Исследование цифровых элементов систем автоматического управления: Методические указания к лабораторной работе

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Кафедра «Электрическая тяга»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Методические указания

К лабораторной работе № 49

САНКТ – ПЕТЕРБУРГ

1991

    Основной элементной базой современной дискретной техники является интегральная микроэлектроника. На основе интегральной полупроводниковой микроэлектронной технологии созданы приборы, превосходящие по всем параметрам изделия сходного назначения, собранные из отдельных элементов. Изделия микросхемотехники представляют собой ряд законченных функциональных узлов от простых логических элементов до сложнейших микропроцессоров.

    Цифровая микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной (например двоичной) функции.

    В качестве активных элементов цифровых микросхем применяют два типа транзисторов: биполярные и полевые (униполярные). Из логических интегральных модулей на биполярных транзисторах в настоящее время достаточно широкое распространение имеют микросхемы с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ).

    Цифровые интегральные модули выпускают сериями. Серией называют совокупность микросхем различного функционального назначения, которые имеют согласованные электрические и временные параметры для совместного использования. Микросхемы одной серии изготавливают по единой технологии и они имеют сходное конструктивное исполнение. В состав серии входят десятки типов микросхем: логических элементов, триггеров, счетчиков, сумматоров, регистров, запоминающих устройств и др.

    Цифровые элементы широко применяют в системах автоматического управления новых серийных, опытных и персональных типов электрического подвижного состава: на электровозах ВЛ80Р, ВЛ85, 4С6, 4С7, 4С8, электропоездах ЭР2Р, ЭР12, ЭР200.

    Целью настоящей работы является изучение свойств логических и некоторых функциональных элементов – триггеров, счетчиков, распределителей, построенных на микросхемах малой степени интеграции.

I. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

    В основу всех логических операций положены три элементарные логические операции: отрицание, умножение, сложение.

    Для реализации этих операций посредством логических элементов используют электрические сигналы, представленные двумя уровнями: высоким и низким.

    В работе исследуют ТТЛ-элементы, для которых уровень логической единицы применяют высоким H(high). Он кодируется напряжением в пределах от 3,6 до 5В. Уровень логического нуля принят низким L(Low) и кодируется напряжением в пределах от 0 до 0,4 В.

    Логическое отрицание НЕ(инверсия) подразумевает формирование на выходе логического элемента – инвертора – сигнала y, противоположного по уровню входному. Следовательно, если на вход инвертора подать сигнал логической I, то на выходе будет логический 0 и наоборот. Логическое отрицание обозначают в логических выражениях чертой над инвертируемым сигналом  Условные обозначение и передача сигналов инвертором приведены в табл. I.

Таблица I

Элементарные логические операции

Операция	Реализуемая функция		Реализующее устройство
	Наименование	Обозначение	Обозначение	Передача сигналов
						y
НЕ	Инверсия		x                       y	1 0	- -	0 1
И	Конъюнкция			0 1 0 1	0 0 1 1	0 0 1 1
ИЛИ	Дизъюнкция			0 1 0 1	0 0 1 1	0 1 1 1

    Логические умножение И(конъюкция) подразумевает формирование на выходе элемента – конъюнктора – сигнала уровня логической I при наличии на всех входах сигналов логической I. Если хотя бы на одном входе будет сигнал логического 0. Операцию логического умножения, например при двух входных сигналах  и , обозначают выражением . Условное обозначение и передача сигналов конъюнктором приведены в табл. I.

    При логическом сложении ИЛИ(дизъюнкции) происходит формирование на выходе элемента – дизъюнктора сигнала уровня логической I, если хотя бы один из входных сигналов имеет уровень логической I. Операцию логического сложения, например при двух входных сигналах  и , обозначают выражением . Условное обозначение и передача сигналов дизъюнктором приведены в табл. I.

    Достаточно развитыми по номенклатуре являются универсальные микросхемы ТТЛ 155-й серии. Они являются изделиями массового применения, обладают высокой стойкостью к климатическим и механическим воздействиям.

    С целью упрощения схемной реализации и придания свойств универсальности логическим элементам при разработке микромодулей выполнено сочетание операций конъюнкции и дизъюнкции с операцией инверсии. Например, микросхема 155ЛА6 реализует операции 2 х 4И – НЕ, микросхема 155ЛР4 – 4И – НЕ. Функциональные схемы этих элементов показаны на рис. I, а, б.

    На рис. 2, а показана эквивалентная схема одного элемента модуля 155ЛА6.

    Схема элемента содержит три каскада: входной (транзистор VT1 и резистор R1), фазоращепительный (транзистор VT2 и резистор R2, а также транзистор VT3 и резисторы R3, R4) выходной (транзисторы VT4, VT5, диод VD5).

    Когда один или несколько входов соединены с общей шиной микросхемы непосредственно или через выходной транзистор предыдущего каскада, соответствующий эмиттерный переход транзистора VT1 смещен в прямом направлении, поскольку потенциал базы выше потенциала эмиттера. Транзистор VT2 будет заперт.

    Если второй каскад (транзистор VT2) заперт, ток, протекающий по резистору №2 и базо-эмиттерному переходу транзистора VT4 и диода VD1. Уровень сигнала в этом случае составляет примерно 3,6 В и соответствует логической I. транзистор VT3 служит для повышения помехоустойчивости микросхемы.

    Когда на все входы действует напряжение высокого уровня (логической I), эмиттерный переход транзистора VT1смещен в обратном направлении, а коллекторный – в прямом. Коллекторный ток транзистора VT1 отпирает транзисторы VT2 и VT5. Выходное напряжение представляет собой падение напряжения на эмиттер-коллекторном переходе транзистора VT5, оно составляет около 0,4 В и соответствует уровню логического 0.