Синтез логических устройств

Различают комбинационные и последовательностные логические устройства.

В комбинационных логических устройствах значения выходных сигналов зависят только от комбинации входных сигналов в данный момент времени.

В последовательностных логических устройствах выходные сигналы зависят от значений входных сигналов не только в данный, но и в предыдущие моменты времени. В состав этих устройств обязательно входят элементы памяти — триггеры. Различают несколько видов триггеров в зависимости оттого, какую элементарную функцию памяти они реализуют.

При разработке логического устройства сначала формулируют словесное описание алгоритма его действия. Затем составляют удовлетворяющую этому описанию логическую функцию (выполняют абстрактный синтез) и далее разрабатывают структурную логическую схему устройства (производят структурный синтез).

В процессе абстрактного синтеза осуществляется переход от словесного описания технологического процесса (его нормального хода и аварийных ситуаций) к составлению алгоритма функционирования в виде таблицы, циклограммы, графика и т. п. Для составления логического алгоритма управления необходимо иметь полную информацию о технологическом процессе, каждой технологической операции, применяемом оборудовании. На этой стадии уточняют последовательность операций и необходимые временные задержки для всех режимов работы объекта управления, определяют параметры, подлежащие контролю и учету в ходе ТП; формулируют требования со стороны управляемого объекта к логическому устройству. Эти требования представляют в виде значений двоичных сигналов, которые должны подаваться на исполнительные устройства системы управления в зависимости от состояния управляемого объекта.

Циклограмма представляет собой ряд горизонтальных строк, число которых равно числу входов и выходов логического устройства. Включенное состояние элемента обозначают на строке штриховкой. Вертикальными линиями со стрелками на циклограммах обозначают передачу управления, т. е. причинно-следственные связи между командными, оповестительными устройствами и исполнительными механизмами.

В процессе структурного синтеза производится переход от логической функции, описывающей алгоритм функционирования, к структурной схеме логического устройства.

Однако прежде чем приступить к разработке схемы, необходимо попытаться упростить исходную логическую функцию до максимально простого вида. Для упрощения логических функций комбинационных устройств используют булеву алгебру, а для анализа логических функций, описывающих действие последовательностных логических устройств, — теорию конечных автоматов.

На основе структурной схемы логического устройства разрабатывают его принципиальную схему с использованием конкретной элементной базы, например в базисе ИЛИ —НЕ или базисе И-НЕ.

Завершающий этап создания схемы логического устройства — это разработка и согласование его узлов связи с оператором и управляемым объектом, выполнение защиты от помех и т. п.

Пример. Резервуар, из которого непрерывно вытекает вода, наполняется автоматически по трубопроводу, на котором установлен электромагнитный вентиль. Требуется, чтобы вентиль открывался, когда уровень воды становится ниже местоположения датчика нижнего уровня, и закрывался, когда уровень достигает верхнего уровня, контролируемого другим датчиком.

Сигнал от первого датчика обозначим х, сигнал от второго датчика — х₂, а сигнал к вентилю от логического устройства — у.

Пусть Х| = 1 при уровне воды h > h_n и х, = 0 при h< Л_в; х₂ = 1 при И > /?" и х₂ = 0 при h < h_Hy= 1 соответствует открытому вентилю, а у, = 0 — закрытому вентилю.

Предположим, что непрерывно повторяются одинаковые циклы: наполнение—расход. Для синтеза логического устройства рассмотрим один такой цикл. В этом цикле выделяются четыре такта:

• 1- й такт — уровень воды ниже /г_н, вентиль открыт, резервуар наполняется;
• 2- й такт — уровень выше Л_н, но ниже Л_в, вентиль открыт, резервуар наполняется;
• 3- й такт — уровень превысил Л", вентиль закрыт, жидкость расходуется, уровень понижается;
• 4- й такт — уровень ниже Л_в, но выше Л_н, вентиль закрыт, уровень понижается.

Указанная последовательность изменения состояний входных х и выходных у переменных в системе отражена в табл. 13.5.

Здесь выходная переменная у принимает разные значения при одинаковых значениях входных переменных в тактах 2 и 4, но при разных значениях этих переменных в предшествующих тактах 1 и 3, что характерно для последовательного автомата. Для «запоминания» предыдущего такта вводится дополнительная логическая Таблица 13.5.

Исходная таблица состояний переменных

Таблица 13.6.

Преобразованная таблица состояний переменных

переменная z = У, — , значение которой формируется элементом памяти и равно значению выходной переменной в предыдущем такте. В этом случае вид исходной таблицы состояний переменных изменится (табл. 13.6).

Преобразованная таблица состояний является формой представления алгоритма функционирования последовательностного логического устройства и служит основой для проведения следующих этапов синтеза устройства.