10.22. Логические элементы

Для своевременного подключения и отключения необходимого оборудования в целях поддержания режимов технологических процессов необходимо принимать те или иные решения в зависимости от конкретных условий.

Если наличие или отсутствие каждого условия отождествить с напряжением электрического сигнала различного уровня, то принятие решения можно осуществить при помощи цифровых устройств на основе логических элементов. Такие устройства реализуют логическое преобразование совокупности сигналов об условиях работы в совокупность сигналов управления технологическим процессом.

В зависимости от схемотехнической реализации логических элементов сигналы на их входах и выходах имеют либо отличное от нуля напряжение (положительное или отрицательное), либо напряжение, близкое к нулю, которые принято условно отождествлять с логической единицей и нулем. При этом работу логического элемента можно описать зависимостью логического значения выходного сигнала F от совокупности логических значений входных сигналов x. Такую зависимость принято представлять таблицей истинности.

Можно доказать, что для любых логических преобразований достаточно иметь три элементарных логических элемента, выполняющих операции: логическое отрицание (логическое НЕ), логическое cложение (логическое ИЛИ) и логическое умножение (логическое И).

Логический элемент НЕ (инвертор) реализует логическую функцию

????????

элемент ИЛИ (дизъюнктор) на два входа

F = x₁ + x₂ или F = x₁Ъx₂, элемент И (конъюнктор) на два входа

F = x₁x₂ или F = x₁ Щx₂.

Их условные обозначения, временные диаграммы работы и таблицы истинности приведены на рис. 10.99–10.101 соответственно.

На практике часто используется расширенный набор логических элементов. К ним относятся элементы: ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса), показанный на рис. 10.102, а и реализующий функцию

?????????

И-НЕ (штрих Шеффера), показанный на рис. 10.102. б и реализующий функцию

????????

импликация (рис. 10.102, в)

????????

запрет (рис. 10.102, г)

???????

равнозначность (рис. 10.102,д).

????????

По схемотехнической реализации различают серии элементов ДТЛ [диодно-транзисторная логика (рис. 10.103, а)], ТТЛ [транзисторно-транзисторная логика на биполярных транзисторах (рис. 10.103, б)], МДПТЛ [то же на МДП-транзисторах (рис. 10.103, в)], КМДПТЛ [то же на взаимодополняющих* или комплементарных МДП-транзисторах (рис. 10.103, г)], ТТЛШ (то же с транзисторами Шотки), ЭЛС [эмиттерно-связанная логика (рис. 10.103, д)] и И²Л (инжекционная логика) .

Рабочие свойства логических элементов определяет ряд параметров:

быстродействие — время задержки между сменой состояний входного и выходного сигналов (см. рис. 10.98, в);

нагрузочная способность или коэффициент разветвления — число входов, которые можно подключить к одному выходу;

помехоустойчивость — максимально допустимый уровень напряжения помехи, не вызывающий ложного переключения;

степень генерирования помех — интенсивность колебаний тока при переключении элементов;

мощность рассеяния — мощность потерь энергии в элементах.

В табл. 10.4 приведено ранжирование параметров логических элементов: ранг 1 соответствует наилучшему, ранг 10 — наихудшему значению параметра. Элементы ТТЛ имеют время задержки 10–30 нс, коэффициент разветвления по входу 2–8.

=====================================

* МДП-транзисторы с p— и n-каналами называется взаимодополняющими при таком их последовательном включении, что когда один из них находится в открытом состоянии, то другой будет в закрытом. Это уменьшает ток и мощность потерь.

Таблица 10.4. Ранг параметров логических элементов

Тип логического Быстродей- Мощность Разветвле- Помехо- Сгепень re-элемента ствие рассеяния ние по вы- устойчи- нерирования ходу вость помех

ДТЛ 7 6 5 9 2 ТТЛ 3 6 5 5 9 МДПТЛ 10 2 2 3 2 КМДПТЛ 9 1 1 1 2 ТТЛШ 2 8 5 5 9 И²Л 5 4 5 5 2 ЭСЛ 1 10 2 4 1

===================================================