Регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры, коммутаторы, их использование в станках с ЧПУ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Числовое программное управление (сокр. ЧПУ; англ. computer numerical control, сокр. CNC) -- компьютеризованная система управления, управляющая приводами технологического оборудования, включая станочную оснастку. Оборудование с ЧПУ может быть представлено:

- станочным парком, например, станками (станки, оборудованные числовым программным управлением, называются станками с ЧПУ) для обработки металлов (например, фрезерные или токарные), дерева, пластмасс;

- приводами асинхронных электродвигателей, использующих векторное управление;

- характерной системой управления современными промышленными роботами.

Периферийные устройства, например: 3D-принтер, 3D-сканер.

Числовое программное управление также характерно для систем управления современными промышленными роботами.

1. Регистр

Регистр -- устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных данных и выполнения преобразований над ними.

Регистр представляет собой упорядоченный набор триггеров, обычно D-, число n которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационные цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.

Операции в регистрах.

Типичными являются следующие операции:

· приём слова в регистр (установка состояния);

· передача слова из регистра;

· сдвиг слова влево или вправо на заданное число разрядов в сдвиговых регистрах;

· преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно;

· установка регистра в начальное состояние (сброс).

Регистры классифицируются по следующим видам:

· накопительные (регистры памяти, хранения);

· сдвигающие.

В свою очередь сдвигающие регистры делятся:

· по способу ввода-вывода информации:

· параллельные: запись и считывание информации происходит одновременно на все входы и со всех выходов;

· последовательные: запись и считывание информации происходит в первый триггер, а та информация, которая была в этом триггере, перезаписывается в следующий -- то же самое происходит и с остальными триггерами;

· комбинированные;

· по направлению передачи информации:

· однонаправленные;

· реверсивные.

Типы регистров.

Регистры различают по типу ввода (загрузки, приёма) и вывода (выгрузки, выдачи) информации:

С последовательным вводом и выводом информации

С параллельным вводом и выводом информации

С параллельным вводом и последовательным выводом. Например: SN74LS165J(N), SN74166J(N), SN74LS166J(N)

С последовательным вводом и параллельным выводом. Например: SN7416J(N), SN74LS164J(N), SN74LS322J(N), SN74LS673J(N)

Рис. 1

2. Счётчик

Счётчик числа импульсов -- устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строиться на двухступенчатых D-триггерах, T-триггерах и JK-триггерах.

Основной параметр счётчика -- модуль счёта -- максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком. Счётчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Схему двоичного счетчика можно получить с помощью формального синтеза, однако более наглядным путем представляется эвристический. Таблица истинности двоичного счетчика -- последовательность двоичных чисел от нуля до 2n-1, где n - разрядность счётчика. Наблюдение за разрядами чисел, составляющих таблицу, приводит к пониманию структурной схемы двоичного счетчика. Состояния младшего разряда при его просмотре по соответствующему столбцу таблицы показывают чередование нулей и единиц вида 01010101..., что естественно, т. к. младший разряд принимает входной сигнал и переключается от каждого входного воздействия. В следующем разряде наблюдается последовательность пар нулей и единиц вида 00110011... . В третьем разряде образуется последовательность из четверок нулей и единиц 00001111... и т.д. Из этого наблюдения видно, что следующий по старшинству разряд переключается с частотой, в два раза меньшей, чем данный.

Известно, что счетный триггер делит частоту входных импульсов на два. Сопоставив этот факт с указанной выше закономерностью, видим, что счетчик может быть построен в виде цепочки последовательно включенных счетных триггеров. Заметим, кстати, что согласно ГОСТу входы элементов изображаются слева, а выходы справа. Соблюдение этого правила ведет к тому, что в числе, содержащемся в счетчике, младшие разряды расположены левее старших.

Двоичные счетчики с параллельным переносом.

Выше рассмотрены схемы двоичных последовательных счетчиков, то есть таких счетчиков, в которых при изменении состояния определенного триггера возбуждается последующий триггер, причем триггеры меняют свои состояния не одновременно, а последовательно. Если в данной ситуации должны изменить свои состояния n триггеров, то для завершения этого процесса потребуется n интервалов времени, соответствующих времени изменения состояния каждого из триггеров. Такой последовательный характер работы является причиной двух недостатков последовательного счетчика: меньшая скорость счета по сравнению с параллельными счетчиками и возможность появления ложных сигналов на выходе схемы. В параллельных счетчиках синхронизирующие сигналы поступают на все триггеры одновременно.

Последовательный характер переходов триггеров счетчика является источником ложных сигналов на его выходах. Например, в счетчике, ведущем счет в четырёхразрядном двоичном коде с «весами» 8-4-2-1, при переходе от числа 7_{10} = 0111_2 к числу 8_{10} = 1000_2 на выходе появится следующая последовательность сигналов:

0111 ->р 0110 ->р 0100 ->р 0000 ->р 1000

Это означает, что при переходе из состояния 7 в состояние 8 на входах счетчика на короткое время появятся состояния 6; 4; 0. Эти дополнительные состояния могут вызвать ложную работу других устройств, например, если к такому счетчику подключён дешифратор, то на его выходах 0, 4, 6 могут кратковременно возникнуть активные состояния, которые могут ложно изменить состояния подключенных к ним триггеров -- это явление называется логическими «гонками» или «гонками сигналов». Исключить гонки можно, применяя счетчики с соседним или противогоночным кодированием состояний, например, считающие в рефлексивном коде Грея.

С целью уменьшения времени протекания переходных процессов можно реализовать счетчик в варианте с подачей входных импульсов одновременно на все триггеры. В этом случае получим счетчик с параллельным переносом.

По схемам счетчиков всегда строятся счетчики, задержка переключения одного триггера у которых соизмерима с периодом считаемых импульсов. Пример. Задержка переключения одного триггера 30 нс, и если мы построим счетчик более, чем 4-хразрядный, то при периоде счетных импульсов 120 нс могут начаться сбои счета, перенос не успевает распространиться по цепочке триггеров до прихода очередного счетного импульса.

Здесь на информационные входы триггеров подаются сигналы, являющиеся логической функцией состояния счетчика и определяющие конкретные триггеры, которые изменяют свое состояние при данном входном импульсе. Принцип стробирования сводится к следующему: триггер меняет свое состояние при пропускании очередного импульса синхронизации, если все предыдущие триггеры находились в состоянии логической единицы.

Параллельные счетчики имеют более высокое быстродействие по сравнению с последовательными, поскольку синхронизирующие импульсы поступают на все триггеры одновременно.

Максимальным быстродействием обладают синхронные счетчики с параллельным переносом, структуру которых найдем эвристически, рассмотрев процессы прибавления единицы к двоичным числам и вычитания её из них. Счетчики с последовательно-параллельным переносом.

В связи с ограничениями на построение счетчиков с параллельным переносом большой разрядности широкое распространение получили счетчики с групповой структурой, или счетчики с последовательно-параллельным переносом. Разряды таких счетчиков разбиваются на группы, внутри которых организуется принцип параллельного переноса. Сами же группы соединяются последовательно с использованием конъюнкторов, формирующих перенос в следующую группу при единичном состоянии всех триггеров предыдущих. При единичном состоянии всех триггеров группы приход очередного входного сигнала создаст перенос из этой группы. Эта ситуация подготавливает межгрупповой конъюнктор к прямому пропусканию входного сигнала на следующую группу.

В наихудшем для быстродействия случае, когда перенос проходит через все группы и поступает на вход последней:

tУСТ = t * (е -- 1) + tГР,

где е -- число групп, tГР -- время установления кода в группе.

В развитых сериях ИС обычно имеется по 5…10 вариантов двоичных счетчиков, выполненных в виде 4-хразрядных групп (секций). Каскадирование секций может выполняться путем их последовательного включения по цепям переноса, организации параллельно-последовательных переносов или для более сложных счетчиков с двумя дополнительными управляющими входами разрешения счета и разрешения переноса путем организации параллельных переносов и в группах, и между ними.

Особенностью двоичных счетчиков синхронного типа является наличие ситуаций с одновременным переключением всех его разрядов (например, для суммирующего счетчика при переходе от кодовой комбинации 11…1 к комбинации 00…0 при переполнении счетчика и выработке сигнала переноса). Одновременное переключение многих триггеров создает значительный токовый импульс в цепях питания ЦУ и может привести к сбою в их работе. Поэтому в руководящих материалах по использованию некоторых БИС/СБИС программируемой логики, в частности, имеется ограничение на разрядность двоичных счетчиков заданной величиной k (например, 16). При необходимости применения счетчика большей разрядности рекомендуется переходить к коду Грея, для которого переходы от одной кодовой комбинации к другой сопровождаются переключением всего одного разряда. Правда, для получения результата счета в двоичном коде придется использовать дополнительно преобразователь кода, но это является платой за избавление от токовых импульсов большой интенсивности в цепях питания.

Рис. 2

Двухразрядный двоичный асинхронный суммирующий счётчик с последовательной организацией переноса на JK-триггерах. Наклонная черточка на C-входе JK-триггеров указывает, что изменение состояния триггеров происходит по фронту сигнала.

3. Дешифратор

программный регистр дешифратор цифровой

Дешифратор (декодер) (англ. decoder) в цифровой электронике -- комбинационная схема, преобразующая n-разрядный двоичный, троичный код.

Одноединичный код -- последовательность бит, содержащая только один активный бит/трит; остальные биты/триты последовательности неактивны.

Активный бит/трит -- бит/трит, равный либо единице, либо нулю (зависит от реализации дешифратора).

Неактивные биты/триты -- биты/триты:

· либо равные значению, инверсному (NOT) значению активного бита/трита;

· либо находящиеся в 3-м, высокоимпедансном состоянии.

Логический сигнал активен на том выходе, порядковый номер которого соответствует двоичному, троичному или k?ичному коду.

Двоичный (k=2) дешифратор работает следующим образом:

на вход дешифратора двоичное слово из n бит. Количество допустимых входных комбинаций из n бит равно 2n;

на выходе у дешифратора формируется двоичное слово из числа бит, меньшего или равного 2n. В выходном слове всегда имеется один бит, активный бит, равный 1 или 0, остальные биты неактивны. Активность 0 или 1 зависит от конкретной реализации дешифратора. Неактивные биты либо все имеют состояние инверсное к активному биту, либо переводятся в 3-е, высокоимпедансное состояние.

Дешифраторы являются устройствами, выполняющими двоичные, троичные или k-ичные логические функции (операции).

Логические функции двоичного дешифратора

Двоичный дешифратор работает по следующему принципу.

Пусть дешифратор имеет n входов. На входы подаётся двоичное слово . На выходах формируется код , разрядность которого меньше или равна . Активным становится разряд, номер которого равен численному представлению входного слова. Под активностью разряда понимается принятие им значения логической единицы, логического нуля или перевод в высокоимпедансное состояние -- отключение; конкретное значение зависит от используемой реализации дешифратора. Остальные разряды остаются неактивными. Максимально возможная разрядность выходного слова равна .

Дешифратор называется полным, если число выходов равно максимально возможной разрядности выходного слова (). Дешифратор называется неполным, если часть входных разрядов не используется (то есть число выходов меньше ).

Например, если для полного двоичного дешифратора (k=2) число входных разрядов n=3, и на вход поступает слово, состоящее из 0102=210, на выходе будет доступно 23=8 бит, из которых активным будет только один -- 2-й бит. Этот бит будет равен 1 или 0 (зависит от реализации), а остальные биты будут неактивны (либо будут равны 0 или 1, либо будут находиться в высокоимпедансном состоянии).

Функционирование одноединичного дешифратора, активные выходные сигналы которого принимают значение логической единицы, описывается системой конъюнкций:

…

Часто дешифраторы дополняются входом E (от англ. enable) -- «входом разрешения работы» (включения). Если на этот вход поступает активный логический сигнал (единица или ноль), то один из выходов дешифратора переходит в активное состояние, иначе все выходы неактивны вне зависимости от состояния входов.

Функционирование одноединичного дешифратора с дополнительным входом E описывается системой конъюнкций:

…

Обычно микросхемы дешифраторов выполняют с инверсными (NOT) выходами (то есть активный выбранный разряд принимает значение логического нуля).

Двоичное слово на входе дешифратора часто называют адресом.

4. Сумматор

Сумматор -- устройство, преобразующее информационные сигналы (аналоговые или цифровые) в сигнал, эквивалентный сумме этих сигналов.

Классификация сумматоров.

В зависимости от формы представления информации различают сумматоры аналоговые и цифровые.

По способу реализации:

· механические.

· электромеханические.

· электронные.

· пневматические.

На счётчиках, считающие количества импульсов входного сигналах.

Функциональные, выдающие на выходах значения логической функции суммы по модулю и логической функции разряда переноса:

каждый раз вычисляющие функцию разряда суммы по модулю и функцию разряда переноса

с таблицами заранее вычисленных значений функции разряда суммы по модулю и значений функции разряда переноса записанных в:

ПЗУ, ППЗУ (аппаратные) или

ОЗУ (аппаратные и программные).

Четвертьсумматоры -- бинарные (двухоперандные) сумматоры по модулю без разряда переноса, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются два одноразрядных числа, и одним выходом, на котором реализуется их арифметическая сумма по модулю.

Полусумматоры -- бинарные (двухоперандные) сумматоры по модулю с разрядом переноса, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются одноимённые разряды двух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая сумма по модулю в данном разряде, а на другом -- перенос в следующий (старший) разряд.

Полные сумматоры -- тринарные (трёхоперандные) сумматоры по модулю с разрядом переноса, характеризующиеся наличием трёх входов, на которые подаются одноимённые разряды двух складываемых чисел и перенос из предыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуется арифметическая сумма по модулю в данном разряде, а на другом -- перенос в следующий (более старший разряд). Такие сумматоры изначально ориентированы только на показательные позиционные системы счисления.

По способу действия:

· Последовательные (одноразрядные), в которых обработка разрядов чисел ведётся поочерёдно, разряд за разрядом, на одном и том же одноразрядном оборудовании.

· Параллельнопоследовательные, в которых одновременно параллельно складываются по несколько разрядов, объединённых в группы.

· Параллельные (многоразрядные), в которых слагаемые складываются одновременно по всем разрядам, и для каждого разряда имеется своё оборудование.

По способу организации переноса:

· С последовательным переносом (Ripple-carry adder).

· С ускоренным групповым переносом (Carry-lookahead adders).

· Сумматор с условным сложением (Conditional sum adder).

· С переключением переноса (с выбором переноса) (Carry-select adder).

· С сохранением переноса (Carry-save adder).

5. Коммутатор

Mультиплексор -- устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов, подающих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передавать сигнал

Аналоговые и цифровые мультиплексоры значительно различаются по принципу работы. Первые электрически соединяют выбранный вход с выходом (при этом сопротивление между ними невелико -- порядка единиц/десятков ом). Вторые же не образуют прямого электрического соединения между выбранным входом и выходом, а лишь «копируют» на выход логический уровень ('0' или '1') с выбранного входа. Аналоговые мультиплексоры иногда называют ключами или коммутаторами.

Устройство, противоположное мультиплексору по своей функции, называется демультиплексором. В случае применения аналоговых мультиплексоров (с применением ключей на полевых транзисторах) не существует различия между мультиплексором и демультиплексором; такие устройства могут называться коммутаторами.

Щёточно-коллекторный узел -- узел электрической машины, обеспечивающий электрическое соединение цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части машины. Состоит из коллектора (набора контактов, расположенных на роторе) и щёток (скользящих контактов, расположенных вне ротора и прижатых к коллектору).

Коллектор со следами износа

В коллекторном электродвигателе щёточно-коллекторный узел одновременно выполняет две функции: является датчиком углового положения ротора (датчик угла) со скользящими контактами и переключателем направления тока со скользящими контактами в обмотках ротора в зависимости от углового положения ротора.

В бесколлекторных электродвигателях постоянного тока (вентильный электродвигатель) электронным аналогом щёточноколлекторного узла является датчик положения ротора и электронный переключатель направления тока в обмотках статора (инвертор).

В генераторах также одновременно выполняет две функции: является датчиком углового положения ротора со скользящими контактами и переключателем направления тока со скользящими контактами на токосъёмах (щётках) в зависимости от углового положения ротора, то есть является механическим выпрямителем.

В бесколлекторных генераторах постоянного тока (синхронный генератор) обе функции -- и датчика углового положения ротора (по направлению и величине ЭДС), и переключателя направления тока на выходных зажимах (по направлению и величине ЭДС) выполняет неуправляемый выпрямитель на диодах.

Кроме того, до середины ХХ в. широкое распространение имели механические выпрямители, коллекторы которых вращались синхронными двигателями для выпрямления сетевого напряжения. Применялись для мощных потребителей, устанавливались на заводах по производству алюминия, на тяговых подстанциях железных дорог и, иногда, трамваях.

В различных отраслях техники -- устройство (переключатель, распределитель), обеспечивающее посредством включения, отключения и переключения выбор требуемой выходной цепи (цепей) и соединение с ней входной цепи (цепей).

Коммутатор -- аналоговый мультиплексор.

Коммутатор в электродвигателях и электрогенераторах -- щёточно-коллекторный узел, устройство, обеспечивающее электрическое соединение цепи ротора с цепями неподвижных частей машины.

Коммутатор в компьютерных сетях -- устройство для соединения нескольких узлов или сегментов вычислительной сети.

Щёточно-коллекторный узел является одной из наименее надёжных частей электрических машин, поскольку скользящие контакты интенсивно изнашиваются от трения. Для профессионального электроинструмента, например, щётки являются расходным материалом. По этой причине с точки зрения надёжности предпочтительны двигатели без щёточно-коллекторного узла -- вентильный электродвигатель и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Щеточный контакт при нормальных условиях работы вызывает наиболее большое число отказов в работе электрических машин. Например, для коллекторных машин постоянного тока в среднем 25 % отказов происходит из-за выхода из строя щеточно-коллекторного узла (в транспортных установках доля таких отказов достигает 44…66 %).

Часть щёточно-коллекторного узла -- «щётка» получила своё название от ранних конструкций, в которых действительно была похожа на щётку из множества гибких проволочек. В настоящее время изготавливается в виде бруска из графита или другого токопроводящего материала с малым удельным сопротивлением и малым коэффициентом трения.

Заключение

Я провел исследовательскую работу на тему: Pегистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры, коммутаторы, их использование в станках с ЧПУ.

Я узнал, что такое регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры, коммутаторы. И на основании выше изложенного могу сказать, что станки с ЧПУ не могут существовать без них.

Размещено на Allbest.ru