SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ
ZAOCZNE STUDIA INŻYNIERSKIE
W WARSZAWIE
PRACA KONTROLNA NR. 1 A40
Z PRZEDMIOTU:
URZĄDZENIA AUTOMATYKI POŻARNICZEJ
Temat: PODSTAWOWE ELEMENTY LOGICZNE STYKOWE I BEZSTYKOWE I ICH ZASTOSOWANIE W UKŁADACH AUTOMATYKI POŻARNICZEJ.
WYKONAŁ:
st.asp.Roman SULARZ
ZSI 21 pl. III
Warszawa grudzień 1995 r.
I. Wstęp.
Na początku należałoby określić co w elektronice określane jest sygnałem, jak się dzielą itp.
Sygnałem będziemy nazywać przebieg czasowy wielkości fizycznej (najczęściej napięcia lub prądu), w którym jest zawarta pewna informacja. Najogólniej sygnały dzielimy na analogowe i cyfrowe. Sygnały analogowe charaktryzują się tym, że mogą przyjmować dowolną wartość liczbową z pewnego określonego zakresu zmienności. Drugą równie istotną cechą sygnału analogowego jest to, że każda dowolnie mała zmiana tego sygnału niesie pewną informację. Przy pracy z sygnałami analogowymi występują różnego rodzaju szumy i zakłócenia, które nakładają się na nie. Dość duża wrażliwość sygnałów analogowych na zakłocenia jest wadą, której sygnały cyfrowe są prawie całkowicie pozbawione.
Sygnałem cyfrowym nazywamy taki przebieg czasowy (najczęściej napięcia lub prądu), który przyjmuje tylko dwie wartości np. wartści napięcia 5V lub 0.
Porównując sygnały analogowe i cyfrowe można powiedzieć, że w przypadku sygnałów analogowych mamy do czynienia z ogromną ilością informacji przenoszonej przez jeden sygnał, ale w warunkach dużej wrażliwości na zakłócenia. Powoduje to, że w pewnych przypadkach otrzymana informacja może nie być wiarygodna. W przypadku sygnałów cyfrowych odporność na zakłócenia jest bardzo duża, lecz dzieje się to kosztem zmniejszenia ilości przenoszonej informacji. Ilość informacji przenoszonej w sposób cyfrowy można zwiększyć stosując wiele sygnałów cyfrowych jednocześnie dzieki czemu można budować złożone urządzenia przetwarzania danych ( np. komputery). Teoretyczną podstawę techniki cyfrowej stanowi algebra Boole'a. Jest to dział matematyki zajmujący się działaniami, dla których zarówno argumenty, jak i wyniki mogą przybierać tylko dwie wartości 0 albo 1. Podstawowymi działaniami tej algebry jest suma logiczna, iloczyn logiczny i negacja. Z powyższego wstępu wynika, że elementy służące do przetwarzania sygnału cyfrowego będą się nazywać elementami logicznymi.
II. ELEMENTY LOGICZNE.
Podstawowym elementem stosowanym w technice cyfrowej jest bramka logiczna. Nazwą tą określa się układ elektroniczny z jednym lub kilkoma wejściami i jednym wyjściem, obliczający funkcje logiczne na podstawie sygnałów wejściowych. Sygnały wejściowe i wyjściowe są sygnałami cyfrowymi - najczęściej napięciami. Napięcia te, jak każdy sygnał cyfrowy przybierają tylko dwie wartści np. 0 albo +5V. Wybór konkretnych wartości zależy od rozwiązania bramki logicznej. Zawsze jednak jedna z nich będzie większa od drugiej.
1. Podstawowe elementy logiczne.
1.1. Bramka iloczynu logicznego.
Bramka iloczynu logicznego (rys. 1a)składa się z trzech elementów (obwiedzionych linią przerywaną): dwóch diod DA i DB oraz rezystora R. Literami A i B oznaczono wejścia elementu, a literą C wyjście. Na rysunku 1b pokazano tablicę opisującą działanie elementu. Przy jej pisaniu zastsowano skrótowe oznaczenia napięć. Zamiast pisać UA, UB, Uc zanotowano poprostu A, B, C.Tablica zawiera wszystkie kombinacje sygnałów wejściowych (A, B) i odpowiadające im wartości sygnału wyjściowego (C). Tablica działania elementu jest identyczna z tablicą iloczynu logicznego. Stąd też pochodzi nazwa - bramka iloczynu logicznego. Częściej jednak używa się nazwy angielskiej - bramka AND (ang. and - i).
Rys. 1. Bramka iloczynu logicznego: a) schemat; b) tablica działania.
Ponieważ dla działania układu cyfrowego nie jest istotne, z jakich elementów i jak połączonych jest zbudowana bramka logiczna, stosuje się oznaczenie symboliczne przedstawione na rys. 2. Pomija się przy tym wyprowadzenia zasilania i masy.
Rys. 2. Symbol bramki AND
1.2. Bramka sumy logicznej.
Na rysunku 3a przedstawiono diodową realizację bramki sumy logicznej. Działanie układu opiane jest tablicą pokazaną na rysunku 3b. Sygnał wejściowy C przyjmuje stan logiczny 0 tylko wtedy, kiedy oba przełączniki są zwarte, tzn. gdy oba sygnały wejściowe A i B są jednocześnie równe 0. Nazwa elementu wynika ze zgodności tablicy działania z tablicą sumy logicznej. Najczęściej stosuje się nazwę angielską bramka OR (ang. or - lub).
Rys. 3. Bramka sumy logicznej : a) schemat; b) tablica działania
Oznaczenie symboliczne bramki OR pokazano na rysunku 4.
Rys. 4. Symbol bramki OR
1.3. Bramka negacji.
Realizacja bramki wykonującej operację negacji logicznej sygnału wejściowego wymaga wymaga tranzystora (rys. 5a) Gdy sygnał weściowy A przyjmuje wartość logiczną 0 (przełącznik zwarty) tranzystor znajduje się w stanie odcięcia i sygnał wyjściowy B jest równy 1. W przeciwnym wypadku (tzn. dla A=1) płynie prąd bazy i tranzystor zostaje wprowadzony w stan nasycenia, a sygnał wyjściowy B równy jest 0. Działanie układu jest więc takie jak przedstawia tablica na rysunku 5b, która jest zgodna z tablicą negacji logicznej. Stąd nazwa elementu : negator lub inaczej bramka NOT (ang. not - nie).
Rys. 5. Bramka negacji: a) schemat; b) tablica działania.
Symbol graficzny bramki NOT przedstawiono na rysunku 6.
Rys. 6. Symbol bramki NOT
1.4.Oprócz bramek logicznych wykonujących trzy podstawowe funkcje logiczne w praktyce korzysta się również z elementów bardziej złożonych. Układy te powstają zawsze z połączenia bramek podstawowych: AND, OR, NOT. Ze względu jednak na to, że te połączenia są często przydatne w praktyce są one wykonywane jako oddzielne bramki. Do najczęściej stosowanych tego typu elementów należą bramki: NAND, NOR, EX-OR.
2. Przerzutniki.
Drugą podstawową rodziną elementów w technice cyfrowej, obok bramek logicznych, są przerzutniki. W odróżnieniu od bramek logicznych przerzutniki są elementami, które cechuje pamięć. W celu wyjaśnienia pojęcia pamięci posłużę się następującym przykładem. Dysponujemy generatorem monostabilnym (GM) wyzwalanym ręcznie, generyjącym impuls o czasie trwania 0,1 mikrosekundy (rys. 7). Układ działa w ten sposób, że każdorazowe przyciśnięcie klucza K powoduje generowanie na wyjściu WY jednego impulsu o szerokości 0,1 mikrosekundy. Pewnym problemem staje się jednak sprawdzenie, czy układ działa, generowany impuls jest bowiem za krótki, aby pobudzić do świecenia, w sposób zauważalny, żarówkę lub diodę LED. Jeden z możliwych sposobów sprawdzenia poprawności działania układu GM polega na zastosowaniu do tego celu układu z pamięcią, czyli przerzutnika (rys. 8.). Załóżmy, że w stanie początkowym na wyjściu Q przerzutnika P poziom logiczny jest równy 0. Przyciśnięcia klucza K powoduje, że na wejściu WE przerzutnika P pojawi się impuls z wyjścia GM. Zmiana poziomu na wejściu przerzutnika z 0 na 1 wymusza ustalenie się na wyjściu Q stanu 1.
Rys. 7. Układ generatora monostabilnego wyzwalanego ręcznie.
Rys. 8. Sposób sprawdzenia działania generatora monostabilnego za pomocą przerzutnika.
Działanie pamięci przerzutnika P objawia się po zakończeniu impulsu z unuwibratora GM: poziom logiczny na wyjściu Q nie ulega zmianie (rys. 9). Stan ten można utrzymać bez zmian dowolnie długo. Powrót do stanu początkowego następuje dopiero po naciśnięciu klucza kasowania K'.
Rys. 9. Przebiegi w układzie z rys. 8.
Dołączenie do wyjścia Q przerzutnika diody typu LED umożliwia stwierdzenie, czy układ generatora GM działa poprawnie. Świecenie diody D sygnalizuje, że został wygenerowany impuls. Skasowanie przerzutnika (dioda D gaśnie) jest równoznaczne z gotowością do rejestracji następnego impulsu.
Przerzutnik jest więc elementem mogącym zapamiętać jeden stan jednego sygnału cyfrowego. Inaczej mówiąc, może zapamiętać jeden bit informacji. W tym przypadku informacją była obecność lub brak impulsu.
Najprostszym tego typu elementem jest przerzutnik prosty RS. Można go zbudować z dwóch bramek NOR (rys. 10). Przerzutnik ma dwa wejścia: kasujące R (ang. reset) i ustawiające S (ang set) oraz dwa komlementarne wyjścia: proste Q i zanegowane Q.
Rys. 10. Przerzutnik prosty RS.
III. Zastosowanie w automatyce pożarniczej.
Wymienione wyżej elementy mają powszechne zastosowanie w automatyce pożarniczej. Stosowane są przede wszystkim w:
- centralkach SAZP,
- czujkach binarnych,
- systemach kontroli, zabezpieczeń oraz obsługi drabin i podnośników samochodowych,
- komputerowych systemach wspomagania podejmowania decyzji,
- systemach łączności przewodowej i bezprzewodowej.
Literatura:
Mieczysław Kręciejewski - „Układy cyfrowe” - Wydawnictwo Czasopism i Książek Technicznych NOT-SIGMA, Warszawa 1988 r.
Dieter Nührmann - „Elektronika łatwiejsza niż przypuszczasz, technika cyfrowa” - Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1986 r.
Władysław Majewski - „Układy logiczne” - Wydawnictwa Naukowo - Techniczne, Warszawa 1992 r.