_методички / АСЭ и АиТ / Чертков-21.80

И. Е. ЧЕРТКОВ, Н. А. КАЛИНИНА, К. С. МАРКЕЛОВА

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕХАНИКИ МСТ-95

ЧАСТЬ 1

ОМСК 2010

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Омский государственный университет путей сообщения

__________________________________

И. Е. Чертков, Н. А. Калинина, К. С. Маркелова

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОАНЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕХАНИКИ МСТ-95

Часть 1

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Автоматизация систем электроснабжения»

Омск 2010

1

УДК 621.331:621.311:621.315 ББК 39. 279

Ч35

Основные функциональные элементы системы телемеханики МСТ-95. Часть 1: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Автоматизация систем электроснабжения» / И. Е. Чертков, Н. А. Калинина, К. С. Маркелова; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. 40 с.

Представлено описание пяти лабораторных работ, в которых приведены основные теоретические сведения об устройстве, о принципах работы и конструктивных особенностях функциональных элементов (логических элементов, триггеров, мультиплексоров, счетчиков), применяемых в устройствах автоматики и телемеханики (например, в микроэлектронной системе телемеханики МСТ-95).

Предназначены для студентов четвертого курса специальности 190401 (101800) – « Электроснабжение железных дорог» – очной и заочной форм обучения, могут быть полезны при проведении занятий со слушателями Института повышения квалификации и переподготовки.

Библиогр.: 4 назв. Рис. 23. Табл. 11. Прил. 3. Рецензенты: канд. техн. наук, доцент П. В. Беляев;

канд. техн. наук, доцент С. Н. Чижма.

_________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2010

2

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ................................................................................................................	5
Лабораторная работа 1. Исследование фрагмента схемы блока кодирования
передающего полукомплекта телеуправления .............................................	7
1.1. Краткие теоретические сведения ............................................................	7
1.1.1. Аналитическое представление выходной функции ...........................	7
1.1.2. Исследование фрагмента блока кодирования .....................................	9
1.2. Порядок выполнения работы ...................................................................	10
1.2.1. Подготовка к выполнению работы ......................................................	10
1.2.2. Задание на выполнение работы ............................................................	10
1.2.3. Экспериментальные исследования ......................................................	11
1.2.4. Исследование схемы заданного блока с помощью программы
MultiSim 10 .......................................................................................................	12
1.3. Контрольные вопросы ..............................................................................	12
Лабораторная работа 2. Исследование триггеров в передающем полуком-
плекте телеуправления ....................................................................................	12
2.1. Краткие теоретические сведения ............................................................	12
2.2. Порядок выполнения работы ...................................................................	16
2.2.1. Исследование D-триггера, выполненного на микросхеме К561ЛА7	16
2.2.2. Исследование триггеров, выполненных на микросхеме К561ТМ2 ..	17
2.3. Контрольные вопросы ..............................................................................	18
Лабораторная работа 3. Исследование мультиплексоров и демультиплек-
соров в полукомплектах телеуправления ......................................................	18
3.1. Краткие теоретические сведения ............................................................	18
3.2. Порядок выполнения работы ...................................................................	21
3.3. Контрольные вопросы ..............................................................................	23
Лабораторная работа 4. Исследование двоичных счетчиков электрических
импульсов .........................................................................................................	23
4.1. Краткие теоретические сведения ............................................................	23
4.2. Порядок выполнения работы ...................................................................	27
4.2.1. Аналитическое описание принципиальной схемы счетчика .............	27
3

4.2.2. Исследование асинхронного двухразрядного двоичного счетчика
на триггерах .....................................................................................................		27
4.2.3. Исследование синхронного двоичного счетчика на микросхеме
К561ИЕ10 .........................................................................................................		28
4.3. Контрольные вопросы ..............................................................................		29
Лабораторная работа 5. Исследование кольцевых сдвигающих счетчиков
(счетчик-делитель на восемь) .........................................................................		30
5.1. Краткие теоретические сведения ............................................................		30
5.2. Порядок выполнения работы ...................................................................		33
5.3. Контрольные вопросы ..............................................................................		34
Библиографический список .................................................................................		35
Приложение 1.	Основы алгебры логики ............................................................	36
Приложение 2.	Логический элемент И-НЕ на микросхеме КМОП .................	38
Приложение 3.	Микросхемы КМОП и их аналоги ...........................................	39

4

ВВЕДЕНИЕ

Развитие и совершенствование технических средств управления системами электроснабжения электрифицированных железных дорог связаны с внедрением устройств автоматики и телемеханики.

Внастоящее время в устройствах автоматики и телемеханики электрифицированных железных дорог широко применяются интегральные микросхемы, на основе которых разработаны комплексы защиты и автоматики фидеров контактной сети, устройства телеблокировки, системы телемеханики и др. В связи

сэтим особое значение приобретает задача повышения уровня подготовки специалистов, связанных с проектированием и эксплуатацией устройств электроснабжения электрических железных дорог.

Цель настоящих методических указаний – помочь студентам усвоить основные положения курса «Автоматизация систем электроснабжения» при выполнении лабораторных работ по изучению узлов микроэлектронной системы телемеханики МСТ-95 и принципов работы их основных логических схем, приобрести практические навыки выполнения измерений и творческой исследовательской деятельности.

Вкаждой лабораторной работе приведены основные теоретические сведения об устройстве рассматриваемых логических элементов и их характеристики, представлены электрические схемы этих элементов и рассмотрена технология проведения исследований.

К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, подготовленные теоретически и прошедшие инструктаж по технике безопасности при работе на стендовой установке.

Питание на стенды подается от распределительного щита. Лабораторные стенды, блоки питания и индикации, осциллографы включаются в сеть напряжением 220 В переменного тока.

Во время проведения исследования электрических схем студент обязан: выполнять только ту работу, которая определена преподавателем; работать только на закрепленном за ним рабочем месте и нести ответ-

ственность за сохранность оборудования; сборку схем и необходимые переключения на них производить, применяя

только исправные изолированные соединительные провода, при отключенном выключателе питания на стенде;

5

перед включением стенда показать преподавателю схему для проверки правильности ее сборки и получения разрешения на работу;

для подачи сигналов на входы применять блок управления, содержащий несколько кнопок и блок индикации;

при перерывах в работе или в подаче электрической энергии отключать стенд;

в случае возникновения аварийного режима в схеме (искрение, перегрев токоведущих частей, появление дыма и пр.) или при попадании кого-либо из находящихся в лаборатории под напряжение немедленно снять напряжение со всех лабораторных стендов (отключить ввод на распределительном щите) и сообщить об этом преподавателю;

при срабатывании устройства защиты лабораторного стенда и появлении звукового сигнала, сопровождающегося миганием красной лампочки, свидетельствующего о перегрузке, немедленно отключить тумблер питания на стенде и сообщить об этом преподавателю.

После завершения исследований необходимо отключить лабораторный стенд, получить разрешение преподавателя на разборку схемы, разобрать ее, сдать преподавателю комплект соединительных проводов, выданных ему перед началом работы.

Отчет по результатам лабораторной работы оформляется на листах формата А4 или в специальной тетради и должен содержать титульный лист; цель работы; основные теоретические сведения; назначение, характеристику и паспортные данные исследуемого объекта; порядок выполнения работы; таблицу выходных функций схемы; таблицу истинности, полученную аналитическим методом; математическое описание выходных функций, состоящее из определения структурной формулы по таблице истинности и по выполняемым функциям; схему измерения (установки); результаты эксперимента в виде таблиц и временных диаграмм; описание моделирования работы схемы в среде MultiSim 10; выводы по результатам выполненной работы; ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).

При написании отчетов по лабораторным работам необходимо соблюдать требования СТП ОмГУПС-1.2-2005 (Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Общие требования и правила оформления текстовых документов) и СТП ОмГУПС-1.3-02 (Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Основные правила оформления чертежей).

6

Лабораторная работа 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ФРАГМЕНТА СХЕМЫ БЛОКА КОДИРОВАНИЯ ПЕРЕДАЮЩЕГО ПОЛУКОМПЛЕКТА ТЕЛЕУПРАВЛЕНИЯ

Цель работы: практически ознакомиться с принципом работы фрагмента схемы блока кодирования передающего полукомплекта телеуправления, выполненного на логических элементах И-НЕ.

1.1. Краткие теоретические сведения

Методы анализа и синтеза дискретных устройств основываются на алгебре логики. Основоположником алгебры логики был ирландский математик Д. Буль (1815 – 1864). Функцию f (a1, a2,…, an) называют функцией алгебры логики (ФАЛ), если она, как и ее переменные может принимать только два значения: «0» и «1». Значения переменных ФАЛ сопоставляют со значениями сигналов на входах дискретного автомата, а значения функции алгебры логики – со значениями сигналов на его выходах.

Совокупность значений входных переменных называют набором. Каждому набору переменных соответствует определенное значение функции. Количество наборов определяется как N = 2n, где n – число входных переменных.

В соответствие каждой ФАЛ можно поставить k-разрядное двоичное число, значит, число функций алгебры логики n аргументов Nf = 2k, где k = N = 2n . При n = 2 число функций Nf = 2k = 24 = 16 .

Таблицу, в которой для всех наборов переменных приводятся значения ФАЛ, называют таблицей истинности. При n переменных таблица истинности содержит 2n строк (по числу наборов), n столбцов (по числу переменных) и один столбец значений функции. Различают две формы описания поведения систем и представления информации – аналитическую и дискретную. Все сложные схемы микроэлектронной системы телемеханики приведены к базису И-НЕ.

1.1.1. Аналитическое представление выходной функции

Для представления выходных функций применяются две формы записи – совершенная дизъюнктивная нормальная форма (СДНФ) и конъюнктивная (СКНФ).

7

Совершенной называется такая дизъюнктивная нормальная форма записи, у которой в каждую конъюнкцию входят все переменные данного списка (либо сами, либо их отрицания), причем в одном и том же порядке. Конъюнкция (логическая операция И) – это сложное логическое выражение, которое считается истинным в том и только том случае, когда все простые выражения являются истинными, во всех остальных случаях данное сложное выражение ложно.

Совершенной называется такая конъюнктивная нормальная форма записи функции, у которой в каждую простую дизъюнкцию входят все переменные данного списка (либо сами, либо их отрицания), причем в одинаковом порядке. Дизъюнкция (логическая операция ИЛИ) – это сложное логическое выражение, которое считается истинным, если хотя бы одно из простых логических выражений истинно, и ложным тогда и только тогда, когда все простые логические выражения ложны.

Совершенная дизъюнктивная и конъюнктивная нормальные формы записи функции получаются из таблицы истинности.

Для получения СДНФ записи функции необходимо выполнить следующие действия:

1)выбрать все наборы аргументов, на которых функция принимает значения «1»;

2)выписать элементарные конъюнкции, соответствующие этим наборам элементов. Если xi входит в данный набор как «1», то в конъюнкцию он вписывается без изменения; если xi входит в данный набор как «0», то в конъюнкцию вписывается отрицание xi ;

3)все полученные элементарные конъюнкции соединяются между собой знаками дизъюнкции ( , +).

Для получения СКНФ записи функции необходимо выполнить следующие действия:

1)выбрать в таблице истинности все наборы аргументов, на которых функция принимает значения «0»;

2)выписать элементарные дизъюнкции, соответствующие этим наборам элементов; если xi входит в данный набор как «0», то в дизъюнкцию он вписывается без изменений; если xi входит в данный набор как «1», то в дизъюнкцию вписывается его отрицание xi ;

3) все полученные элементарные дизъюнкции соединяются между собой знаками конъюнкции ( , · или &).

8

	a	b	f1	Пример. Получение функции f1 для
	0	0	1	элемента И-НЕ (рис. 1).
	0	1	1	Запись функции в СДНФ:
	1	0	1	f1 = (a b ) (a b) (a b )= a b .
	1	1	0
				Запись функции в СКНФ:
	а	б
				f1 = a b .
	Рис. 1. Схема элемента 2И-НЕ (а) и
	его таблица истинности (б)

1.1.2.Исследование фрагмента блока кодирования

Влабораторной работе необходимо провести анализ схемы, выполненной на элементах И-НЕ микросхемы К561ЛА7. Эти элементы применяются в схеме блока кодирования передающего полукомплекта микроэлектронной системы телемеханики МСТ-95 на диспетчерском пункте и имеют обозначения DD1.1,

DD1.2, DD1.3 и DD1.4 (рис. 2).

Рис. 2. Схема исследуемого фрагмента блока кодирования

Для микросхем КМОП принято, что логическая единица (лог. 1) соответствует потенциалу высокого уровня, а логический ноль (лог. 0) – потенциалу низкого уровня. В микросхеме К561ЛА7 (рис. 3) находятся четыре двухвходовых логических элемента И-НЕ.

а б

Рис. 3. Схема (а) и цоколевка (б) микросхемы К561ЛА7

9