Часть вторая. Элементы и узлы систем телемеханики.

Глава 7. Элементы, используемые в телемеханике

Любая система или устройство автоматики и телемеханики выполняется из целого ряда узлов, блоков и субблоков, собираемых из элементов.

Элемент преобразует воздействие, которое он получил от предыдущего элемента или узла, и передает его последующему элементу или узлу. Если для такого преобразования на элемент подается дополнительная энергия, то при определенных условиях он может осуществить и усиление поданного воздействия.

К элементам можно отнести электронные лампы, электромагнитные реле, полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, интегральные микросхемы), магнитные элементы, лампы тлеющего разряда, катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы. Такие элементы, как резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы, входят в состав любой телемеханической схемы. Однако ее отличительной особенностью является исполь­ зование лишь основных элементов — полупроводниковых приборов, электронных ламп и др. Поэтому и говорят: схема на транзисторах, релейная схема и т. п.

§7.1. Обзор элементов, используемых в телемеханике

Классификация элементов. Все основные элементы можно подразделить на три большие группы: 1) бесконтактные элементы; 2) контактные элементы (электромагнитные реле); 3) элементы с нитью накала (электронные, осветительные и др., которые также являются бесконтактными, но обычно выделяются в отдельную групну).

Вконтактных элементах имеются подвижные части и размыкаемые контакты, а в лампах — нити накала, которые быстро изнашиваются и выходят из строя. В бесконтактных элементах подвижные части и нити накала отсутствуют, вследствие чего их срок службы значительно больше по сравнению с контактными элементами и лампами с нитью накала.

Кбесконтактным элементам следует отнести полупроводниковые приборы, тиратроны тлеющего разряда и ферромагнитные элементы. Кроме большого срока службы они требуют меньшего ухода в процессе эксплуатации, лучше переносят вибрацию и тряску, могут работать во влажных, запыленных и агрессивных средах, потребляют меньше энергии.

Втелемеханике бесконтактные элементы полностью заменили электронные лампы, но окончательно вытеснить контактные элементы не смогли. Дело в том, что не всегда целесообразно усложнять схему и заменять исполнительные электромагнитные реле в устройствах телемеханики, например, тиристорами, если они включаются несколько раз

вчас, а иногда и значительно реже, тем более что срок службы реле определяется миллионами включений и совершенствование их продолжается.

лейно - контактных элементов, а именно: 1) практически полное отсутствие гальванической связи между входными и выходными цепями (этим свойством обладают и оптроны); 2) малые потери мощности в контактном переходе; 3) большое отношение сопротивлений контакта в разомкнутом и замкнутом состояниях, независимость от воздействия электрических и магнитных полей; 4) нечувствительность к температурным перегрузкам, и др. [7]. Эти свойства и позволили использовать контактные реле в исполнительных цепях систем телемеханики для включения контакторов и других выходных устройств.

Основными типами контактных реле в телемеханике являются электромагнитные реле постоянного тока: РЭС — реле электромагнитное слаботочное и РЭН — реле электромагнитное нейтральное (нейтральное означает, что реле срабатывает от любой полярности тока)

Втабл. 7.1 приведены технические характеристики некоторых реле указанных типов. Во втором столбце буква «п» означает переключающий контакт или групну.

Висполнительных цепях систем телемеханики используются реле типа РЭН, как более мощные.

§7.3. Интегральные микросхемы

Винтегральных микросхемах ряд функций объединяется (интегрируется) в одном устройстве, представляющем собой как бы один элемент, тогда как в обычных (дискретных) электронных схемах один элемент выполняет одну функцию.

Согласно ГОСТ 17021—75, интегральная микросхема — это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала, накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов. Таким образом, интегральными микросхемами (ИМС) называют совокупность электро элементов — транзисторов, диодов (активные элементы), резисторов, конденсаторов (пассивные элементы) и соединительных проводников, электрически связанных между собой и заключенных в общий корнус

Взависимости от технологии изготовления ИМС подразделяют на полупроводниковые (монолитные), пленочные и гибридные

Вполупроводниковых ИМС все активные и пассивные элементы формируются в объеме и на поверхности полупроводникового материала (на подложке) Эти ИМС выполняются на основе биполярных или униполярных структур (МОП транзисторов) и обычно изготовляются на кремниевой подложке по планарной технологии, при которой отдельные элементы схемы располагают в одной плоскости и на одной стороне подложки в изолированных друг от друга участках В этих ИМС широко применяется структура металл окисел-полупроводник—полевой (МОП) транзистор, в котором используется только один вид носителей заряда (электроны или дырки) МОП - транзистор проще в изготовлении и поточу надежнее биполярных транзисторов, в которых используются носители заряда обоих знаков — электроны и дырки Размер полупроводниковой ИМС или кристалла ИМС лежит в пределах от 1,5Х 1.5 до 6X6 мм При этом на одном 1 мм2 кристалла размещают порядка 1000 элементов и более Чем больше элементов в ИМС, тем выше ее степень интеграции При высокой степени интеграции ИМС называют большой интегральной схемой — БИС Сейчас появились сверхбольшие ИС — СБИС, в которых степень интеграции составляет 104— 10б эл/кристалл

Впленочных ИМС все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде различных иленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. Различают ИМС тонкопленочные (толщина иленок до 1 мкм) и толстоиленочиые (толщина иленок свыше 1 мкм) ИМС. В пленочных ИМС выполняют только резисторы, конденсаторы и другие пассивные элементы. Так как активные элементы в пленочных ИМС пока не удается изготовить, эти ИМС самостоятельно не применяются.

Гибридные ИМС являются комбинацией пленочных пассивных элементов и дискретных активных элементов. В этих ИМС вначале на подложке из диэлектрика создают резисторы, конденсаторы, токоведующие дорожки и контактные площадки, а затем закрепляют навесные бескорнусные кремниевые транзисторы и диоды и присоединяют выводы к контактным площадкам. Могут применяться и активные элементы, выполненные, как в полупроводниковых ИМС. Гибридные ИМС, так же как и пленочные, делятся на тонкопленочные и толстопленочные.

Взависимости от функционального назначения различают цифровые (логические) и аналоговые (линейные) ИМС.

Цифровые ИМС работают в релейном режиме, т. е. в них используются элементы с

двумя устойчивыми состояниями. Эти ИМС получили наибольшее применение в телемеханике. Цифровые ИМС предназначаются для работы только с потенциальными входными сигналами. Как правило, в основе их построения лежат бесконтактные ключи и схемы, выполняющие функцию ИЛИ — НЕ или И — НЕ. В зависимости от того, выполняются ли элементы ИЛИ и И на резисторах, диодах или транзисторах, имеются различные серии цифровых ИМС. Наиболее распространенными цифровыми ИМС являются следующие.

Р е з и с т и в н о - т р а н з и с т о р н ы е ц и ф р о в ы е ИМС (резнстивно - транзисторная логика — РТЛ) содержат резистивные схемы ИЛИ и транзистор, выполняющий роль усилителя-инвертора.

Д и о д н о - т р а н з и с т о р н ы е ц и ф р о в ы е ИМС (диодно-транзисторная логика — ДГЛ) реализуют логическую функцию И — НЕ. Функция И выполняется на диодах, а усилитель-инвертор — на транзисторах.

Т р а н з и с т о р н о - т р а н з и с т о р н ые цифров ые ИМС (транзисторно-транзисторная логика —ТТЛ) состоят из схемы И, выполненной на основе многоэмиттерного транзистора, и сложного инвертора, собранного из нескольких транзисторов.

В ц и ф р о в ы х ИМС на п о л е в ы х т р а н з и с т о р а х используются только МДП - транзисторы с окисным диэлектриком, т. е. МОП-транзисторы (МОП - транзи сторная логика — МОПТЛ). В схемах на МОП - транзисторах отсутствуют диоды и резисторы, что упрощает технологию изготовления ИМС и увеличивает плотность их размещения. В качестве нагрузочных резисторов применяют открытые МОП - транзисторы, обладающие высоким входным сопротивлением (1012 — 1014 Ом).

Аналоговые ИМС преобразуют и обрабатывают непрерывные аналоговые сигналы. На этих ИМС выполняют усилители, генераторы, стабилизаторы, фильтры, модуляторы и другие устройства, в которых осуществляются нелинейные преобразования.

Из аналоговых интегральных микросхем отметим лишь один класс — о п е р а ц и о н н ы е у с и л и т е л и (ОУ). ОУ — усилитель электрических сигналов ддя выполнения различных операций над аналоговыми величинами Он обладает высоким входным (103 — 10б Ом) и малым выходным (от нескольких десятков до нескольких сотен Ом) сопротивлениями. Коэффициент усиления ОУ по постоянному току и на низких частотах очень высок (105 — 2-105), однако он быстро уменьшается с увеличением частоты. Использование отрицательной обратной связи хотя и уменьшает коэффициент усиления ОУ, но позволяет стабилизировать его в определенном диапазоне частот. Операционный усилитель (рис. 7.2) имеет два входа: 1) неинвер­

Однако так как С = 0, то выходы элементов /// и IV находятся в состоянии 1, что не изменяет положения триггера. С выхода элемента /// сигнал 1 поступает на вход элемента /, и так как S 1= 1, то на его выходе образуется 0. На выходе элемента // возникает сигнал 1 из-за наличия 0 на входе R ь В момент времени t\, хотя С=1, на вход элемента /// по-прежнему с выхода элемента / поступает сигнал 0 и на выходе элемента III останется все тот же сигнал 1. Однако на вход элемента IV подают три сигнала 1: с входа С н е элементов //, ///. Возникший 0 на выходе элемента IV переключает триггер (_Q=0, a Q =1). Характерно, что это переключение произошло по входу R ь

когда на входе элемента // сигнал R i=0. В момент времени t'i = / At, следующий сразу же за началом фронта синхронизирующего имнульса, ситуация останется прежней: на входе R будет сигнал 0. Однако переключение триггера не произойдет, так как он только что переключился по этому входу. Не изменится ситуация на выходах триггеров и в момент времени t3 после изменения значений сигналов на входах S i и R i, хотя это и приводит к тому, что на выходе элемента / возникнет сигнал 1, а на выходе элемента //

—0 .

Триггер вновь переключится в момент времени U, т. е. при нарастании фронта синхронизирующего имнульса; три сигнала 1 поданы на элемент /// (с входа С н е элементов /, IV), отчего на выходе возник 0, который и переключает триггер по входу S . Если в момент времени t\ состояние сигналов на входах элементов I к II было 1, 0 (S i = 1, R 1 = 0) и триггер переключился в состояния 0,1 (Q = 0, Q =1), то в момент времени t\ на входы элементов / и // подаются сигналы 0 и 1 и на выходах возникают сигналы Q= 1 и Q =0. В момент времени t) = t4+ At ситуация не изменится: 0 будет по-прежнему на

входе S , и переключения триггера не произойдет, так как он только что переключился по этому входу. Сразу после момента времени h, на выходе элемента III возникает 0, так как С=1, и с элементов I к IV также поступают сигналы 1. Создаются предпосылки для переключения триггера по входу S , однако такого переключения произойти не может, так как в момент времени ^ триггер был переключен по этому входу. Переключение триггера произойдет в момент времени tg вновь при нарастании фронта синхронизирующего импульса.

Таким образом, переключение триггера с динамическим управлением может иметь место и не при каждом синхронизирующем имнульсе, что зависит от состояния входных сигналов. Однако если триггер изменяет свое состояние, то это происходит только в момент переднего фронта синхронизирующего имнульса. Это подтверждает сделанное рассмотрение режимов работы триггера в моменты времени t) и i). следующие сразу же после начала фронта синхронизирующего имнульса.

D- и DV-триггеры. На рис. 7.19, а представлен один из вариантов D-триггера, а на рис. 7.19,6 показано его условное обозначение. Рис. 7.19,в и нунктир на рис. 7.19,а будут объяснены ниже. В D-триггере исключено возникновение запрещенной комбинации, т. е. поступление двух сигналов 0 на оба инверсных входа, как на рис. 7.19,а, или двух сигналов 1, если D-триггер имеет оба прямых входа. Если на вход D по­ дается 0, то с выхода элемента / он будет снят как сигнал 1, который, будучи проинвертирован в элементе //, поступит на вход R как сигнал 0. Если D=l, то на вход S будет подан сигнал 0, а на вход R— I.

ются три сигнала 1 (с выходов элементов 1,11 н с выхода Q), которые образуют на выходе элемента III сигнал 0, переключающий триггер Твс по входу 5. В дальнейшем порядок переключения элементов схемы останется без изменения; сначала, в момент нарастания переднего фронта счетного импульса, переключится триггер Тос, а затем, сразу же после окончания счетного импульса, изменят значения выходы триггера Твс-

Т-триггер можно получить из любого триггера (RS, D и JK) при условии, что они являются двухступенчатыми или с динамическим управлением, так как только такие триггеры обеспечивают задержку, необходимую для переключения по одному входу.

Контрольные вопросы

1.Дайте классификацию элементов, используемых в телемеханике.

2.Дайте определение элемента релейного действия и перечислите, какие элементы обладают релейной характеристикой.

3.Какие электромагнитные реле применяются в телемеханике?

4. Дайте определение интегральной микросхемы и приведите классификацию

имс.

5.Укажите разницу между электронными дискретными элементами и интегральными микросхемами.

6.Как обозначают интегральные микросхемы?

7.Дайте определение логической функции и логического элемента..

8.Дайте определение импульсного и потенциального сигналов. У. Перечислите функции одной переменной.

10.Перечислите иять основных функций двух переменных.

11.Как работает схема рис. 7.9?

12.Дайте классификацию триггеров по способам управления и записи.

13.В чем разница между асинхронными RS-триггерами с прямыми и инверсными входами?

14.Как образовать RS-триггера со статическим управлением из асинхронного RSтриггера?

15.Как образовать синхронный двухступенчатый RS-триггер со статическим управлением?

16.Укажите моменты переключения одноступенчатого и двухступенчатого RSтриггеров.

17.Укажите основную особенность триггера с динамическим управлением. 18 Как образовать синхронный одноступенчатый RS-триггер с динамическим

управлением из асинхронного RS-триггера?

19.Как образовать D-триггер из RS-триггера?

20.Укажите особенность переключения D-триггера.

21.Укажите особенности переключения ОУ - триггера.

22.В чем разница в построении RS- и Ж-триггеров?

23.Можно ли подавать на входы RS- и JX-триггеров одинаковые символы 1 и

0?

24.Как образовать D- и Т-триггеры из Ж-триггера?

25.Сравните схемы триггеров на рис. 7.17 и 7.25 и укажите разницу в пх построении.

26.Зачем нужны на рис. 7.23 связи с выхода элемента / на вход элемента IV и с выхода элемента // на вход элемента ///?

с элемента И, что происходит лишь в такте 8, когда с выходов Q2 и Q3 снимаются сигналы 1. До этого момента с элемента И на вход J поступает сигнал 0. Поэтому, как следует из таблицы на рис. 7.22, г, если С = 1 (здесь Qi = 1), J = 0 и К= 1, то Q4 = 0, т. е. триггер не переключается. Триггер Т4 переключается лишь в момент окончания восьмого тактового импульса при Qi = I (переход 1/0), J = 1, К= 1 и на выходе Q4 возникает сигнал 1, который поступает на триггер младшего разряда в следующей декаде. Заметим, что такое же сочетание сигналов на входах триггера Т\ могло бы возникнуть и в момент окончания шестого тактового импульса. Однако ввиду задержек, возникающих при переключении триггера Т2 (задержка е) и открывании элемента И (задержка d), импульс Q\ успевает закончиться до поступления сигнала 1 с элемента И. В то же время задержки по окончании импульсов (/, m и п) с выходов Q2, Q3 и элемента И обеспечивают указанное сочетание потенциалов и триггер Ti переключается (на рисунке задержки несколько завышены).

После девятого тактового импульса на выходах триггеров образуется кодовая комбинация 1001. Десятый тактовый импульс переключает триггер 7) в состояние 0, но триггер Т2 при этом не изменяет своего состояния, так как на его вход J подан сигнал 0 с инверсного выхода триггера Т4. Триггер Т4 переключится в состояние 0 также в десятом такте в момент окончания импульса на выходе Qi, так как J = 0 и К—1. Переключение триггера младшего разряда следующей декады счетчика происходит в момент окончания импульса на выходе Q4 (переход 1/0). Таким образом, после десятого тактового импульса на выходах счетчика младшей декады возникают одни нули, а на выходах старшей декады — комбинация 0001.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение дешифратора 2. Начертите схему линейного дешифратора, поменяв местами на рис. 8 4 входы, т.

е.на элемент HEi подайте вход 2' а на элемент НЕг — вход 2°

3.Проследите выбор комбинации 1001 в каскадном дешифраторе.

4.В чем преимущество прямоугольного дешифратора по сравнению с другими типами дешифраторов?

5.Проследите дешифрацию комбинации 1001 по схеме рис. 8.4 и объясните назначение элемента XVIII.

6.Дайте определение шифратора.

переключит все триггеры (см. рис. 8.8) ? Объясните, как это происходит. 9. В чем разница между асинхронным и синхронным счетчиками?

10.Чем определяется не одновременность переключения триггеров в синхронном счетчике?

11.Проследите, как происходит возникновение на выходах счетчика (см. рис. 8.10) комбинации 0101 вместо ОНО.

12.Объясните принцип построения двоично-десятичного счетчика и временпую диаграмму его работы (см. рис. 8.11).