Логическими элементами (ЛЭ) называются цифровые устройства, реализующие логические функции

Основи дискретної автоматики,

Мікропроцесорної техніки та програмування.

(Конспект лекцій)

За програмою підготовки молодших спеціалістів за спеціальністю 5.05050202

«Обслуговування верстатів з програмним управлінням

і робототехнічних комплексів».

 

(денної форми навчання)

 

 

Рекомендовано

цикловою комісією

професійних дисциплін

спеціальності 5.05050202

 

Протокол №___

від «___»______2012 р.

 

Голова комісії

_________ П.Д. Вороненко

 

Конспект лекцій розроблено на основі освітньо-професійної програми, робочого навчального плану для спеціальності 5.05050202 та навчальної програми дисципліни «Основи дискретної автоматики, мікропроцесорної техніки та програмування».

 

Конспект лекцій розробив

 

викладач вищої категорії ____________ Кравцов В.В.

 

РАЗДЕЛ 1. Основы микросхемотехники дискретной автоматики.

 

ВСТУПЛЕНИЕ: Цель и задачи предмета «Основы дискретной автоматики, микропроцессорной техники и программирования». Краткий исторический обзор развития вычислительной техники и её применение в автоматизации технологических процессов на производстве. Перспективы развития средств дискретной автоматики и интегральной микросхемотехники.

ТЕМА 1.1. Функциональные узлы логических устройств

ЗАНЯТИЕ 1.1.1 Назначение, общие характеристики, классификация…

ВОПРОСЫ ЗАНЯТИЯ:

1. Цель и задачи предмета, его связь с другими предметами, место в процессе подготовки техника-электромеханика. Краткая история и перспективы развития микропроцессорной техники дискретной автоматики.

2. Назначение, общие характеристики, классификация интегральных логических элементов.

3. Cхемотехника интегральных логических элементов.

 

ПЕРВЫЙ ВОПРОС.

Дисциплина «Основы дискретной автоматики, микропроцессорной техники и программирования» предусматривает изучение схемотехнических основ дискретных (цифровых) узлов автоматики, вычислительных устройств, управляющих ЭВМ и микроЭВМ, запоминающих и периферийных устройств, организации обмена информацией в микроЭВМ и микропроцессорах.

Базовыми предметами для изучения данной дисциплины являются: математика, физика, теоретические основы электротехники, промышленная электроника, электрорадиоматериалы и электрические измерения.

Курс обеспечивает изучение дисциплины: «Устройство и наладка систем ЧПУ».

Отчетность: первый семестр изучения дисциплины – экзамен; в заключительном семестре – дифференцированный зачет.

Курс изучения дисциплины предусматривает выполнение 15 лабораторных работ и 7 практических занятий.

Развитие микропроцессорной техники началось сравнительно недавно. Первое сообщение о разработке микропроцессора I-4004 опубликовала фирма Intel в 1971 году.

Совершенствование технологии производства интегральных схем привело к тому, что за сравнительно небольшое время появились пять поколений микропроцессоров и в настоящее время ведутся разработки микропроцессоров шестого поколения, отличающихся своими техническими характеристиками:

первое – медленнодействующие (время выполнения команды 10…20 мкс.) четырёхразрядные микропроцессоры (МП), имеющие относительно ограниченный набор команд, объем памяти и видов адресации;

второе – четырёх - и восьмиразрядные МП со временем выполнения команд 2…5 мкс., расширенным набором команд, объёмом памяти и различными видами адресации. Эти МП проще в использовании, так как выпускаются комплектами (К589, К1804 и т.д.) совместимые и взаимно дополняющие друг друга БИС;

третье – быстродействующие (время выполнения команды 100…300 нс.) секционированные МП, выполняемые с использованием биполярной технологии и микропрограммным принципом управления, а также 16-разрядные процессоры и спецпроцессоры;

четвёртое – однокристальные микроЭВМ с встроенными портами ввода-вывода и запоминающими устройствами, 32-разрядные микропроцессоры;

пятое – 64-разрядные однокристальные процессоры, на одном кристалле более 300 млн. транзисторов, изготовленных по нанотехнологии, а также началось внедрение двуядерных процессоров.

В настоящее время микропроцессоры и изготовленные на их базе микроЭВМ присутствуют практически во всех областях деятельности человека.

Основные причины широкого внедрения микропроцессорной техники:

Ø использование в микропроцессорных системах (МПС) цифрового способа представления информации, позволяющего значительно повысить помехоустойчивость создаваемых на их базе устройств, обеспечить простоту передачи и обработки информации без потерь и долговременное её хранение;

Ø применение программного способа обработки информации;

Ø компактность, высокая надёжность и низкая потребляемая мощность МПС, обеспечивающие возможность расположения управляющих устройств в непосредственной близости от управляемого объекта;

Ø относительно низкая стоимость МПС и высокая степень их эффективность.

В настоящее время устройства ЧПУ стоятся по структуре ЭВМ, чаще на базе серийных микроЭВМ (например, «Электроника 60») такие как «2Р22», «Контур-1», «2Р32» и ряд других, могут строиться и на базе специализированных микроЭВМ такие как «Электроника НЦ-31». Это позволяет применять универсальные блоки для построения УЧПУ, что в свою очередь позволяет изменять характер связи между ними по программе. Операции управления выполняются последовательно через центральный процессор. В составе блоков имеются оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства. Для такого рода устройств требуется специальное программно-математическое обеспечение. Такое построение устройств ЧПУ позволяет легко корректировать алгоритм работы, совершенствовать его по мере накопления статистической информации о качестве изготовления деталей.

В настоящее время наблюдается быстрое развитие станков с ЧПУ, в которых запись программы производится по первой детали. При обработке первой детали все данные вводятся в память ЧПУ.

Развивается новое направление – речевое управление станками с ЧПУ. Предполагается применение голосовых команд в сочетании с системой ЧПУ, имеющей запоминающее устройство, для управления лишь отдельными видами оборудования.

В связи с повышением требований к точностным параметрам деталей создаются адаптивные системы управления. Они служат для оптимизации процесса обработки и повышения точности обрабатываемых деталей.

Большие исследовательские работы ведутся в области адаптивно диагностического управления станками, когда в зависимости от состояния обрабатываемой детали автоматически выбирают оптимальные подачу и скорость резания, автоматически заменяется изношенный или поврежденный инструмент.

ВТОРОЙ ВОПРОС.

Цифровые устройства обеспечивают преобразование совокупности цифровых входных сигналов X в выходные сигналы Y. Для формирования цифровых выходных сигналов используются цифровые устройства двух классов:

1. Цифровые устройства (ЦУ), выходные сигналы Y, которых в некоторый момент времени t_n зависят только от совокупности (комбинации) сигналов Х, присутствующих на их входах в тот же момент времени t_n, и не зависят от входных сигналов, поступающих в предшествующие моменты времени. Такие ЦУ называют комбинационными (КЦУ), к ним относятся: логические элементы, шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, сумматоры, преобразователи кодов, схемы равнозначности кодов, схемы сравнения двоичных чисел, пороговые схемы и мажоритарные элементы.

2. ЦУ выходные сигналы Y, которых в момент времени t_n определяются не только комбинациями входных сигналов Х, воздействующих в тот же момент времени t_n , но и сигналами, поступающими на входы в предшествующие моменты времени. В составе таких ЦУ обязательно присутствуют элементы памяти, внутреннее состояние которых отражает предысторию поступления последовательности входных сигналов. Эти ЦУ принято называть последовательными (ПЦУ) или конечными автоматами. К ним относятся: триггеры, регистры, счетчики, распределители, запоминающие устройства.

 

Логическими элементами (ЛЭ) называются цифровые устройства, реализующие логические функции.

ЛЭ предназначены для логического преобразования информации, представляемой в виде двоичных чисел. Переменные величины и функции от них могут принимать значения «1» или «0» и соответственно называться логическими переменными и логическими функциями. ЛЭ реализуют логические функции (операции) и подразделяются на:

элементы, реализующие операцию логическое умножение – конъюнкцию (конъюнкторы, элементы И, схемы совпадения);

элементы, реализующие операцию логическое сложение – дизъюнкцию (дизъюнкторы, элементы ИЛИ, схемы собирания);

элементы, реализующие операцию логическое отрицание – инверсию (инверторы, элементы НЕ);

элементы, реализующие универсальные функции [универсальные элементы, элемент И-НЕ, (элемент Шеффера), элемент ИЛИ-НЕ (элемент Пирса)].

Функциональная схема ЛЭ состоит из трёх частей.

Первая – логическая – предназначена для выполнения заданной логической функции. Вторая – усилительная – производит усиление маломощных сигналов и совместно с третьей частью – формирующей или выходной – обеспечивает формирование потенциальных уровней или импульсных сигналов с электрическими характеристиками, соответствующими кодируемой информации на выходе элемента. Эти функции выполняются пассивными и активными элементами, входящими в состав ЛЭ. Некоторые из них осуществляют одновременно несколько функций.

Их можно классифицировать по следующим признакам.

По способу технического представления переменных величин: импульсные, импульсно-потенциальные, потенциальные (по постоянному току), динамические, фазовые.

Они отличаются друг от друга по длительности сигнала на входе и выходе, а также уровнями представления логической 1 и логического 0.

В потенциальных элементах длительность входных и выходных сигналов значительно больше длительности переходных процессов. Если в основу построения потенциальных элементов заложена положительная логика, то высокому уровню сигнала соответствует логическая «1», а низкому – логический «0». при отрицательной логике – наоборот. Потенциальные элементы соединяются между собой непосредственно (проводником) через резистор, диод, транзистор или комбинацией из перечисленных элементов.

В импульсных элементах – сигнал на выходе элемента существует только во время переходного процесса. Логическая «1» характеризуется наличием импульса, а логический «0» – его отсутствием. Элементы с импульсной связью соединяются между собой через конденсаторы или трансформаторы.

В импульсн-потенциальных элементах на входы подаются как потенциалы определенного уровня, так и электрические импульсы, причем входные сигналы, которые являются комбинациями логических 1 и 0 имеют, как правило, импульсный характер. Связь элементов осуществляется как при импульсной связи, так и как при потенциальной связи.

В динамических элементах логическая единица характеризуется серией импульсов, а логический ноль – их отсутствием или наоборот.

В фазовых элементах сигналы характеризуются гармонической функцией, например sin ωt. Логической 1 или 0 здесь соответствуют определенные фазы напряжения относительно опорной фазы.

 

По принципу передачи логического сигнала ЛЭ делятся на: синхронные и асинхронные.

Асинхронные ЛЭ – время прохождения сигнала от входа к выходу, определяется только переходными процессами, протекающими в ЛЭ, и не регламентируются из вне. Они работают без общего ритма, если не принять специальных схемотехнических решений для синхронизации системы в целом.

Синхронные ЛЭ – у которых время передачи сигнала от входа к выходу для всех одинаково и определяется внешними устройствами (генераторами тактовых импульсов). Время их работы определяется тактами.

Они делятся на одно- , двух- и многотактные. В однотактных все ЛЭ находятся в одинаковых условиях и при поступлении тактового импульса сигналы на выходах появляются одновременно. Время работы всех элементов одинаково и регламентируется частотой тактовых импульсов.

В двухтактных системах все логические элементы делятся на две группы, которые работают в разных тактах.

Если число тактов и соответствующее им число групп ЛЭ, работающих в разных тактах, больше двух, такие системы относятся к многотактным.

Синхронизация (тактирование) может осуществляться либо через определенный вход, либо по цепи питания.

По конструктивно-технологическому признаку ЛЭ делятся на две группы: на дискретных компонентах; интегральные микросхемы. Интегральные в свою очередь делятся на: гибридные, полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковые ЛЭ (как и все ИМС) по схемотехническому принципу делятся на:

A. Биполярные:

- с транзисторно – транзисторной логикой (ТТЛШ);

- транзисторная логика с эмиттерными связями (ЭСЛ);

B. Полевые:

- МОП – транзисторная логика (металл-оксид-полупроводник). К ним относятся: n-МОП (транзистор с каналом проводимости типа n), р-МОП (транзистор с каналом проводимости типа р); КМОП – комплементарные (транзистор с каналом проводимости обоих типов);

- интегрально – инжекционная логика (И²Л);

- МДП – транзисторная логика (металл-диэлектрик-полупроводник).