5.3. Логические элементы

Современное оборудование часто требует построения систем управления со сложной логикой, определяющих момент включения, длительность работы, время ускорения и торможения, при­чем эти действия должны быть согласованы между собой по времени. Основой таких схем управления являются логические элементы, построенные на базе переключателей и осуществляющие логическую связь между входными и выходными сигналами.

Сигналы в этих цепях дискретны, принимают одно из двух возможных значений: 0 (нет напряжения) или 1 (есть напряжение). Теоретической основой построения таких схем является булева алгебра, или алгебра логики.

Логической переменной называют величину, принимающую одно из двух значений: 0 или 1. Под логической функцией понимают зависимость выходной логической величины от входных логических величин. Логическая операция — это действие, совершаемое логическим элементом над входными логическими величинами в соответствии с логической функцией. Соответствие значения логической функции значениям логической переменной отражено в так называемых таблицах истинности.

Говорят, что значения_1 и 0 противоположны, или инверсны, что обозначается = 0 и = l.

Основными операциями алгебры логики являются:

1) логическое отрицание, инверсия, НЕ, например У = . Таблица истинности этой операции имеет вид X Y

1. 1

2. 0

2) логическое сложение, ИЛИ: выходная величинаY принимает значение 1, если хотя бы одна из входных величин X₁ равна 1, например, Y= X₁+X₂. Таблица истинности в этом случае выглядит так:

Х₁ Х₂ У

0 0 0

1 0 1

0 1 1

1 1 1

3) логическое умножение, И, когда выходная величина /принимает значение 1, если все входные величины X,- равны 1, например Y = Х_{-Х₂. Таблица истинности логического умножения выглядит следующим образом:

Х₁ Х₂ У

0 0 0

1 0 1

0 1 1

1 1 1

Логические схемы строят на базе электромагнитных реле и других переключателей, однако в последнее время в основном используют полупроводниковые транзисторные переключатели (в виде цифровых микросхем). Используя простейшие элементы, можно построить логическую машину, способную выполнять слож­ные логические функции. Например, современная ЭВМ, постро­енная на приведенных элементах, способна выполнять сложные расчеты, управлять оборудованием, хранить и обрабатывать ог­ромные объемы информации.

На рис. 41 приведены примеры реализации логических элементов на базе реле и полупроводников и их условные обозначения. В качестве источников входных сигналов используются кнопки Кн₁ и Кн₂, при нажатии которых в цепях обмоток реле Х₁ и Х₂ пойдет ток, и их замыкающие контакты замкнутся. Значение 1 выходной логической величины соответствует зажженной лампе HL.

Инверсия обозначается незакрашенным кружком, операция ИЛИ обозначается 1, операция И — знаком &. Элемент НЕ на реле представлен как один замыкающий контакт реле X и один размыкающий контакт реле Y: при наличии входного напряжения на реле Х_х (значение 1) контакт Х₁замкнется, что вызовет срабатывание реле Y и размыкание контакта Y (значение 0).

Рис. 41. Логические элементы и их реализация

При отсутствии входного напряжения (0) контакт X, будет разомкнут, реле Yобесточено и контакт Yзамкнут (1). В схеме элемента НЕ на транзисторе при наличии входного напряжения U_m (1) транзистор открыт, выходное напряжение будет низким (0). При отсутствии входного напряжения транзистор заперт, напряжение на выходе будет высоким, практически равным напряжению питания £(1).

Элемент ИЛИ на реле можно представить двумя замыкающими контактами, соединенными параллельно. При замыкании первого Х₁ или второго Х₂, или обоих контактов сработает реле / и замкнется контакт Y.

В схеме элемента ИЛИ на транзисторе при приходе напряжения на базу с любого из входов транзистор откроется, и выходное напряжение станет близким к E(1), иначе транзистор закрыт, выходное напряжение низкое (0).

Элемент И на реле представлен в виде двух замыкающих контактов Х₁ и Х₂, соединенных последовательно: только при замыкании обоих входных контактов в реле Y пойдет ток и замкнется выходной контакт Y.

Элемент И на диодах работает следующим образом. Если на всех входах имеется высокое напряжение (1), то тока через диоды и падения напряжения на резисторе R не будет, выходное напря­жение будет высоким (близким к Е). Если хотя бы на одном входе имеется низкое напряжение (0), через соответствующий диод пойдет ток и выходное напряжение будет низким.

Аналогично можно построить элемент И на двух транзисторных ключах. При построении логических схем оказался удобным элемент ИЛИ-НЕ, имеющий логическую функцию Y = Х₁ +Х₂, или инверсия логического сложения входных сигналов.

На рис. 41 приведены реализации элемента ИЛИ-НЕ на реле и транзисторе. Схемы подобны реализациям элемента ИЛИ. Инверсия в первом случае осуществляется использованием размыкающего контакта реле Y. Во втором случае инверсия осуществляется за счет снятия выходного напряжения с транзистора.

При наличии хотя бы на одном входе высокого напряжения (ИЛИ) транзистор отпирается и напряжение на выходе становится низким (НЕ).

На рис. 41 приведены реализации триггера — элемента памяти, сохраняющего установленное на нем логическое значение. В схеме на реле при кратковременном замыкании контакта Х₁ пойдет импульс тока через реле Y, что вызовет замыкание контакта Y, делающего ток через реле Y постоянным, т. е. схема хранит значение 1. При размыкании контакта Х₂ ток через катушку реле Y прекращается и контакты Y размыкаются, т. е. элемент хранит значение 0. При замыкании контакта Х₂ ток через реле Yне возобновится, так как контакт реле Y разомкнут. Таким образом, у триггера есть два входа. Подача единичного сигнала на один из них устанавливает триггер в 1, на другой — в 0.

Представлена схема триггера на двух элементах ИЛИ-НЕ. По приходе на вход Х_л первого элемента ИЛИ-НЕ единичного им­пульса на его выходе возникнет сигнал 0, который в свою очередь вызовет сигнал 1 на выходе второго элемента ИЛИ-НЕ. Этот сигнал поступит на второй вход первого элемента ИЛИ-НЕ и установит постоянным выходной сигнал первого элемента ИЛИ-НЕ в 0, а второго — в 1. Приход на вход Х₂ второго элемента ИЛИ-НЕ единичного импульса обнулит его выход. При отсутствии на втором входе Х₁ единичного сигнала на выходе первого элемента ИЛИ- НЕ возникнет единичный импульс, который установит в 0 выходной сигнал второго элемента ИЛИ-НЕ.

Промышленностью выпускаются разнообразные микросхемы, содержащие в единице объема большое количество транзисторов, диодов, резисторов, емкостей и других электронных приборов, имеющие небольшие размеры и воспроизводящие разнообразные логические функции. Микросхемы дешевле схем на реле или транзисторах, имеют меньшие габариты и большую надежность.