ELEMENTY LOGICZNE
Układy logiczne (przełączające, cyfrowe) operują sygnałami dyskretnymi, tzn. przyjmującymi tylko określoną liczbę wartości (najczęściej dwie). Sygnały takie występują w maszynach cyfrowych i niektórych urządzeniach przeliczających, występują również w wielu procesach technologicznych, których sterowanie można sprowadzić do załączania i wyłączania poszczególnych urządzeń, oczywiście w określonych warunkach i w określonej kolejności. Niekiedy wykorzystywane są także w układach automatyzacji procesów ciągłych, przede wszystkim w części pomiarowej i centralnej. Cechuje je mała wrażliwość sygnałów dyskretnych na zakłócenia, więc i duża dokładność pomiaru i przetważania informacji oraz duża niezawodność działania i łatwość przesyłania sygnałów na znaczne odległości.
Realizacja diodowa funkcji logicznych.
Realizacja sumy logicznej. ( funktor OR ) - alternatywa.
X=A+B
Przyjęliśmy założenie, że wartość napięcia -6[V] odpowiada logicznej jedynce, natomiast 0[V] odpowiada zeru logicznemu. Układ elektryczny zachowuje się jak funktor OR tzn. że jeżeli na którymś z wejść A lub B podane zostanie napięcie odpowiadające jedynce, to na wyjściu układu również otrzymamy wartość tego napięcia (wartość napięcia zbliżoną do wartości napięcia na wejściu układu - w naszym przypadku = -5.89[V]). Jest tak ponieważ odpowiednia dioda przewodzi i zwiera sygnał wyjściowy z tym wejściem.
Badany układ elektryczny wykazuje różnice napięć wyjściowych UX przy zmianie wartości oporności rezystora R. Przy większej oporności R=470 [] uzyskane wartości napięcia UX są mniejsze, niż wartości uzyskane dla opornika o rezystancji R=220 []. Te z kolei są bardziej zbliżone do wartości napięć UA i UB = -6[V].
Spowodowane jest to różną od zera rezystancją przewodzącej diody. (rezystancja ta tworzy dzielnik napięcia z R co zmniejsza wskazania mierzące napięcie).
Również wartości napięć zasilania UZ0 i UZ1 dla opornika o oporności rezystora R= 220 [] nie wykazują istotnych różnic, jak to ma miejsce w przypadku opornika o oporności R= 470 [].
Z charakterystyki wynika, że dla R=220 [] następuje mniejsze obciążenie źródła przez badany funktor.
Zależności napięciowe rzeczywiste odpowiadają zależnościom logicznym dla funktora sumy.
Realizacja iloczynu logicznego ( funktor AND ) - koniunkcja.
X=AB
Została przyjęta konwencja, w której napięcie -3[V] odpowiada logicznej jedynce, natomiast 0[V] odpowiada zeru logicznemu.
Ponieważ ten układ elektryczny zachowuje się jako funktor AND, to zmierzone napięcia wyjściowe układu UX przyjmuje wartości zbliżone do napięcia zasilania UZ tylko wtedy, gdy na obu wejściach UA = UB = -3[V].
Dla każdych innych możliwych kombinacji stanów wejściowych napięcie uzyskane na wyjściu UX = 0.
Różnica napięcia UX dla stanów wejściowych ( o wartość 0.3 ) może wynikać z niesymetrii zastosowanych w układzie diód.
Zależności napięciowe rzeczywiste odpowiadają zależnościom logicznym dla funktora iloczynu.
Badany układ elektryczny wykazuje różnice pomiędzy napięciami wyjściowymi UX przy zmianie rezystancji opornika R, ale ma to miejsce wtedy, gdy na wejściu będzie wartość odpowiadająca logicznej jedynce. Dla opornika o większej rezystancji napięcie zasilania dla obu stanów było takie samo. Dla opornika o małej R wartość napięcia zasilającego ma inne wartości dla stanów: „1”, „0”. Możemy starać się to wyjaśnić w następujący sposób, że w elemencie alternatywy rezystor R przyłącza się niekiedy do napięcia dodatniego.
Realizacja tranzystorowa funkcji logicznych.
Realizacja negacji logicznej ( funktor NOT ).
Do badań przyjęliśmy napięcie zasilania -9[V]. Jako napięcie progowe przy którym zmienia się wartość logiczną przyjęliśmy +3[V]. Przebiegi charakterystyki żądanej oraz kolejnych charakterystyk na podstawie których zmienialiśmy wartości rezystorów, RA, RB, RC , przedstawiliśmy na dołączonym wykresie. Należało tak dobrać ich rezystancję, aby żądana charakterystyka UX = f(U,A) najbardziej odpowiadała charakterystyce idealnej. Żądana charakterystyka powinna zmieniać napięcie ze stanu wysokiego na stan niski, dla około 1/3 napięcia zasilania. W naszym przypadku powinna wynosić około -3[V] ponieważ UA = -9[V]. Aby otrzymać charakterystykę rzeczywistą, która będzie zbliżona do charakterystyki idealnej.
p-n-p
Przy podaniu na wejście sygnału „0” baza tranzystora pozostaje spolaryzowana dodatnio względem emitera i nie przewodzi. Napięcie na wyjściu jest wtedy równe „1”.
Podanie na wejście „1” powoduje stan nasycenia tranzystora. Korektor jest wtedy prawie praktycznie zwarty z emiterem, stąd wynika, że napięcie wyjściowe jest równe „0”
Wstępna polaryzacja bazy i dzielnik wyjściowy są tak dobierane, że Tranzystor nasyca się przy napięciach wejściowych rzędu 50% napięcia zasilającego. Dzięki temu można dopuścić duże tolerancje sygnałów „1” i „0” niezbędne ze względu na wpływ rezystancji obciążenia na sygnały wyjściowe układów.
Aby otrzymać charakterystykę rzeczywistą, która będzie zbliżona do żądanej przeprowadziliśmy pomiary napięć na wejściu i wyjściu funktora NOT dla kilku zestawów oporników RA, RB, RC. Zaobserwowaliśmy znaczenie kolejnych rezystorów na funkcjonowanie tranzystora.
Charakterystyka nr1: RA = 12 []; RB = 12 []; RC = 12 [].
W tym przypadku zmiana UX ze stanu wysokiego na niski jest dla wartości UA = 1 [V]. Dla takich wartości rezystorów integrator dla małych napięć sterujących bardzo łatwo przechodzi na wyjściu ze stanu wysokiego na niski. Spowodowane jest to zbyt dużym wysterowaniem bazy tranzystora. Aby zmniejszyć napięcie między bazą a emiterem trzeba zmienić proporcje wartości oporności dzielnika napięcia tzn. zwiększyć wartość RA, albo zmniejszyć RB. Aby zmienić stan na wyjściu trzeba zmienić napięcie sterujące.
Charakterystyka nr2: RA = 39 []; RB = 12 []; RC = 12 [].
RA - rezystor sterujący napięciem przełączenia wpływającym do bazy tranzystora. Ponieważ jest szeregowo włączony do złącza baza-emiter, to zwiększenie jego oporu powoduje zmniejszanie napięcia przełączenia wpływającego do bazy, a zatem wolniejsze nasycanie się tranzystora. W rezultacie zwiększenie jego oporności powoduje opóźnienie przejścia tranzystora w stan przewodzenia.
W tym przypadku nasza charakterystyka została przesunięta w prawo, co bardziej odpowiada charakterystyce żądanej. Stan przejścia jest jednak bardziej wydłużony w czasie. Spowodowane jest to tym, że takie same przesuwy potencjometru (takie same zmiany oporności) różnie wpływają na szybkość zmian napięcia na RB (przy dużo większym RA zmiana na potencjometrze mniej wpływa na górny rezystor dzielnika).
Charakterystyka nr3: RA = 12 []; RB = 1 []; RC = 12 [].
RB - podobnie wpływa na układ jak RA, jednak ponieważ ze złączem baza-emiter połączony jest równolegle zwiększanie jego oporności przynosi odwrotne skutki - zwiększanie napięcia przełączenia wpływającego do bazy. Aby opóźnić zatem nasycanie tranzystora należy zmniejszyć jego wartość rezystancji.
W tym przypadku przez zmianę oporności na RB połączone zostało przesunięcie charakterystyki w stronę większych napięć przeskoku ze skróceniem czasu przejścia.
Charakterystyka nr4: RA = 39 []; RB = 3.7 []; RC = 12 [].
W tym przypadku przez zwiększenie RA i nieznaczne zwiększenie RB uzyskujemy takie przesunięcie charakterystyki, żeby napięcie UA w momencie przeskoku było zbliżone do napięcia UX na wyjściu integratora. Otrzymana w ten sposób charakterystyka jest charakterystyką optymalną.
Charakterystyka nr5 i 6:
Zmiany RC czy to poprzez zwiększanie, czy poprzez zmniejszanie tej oporności nie przynoszą pożądanych rezultatów. W dalszym ciągu za optymalną uważamy charakterystykę nr 4.