Цифровая электроника. 
Технические средства автоматизации и управления

Дискретные и цифровые виды сигналов, о которых шла речь в п. 4.1, находят широкое распространение в системах автоматизации и САУ. В первую очередь речь идет о верхних уровнях управления систем автоматизации и SCADA-систем, которые в общем виде рассмотрены в гл. 1. Кроме того, САУ нижнего уровня, управляемые по каналам связи от задающих микропроцессорных устройств верхнего уровня, также относятся к разряду цифровых систем, поскольку в них присутствует преобразование сигналов из дискретной формы в аналоговую и обратно.

Также в структурах САУ часто используются микропроцессорные регуляторы, осуществляющие реализацию дискретных управляющих ПИД алгоритмов (пропорционалыю-интегралыю-дифференцирующие регуляторы). В практике построения САУ встречаются самонастраивающиеся и адаптивные регуляторы на базе микропроцессоров. Все устройства дискретной техники в основе своей содержат ряд базовых элементов, к которым можно отнести:

• • электронные ключи и на их основе мультиплексоры и демультиплексоры;
• • основные логические элементы: схемы НЕ, ИЛИ, И;
• • компараторы;
• • триггеры и на их основе счетчики, элементы памяти.

Вопросы, связанные с особенностями организации памяти в микропроцессорных устройствах управления, управлением мультиплексорами и демультиплексорами, аналого-цифровыми (АЦП) и цифро-аналоговыми (ЦАП) преобразователями, рассматриваются в гл. 5. Здесь же кратко рассматриваются первые три вида базовых элементов и анализируется в качестве примера схема управления силовым блоком ШИМ, содержащая как аналоговые, так и дискретные элементы в одном устройстве.

Электронные ключи чаще всего реализуются на транзисторах в ключевом режиме. Схема простейшего варианта подобного ключа показана на рис. 4.10, а. Подаваемые на базу транзистора прямоугольные импульсы отрицательной полярности (для р-77-р-транзистора (см. рис. 4.10, а)) переводят транзисторный ключ из закрытого состояния в открытое. Если отрицательному значению входного импульса соответствовала логическая единица, то такой логической единицей этого ключа будет наличие коллекторного тока открытого транзистора. Высокому потенциалу на базе транзистора (логический ноль) соответствует отсутствие (точнее, малая величина) коллекторного тока через закрытый транзистор.

Кроме такого простого ключа, распространение находят ключи на базе оптопар (оптронов). Схема такого ключа показана на рис. 4.10, б. Здесь в одном корпусе располагаются светодиод и фототрапзистор, который открывается световым потоком при прохождении тока через светодиод. Вместе с резисторами и источником напряжения Е, показанными на рисунке, оптрон формирует напряжение управления U_v в базовой управляющей цепи силового транзистора. Такое управление силовыми транзисторами реализуется, например, в силовом блоке, показанном на рис. 3.25.

Достоинством электронных ключей на основе оптопар является отсутствие гальванической связи между схемой, формирующей дискретные сиг;

Рис. 4.10. Электронные ключи:

а — транзистор в ключевом режиме; б — оптопара (оптрон) налы управления ключами, и силовыми схемами, что повышает надежность работы таких устройств.

Адресное подключение разных входных линий к одной выходной осуществляет мультиплексор, который строится на базе электронных ключей. Обратную задачу решает демультиплексор.

Основные логические элементы и компаратор составляют основу структурных построений большинства интегральных схем и блоков цифровой техники. К ним относятся схемы НЕ, ИЛИ и И. Их схематичное изображение представлено соответственно на рис. 4.11, а, б и в.

В табл. 4.2 представлены таблицы соответствий состояний входов и выходов для таких элементов.

Рис. 4.11. Основные логические элементы:

а — схема НЕ; б — схема ИЛИ; в — схема И; г — компаратор

Таблица 4.2

Таблицы состояний основных логических элементов.

Отметим в качестве примера, что показанный на рис. 4.10, а транзисторный ключ может быть использован как логический блок НЕ, если в качестве выходного сигнала рассматривать изменение напряжения на его коллекторе. В практике построения автоматизированных систем широко применяют интегральные микросхемы серии К155 и более поздние ее модификации, в которых реализуются порядка 50 микросхем базовых элементов с различными параметрами.

Компараторы — это элементы, меняющие свое состояние с «1» на «О» и обратно в зависимости от соотношений величин абсолютных значений входных сигналов, поступающих на их инвертирующий и неинвертирующий входы. Схематично компаратор изображен на рис. 4.10, г. Его основу составляет операционный усилитель без введения отрицательной обратной связи. Для его функционирования достаточно однополярного источника питания. Состояние компаратора (логический «0» или логическая «1») будет зависеть от знака разности входных сигналов.

В качестве примера рассмотрим схему управления силовым блоком ШИМ. Работа силового блока рассматривается в и. 3.2.2.5. Схема силового блока представлена на рис. 3.24. Схема управления предназначена для формирования напряжений управления в базовых цепях силовых транзисторов U_y{9 U_y2> U_y3, U_yA силового блока. Функциональная схема управления для силового блока ШИМ показана на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Функциональная схема управления для силового блока ШИМ,

показанного на рис. 3.24

Принципиальная схема управления силовым блоком ШИМ представлена на рис. 4.13. Временные диаграммы сигналов блока управления для силового блока ШИМ, поясняющие логику работы принципиальной схемы управления, показаны на рис. 4.14.

Рис. 4.13. Принципиальная схема блока управления для силового блока ШИМ

Блок управления работает по вертикальному принципу. Внешний мультивибратор (генератор) вырабатывает напряжение U_r в форме меандра.

_r 1.

фиксированной частоты /₀ = — Гц. Это напряжение подается на вход интег;

¹ п рирующего усилителя ОУ,. Опорное напряжение пилообразной формы U_on на выходе интегратора подается на инвертирущий вход компаратора К₂. Инвертированное (через операционный усилитель ОУ₂) опорное напряжение.

Рис. 4.14. Временные диаграммы сигналов блока управления для силового блока ШИМ.

-U_on подается на инвертирующий вход компаратора К,. Опорные напряжения на компараторах сравниваются с аналоговым входным сигналом t/_IIV, поступающим от предварительного усилителя.

На диаграммах рис. 4.14 сигнал U_ny представлен фиксированным уровнем, так как в силу высокой частоты следования импульсов задающего генератора, на периоде Т его работы предполагается, что изменением входного сигнала можно пренебречь. Компараторы на схеме дают логическую «1» при условии U_ny > U_on для К₂ и U_ny > -U_on для К,. Выходные сигналы компараторов t/j и U₂, а также схемы НЕ формируют сигналы управления светодиодами оптопар ?/_д1—?/_д4, которые на схеме обозначены как электронные ключи Кл1—Кл4.

Напряжения управления U_yl—U ₄, подводимые к транзисторам моста, повторяют в определенном масштабе форму импульсов на светодиодах ?/_д1—{/_л4 и соответствуют состояниям проводимости транзисторных ключей моста.

На нижнем графике рис. 4.14 показаны результирующие импульсы напряжения на нагрузке силового моста рис. 3.24. Ширина этих импульсов пропорциональна величине входного сигнала, а частота в 2 раза превышает частоту работы задающего генератора.