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 и .

Основными операциями алгебры логики являются:

1) логическое отрицание, инверсия, НЕ, например . Таб­лица истинности этой операции имеет вид

X Y

0 1

1 0

2) логическое сложение, ИЛИ: выходная величина Y принимает значение 1, если хотя бы одна из входных величин Х, равна 1, например, Y= Х1+Х2. Таблица истинности в этом случае выглядя; так:

X1 X2 Y

0 0 0

1 0 1

0 1 1

1 1 1

3) логическое умножение, И, когда выходная величина Y принимает значение 1, если все входные величины Х, равны 1, например Y = Х1 •Х2. Таблица истинности логического умножениям выглядит следующим образом:

X1 X2 Y

0 0 0

1 0 0

0 1 0

1 1 1

Логические схемы можно построить 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. 3.41 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 Х и один размыкающий контакт реле Y: при наличии входного напряжения на реле Х1 (значение 1) контакт Х1 замкнется, что вызовет: срабатывание реле Y и размыкание контакта Y (значение 0).

При отсутствии входного напряжения (0) контакт Х1 будет ра­зомкнут, реле Y обесточено и контакт Y замкнут (1). В схеме элемента НЕ на транзисторе при наличии входного напряжения U_вх (1) транзистор открыт, выходное напряжение будет низким (0). При отсутствии входного напряжения транзистор заперт, напряжение на выходе будет высоким, практически равным напряжению пи­тания Е(1).

Элемент ИЛИ на реле можно представить двумя замыкающими контактами, соединенными параллельно. При замыкании первого Х1 или второго X2 или обоих контактов сработает реле Y 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 Е(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 У.

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. 3.41 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. 3.41 приведены реализации триггера - элемента па­мяти, сохраняющего установленное на нем логическое значение, В схеме на реле при кратковременном замыкании контакта Х, пой­дет импульс тока через реле Y, что вызовет замыкание контакта У, делающего ток через реле Y постоянным, т. е. схема хранит зна­чение 1. При размыкании контакта X2 ток через катушку реле 1 прекращается и контакты Y размыкаются, т. е. элемент хранит зна­чение 0. При замыкании контакта Х2 ток через реле Y не 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, 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 X2 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.