высокий уровень сигнала, а в нулевом — низкий. На выходе — наоборот.

Простейшим триггером является асинхронный RS-триггер, вы­полненный на двух логических элементах ИЛИ—НЕ. Логическая структура и его условное обозначение приведены на рис. 27, а, б.

Такой триггер образован из двух комбинационных схем ИЛИ— НЕ, соединенных таким образом, что возникают положительные обратные связи, благодаря которым в устойчивом состоянии вы­ходной транзистор одной схемы ИЛИ—НЕ закрыт, а другой от­крыт.

Полученный таким образом триггер имеет два входа: S — установки триггера в 1 и R — установки триггера в 0.

Рассмотрим прежде всего воздействие на такой триггер комби­нации сигналов S = 1, R = 1 и S = 0, R = 0.

Сочетание S = l, R = 1 является запрещенным, так как при _нем на обоих выходах триггера устанавливаются логические 0 _и после снятия входных сигналов состояние его непредсказуемо.

Для элемента ИЛИ—НЕ логический 0 является пассивным сиг­налом, с поступлением его на вход состояние выхода элемента не изменяется. Поэтому комбинация S = 0, R = 0 не изменяет со­стояние триггера.

Логическая 1 для элемента ИЛИ—НЕ является активным сиг­налом: наличие ее на входе однозначно определяет на выходе ло­гический 0 вне зависимости от сигнала на другом входе. Отсюда

Рис. 27. Функциональные схемы триггеров: асинхронного.RS-триггера (а),

его условное обозначение (б); синхронного RS-триггера (б); его условное

обозначение (г);.JK-триггера (д), его условное обозначение (е)

следует, что переключающим сигналом для рассматриваемого триг­гера является логическая 1, а также то, что вход S (установка триггера в состояние Q = 1) должен быть связан с элементом, вы­ход которого принят за (см. рис. 27, а).

Для переключения триггера в состояние Q = 1 на его входы следует подать комбинацию S=1, R = 0, а для переключения в состояние Q = 0 — S = 0, R = 1.

Пусть триггер находится в состоянии 0 (Q = 0, = 1), а на его входах действуют сигналы S = 0, R = 0. Для переключения его в состояние Q = 1 подадим на входы комбинацию S = 1, R = 0. Тогда на выходе элемента Э₂ установится логический 0, на входах элемента Э₁ будут одновременно действовать логические 0 и на выходе Q установится логическая 1 — триггер переключается в новое состояние (Q = 1, = 0). Для его переключения из этого состояния на входы должна поступить комбинация S = 0, R = 1. После этого на выходе Q будет логический 0, на входах элемента Э₂ одновременно окажутся логические 0 и его выход примет потен­циал, соответствующий = 1 — триггер переключается в состоя­ние Q = 0, = 1.

Часто необходимо, чтобы в вычислительных устройствах триг­гер реагировал на входные сигналы только в определенные моменты времени. Эти моменты обычно задаются с помощью дополнитель­ного — входного — сигнала синхронизации С. На рис. 27, в, г приведены схема и условное обозначение такого синхронного RS- триггера. Она содержит асинхронный RS-триггер Т с прямыми входами и две схемы совпадения. Последние передают переключаю­щую логическую 1 с информационного S- или S-входа на соответст­вующие входы Т только при наличии на синхронизирующем входе С логической 1. При С = 0 информация с S- и R-входов на триггер не передается.

Распространенным типом триггера в системах интегральных логических элементов является универсальный JK-триггер, схема и условное обозначение которого показаны на рис. 27, д, е. У рас­сматриваемого триггера имеются входы R и S несинхронизируемой установки, с помощью которых при С = 0 триггер может быть установлен в состояние 1 путем подачи R = 1 и S = 0 или в со­стояние 0 путем подачи R = 0 и S = 1. При подаче сигналов R = S = 1, не меняющих состояние схемы, работа триггера осу­ществляется под воздействием синхронизирующих сигналов С =1. Входы J и К соответствуют входам S и R RS-триггера, это означает, что сигнал 1 на входе / устанавливает триггер в состоя­ние 1, а сигнал 1 на входе K устанавливает его в состояние 0 не­зависимо от предыдущего состояния. Однако в отличие от RS-триг- гера в JK-триггере сигналы одновременно могут прийти на входы J и К. При этом состояние триггера изменится на противоположное, т. е. при J = К схема ведет себя как триггер со счетным входом. Регистром называется функциональное устройство, пред­назначенное для приема и запоминания двоичных чисел, а также для некоторых их логических преобразований.

Параллельный регистр выполняет функции записи и хранения параллельного двоичного кода. Для построения такого регистра могут быть использованы ^5-триггеры. На рис. 28, а приведена функциональная схема параллельного регистра.

Параллельный двоичный код подается на входы х₁ — х_п тригге­ров. Запись производится положительными импульсами, подавае­мыми на входы С триггеров. Код снимается с выходов Q₂—Q_n. Для установки регистра в 0 используют входы R-триггеров.

В этой схеме запись информации в регистр синхронизируется по входу С и происходит только в момент подачи на вход С положи­тельного импульса. Работой регистра управляют две шины: уста­новки нуля и приема информации. Прежде чем записать информа­цию в регистр, необходимо подать управляющий сигнал на шину установки 0, т. е. все триггеры регистра установить в состояние 0. Для приема информации в регистр необходимо подать управ­ляющий синхронизирующий сигнал на шину приема и одновре­менно по информационным цепям, соединенным с единичными уста­новочными входами триггеров, подать код записываемого числа в регистр.

Счетчик предназначен для счета поступающих на его вход импульсов, в интервале между которыми он должен хранить ин­формацию об их числе. Поэтому счетчик состоит из запоминающих ячеек — триггеров. Ячейки счетчика соединяют таким образом, чтобы каждому числу импульсу соответствовали единичные со­стояния определенных ячеек. При этом совокупность единиц и нулей на выходах п ячеек счетчика представляет собой n-разряд­ное двоичное число, которое однозначно определяет число прошед­ших на входе импульсов. Поэтому ячейки счетчика называют его разрядами.

На рис. 28, б представлена схема четырехразрядного двоичного счетчика прямого счета с цепями последовательного переноса и им­пульсным входом. Входные импульсы положительной полярности подаются на счетный вход С триггера младшего разряда счетчика Т_о. Перед началом счета сигнал установки нуля устанавливает в со­стояние 0 все триггеры счетчика. По первому входному импульсу триггер Т_о переключается в состояние 1 и код в счетчике прини­мает значение х = 0001. Это значение кода сохраяется до прихода следующего импульса. Под воздействием второго сигнала триггер Т_о переходит в состояние 0. При переходе триггера Т_о из единич­ного состояния в нулевое с прямого выхода триггера Т_о образуется положительный сигнал переноса (импульс), поступающий на счет­ный вход триггера Т_1, который установит этот триггер в состоя­ние 1. Код счетчика принимает значение х = 0010 и т. д.

Максимальное число, которое может быть зафиксировано в двоичном счетчике, определяется по формуле N =2ⁿ —1, где п — число разрядов счетчика.

Дешифратором называется логическая схема, преобра­зующая двоичный код числа, поступающего на его входы, в управ­ляющий сигнал только на одном из его выходов. Другими словами, дешифратор представляет собой совокупность схем совпадений, формирующих управляющий сигнал на одном из выходов, в то время как на остальных выходах сигналы отсутствуют.

Принципиальная схема дешифратора с логическими элементами совпадения на диодах на два входа показана на рис. 29. Горизон­тальные и вертикальные шины соединяются в определенных ме­стах диодами, которые образуют сетку (матрицу) дешифратора. Резистор и два диода, подключенные к вертикальному проводу, образуют логический элемент И. Таких схем в сетке — четыре.

Если х₁ = 0 и х₂ = 0, то триггеры регистра находятся в поло­жении, при котором на нулевых выходах триггеров высокий по­тенциал. В этом случае диоды, связанные с левой вертикальной шиной дешифратора, за­крыты и высокий потенциал источника + Е присутствует на шине у₀. Другие три верти­кальные шины связаны каждая хотя бы с одним диодом, нахо­дящимся в открытом состоянии. Поэтому на выходных шинах y₁, y₂, y₃ дешифратора в этом случае напряжение близко к нулю.

Если x₁= 1, а х₂ = 0, то вы­сокий уровень напряжения при­сутствует на выходе y₁ дешифратора. При x₁= 0, х₂ = 1 высокий уровень напряжения присутствует на выходе y₂, а при x₁ = 1, х₂ = 1 на выходе у₃.

Дата добавления: 2015-07-25