Цифровые устройства и микропроцессоры в автоматизированном электроприводе

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





Г.М. СИМАКОВ, Ю.В. ПАНКРАЦ



ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ В АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ


Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия






НОВОСИБИРСК

2013

УДК 621.34-52 + 004.31-181.48](075.8)
     С 37

Рецензенты: д-р техн. наук, профессор В.Н Аносов канд. техн. наук, доцент Б. М. Боченков

Работа подготовлена на кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок

     Симаков Г.М.
С 37 Цифровые устройства и микропроцессоры в автоматизированном электроприводе: учеб. пособие / Г.М. Симаков, Ю.В. Панкрац. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. -211 с.
         ISBN 978-5-7782-2210-6
         В учебном пособии рассматриваются типовые цифровые устройства, применяемые в автоматизированном электроприводе. Излагается общий подход к синтезу дискретных элементов автоматизированного электропривода с помощью аппарата алгебры логики. Изучаются стандартные блоки цифровой автоматики: регистры, счетчики, шифраторы, дешифраторы, распределители импульсов. Приводятся варианты построения аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, описывается применение цифровых интегральных схем в импульсных цепях. Изложена методика перевода релейно-контактных схем на цифровую интегральную схемотехнику, приведен пример построения цифрового транзисторного электропривода постоянного тока с использованием стандартных цифровых устройств. Учебное пособие является также вводным курсом по микропроцессорам и микропроцессорным системам в автоматизированном электроприводе.


Предназначено для магистров направления 140600 -Электротехника, электромеханика и электротехнология




ISBN 978-5-7782-2210-6

УДК 621.34-52 + 004.31-181.48](075.8)

© Симаков Г.М., Панкрац Ю.В., 2013 © Новосибирский государственный технический университет, 2013

ПРЕДИСЛОВИЕ

   Сегодня развитие автоматизированного электропривода невозможно без применения микроэлектронных устройств на основе интегральных микросхем различной степени интеграции. Все современные автоматизированные электроприводы выпускаются с использованием цифровых интегральных микросхем в качестве элементной базы. Достоинствами интегральных микросхем являются высокая надежность при широких функциональных возможностях, малые габаритные размеры, экономное энергопотребление и сравнительно невысокая стоимость.
   Постоянно совершенствуемая и обновляемая микроэлектронная элементная база позволяет существенно повысить такие технические характеристики электропривода, как точность, быстродействие, надежность и массогабаритные показатели.
   По интегральной электронике опубликовано немало работ. Однако эти книги и учебники изданы, за небольшим исключением, более десяти лет назад. В то же время потребность в такой литературе у студентов технических вузов и инженеров, интересующихся электроникой, по-прежнему высока. Потому так важно дополнить предыдущие издания. Материал данного пособия ориентирован на разработку и построение автоматизированного электропривода. В работе излагаются вопросы построения цифровых блоков, широко применяемых в автоматизированном электроприводе, рассматривается методика перевода релейно-контактных схем на бесконтактное управление, даются примеры синтеза блоков управления тиристорными преобразователями, приводится один из вариантов построения цифрового электропривода.
   В настоящем пособии обобщены материалы лекций, которые в течение ряда лет авторы читали студентам специальности 140600 -Электропривод и автоматика промышленных установок. В пособии сведена информация из ряда книжных публикаций. Глава 4 с соответ

3

ствующей переработкой взята из учебника И.М. Мышляевой «Цифровая схемотехника» (М.: Изд. центр «Академия», 2005. - 440 с.); разделы 1.1, 3.7, 3.8 заимствованы из учебного пособия Е.Л. Собакина «Цифровая схемотехника». Часть 1 (Томск: Изд-во ТПИ, 2002. -159 с.). В последней главе книги приводятся сведения, полученные в результате практической работы на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» НГТУ.
   Объем информации, изложенный в пособии, соответствует современному уровню подготовки студентов. В пособие кратко включено рассмотрение микропроцессоров и построение систем электропривода на базе микропроцессорных комплектов. В нем излагаются сведения, которые только готовят читателя к усвоению данного материала. Это своего рода первая, начальная ступень ознакомления с микропроцессорным электроприводом. Авторы считают, что изучение микропроцессоров представляет собой отдельную самостоятельную задачу.
   Настоящее пособие является переработкой ранее выпущенного учебного пособия «Цифровая схемотехника в автоматизированном электроприводе», изданного в НГТУ в 2007 г. В него вошли некоторые исправления и дополнения, полученные авторами в результате обсуждений. Все замечания и предложения по содержанию данного пособия будут с благодарностью приняты авторами. Адрес кафедры электропривода НГТУ: 630087, Новосибирск-87, проспект Карла Маркса, д. 20.

ГЛАВА 1





                ПРОСТЕЙШИЕ ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ





            1.1. Сравнительная оценка цифровых
            и аналоговых устройств микроэлектронной техники


     В автоматизированном электроприводе в настоящее время широко применяются как аналоговые, так и цифровые электронные устройства. Применяя аналоговые или цифровые устройства, нужно знать их достоинства и недостатки [17]. Предварительно дадим определения понятиям «аналоговые» и «цифровые» устройства.
   Аналоговым называется такое устройство, у которого все сигналы - входные, выходные и промежуточные (внутренние) - описываются непрерывными математическими функциями. Эти сигналы характеризуются бесконечным множеством значений по уровню (состояниям), хотя диапазон изменения значений непрерывного сигнала ограничен. Поэтому иногда такие устройства называют устройствами непрерывного действия.
   Дискретными устройствами, или устройствами дискретного действия, называют такие, у которых входные, выходные и промежуточные сигналы характеризуются счетным множеством значений по уровню и существованием в определенные интервалы времени. Такие сигналы можно отобразить в той или иной позиционной системе счисления (соответствующими цифрами). Например, в десятичной либо двоичной системе счисления. Двоичное представление сигналов нашло наибольшее применение в технике и в формальной логике при исчислении высказываний и при выводе умозаключений из нескольких посылок. Поэтому дискретные устройства называют логическими (по аналогии с формальной двоичной логикой) или цифровыми, принимая во внимание возможность описания их с помощью чисел позиционной системы счисления.


5

Недостатки технических средств аналоговой техники

   1.    Наличие дрейфа и шумов. Дрейф - это медленное изменение сигнала, обусловленное дискретной природой явлений, по отношению к заданному его значению. Например, для электрических сигналов дискретную природу протекания электрического тока обусловливают электроны и «дырки», являющиеся носителями электрических зарядов. Шумы - это случайные изменения сигнала, вызванные внешними или внутренними факторами, например температурой, давлением, напряженностью магнитного поля Земли и т. д.
   2.    Методологические трудности в определении понятий «равенство нулю» и «равенства аналоговых сигналов». И, как следствие, существование проблемы «обеспечения заданной точности (погрешности)» преобразований и передачи сигналов.
   3.    Возможность появления неустойчивых режимов работы и существование проблемы «обеспечения устойчивости» работы систем и устройств. Неустойчивый режим характеризуется возникновением в устройстве или системе незатухающих колебаний в изменении некоторых сигналов. В электронике это явление широко используется при построении генераторов импульсов и генераторов гармонических колебаний.
   4.    Технические трудности в реализации запоминающих устройств и устройств временной задержки аналоговых сигналов.
   5.    Недостаточный уровень интеграции аналоговых элементов и их универсальности.
   6.    Сравнительно малая дальность передачи аналоговых сигналов, обусловленная рассеянием энергии в линиях связи.
   7.    Сравнительно большое потребление энергии, так как аналоговые элементы работают на линейных участках их переходных характеристик и «потребляют» энергию в начальных (исходных) состояниях.

Достоинства технических средств аналоговой техники

   1.    Адекватность отображения физических процессов и закономерностей: и те и другие описываются непрерывными зависимостями. Это позволяет существенно упрощать принципиальные технические решения аналоговых устройств и систем.
   2.    Оперативность и простота изменения режимов работы: часто достаточно изменить сопротивление резистора или емкость конденса

6

тора, чтобы неустойчивый режим сменился на устойчивый, либо обеспечить заданный переходный процесс в устройстве.
   3.    Отсутствие необходимости в преобразовании аналоговых величин в дискретные. Эти преобразования сопровождаются погрешностью и определенной тратой времени.

Достоинства технических средств цифровой техники

   1.    Возможность программного управления, что увеличивает гибкость изменения структуры и алгоритма функционирования систем, позволяет упростить реализацию адаптивных законов управления.
   2.    Простота обеспечения заданной надежности, точности и помехоустойчивости работы систем.
   3.    Простота обеспечения совместимости устройств с устройствами обработки информации в цифровой форме (ЭВМ, компьютерами).
   4.    Высокая степень конструктивной и функциональной интеграции, универсальности с возможностью построения систем по типовым проектным решениям. В свою очередь это позволяет сокращать затраты на производство и эксплуатацию систем и устройств.
   5.    Возможность проектирования формальными логическими методами, что позволяет сокращать сроки проектирования устройств и дает возможность изменения функций устройств (и систем на их основе) методами агрегатного построения в процессе эксплуатации.

Недостатки технических средств цифровой техники

   1.    Необходимость преобразования аналоговых сигналов в дискретные. Эти преобразования сопровождаются появлением погрешности и задержками во времени.
   2.    Относительная сложность изменения режимов работы. Для этого необходимо менять структуру системы либо алгоритм ее функционирования.
   3.    Сложность процессов анализа функционирования систем как при проверке правильности их работы, так и при поиске возникающих неисправностей. Цифровые устройства характеризуются большой функциональной сложностью, что требует специальных «диагностических» устройств, которые изучаются в специальной области техники, называемой технической диагностикой.
   4.    Повышенные требования к культуре производства и к культуре обслуживания технических средств цифровой техники. В свою очередь

7

это стимулирует необходимость повышения квалификации обслуживающего персонала и требует от него высокой квалификации.
   Сравнительный анализ перечисленных достоинств и недостатков дает вывод в пользу технических средств цифровой техники [17]. Поэтому в настоящее время цифровые устройства широко внедряются, казалось бы, в традиционные области аналоговой техники: телевидение, телефонную связь, в технику звукозаписи, радиотехнику, в системы автоматического управления и регулирования, системы автоматизированного электропривода.


            1.2. Алгебра логики как аппарат математического описания цифровых устройств


     Алгебра логики - это формальный аппарат описания логической стороны процессов в цифровых устройствах. В настоящей главе приводятся общие сведения об алгебре логики, необходимые для понимания излагаемого материала. Более подробно материал представлен в соответствующей литературе (см. например, [13]). Алгебра логики имеет дело с логическими переменными, которые могут принимать только два значения. Обычно их обозначают как 0 и 1. При этом 0 и 1 нельзя трактовать как числа, над которыми можно производить арифметические действия. Это просто удобная форма записи понятий НЕТ и ДА. Логические переменные хорошо описывают состояния таких элементов, как реле, тумблеры, кнопки, а также других элементов, которые могут находиться в двух различных состояниях: включено - выключено. К этим элементам относятся и простейшие цифровые интегральные схемы, на выходе которых может быть лишь один из двух четко различимых уровней напряжения. Чаще всего более высокий уровень принимается за логическую единицу, а более низкий - за логический ноль.
   Алгебра логики исследует различные варианты состояний входных и выходных сигналов. Входные сигналы обычно называют аргументами, или входными логическими переменными, выходные сигналы -логическими функциями, или выходными логическими переменными. Мы будем обозначать входные переменные строчными буквами латинского алфавита а; b; с или х ₁; х₂; х₃. Логические функции будем обозначать прописными буквами Y; Z; W; Q и т. д. Логические функции подразделяются на функции одной, двух и многих переменных.


8

   Суперпозиция логических функций. Принцип суперпозиций состоит в подстановке в функцию новых функций вместо входных логических переменных. Например, имея две логические функции от двух переменных F(а, b); F₁(с, d), где а = F₁(с, d), можно образовать функцию от трех переменных с помощью подстановки F [F ₁(а, d),b]. С помощью суперпозиции можно строить функции с большим числом переменных из функций с меньшим числом переменных. Поэтому в алгебре логики очень важную роль играют функции двух переменных. В табл. 1.1 приведены широко распространенные функции двух переменных. В литературе они также весьма часто называются статическими логическими операциями, так как их алгоритм работы никак не связан с фактором времени.
   Основные законы алгебры логики. Законы алгебры логики и вытекающие из них правила позволяют преобразовывать и упрощать логические выражения. При преобразовании логических выражений взаимосвязь между входными и выходными сигналами остается без изменения.
   1.    Переместительный закон. Согласно этому закону для логической суммы и произведения порядок расположения переменных безразличен:
   для сложения a + b = b + а,
   для умножения ab = ba.
   Доказательство этого закона, как и последующих, может быть построено на сравнении контактных схем. Условились считать, что нормально открытому контакту соответствует логическая входная переменная, а нормально закрытому контакту - отрицание переменной. Тогда справедливость записанных соотношений ясна из рис. 1.1, а.
   2.    Сочетательный закон. Данный закон устанавливает, что результат последовательности сложения переменных или их умножения не зависит от порядка этих действий (рис. 1.1, б):
   для сложения а + (в + с) = (а + в) + с, для умножения (ab)с = (ас)b.
   3.    Распределительный закон. По распределительному закону общий множитель можно выносить за скобки:
   для сложения ab + ac = а(b + с), для умножения (a + b)(c + b ) =ас + b. Справедливость равенства подтверждается рис. 1.1, в. Переместительный, сочетательный и распределительный (для сложения) законы соответствуют аналогичным законам алгебры. Правила вынесения отдельных членов за скобки, раскрытие скобок, сло

9

жение и умножение многочленов в алгебре логики соответствуют правилам обычной алгебры.
   4.     Закон инверсии (правило Моргана). Этот закон устанавливает, что отрицание логического сложения равносильно произведению отрицания слагаемых и, наоборот, отрицание логического умножения равносильно сумме отрицаний сомножителей (рис. 1.1, г). Закон инверсии встречается только в алгебре логики:
   для сложения а + b = а b,
   для умножения ab = а + b.
   5.    Законы повторения (контактная схема, рис. 1,3):
   для сложения      а + а + а ... = а.
   для умножения     а ■ а ■ а ... = а.
   Основные равносильности алгебры логики. Пользуясь законами алгебры логики, можно доказать справедливость следующих соотношений:
   Ос/ = 0;      1а = а',
   0 + а = а;    1+ а =1;
   а ■ а = 0;    а + а = 1.

Таблица 1.1

                               Аналитиче- Сокра-                                     
Функция       Содержание       ская форма щенное              Условное               
          логической функции     записи   наиме-            обозначение              
                                          нование                                    
        Функция принимает                         а 1                              Y
Дизъ-   значение 1 тогда, ко-                     b                                 
юнкция  гда или вход а, или     Y= а + b    или                                     
        вход b, или оба вместе                                                      
        имеют значение 1                                                            
Конъ-   Функция принимает         Y=ab       и    а & , 1__________________________,
юнкция  значение 1 тогда и                        b                                 
        только тогда, когда и                                                       
        вход а и вход b име-                                                        
        ют значение 1                                                               
        Значение функции про-                       1               Y               
Инвер-  тивоположно значе-        y= а      НЕ    а                                 
сия     нию входной перемен-                                                        
        ной а                                                                       

10