Характеристики и свойства дискретных элементов автоматики

Лекция 2.

 

 

Дискретные элементы имеют релейную характеристику, представляющую собой петлю гистерезиса. На рис. 2 представлена релейная характеристика дискретного элемента - повторителя.

 

Рис. 2

 

При значении входного сигнала х равного значению х₁, соответствующего минимальному уровню логической 1, выходной сигнал у принимает также единичное значение у₁. При снижении входного сигнала до значения х₀, соответствующего максимальному уровню логического 0, выходной сигнал дискретного элемента тоже принимает нулевое значение у₀.

Таким образом, входной сигнал х₀ характеризует порог выключения дискретного элемента, а входной сигнал х₁ – порог срабатывания элемента.

Ширина петли гистерезиса определяется разностью значений (х₁ - х₀) или отношением (х₀ / х₀), которое называется коэффициентом возврата К_в дискретного элемента. Чем уже петля гистерезиса или чем ближе стремится К_в к 1, тем меньше отличаются друг от друга значения лог. 1 и лог. 0 и тем сильнее на работоспособность дискретного логического элемента влияют колебания напряжения, изменения электрических параметров самого элемента.

При последовательном соединении логических элементов ЛЭ (рис. 3) выходной сигнал предшествующего элемента является входным сигналом последующего элемента. Поэтому для обеспечения правильной работы реальных элементов, необходимо, чтобы обеспечивалось выполнение следующего требования:

у₀ ≤ х₀; у₁ ≥ х₁ .

 

Рис. 3

 

 

Переход элемента из одного состояния в другое может происходить мгновенно или с некоторой задержкой τ во времени, рис. 4.

 

Рис. 4

 

На рис. 4 представлена временная диаграмма дискретного логического элемента, который реагирует на уровень входного сигнала с задержкой τ. На рис. 5 представлены временные диаграммы дискретного элемента, который реагирует только либо на переход х₀ → х₁ (рис. 5, а), либо на переход х₁ → х₀ (рис. 5, б), т.е. этот логический элемент как бы сохраняет свое новое состояние между двумя одноименными переходами. Такой дискретный элемент, который способен сохранять свое новое состояние после прекращения действия входного сигнала, вызвавшего переход в это состояние, называется элементом памяти.

 

Рис. 5

 

Релейная характеристика элемента памяти может быть представлена в следующем виде, рис. 6.

Рис. 6

 

При подача на вход элемента памяти входного сигнала х₁ элемент переходит из нулевого состояния у₀ в единичное состояние у₁. При снятии входного сигнала (х = 0) элемент памяти сохраняет единичное состояние. При подаче входного сигнала противоположной полярности х₀ , соответствующего логическому нулю, элемент памяти переходит в нулевое состояние, которое он сохраняет при х = 0.

В общем случае дискретный элемент может иметь несколько входов (n), на которые поступают дискретные входные сигналы х₁, х₂, … , х_n, и несколько выходов (m), на которых появляются выходные сигналы у₁, у₂, … , у_m. Такой элемент, представленный на рис. 7, представляет собой дискретный автомат.

 

Рис. 7

 

Если в каждый момент времени выходные сигналы Y (у₁, у₂, … , у_m) однозначно определяются только значениями входных сигналов Х (х₁, х₂, … , х_n), т.е. Y(t) = F [X(t)], то такой автомат является дискретным автоматом без памяти, который часто называют комбинационным автоматом (устройством). Таким образом, в автомате без памяти каждой комбинации значений входных сигналов в любой момент времени соответствует строго определенная комбинация значений выходных сигналов.

Если выходные сигналы Y зависят от последовательности поступления во времени входных сигналов Х, то такой автомат называют дискретным автоматом с памятью или последовательностным автоматом. Этот автомат запоминает предысторию поступления входных сигналов путем перехода его в соответствующее внутреннее состояние S, формируемое элементами памяти.

Если число состояний автомата конечно S₁, S₂, … , S_r, то такой автомат иногда называют конечным автоматом, для формализованного описания функционирования которого достаточно использовать две следующие функции:

функцию переходов, которая определяет состояние, в которое перейдет автомат из того или иного предыдущего состояния под воздействием входных сигналов, действующих в данный момент времени: S(t + 1) = F [X(t), S(t)];

функцию выходов, которая определяет значения выходных сигналов в зависимости только от текущего состояния автомата (для автомата Мура: Y(t) = F [S(t)]) или в зависимости как от текущего состояния автомата, так и от значения входных переменных в данный момент времени (для автомата Мили: Y(t) = F [X(t), S(t)]).

При наличии “n” двоичных элементов памяти, имеющих только два состояния, конечное число N состояний автомата с памятью равно N = 2ⁿ.

Функционирование конечного автомата, т.е. изменение состояния его входов, выходов и памяти, осуществляется в дискретные моменты времени t0, t1, t2, … , интервалы между которыми называют тактами и нумеруют числами натурального ряда: 0, 1, 2, … . Таким образом, переменной величиной является не само время, а порядковые номера тактов.

По способу определения дискретных моментов времени автоматы разделяют на асинхронные и синхронные. В синхронных автоматах дискретные моменты времени задаются синхронизирующими (тактовыми) импульсами, которые вырабатываются специальными генераторами. В синхронных автоматах состояния входов, выходов и памяти учитываются только в моменты поступления синхроимпульсов, при этом смена состояний элементов памяти автомата происходит только после окончания тактового импульса в интервале и должна завершиться до момента поступления следующего синхроимпульса.

В асинхронном автомате дискретные моменты времени определяются моментами изменения состояний входа или памяти, а длительности тактов – интервалами времени, в течение которых состояние автомата не меняется. Примером асинхронного автомата может служить пульс-пара или мультивибратор.

Конечные автоматы относятся к дискретным устройствам с жесткой логикой (последовательностью) работы.

При большом числе элементов памяти в автомате число возможных состояний автомата становится таким огромным, что применить для описания его функционирования упомянутые выше функции становится практически невозможно (например, в простейшей электронной вычислительной машине число элементов памяти может достигать тысячи и более, что соответствует числу возможных состояний 2¹⁰⁰⁰ и более. Такие автоматы называют автоматами с бесконечной памятью, к ним относятся программируемые дискретные устройства (устройства с программируемой логикой), алгоритм функционирования которых задается в виде последовательности команд, определяющих какое-либо действие над объектами операций (операндами).

Такая упорядоченная совокупность команд, которая однозначно описывает заданный алгоритм функционирования дискретного устройства, называется программой. Программы хранятся в запоминающем устройстве (ЗУ команд), в котором для каждой команды, представленной в виде двоичного числа, выделяется своя ячейка с элементами памяти, число которых зависит от длины числа.

Чтение записи каждой ячейки ЗУ команд и выполнение команд программы осуществляет универсальное дискретное устройство – процессор, который выполняет в каждый момент времени (такт) только одну из операций над операндами, хранящимися в другом ЗУ (ЗУ данных).

Процессор вырабатывает сигнал на считывание из ЗУ команд очередной команды K_i, которая содержит код операции (КОП), номера (адреса) А₁ и А₂ ячеек ЗУ данных хранящих соответственно операнды О₁ и О₂ команды K_i, адрес А₃ ячейки ЗУ данных, в которую следует записать результат О₃ выполнения операции, и адрес следующей команды K_i+1 в ЗУ команд, которая должна выполняться после команды K_i.

Дискретные элементы обладают свойством направленности, которое заключается в том, что передача сигналов возможна только от входа к выходу, поэтому значения входов и состояний автомата не зависят от выходных сигналов.

Дискретные элементы обладают также свойством разделительности входов и выходов, которое заключается в том, что сигнал, поступивший на один из входов (выходов) элемента, не вызовет появления сигнала на других его входах (выходах).

Все дискретные элементы автоматики и телемеханики можно разделить на два основных класса: контактные и бесконтактные элементы.

 

Контактные дискретные элементы

 

Наиболее распространенным контактным дискретным элементом является электромагнитное реле, которые подразделяются на реле постоянного и переменного тока. Реле постоянного тока подразделяются по принципу действия на нейтральные реле, поляризованные реле и комбинированные реле.

На рис. 8 представлен упрощенный вид конструкции нейтрального реле, которое состоит из следующих элементов:

Сердечника 1 с намотанной на него катушкой 2, при протекании по которой постоянного тока создается магнитный поток, который замыкается через ярмо 3 и якорь 4. В результате этого на концах сердечника и якоря создаются магнитные полюса противоположной полярности, которые, взаимодействуя друг с другом, вызывают движение якоря к полюсному наконечнику сердечника.

 

 

Рис. 8

 

Катушка 1 воспринимает входной сигнал х в виде тока или напряжения. Якорь 4 является промежуточным звеном, который передает воздействие от воспринимающего органа к исполнительному, в качестве которого служит контактная система 5, состоящая из группы контактов, одни из которых размыкают электрическую цепь (аналог лог. 0), а другие замыкают (аналог лог. 1).

Фронтовой или нормально-разомкнутый контакт (ф) при отсутствии питания (х = 0) разомкнут (у = 0), рис. 9, а. При наличии питания (х = 1) якорь притягивается, в результате чего общий контакт (о) размыкается с нижним контактом (т) и замыкается с верхним фронтовым контактом (у = 1), рис. 9, б.

 

Рис. 9

 

Тыловой или нормально-разомкнутый контакт (т) при отсутствии питания (х = 0) замкнут с общим контактом ( ), рис. 9, в. При наличии питания (х = 1) тыловой контакт разомкнут ( ), рис. 9, г.

Из сказанного следует, что пара контактов (ф - о) реализует логическую функцию повторения (у = х), а пара контактов (т – о) реализует функцию отрицания (у = ).

В релейных схемах за переменную у принимают состояние реле: возбужденному состоянию реле при притянутом якоре соответствует значение переменной у = 1, обесточенному состоянию реле при отпущенном якоре соответствует у = 0. Обозначим логическую функцию, реализуемую фронтовым контактом, как у_ф, а тыловым контактом, как у_т.

Для пары контактов (о – ф) значение функции у_ф совпадает с состоянием реле у, т.е. у_ф = у. Для пары контактов (о – т) значение функции у_т инверсно (противоположно) по отношению к состоянию реле у, т.е. у_т = . Таким образом, реле может формировать два выходных сигнала: у и , инверсных по отношению друг к другу.

В ответственных устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики, связанных с обеспечением безопасности движения поездов, применяют так называемые безопасные реле (реле первого класса надежности), особенность конструктивного исполнения которых заключается в том, что они не допускают таких отказов, при которых в один и тот же момент может иметь место одно из следующих соотношений:

1) у_ф = у_т = 1 (одновременно замкнуты с общим контактом фронтовой и тыловой контакты);

2) у = 0; у_ф = 1 (при обесточенном состоянии реле пара контактов (о – ф) осталась замкнутой);

3) х = 0; у = 1 (при обесточенном реле его якорь находится в притянутом состоянии).

Залипание якоря реле происходит за счет наличия остаточного намагничивания сердечника при снятии напряжения с обмотки реле. В обычных (не первого класса) реле на якоре крепится антимагнитный штифт 6 (см. рис. 8), который увеличивает воздушный зазор между сердечником и притянутым якорем, уменьшая тем самым воздействие остаточной намагниченности. Дополнительно к этому, чтобы преодолеть остаточные силы притяжения при выключении питания реле на якорь воздействует специально установленная пружина, предварительно сжатая при притяжении якоря. Однако в случае выхода из строя пружины веса якоря может не хватить, чтобы преодолеть силы остаточной намагниченности и якорь залипает. Чтобы исключить такую возможность в безопасных реле якорь утяжеляют дополнительным весом таким образом, что при отсутствии питания якорь отпадает только под собственным весом без использования пружин.

Залипание пары контактов (о – ф) при обесточенном состоянии реле и отпавшем якоре происходит в результате сваривания контактов от искрового разряда, возникающего при размыкании цепи (особенно с индуктивной нагрузкой). В реле первого класса надежности сваривание фронтовых контактов с общим контактом исключается за счет использования для их изготовления специальных жаропрочных материалов (пары уголь-серебро).

Одновременное замыкание всех трех контактов (ф – о – т) происходит из-за разрегулировки со временем контактов (изменения межконтактных расстояний). В безопасных реле конструкция контактной системы выполнена таким образом, что исключает возможность замыкания фронтовых контактов, пока не разомкнутся все тыловые контакты, и наоборот.

В поляризованных реле положение якоря зависит от полярности постоянного тока, протекаемого по обмотке реле. Эти реле в отличие от нейтральных реле имеют две магнитные системы. Одна магнитная система образована постоянным магнитом и формирует магнитный поток Ф₌ одного направления. Вторая магнитная система представляет собой электромагнит, создающий магнитное поле Ф_п разного направления в зависимости от полярности питания катушки электромагнита.

Конструктивно поляризованное реле выполнено таким образом, что с одной стороны якоря магнитные потоки складываются (Ф₌ + Ф_п), а с другой – вычитаются (Ф₌ - Ф_п), в результате чего якорь перемещается в ту сторону, где суммарный магнитный поток больше. При смене полярности суммарные потоки меняются местами и якорь переводится в другую сторону, рис. 10.

 

Рис. 10

 

Общий контакт (о) крепится к якорю и в зависимости от полярности замыкает плюсовой контакт (+ при прямой полярности, рис. 10, а) или минусовой контакт (- при обратной полярности, рис. 10, б). При нейтральной регулировке поляризованное реле выполняет функции элемента памяти, так при снятии напряжения якорь остается в прежнем переведенном состоянии. При регулировке с преобладанием поляризованное реле выполняет функции логического элемента без памяти, так как при снятии напряжения возвращается в прежнее исходное положение.

В устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики широко используются комбинированные (трехпозиционные) реле, совмещающие в себе функции нейтрального и поляризованного реле. Первая позиция соответствует выключенному реле и отпавшему нейтральному якорю, вторая и третья позиции соответствуют включенному реле, притянутому нейтральному якорю и одному из двух возможных положений поляризованного якоря.

 

Бесконтактные дискретные элементы.

 

В электронных устройствах автоматики в качестве бесконтактных дискретных элементов используются, как правило, транзисторы, работающие в режиме переключения (режиме транзисторного ключа). Как известно, транзистор в режиме переключения имеет два состояния:

закрытое, при котором сопротивление перехода между эмиттером и коллектором имеет максимальное значение;

открытое, при котором сопротивление перехода эмиттер-коллектор насыщенного транзистора имеет минимальное значение.

Входной и выходной сигналы бесконтактного дискретного элемента, реализованного на транзисторе с проводимостью n-p-n, принимает единичное значение при положительной полярности этих сигналов, что соответствует применению положительной логики.

При включении транзистора по схеме с общим эмиттером дискретный элемент представляет собой инвертор входного сигнала, реализующий логическую функцию отрицания у = , рис. 11, а. Положительный импульс напряжения на входе транзистора (переходе эмиттер-база), соответствующий лог. 1, открывает транзистор, в результате чего на переходе коллектор-эмиттер, имеющем малое сопротивление по сравнению с сопротивлением резистора R_к, при протекании коллекторного тока падает малое напряжение, которое принимается за лог. 0.

 

Рис. 11

 

При включении транзистора по схеме с общим коллектором дискретный элемент представляет собой повторитель входного сигнала, реализующий логическую функцию у = х, рис. 11, б. Положительный импульс напряжения открывает транзистор, в результате чего на сопротивлении R_э в цепи эмиттера падает напряжение, практически равное напряжению на входе.

Современные бесконтактные дискретные элементы реализуются исключительно в виде интегральных микросхем. Наибольшее распространение получили микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и схемы на МОП (металл-окисел-полупроводник) – структурах.

Серией интегральных микросхем называют группу микросхем, выполненных по одинаковой или близкой технологии, имеющих сходные технические характеристики и предназначенные для совместной работы в составе дискретных устройств.

 

Задачи для самостоятельного решения

 

1. Сколько внутренних состояний имеет конечный автомат при наличии четырех двоичных элементов памяти. Ответ: 16.

2. Сколько элементов памяти необходимо иметь конечному автомату для кодирования 32 внутренних состояний. Ответ: 5.

3. Чему равен коэффициент возврата электромагнитного реле, если его срабатывание происходит при токе, равном 30 мА, а выключение - при токе, равном 10 мА. Ответ: 0,33.

4. Чему должно быть равно минимальное значение лог.1, если при максимальном значении лог.0, равном 0,5В, ширина петли гистерезиса дискретного элемента должна составлять 4,5 В. Ответ: 5В.