Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Мета дослідження Метою роботи є розробка оптоімітансних логічних елементів, а також дослідження роботи та характеристики логічних елементів при різних умовах впливу світлового потоку за допомогою комп’ютерного моделювання

Скачати 455.29 Kb.

Мета дослідження Метою роботи є розробка оптоімітансних логічних елементів, а також дослідження роботи та характеристики логічних елементів при різних умовах впливу світлового потоку за допомогою комп’ютерного моделювання




Скачати 455.29 Kb.
Сторінка1/4
Дата конвертації03.04.2017
Розмір455.29 Kb.
  1   2   3   4

ВСТУП
У сучасних інформаційних системах широке використання отримали логічні елементи [1].

Логічний елемент - пристрій, призначений для обробки інформації в цифровій формі (послідовності сигналів високого - «1» і низького - «0» рівнів у двійковій логіці, послідовність «0», «1» та «2» в трійковій логіці, послідовності «0», «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7», «8» та «9» в десятковій логіці).
Інформацíйна систéма (англ. Information system) - сукупність організаційних і технічних засобів для збереження та обробки інформації з метою забезпечення інформаційних потреб користувачів.
Інформаційним базисом таких елементів є струм або напруга. У основі роботи таких логічних елементів є використання нелінійних властивостей транзисторів, що обмежує їх швидкодію. Одним з нових напрямів створення логічних елементів є використання у якості інформаційного координаторного базису – RLC-імітансу [4]. В основі побудови таких логічних схем є використання однокристальних узагальнених перетворювачів імітансу (УПІ), які працюють у лінійному режимі, що дозволяє підвищити швидкодію логічних елементів.
Швидкодія (рос. быстродействие, англ. speed of response, нім. Schnelligkeit f, Reaktionsfähigkeit f, Ansprechgeschwindigkeit f) - швидкість реакції системи на зовнішні дії або кількість операцій, які здійснює система за одиницю часу.
Перетво́рювач - пристрій, елемент електричних, гідравлічних, пневматичних та інших схем, який перетворює один вид енергії на інший або сприяє цьому.



Актуальність роботи

Оптоімітансні ЛЕ частково володіють переванами і недоліками оптоелектронних і радіочастотних логічних схем, і їх застосування дозволяє розширити функціональні можливості і поліпшити технічні параметри різних інформаційних пристроїв, що ставить завдання подальшого розвитку схемотехнічного забезпечення цього напрямку інформаційної техніки.



Мета дослідження

Метою роботи є розробка оптоімітансних логічних елементів, а також дослідження роботи та характеристики логічних елементів при різних умовах впливу світлового потоку за допомогою комп’ютерного моделювання.

Можливість - це дія, що може відбутися або ні (можливо, приїду, а, можливо, і ні). Можливість можна забезпечити чи покладатись на «авось» та якось буде. Альтернатива дає шанс, але не гарантує без відповідних дій забезпечення результату і адекватності та конструктиву діяльності.
Оптоелектрóніка - розділ фізики та техніки, пов'язаний з перетворенням світлового випромінювання в електричний струм і навпаки.
Застосунок, застосовна програма, прикладна програма (англ. application, application software; пол. aplikacja; рос. приложение, прикладная программа) - користувацька комп'ютерна програма, що дає змогу вирішувати конкретні прикладні задачі користувача.
При́стрій (англ. device, appliance, нім. Vorrichtung f, Einrichtung f) - обладнання, конструктивно завершена технічна система, що має певне функціональне призначення і за допомогою якої виконується яка-небудь робота або спрощується, полегшується певний процес.
Св́ітло - електромагнітні хвилі видимого спектру. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7.5×1014 - 4×1014 Гц), тобто з довжиною хвилі від 390 до 750 нанометрів.

Об’єкт дослідження

Логічні елементи.

Предмет дослідження

Характеристики процесу перетворення світлового потоку (перетворення імпедансу) в імпеданс логічних елементах.

Методи дослідження

Дослідження проводились за допомогою комп’ютерного моделювання електричних схем.

Імпеданс (англ. impedance від лат. impedio - «перешкоджаю») - комплексний опір.
Світлови́й поті́к - кількісна характеристика випромінювання, яке випромінюється джерелом світла. Одиниця вимірювання СІ: люмен.
Електри́чна схе́ма - це технічний документ, що містить у вигляді умовних графічних зображень чи позначень інформацію про будову виробу, його складові частини та взаємозв'язки між ними, дія якого ґрунтується на використанні електричної енергії.


РОЗДІЛ 1

АНАЛІЗ СУЧАСНИХ ДОСЯГНЕНЬ В ОБЛАСТІ ВИКОРИСТАННЯ

ОПТОІМІТАНСНИХ ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕТІВ


    1. Основні визначення і призначення логічних елементів

Логічний елемент − це електронний прилад, що реалізує одну з логічних функцій.
Озна́чення, ви́значення чи дефіні́ція (від лат. definitio) - роз'яснення чи витлумачення значення (сенсу) терміну чи поняття. Слід зауважити, що означення завжди стосується символів, оскільки тільки символи мають сенс що його покликане роз'яснити означення.
Електро́нний при́лад (ЕП) - прилад для перетворення електромагнітної енергії з одного виду в інший, в процесі взаємодії створених в ньомо електронних потоків з електромагнітними полями, в середовищі, яке заповнює його внутрішній простір (вакуум, газ, напівпровідниковий матеріал, тощо).
В склад серій мікросхем, що розглядаються, входить велике число логічних елементів. На принциповій схемі логічний елемент зображають прямокутником, всередині якого ставиться зображення покажчика функції.
Кре́слення - дисципліна зі створення стандартизованих технічних малюнків, що виконуються фахівцями інженерами, архітекторами тощо.
Прямоку́тник - це чотирикутник, усі кути якого прямі. Протилежні сторони прямокутника рівні. Є окремим випадком паралелограма.
Лінії з лівої сторони прямокутника показують входи, з правої - вихід елемента.
энциклопедия технологий и методик - логические элементы снар…

Рис. .1 – Принципова схема логічних елементів

Логічні схеми виконують операції над змінними, котрим ставлять у відповідність електричні сигнали, що можуть, як і змінні, приймати лише два значення. Такими сигналами можуть бути присутність напруги не менше заданої величини або відсутність її (останньому поняттю відповідає припущення, що напруга не перевищує деякої заданої достатньо малої величини).

Електропі́ч (англ. electric furnace) - електротермічний пристрій, що має закритий робочий простір, в якому здійснюється процес електронагрівання.
Театральна лабораторія «ВідСутність» - зразковий художній колектив заснований в 2010 році за ініціативи Юрія Паскара в місті Рівне. Діє на базі Рівненського міського Палацу дітей та молоді.
Ці сигнали, що визначаються рівнем напруги називаються потенціальними, а схеми, що їх використовують - потенціальними логічними схемами.

Логічним змінним можуть відповідати також наявність або відсутність тактового імпульсу у визначені моменти часу. Такі сигнали і логічні схеми, що їх використовують, називають імпульсними. Якщо прийнято, що високий рівень сигналу відповідає логічній одиниці 1”, а низький логічному нулеві “0”, то така логіка називається додатньою, в протилежному випадку говорять про від’ємну логіку.

Існує декілька простих логічних функцій, які можна реалізувати відповідно з допомогою декількох логічних схем:



  • логічне заперечення (інверсія, операція "НІ") полягаю в отриманні змінної, що протилежна до даної, У= ā

  • логічне додавання(диз'юнкція, операція "АБО") полягає в тому, що функція приймає значення рівне 1, якщо хоча б один з аргументів рівний 1, У = a v b

  • логічне множення (кон'юнкція, операція "І") полягає в тому, що функція приймає значення рівне 1, якщо всі аргументі одночасно рівні 1, У= a ^ b

  • заперечення кон’юнкції (штрих Шеффера, операція "І-НІ"), яка містить в собі логічне множення і заперечення, У= ā

  • заперечення диз'юнкції (стрілка Пірса, операція "АБО-НІ”), яка містить в собі логічне додавання і заперечення, У = ā

Система елементів, що дозволяє будувати на їх базі логічні функції будь-якої складності, називається функціонально повною системою, або базисом.
Додавання - бінарна арифметична операція, суть якої полягає в об'єднанні математичних об'єктів.
Набір трьох логічних функцій: І, АБО, НІ називається булевим базисом на честь англійського математика кінця ХIХ ст. Джорджа Буля, що дослідив ці функції. Алгебру, в якій різні логічні функції записуються за допомогою цих трьох функцій, називають булевою.

Сучасний стан розвитку автоматизованих систем контролю і управління різноманітними технологічними та фізичними процесами характеризуються широким використанням засобів збору, обробки та передачі інформації.

Техноло́гія (від грец. τεχνολογια, що походить від грец. τεχνολογος; грец. τεχνη - майстерність, техніка; грец. λογος - (тут) передавати) - наука («корпус знань») про способи (набір і послідовність операцій, їх режими) забезпечення потреб людства за допомогою (шляхом застосування) технічних засобів (знарядь праці).
Автоматиза́ція - один з напрямів науково-технічного прогресу, спрямований на застосування саморегульованих технічних засобів, економіко-математичних методів і систем керування, що звільняють людину від участі в процесах отримання, перетворення, передачі і використання енергії, матеріалів чи інформації, істотно зменшують міру цієї участі чи трудомісткість виконуваних операцій.
Фі́зика (від грец. φυσικός природний, φύσις природа) - природнича наука, яка досліджує загальні властивості матерії та явищ у ній, а також виявляє загальні закони, які керують цими явищами; це наука про закономірності Природи в широкому сенсі цього слова.
Англи (лат. Anglii, англ. Angles, нім. Angeln) - германські племена, що населяли південь та центральний схід півострова Ютландія. У V столітті н. е. з невідомих причин (можливо, через зміну клімату, неврожаї) переселилися на Британські острови, де потіснили місцеве кельтське населення.
Комуніка́ція (від лат. communicatio - єдність, передача, з'єднання, повідомлення, пов'язаного з дієсловом лат. communico - роблю спільним, повідомляю, з'єдную, похідним від лат. communis - спільний) - це процес обміну інформацією (фактами, ідеями, поглядами, емоціями тощо) між двома або більше особами, спілкування за допомогою вербальних і невербальних засобів із метою передавання та одержання інформації.
Функціональна повнота множини логічних операцій чи булевих функцій - це можливість подати всі можливі значення таблиць істинності за допомогою формул із елементів цієї множини.
Ас (фр. as - туз; в переносному розумінні - вмілий, сміливий) - майстер повітряного бою. Часом слово вживається і для означення будь-якого висококласного спеціаліста.
Логічні елементи, як один з таких засобів, входять до складу будь-якої інформаційно-вимірювальної або керуючої системи і значною мірою визначають її характеристики. Однак покращення швидкісних, метрологічних та технологічних характеристик апаратури часто досягається шляхом її ускладнення та підвищення вартості. Одним з перспективних шляхів вирішення цієї проблеми є використання імітансних та оптоімітансних логічних елементів (ОЛЕ) на базі узагальнених перетворювачів імітансу (УПІ), що працюють в лінійному режимі.
Апаратура (рос. аппаратура, англ. apparatus, нім. Apparatur) - сукупність функціонально різноманітних вимірювальних приладів і допоміжних пристроїв та пристосувань, спеціально підібраних для виконання певної технічної задачі.
Підвищення (елевація) - кутова висота об'єкта спостереження (земного предмета, літального апарату, небесного світила тощо) над істинним горизонтом. Підвищення спільно з азимутом служить для визначення напрямку на об'єкт.
Метрологія (грецька μέτρον - міра, λόγος - слово, вчення) - це наука про вимірювання та їх застосування - таке коротке визначення дає державний стандарт України, який висвітлює основні поняття та терміни метрології - ДСТУ 2681-94 Метрологія.
Перспекти́ва (фр. perspective, від лат. perspicio - ясно бачу) - система зображення об'ємних тіл на площині або якій-небудь іншій поверхні, яка враховує їх просторову структуру й віддаленість окремих їх частин від спостерігача.

Одним з нових напрямків створення логічних елементів є використання у якості інформаційного координатного базису – RLC-імітансу. Відомо, що як імітансні, так і оптоімітансні логічні елементи забезпечують повний функціональний базис. Їх застосування у поєднанні із відомими інверторами та конверторами імітансу дозволяє створювати нові повнофункціональні схеми.

Враховуючи наявність великої кількості імітансних параметрів та різні підходи до реалізації УПІ і логічних схем на їх основі, метою роботи є розробка методики синтезу оптоіммітансних логічних елементів, які використовують як інформаційний базис R- імітанс.

Пара́метр (від дав.-гр. παραμετρέω) - відмірюю, розмірюю)(рос. параметр, англ. parameter, нім. Parameter m, Kennwert m, Kenngrösse f, Kennzahl f) - величина, що нею характеризують якусь властивість, стан, розмір або форму об'єкта, робочого тіла, процесу, явища або системи тощо.
Кількість - в Арістотелівській логіці друга з 10 категорій (класів, розрядів, які спрощують процес розумового визначення будь-якої речі), побічна обставина матеріальних речей , за допомогою якої вони поширюються в просторі, вимірюються якоюсь математичною нормою і здатні бути поділеними на окремі частини.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі завдання:

− на підставі обмежень, які вводяться, обґрунтовуються загальні структурні схеми логічних елементів, що розробляються;

− розробляються структури основних логічних елементів при використанні різних видів УПІ;

− визначаються умови, що забезпечують реалізацію основних логічних функцій;

− розробляються приклади практичної реалізації імітансних логічних R-елементів на базі реальної транзисторної структури.

Одним з шляхів розв'язання поставленого завдання є побудова імітансних логічних елементів [3] на базі однотранзисторних узагальнених перетворювачів імітансу (УПІ) [4], що працюють у лінійному режимі. Різновидом таких елементів є оптоімітансні логічні елементи, які поєднують у собі властивості узагальнених перетворювачів імітансу та оптоелектронних приладів, що суттєво розширює їх функціональні можливості та покращує технічні характеристики.

Різновид (рос. разновидность, англ. species, sort, variation, variety, нім. Abart f) - у мінералогії - окремі члени мінерального виду змінного складу.

При реалізації оптоіммітансних ЛЕ доцільне використання фотоприймачів на основі діодів Шотткі, однокристальних ОПИ на основі біполярних і польових транзисторних структур Шотткі, а в якості фотовипромінювачів - світлодіоди на основі гетероструктур.

Оптоіммітансні ЛЕ частково володіють перевагами і недоліками оптоелектронних і радіочастотних логічних схем, і їх застосування дозволяє розширити функціональні можливості і поліпшити технічні параметри різних інформаційних пристроїв, що ставить завдання подальшого розвитку схемотехнічного забезпечення цього напрямку інформаційної техніки.

Теоретично, швидкодія та ефективність цих схем є вищою, ніж відеоімпулсної логіки, однак їх практична схемотехнічна реалізація є недосконалою.

Про́даж - це оплатна передача майна однією особою у власність іншій особі.
Світлодіо́д (англ. LED - light-emitting diode) - напівпровідниковий пристрій, що випромінює некогерентне світло, при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція).
Практика (грец. πράξις «діяльність») - доцільна і цілеспрямована діяльність, яку суб'єкт здійснює для досягнення певної мети. Практика має суспільно-історичний характер і залежить від рівня розвитку суспільства, його структури.

Оптоімітансні логічні елементи оцінюють параметрами, що характеризують їх логічні елементи, а також параметрами, що характеризують їх як оптично чутливі пристрої:

• навантажувальна здатність;

• коефіцієнт об'єднання за входом і коефіцієнт об'єднання за виходом;

• швидкодія при перемиканні;

• перешкодозахищеність;

технологічність;

Характер (термін «характер» - грецького походження, він означає «риса», «ознака», «відбиток»)- це сукупність відносно стійких індивідуально-своєрідних якостей особистості, що виявляються у поведінці, діяльності та ставленні до людей, колективу, до себе, речей, роботи і тощо.
О́птика (англ. optics) - розділ фізики, в межах якого вивчається природа оптичного випромінювання (світла), досліджуються процеси випромінювання світла, його поширення в різноманітних середовищах і взаємодії з речовиною.
Технологічність (рос. технологичность, англ. adaptability to manufacture, нім. Fertigungsgerechtheit f) - відповідність продукції вимогам економічної технології її використання. Технологічність забезпечується при розробці конструкції виробу.

• мінімальна чутливість Фмін – тобто найменше значення світлового потоку, за якого виникає фотовідгук чутливого елемента і відбувається перемикання схеми.

Комутація в економіці - процес заміни натурального оброку та панщини феодальною грошовою рентою, обумовлений розвитком товарно-грошових відносин.
Для побудови імітансних логічних схем пропонується використовувати властивості однотранзисторних узагальнених перетворювачів імітансу, що працюють в лінійному режимі.

Теоретично, ряд параметрів цих схем вищі, ніж для відеоімпульсної логіки, однак їх практична схемотехнічна реалізація залишається недосконалою. Отже, задача розробки логічних елементів на основі нових принципів є актуальною.

Поєднання цих властивостей із оптичним властивостями ряду пристроїв дозволяє будувати логічні елементи, які мають розширені функціональні можливості та вищу швидкодію у порівнянні з потенційними та оптоелектронними логічними схемами, що працюють у нелінійному режимі

Логічні елементи (ЛЕ) є невід'ємною складовою обчислювальної техніки та систем керування.

Принцип (лат. principium - начало, основа) - це твердження, яке сприймається як головне, важливе, суттєве, неодмінне або, принаймні, бажане. У повсякденному житті принципами називають внутрішні переконання людини, ті практичні, моральні та теоретичні засади, якими вона керується в житті, в різних сферах діяльності.
Система керування, також Система управління (англ. control system) - систематизований набір засобів впливу на підконтрольний об'єкт для досягнення цим об'єктом певної мети. Об'єктом системи керування можуть бути як технічні об'єкти так і люди.
Електро́нна обчи́слювальна маши́на (скорочено ЕОМ) - загальна назва для обчислювальних машин, що є електронними (починаючи з перших лампових машин, включаючи напівпровідникові тощо) на відміну від електромеханічних (на електричних реле тощо) та механічних обчислювальних машин.
Більшість логічних елементів є відеоімпульсними, а отже, їх стан визначається стрибками струму та напруги, які і визначають двійкове представлення інформації. Існують також оптичні логічні [1] і радіочастотні логічні елементи [2].

У загальному випадку ці логічні пристрої мають вхідні клеми, до яких підключається перетворюваний імітанс і вихідні клеми, між якими виникає перетворений імітанс (рис. 1). іГW вихW.

Зв'язок між цими імітансами здійснюється через чотириполюсник, що має властивості узагальненого перетворювача імітансу (УПІ).

Чотирипо́люсник - електрична схема з чотирма виводами, на два з яких подається вхідний сигнал, а з двох інших знімається вихідний сигнал.
Більшість - велика частина чого-небудь, або кількісне переважання прихильників якоїсь ідеї чи рішення над їхніми противниками. Вважається найпершою засадою демократичного способу прийняття спільних рішень, головною й необхідною умовою обрання кандидата на виборну посаду.
Інвертор (лат. inverto - повертати, перевертати) - перетворювач постійного струму в змінний однофазний або багатофазний струм, силовий генератор змінного струму. Зазвичай являє собою генератор періодичнї напруги, за формою здебільшого наближеної до синусоїди, або дискретного сигналу.
Такі УПІ можуть бути незаземленими (рис. 1.1 а, в) і заземленими (рис. 1.1 б, г), послідовного (рис. 1.1 в) і паралельного (рис. 1.1 г) вигляду.



Рис. 1.2 - Узагальненні структурні схеми імітансних логічних елементів


Введенні у схеми і використовувані у подальших схемах комутатори «К» є умовними елементами, які імітують появу на вхідних клемах логічного елементу відповідного перетворюваного імітансу іГW.

У роботі пропонується розглянути синтез логічних схем, що використовують як інформативний параметр активний R – імітанс.



Рис. 1.3 - Структурна схема імітансного логічного R-елементу „НІ”

Найважливішими параметрами оптоімітансних ЛЕ, окрім швидкодії, є: коефіцієнт об'єднання по входу Коб;

Пра́ця - цілеспрямована діяльність людей зі створення матеріальних і духовних благ, необхідних для задоволення потреб кожного індивіда і суспільства в цілому.
Структу́рна схе́ма - схема, яка визначає основні функціональні частини виробу, їх взаємозв'язки та призначення. Під функціональною частиною розуміють складову частину схеми: елемент, пристрій, функціональну групу, функціональну ланку.
коефіцієнт розгалуження по виходу Кроз; споживана потужність.

Враховуючи, що у даний час відсутня інформація про перераховані параметри імітансних ЛЕ, метою роботи є їх аналітичне обґрунтування і кількісна оцінка. Під імітансом розуміється повний опір УПІ (імпеданс) , або повна провідність (адмітанс) . У загальному випадку це комплексні величини, що мають дійсну і уявну частотно–залежні частини.

Дійсна частина є диференціальним параметром: опором , або провідністю , які можуть бути як позитивними , так і негативними .

Уявна частина також є диференціальним параметром і характеризується диференціальною ємкістю або диференціальною індуктивністю , які можуть бути як позитивними , так і негативними .

Таким чином, у загальному випадку стан електричного ланцюга на змінному струмі можна характеризувати такими диференціальними параметрами: .

Індуктивність (англ. Inductance) - фізична величина, що характеризує здатність провідника накопичувати енергію магнітного поля, коли в ньому протікає електричний струм.
Змі́нний струм - електричний струм, сила якого періодично змінюється з часом.

Виходячи з цього, логічний стан схеми пропонується характеризувати не величиною струму або напруги, а характером імітансного параметра, що дозволить запропонувати шість варіантів імітансного представлення логічного «нуля» і «одиниці» [15].

Враховуючи, що не існує реальних електричних ланцюгів, що володіють чисто дійсним () або чисто уявним () імітансом, запропоновані у табл. 1.1 варіанти є такими, що ідеалізуються і можуть бути реалізовані лише при певних допущеннях, наприклад на низьких частотах, де можна ігнорувати уявною складовою імітансу () або при використанні високодобротних імітансів, коли .

Таблиця 1.1 – Варіанти імітансного представлення логічних «0» та «1»




Варіант 1

Варіант 2

Варіант 3

Логічний рівень

Імітансний рівень

Логічний рівень

Імітансний рівень

Логічний рівень

Імітансний рівень

Позитивна логіка

0



0



0



1



1



1



Негативна логіка

0



0



0



1



1



1



Варіант 4

Варіант 5

Варіант 6

Логічний рівень

Імітансний рівень

Логічний рівень

Імітансний рівень

Логічний рівень

Імітансний рівень

Позитивна логіка

0



0



0



1



1



1



Негативна логіка

0



0



0



1



1



1


Відомо, що як імітансні, так і оптоімітансні логічні елементи забезпечують повний функціональний базис. Їх застосування у поєднанні із відомими інверторами та конверторами імітансу [3] дозволяє створювати нові повнофункціональні схеми.


1.2 Логічний елемент НІ (логічний інвертор).
1.2.1 Основні характеристики

Логічний елемент НІ реалізує елементарну логічну операцію (функцію) заперечення. [16]



http://joiner.org.ua/images/stories/11_3.png

Рис. 1.4 – Умовне графічне позначення логічного елемента НІ


Логічний елемент НІ будується на основі біполярного (а) або уніполярного (польового) транзистора (б, в), що працює в ключовому режимі.

Ключовий режим транзистора характеризується тим, що транзистор знаходиться у одному з двох станів: стані насичення або стані відсікання. Перехід з одного стану в інший здійснюється стрибком. Якщо на базу біполярного транзистора подати напругу 2,4 ...

Біполярний транзистор - напівпровідниковий елемент електронних схем, із трьома електродами, один з яких служить для керування струмом між двома іншими. Термін «біполярний» підкреслює той факт, що принцип роботи приладу полягає у взаємодії з електричним полем частинок, що мають як позитивний, так і негативний електричний заряд.
5 В, що відповідає логічній 1, то транзистор стрибком перейде у стан насичення і вихідна напруга, що знімається з колектора транзистора, дорівнюватиме напрузі на двох відкритих р-п переходах, тобто 0,4 ... 0,7 В, що відповідає рівню логічного 0. Якщо ж на базу транзистора подати напругу 0 ... 0,7 В, то транзистор стрибком перейде у стан відсікання, і вихідна напруга дорівнюватиме напрузі живлення 5 В, тобто рівню логічної 1.

Таким чином, транзистор інвертує вхідний сигнал, тобто змінює значення сигналу на протилежне, отже, такий пристрій виконує логічну операцію заперечення.

Вхідни́й сигна́л (автоматика) - зумовлений (заздалегідь обумовлений) стан або зміна стану параметра, що відображає інформацію, яка міститься у впливі. Звичайно сигнал виражається певною математичною функцією, що однозначно відображає зміни у часі певного представницького параметра.

1.2.2 Схемотехнічні реалізації
Технічна реалізація УПІ можлива як на пасивних, так і на активних компонентах. Використання пасивних компонентів (відрізків лінії передачі, різних видів електричних і акустичних трансформаторів, феритів тощо) можливе в обмежених варіантах і, як правило, приводить до погіршення масогабаритних і технологічних характеристик.
Трансформа́тор (від лат. transformo - перетворювати) - пристрій для перетворення параметрів (амплітуд і фаз) напруг і струмів.
Аку́стика (від грец. ακουστικός - чутний, такий, що сприймається на слух), у вузькому значенні слова - вчення про звук, тобто про пружні коливання та хвилі у газах, рідинах і твердих тілах, чутних людським вухом (частоти таких коливань знаходяться у межах від 16 Гц до 20 кГц); у широкому сенсі - область фізики, що досліджує властивості пружних коливань та хвиль від найнижчих частот (умовно від 0 Гц) до гранично високих частот 1012 - 1013 Гц, їхньої взаємодії з речовиною і застосування одержаних знань для вирішення широкого кола інженерних проблем. Терміном акустика зараз також часто характеризують систему звуковідтворюючої апаратури.
Компонент (англ. component, нім. Komponente f) - різновид, складова частина чогось.

Водночас, такі УПІ не дозволяють реалізувати негативні дійсні імітанси, а отже і створити імітансні логічні пристрої з функціональною повнотою. Зважаючи не це, перевагу слід віддати активному УПІ, що, зокрема, реалізовується на базі напівпровідникових активних приладів.

Напівпровідники́ (англ. semiconductors) - матеріали, електропровідність яких має проміжне значення між провідностями провідника та діелектрика. Відрізняються від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури та різних видів випромінювання.

Покажемо можливість реалізації оптоімітансного LC-логічного елементу "НІ" на базі конвертора імітансу на основі біполярного транзистора, який включений за схемою із спільним колектором. Перетворюваним імітансом узагальненого перетворювача імітансу слугує опір фоторезистора R1. Величина перетвореного імітансу імітансного логічного елементу залежить від наявності або відсутності оптичного опромінювання на фоторезисторі R1.

Якщо на фоторезистор не діє опромінювання Ф=0, що відповідає логічному нулю, то на виході пристрою буде перетворений імітанс з ємнісним характером реактивної складової, що відповідає логічній одиниці.

Фоторези́стор - фотоелектричний напівпровідниковий приймач випромінювання, принцип дії якого ґрунтується на ефекті фотопровідності - явищі зменшення опору напівпровідника у разі збудження носіїв заряду світлом.
Якщо ж на фоторезистор 1R діє опромінювання, що відповідає логічній одиниці, на виході пристрою буде перетворений імітанс з індуктивним характером реактивної складової, що відповідає логічному нулю. Тобто реалізується функція "НІ".



Таблиця перетворення іммітансу оптоіммітансного LC-логічного елемента «НІ» має такий вигляд.

Таблиця 1.3 – Таблиця істинності оптоіммітансного LC-логічного елемента «НІ»

Вхід

Вихід

Ф=0

0

ImZвих<0 (C)

1

Ф≠0

1

ImZвих>0 (L )

0

Аналогічним чином реалізується оптоімітансний R-логічний елемент, в якому в якості інформаційного параметра використовується знак дійсної складової перетвореного імітансу.

Табли́ця і́стинності - математична таблиця, що широко використовується у математичній логіці зокрема в алгебрі логіки, численні висловлень для обчислення значень булевих функцій.

Для реалізації ЛЕ використовується ОПИ на біполярному транзисторі включений за схемою із загальним колектором.

Рис. 1.5 – Оптоімітансний логічний елемент «НІ»


Для реалізації логічної функції «HЕ» в якості вхідного інформаційного параметра використовується світловий потік Ф. Логічною одиниці «1» відповідає наявність світлового потоку, тобто 0Ô ≠, логічному нулю «0» - відсутність світлового потоку, 0Ô = 1.

Рис. 1.6 – Оптоімітансний логічний елемент «НІ»


В якості вихідного інформаційного параметра використовуються значення активної складової повного імпедансу âûõZ. Тоді позитивне значення активної складової імпедансу Re0âûõZ> відповідає логічній одиниці «1», а негативне значення Re0âûõZ <- логічному нулю «0».
1.2.3 Практичні застосування
Особливо широкого використання логічний елемент «НІ» не отримав, але все ж таки він знайшов застосування в такій логіці як – транзисторно-транзисторна логіка ─ перша широко поширена технологія виготовлення напівпровідникових інтегральних схем.
Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ, англ. transistor-transistor logic - транзистор-транзисторна логіка) - перша широко поширена технологія виготовлення напівпровідникових інтегральних схем. Свою назву технологія отримала через те, що транзистори використовуються як для виконання логічних функцій (наприклад, І, АБО), так і для інвертування та посилення вихідного сигналу (на відміну від резисторно-транзисторної і діод-транзисторної логіки).
Мікросхе́ма, інтегральна мікросхема (англ. integrated circuit) - електронна схема, що реалізована у вигляді напівпровідникового кристалу (чипу) та виконує певну функцію. Винайдена у 1958 році американськими винахідниками Джеком Кілбі та Робертом Нойсом.

Свою назву технологія отримала через те, що транзистори використовуються як для виконання логічних функцій (наприклад, І, АБО), так і для інвертування та посилення вихідного сигналу (на відміну від резисторно-транзисторної і діод-транзисторної логіки).

Найпростіший базовий елемент ТТЛ виконує логічну операцію І-НІ і за схемотехнічним рішенням є подібним до ДТЛ елементу, але за рахунок використання багатоемітерного транзистора має кращу швидкодію, менше енергоспоживання і є більш технологічним

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/ac/7400_circuit.svg/319px-7400_circuit.svg.png

Рис. 1.7 – Схема двовходового ТТЛ-елемента 2І-НІ

У ТТЛШ використовуються транзистори Шотткі, в яких бар'єр Шотткі не дозволяє транзистору увійти в режим насичення в результаті чого дифузійна ємність мала і затримки перемикання малі, а швидкодія висока.

1.3 Логічний елемент І.


Логічний елемент І, умовне графічне позначення якого згідно з державними стандартами, реалізує елементарну логічну операцію кон'юнкції або логічного множення.
Енергоспоживання (грец. ἐνέργεια-діяльний, активний) - кількість енергії, яка споживається об'єктом в одиницю часу.
Результат, пі́дсумок, (заст. ску́ток, вислід) - кінцевий наслідок послідовності дій. Можливі результати містять перевагу, незручність, вигоду, збитки, цінність і перемогу. Результат є етапом діяльності, коли визначено наявність переходу якості в кількість і кількості в якість.
Станда́рт - нормативний документ, заснований на консенсусі, прийнятий визнаним органом, що встановлює для загального і неодноразового використання правила, настанови або характеристики щодо діяльності чи її результатів, та спрямований на досягнення оптимального ступеня впорядкованості в певній сфері.
Логічний елемент І реалізується на послідовно ввімкнених ключах (а).
http://joiner.org.ua/images/stories/11_1.png

Рисунок 1.8 – Умовне графічне позначення логічного елементу


Вихідний сигнал послідовно ввімкнених ключів, що відповідає логічній 1, буде тільки в тому разі, якщо на обидва ключі подати сигнали, що відповідають рівню логічної 1 і вони обидва перейдуть у замкнений стан. Якщо хоч на один з ключів не подати сигнал, що відповідає логічній 1, то він залишиться у розімкненому стані, і вихідний сигнал дорівнюватиме рівню логічного 0.
1.4 Логічний елемент АБО
1.4.1 Основні характеристики

Логічний елемент АБО, умовне графічне позначення якого згідно з державними стандартами наведено на рис.1.9 (б), реалізує елементарну логічну операцію диз'юнкції або логічного додавання. [16]



http://joiner.org.ua/images/stories/11_2.png

Рисунок 1.9 – Логічний елемент АБО


Корисна модель належить до обчислювальної техніки, зокрема до елементної бази обчислювальних пристроїв. Логічний елемент АБО реалізується на паралельно ввімкнених ключах (а).
Географічна паралель або рівнобі́жник (грец. παράλληλος - уздовж одне одного) - лінія перетину поверхні земної кулі площиною, паралельною (рівнобіжною) до площини екватора.
Вихідний сигнал паралельно ввімкнених ключів, що відповідає логічному 0, буде тільки в тому випадку, якщо на обидва ключі подати сигнали, що відповідають рівню логічного 0, і вони обидва будуть розімкненими, і вихідний сигнал елемента дорівнюватиме рівню логічного 0. Якщо на один з ключів або на обидва разом подати сигнал, що відповідає логічній 1, то він замикається і на виході елемента встановиться рівень сигналу, що дорівнює логічній 1.

РОЗДІЛ 2

РОЗРОБКА ДРУКОВАНОЇ ПЛАТИ ОПТОІМІТАНСНИХ

ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ


2.1 Аналіз технічних вимог і умов експлуатації оптоімітансних логічних елементів

Даний пристрій відноситься до апаратури, що працює на нерухомій основі.

Пристрій експлуатується в умовах, де відсутні постійні вібрації, де значення робочої температури повітря складає 40 оС (верхнє), -20 оС (нижнє), нормальна температура 20 оС.

Допускаються впливи на пристрій теплових ударів: вище 40 оС і нижче -20 оС, тиск рн=100 кПа.

Інжене́рія (від лат. ingenium - здібність, винахідливість; син. - інжиніринг, рідше вживають «інженерна справа», ще рідше «інженерство») - галузь людської інтелектуальної діяльності по застосуванню досягнень науки до вирішення конкретних проблем людства.
Но́рма (лат. norma - дослівно «косинець», у переносному значенні - «правило») - регулятивне правило, яке вказує межі свого застосування; відповідає чомусь типовому або звичайному.
Температу́ра (від лат. temperatura - належне змішування, нормальний стан) - фізична величина, яка описує стан термодинамічної системи.
Умо́ви експлуата́ції - сукупність факторів, що діють на виріб при його експлуатації і впливають на функціювання й працездатність цього виробу.
Теплови́й уда́р - патологічний стан, що виникає раптово і зумовлений розладами терморегуляції організму при тривалому впливові на нього високої температури повітря або інфрачервоного (теплового) випромінювання.

Аналіз умов експлуатації зводимо до наступного вигляду (табл. 2.1):
Таблиця 2.1 – Аналіз умов експлуатації


Клас використання

Наземна

Група використання

Пересувна

Підгрупа використання

Професійна

Категорія розміщення

Нормальні природні умови

Умови експлуатації

Жилі приміщення

Обґрунтування обраних категорій:

Клас використання – основним класом використання є наземний, але оскільки прилад відноситься до вимірювальної апаратури, він може використовуватися та експлуатуватися в різних класах.

Група використання – оскільки даний прилад належить до вимірювальної апаратури, він може експлуатуватися в різних умовах, а значить і на лежить до декількох груп одночасно: 1 - стаціонарна, яка може працювати в опалюваних наземних і підземних спорудженнях; 2 – стаціонарна, яка працює на відкритому повітрі або в неопалюваних наземних та підземних спорудженнях; 3 – пересувна, яка встановлена в автомобільному транспорті, що працює на ходу;

Автомобі́ль, авто́ (від грец. αὐτός - сам і лат. mobilis - той, що рухається) - самохідна колісна машина, яка приводиться в рух встановленим на ній двигуном і призначена для перевезення людей, вантажу, буксирування транспортних засобів, виконання спеціальних робіт та перевезення спеціального устаткування безрейковими дорогами.
Тра́нспорт (від лат. trans - portare) - сукупність засобів, призначених для переміщення людей, вантажів, сигналів та інформації з одного місця в інше.
4 – пересувна, яка встановлена у внутрішніх приміщеннях річкової судноплавної техніки;
Примі́щення - частина внутрішнього об'єму будівлі, обмежена будівельними елементами, з можливістю входу і виходу.
Судноплавство - використання водних шляхів (морів, річок, озер, каналів та інше) для руху суден.

5 – пересувна, яка встановлена на пересувних залізничних об’єктах і працює на ходу; 6 – переносна і портативна, призначена для довготривалого перенесення на відкритому повітрі; 7 – портативна, призначена для довготривалого перенесення на відкритому повітрі при забезпеченні зовнішніх впливів.

Категорія розміщення – І ( для експлуатації в умовах опалюваних наземних і підземних спорудженнях), але також за необхідності можна віднести до інших категорій.

Класифікація проведена у відповідності з [23].

Аналіз технічних умов:



  1. Найменування пристрою – оптоімітансні логічні елементи

  2. Призначення – вимірювальна техніка.
    Перене́сення, або Енжамбема́н (фр. enjambement) - віршовий прийом, який полягає у перенесенні фрази або частини слова з попереднього рядка у наступний, зумовлений незбіжністю ритмічної паузи зі смисловою, хоч рядок при цьому втрачає свою інтонаційну викінченість.
    Техні́чні умо́ви (ТУ) - нормативний документ, що встановлює технічні вимоги, яким повинна відповідати продукція, процес або послуга, та визначає процедури, за допомогою яких може бути встановлено, чи дотримані такі вимоги.


  3. Комплектність – плата, ЕРЕ, з’єднувальні провідники.

Даний прилад призначений для розробка методики синтезу оптоімітансних логічних елементів, які використовуються як інформаційний базис R-імітансних.

Метою проведення ДКР є створення нової або модернізованої продукції, яка б відповідала сучасним досягненням техніки, була конкуренто спроможною та забезпечувала ефективність використання.

Проду́кція (рос. продукция, англ. production, output, produce, нім. Produktion f, Erzeugnisse n pl, Produkte n pl, Güter n pl) - матеріальний результат трудової діяльності або виробничих процесів, що має корисні властивості і призначений для використання споживачем.

Мета виконання – є розгляд можливості побудови логічних схем на основі нового координатного базису, яке може відкрити перспективу подальшого вдосконалення інформаційної техніки, наприклад спеціального призначення.
2.2 Аналіз технічних вимог і умов експлуатації

Даний пристрій відноситься до апаратури, що працює на рухомій основі.

Пристрій абсолютно пожежобезпечний, нестійкий до ударів, струм споживання не більше 100 МПа, експлуатується де значення робочої

температури повітря складає не більше -55ºС.

Спожива́ч - фізична особа, яка купує, замовляє, використовує, або має намір придбати чи замовити продукцію для особистих потреб, безпосередньо не пов'язаних з підприємницькою діяльністю, або виконанням обов'язків найманого працівника.
Абсолют (від лат. absolutus - безумовний, необмежений) - в ідеалістичній філософії і релігійних тлумаченнях - вічна, незмінна нескінченна першооснова Всесвіту (бог, абсолютна ідея тощо). Те, що нічим не зумовлене, ні від чого не залежне.


2.3 Вибір і обґрунтування аналогів

Розглянемо аналоги пристрою, що розробляється, для того, щоб порівняти їх характеристики.



1) Оптоімітансний LC-логічний елемент «НІ».
В основі побудови такої логічної схеми є використання однокристальних узагальнених перетворювачів імітансу (УПІ), які працюють у лінійному режимі, що дозволяє підвищити швидкодію логічних елементів.

Пристрій працює наступним чином. Використовуються узагальнені перетворювачі іммітансу на першому 1 та другому 2 біполярних транзистора, ввімкнених у схемі зі спільним колектором.

В якості вхідного інформаційного параметра використовується світловий потік Ф.

Отже в якості вхідного логічного рівня, що відповідає логічній одиниці (1) використовується наявність світлового потоку, тобто Ф≠0, в якості логічного 0 використовується відсутність світлового потоку, Ф=0. В якості вихідного параметра використовуються характер реактивної складової повного імпедансу.

Перетворюваним іммітансом узагальненого перетворювача іммітансу на першому 1 біполярному транзисторі виступає опір першого фоторезистора 8. Перетворюваним іммітансом узагальненого перетворювача іммітансу на другому 2 біполярному транзисторі виступає опір другого фоторезистора 9.

Перетворений іммітанс оптоімітансного логічного елементу залежить від наявності або відсутності оптичного опромінювання на фото резисторах 8 та 9.
Рези́стор або о́пір (від лат. resisto - опираюся) - елемент електричного кола, призначений для використання його електричного опору. Основною характеристикою резистора є величина його електричного опору.


Отже, що якщо на фоторезистор 8 на другому вході пристрою не діє опромінювання Ф=0, що відповідає логічному нулю, то на виході 11 пристрою буде перетворений іммітанс з індуктивним характером реактивної складової, що відповідає логічному нулю. Якщо на фоторезистор 8 на вході пристрою діє опромінювання, що відповідає логічній одиниці, на виході 11 пристрою буде перетворений іммітанс з ємнісним характером реактивної складової, що відповідає логічному нулю.

Обмежувальний резистор 3 забезпечує робочу точку біполярного транзистора 1 в активній області, коли коефіцієнт підсилення транзистора β>1.
Передавальний коефіцієнт або Коефіцієнт передачі - відношення значення сигналу на виході деякої системи до відповідного вхідного сигналу.
Загальна шина 2 служить заземленням. Конденсатор 6 є розділовим, а шина живлення 4 призначена для подачі напруги.




Рисунок 2.1 – Схема оптоімітансного LC-логічного елемента «НІ».
Таблиця 2.2 – Таблиця істинності оптоімітансного LC-логічного елемента «НІ»

Вхід

Вихід

Ф=0

0

ImZвих<0 (C)

1

Ф≠0

1

ImZвих>0 (L )

0

2) Оптоімітансний напівсуматор, утворений оптоімітансними логічними елементами «І» та «АБО», імітансним логічним елементом «І» та інвертором імітансу на польовому транзисторі.

Напівсуматор - логічна схема з двома входами та двома виходами, яка виконує операцію арифметичного додавання двох однорозрядних чисел A та B з формуванням виходу переносу[en].
І́стина - одна з центральних категорій гносеології, правильне відображення об'єктивної дійсності у свідомості людини, її уявленнях, поняттях, судженнях, умовиводах, теоріях об'єктивної дійсності.
Польови́й транзи́стор, FET (англ. Field-effect transistor) - напівпровідниковий пристрій, переважно із трьома виводами, в якому сила струму, що протікає між двома електродами (витоком і стоком) регулюється напругою, прикладеною до третього електрода (затвора).

Пристрій працює таким чином. Вхідним інформаційним параметром є оп- тичне опромінювання. Причому наявність світлового потоку Ф≠0 відповідає логічній одиниці (1), а відсутність оптичного опромінювання Ф=0 відповідає логічному нулю (0). Вихідним інформаційним параметром є харак- тер реактивної складової перетвореного імітансу — ImWвих. Схема працює на частотах, вищих за f.

При відсутності оптичного опромінювання на резисторах R1 та R2, що є входами оптоімітансного логічного елемента «АБО», на його виході з’явиться перетворений імітанс з ємнісною реактивною складовою ImWвих 0 (L) , що від- повідає логічній одиниці, через розділову ємність потрапляє на другий вхід логі-

чного елемента «І» — базу транзистора VT4.

При наявності оптичного опромінювання на одному з входів ОЛЕ «АБО», та відповідно на одному з входів ОЛЕ «І», на колекторі транзистора VT1 з’являється індуктивний імітанс, що відповідає логічній одиниці, а на колекторі транзистора VT2 з’являється ємнісний імітанс, що відповідає логічному нулю. В цьому випадку на першому виході маємо ємнісний імітанс, що відповідає логічному нулю, а на другому виході маємо індуктивний імітанс, що відповідає логічній одиниці.

За умови освітлення усіх фоторезисторів на входах обох ОЛЕ, на першому виході оптоімітансного напівсуматора утвориться індуктивний реактивний імітанс ImWвих>0 (L), на другому виході маємо ємнісний реактивний імітанс.

Рисунок 2.2 − Схема оптоімітансного напівсуматора

Можливість працювати як з оптичними, так з імітансними рівнями, які описуються не кількісною величиною імітансного параметра, а лише його характером або знаком, підвищує завадозахищеність подібних інформаційних пристроїв.

2.4 Розробка функціонального приладу
2.4.1 Вибір прототипу

Порівнявши чотири аналоги, кращим з яких є прилад оптоімітансний напівсуматор, утворений оптоімітансними логічними елементами «І» та «АБО», імітансним логічним елементом «І» та інвертором імітансу на польовому транзисторі які використовуються для обробки та передачі інформації що, входять до складу будь-якої інформаційно-вимірювальної або керуючої системи і значною мірою визначають її характеристики .

Вибір даного пристрою полягає в тому, що у ньому використаний повний функціональний базис який у поєднанні із відомими інверторами та конверторами імітансу дозволяє створювати нові повнофункціональні схеми .
2.4.2 Аналіз електричної принципової схеми та принцип роботи
Принципова схема пристрою зображена у додатку А.
Розглянемо роботу оптоіммітансних логічних елементів, або перетворювача імпедансу, що побудований на основі будови логічних схем «І, АБО, НІ, АБО–НІ».

Будо́ва - сукупність будівель та споруд, об'єктів будівництва, розширення та реконструкція яких здійснюється, як правило, за єдиною проектно-кошторисною документацією зі зведеним кошторисним розрахунком вартості будівництва, на які у встановленому порядку затверджується титул будови.

Моделі належить до обчислювальної техніки, зокрема до елементної бази обчислювальних пристроїв, і можуть бути використані в обчислювальних пристроях з радіоімпульсним способом представлення інформації. Пристрій працює таким чином. Вхідним інформаційним параметром є оптичне опромінювання. Причому наявність світлового потоку Ф≠0 відповідає логічній одиниці (1), а відсутність оптичного опромінювання Ф=0 відповідає логічному нулю (0). Вихідним інформаційним параметром є характер реактивної складової перетвореного імітансу — ImWвих.



Рисунок 2.3 – Схемотехнічна реалізація логічних пристроїв на базі оптоімітансних логічних елементів


В основу побудови оптоімітансних логічних елементів покладена реалізація на основі перетвореного імпедансу оптоімітансних логічних елементів який залежить від наявності або відсутності оптичного опромінювання на певаних фоторезисторах. Схема працює на частотах, вищих за f0.
Переваги запропонованого пристрою:

  • схемотехнічна простота, що дозволяє забезпечити високу надійність та малу вартість;
    Наді́йність - властивість технічних об'єктів зберігати у часі в установлених межах значення всіх параметрів, які характеризують здатність виконувати потрібні функції в заданих режимах та умовах застосування, технічного обслуговування, зберігання та транспортування.


  • висока чутливість за рахунок використання негатроні.
  1   2   3   4


Скачати 455.29 Kb.

  • Актуальність роботи
  • Мета дослідження
  • Об’єкт дослідження
  • Методи дослідження