Применение электронных средств для тепловой обработки материалов. Цифровые логические переключатели

ЛЕКЦИЯ 3

В последние годы значение цифровой техники все более и более возрастает. Причина этого заключается в значительных преимуще­ствах цифровой техники, при создании сложных систем для термообработки.

Сигналы в таких системах описывают физические величины, такие как температура, давление, силу, напряжение, ток т. д. Амплитуды таких величин в зависимости от хода технологического процесса изменяются во времени. Следует различать дискретные во времени сигналы и непрерывные во времени сиг­налы. Дискретные во времени сигналы могут изменять свою ам­плитуду только в определенные моменты времени, в то время как непрерывные во времени сигналы могут изменять свою амплитуду непрерывно.

Системы, которые могут обрабатывать непрерывные по величи­не сигналы, называются аналоговыми системами.

Цифровые сигналы могут принимать только определенные дискретные значения в фиксированные моменты вре­мени. Примером цифрового сигнала является сигнал, который с по­мощью двух различных уровней напряжения показывает, закрыта или открыта дверь термопечи. Подобные сигналы могут непосредственно об­рабатываться цифровыми системами.

В том случае, если сигналы с непрерывной величиной должны пе­редаваться цифровыми системами, эти сигналы должны быть пред­варительно квантизированы. В соответствии с данным процессом, с определенными временными точками (точками считывания) со­отнесена амплитуда сигнала дискретной амплитудной ступени.

Цифровые системы могут быть дискретными во времени, в этом случае их называют синхронными. Синхронизация осуществляется с помощью тактового сигнала.

Благодаря ограничению в использовании конечного числа ам­плитудных ступеней, цифровая система обладает высокой помехоза­щищенностью. Подвергнувшиеся воздействию помех цифровые сиг­налы могут быть однозначно приведены к первоначальным дискрет­ным амплитудным значениям. Но, чтобы не возникла ошибка, по­меха не должна превышать половину расстояния между двумя ам­плитудными ступенями.

Цифровые системы имеют ряд преимуществ перед аналоговыми системами:

При использовании цифровых сигналов не происходит воспро­изведения их искажений, благодаря чему появляется возмож­ность реализации систем любой степени сложности, например, микропроцессоров. Это свойство цифровых систем определяет их превосходство и при передаче на большие расстояния.

Цифровые системы сравнительно легко проектировать, посколь­ку способ их описания представляющий собой булеву алге­бру — аппарат очень удобный для автоматизации. Сегодня разработка сложных цифровых систем автоматизирована по­средством применения высокопроизводительных алгоритмов.

В цифровой технике коды используются для того, чтобы оптималь­но представить сигнал для какого-либо случая применения. Код ­ ото­бражает символы одного множества через символы второго множе­ства. При этом должна существовать возможность декодирования, чтобы из кодированных символов можно было получить исходные символы.

Двоичный код является важнейшим кодом в цифровых системах, по­скольку он является универсальным. Благодаря ограничению, в со­ответствии с которым применяются только символы 1 и 0, стано­вится возможной обработка сигналов с помощью схемных элемен­тов, работающих как переключатели. Двоичный код позволяет так­же пользоваться арифметикой, аналогичной арифметике десятич­ных систем. Двоичную систему счисления можно рассматривать как кодирование десятичной системы.

На практике наряду с двоичным кодом внедрился шестнадцатерич­ный код, поскольку он обеспечивает лучшее обозрение длинных дво­ичных чисел. Шестнадцать шестнадцатеричных цифр определены в табл. 1 Шестнадцатеричные цифры больше девяти представлены буквами A-F. Для преобразования двоичных в шестнадцатеричные числа объединяют по четыре цифры двоичного числа, которые ин­терпретируются как шестнадцатеричный разряд. Благодаря этому шестнадцатеричное число занимает только четверть разрядов, за­нимаемых двоичным числом одинаковой величины.

Таблица 1. Шестнадцатеричные числа.

десятичные	двоичные	шестнадца­теричные	десятичные	двоичные	шестнадца­теричные
					А
					В
					С
					D
					Е
					F

Реальная система управления тепловым процессом отличается от идеа­лизированной системы в следующем:

реальная система характеризуется непрерывным сигналом. Тех­нические системы по природе своей имеют допуски и на них накладываются помехи, создаваемые такими статистическими процессами, как шумы. Вследствие этого невозможна генера­ция сигналов, которые принимали бы строго два амплитудных значения.

переходы от значения 0 к значению 1 происходят в реальных системах плавно. Фронты импульса описываются временем на­растания и временем спада.

выходной сигнал реагирует на входной сигнал с задержкой во времени.

Этот и приведенный в последнем пункте эффек­ты являются следствием конечной скорости реакции реальных компонентов. Система на основе цифровой техники выполняется таким обра­зом, чтобы она работала как система с дискретными значениями сигналов до тех пор, пока фактический сигнал (пр.температура) изменяется внутри заданных амплитудных и временных границ.

ДТЛ-схемы реализуются на диодах и транзисторах. Конечно, дополнитель­но применяются и сопротивления. Термин ДТЛ произошел от английского «Diode Transistor Logic» и переводится как «диодно-транзисторная логика». Схемы этого семейства сначала строились на отдельных элементах, а затем в виде тонкопленочных и толстопленочных (интегральных) микросхем. В настоящее время они производятся почти исключительно в виде монолитных микросхем.

В TTJI-схемах имеются элементы с так называемым «открытым коллек­тором». В этих элементах отсутствует сопротивление коллектора. Вывод коллектора подключен к выводу на корпусе элемента.

При синтезе схем следует правильно подбирать сопротивление коллек­тора. Элементы с открытым коллектором предназначены для проводных операций.

Можно соединить открытые коллекторы нескольких элементов вместе и затем общую точку соединить с источником питания. Величи­на совместного сопротивления выбирается согласно рекомендациям про­изводителя. При этом большое значение имеет число совместно подклю­ченных элементов.

В цифровых логических переключательных схемах в устройствах термообработки транзисторы ис­пользуются как переключатели. Их задача заключается в том, что­бы замыкать или размыкать цепь для протекания тока. Поэтому в идеальном случае они должны переключаться из положения корот­кого замыкания во включенном состоянии, в положение с бесконечно большим сопротивлением в выключенном состоянии. Однако реальные транзисторы выполняют эти задачи неполно.

Существуют следующие технологии логических переключательных схем. Наиболее часто применяемой технологией логических переключа­тельных схем является КМОП-технология (комплиментар­ная структура металл-окисел-полупроводник).

Под нагрузочной способностью понимают коэффициент разветвления на выходе логического элемента, то есть количество вентилей, подсоединяемых к выходу. Как правило, к выходу одного вентиля подключается несколько входов других вентилей. К стан­дартному КМОП-вентилю может быть подключено большое число (например, 50) входов стандартных вентилей, что является след­ствием чисто емкостного характера входа КМОП вентиля. При опи­сании говорят, что КМОП-вентиль имеет коэффициент нагрузки по выходу например 50. Но при такой емкостной нагрузке выхода повышается время переключения.

Дата добавления: 2014-12-10