книги из ГПНТБ / Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник

В п е р е к л ю ч а т е л ь н о й с х е м е (рис. 9.1, е) импульс тока 1 направляется в нагрузку RHl или R H2 в зависимости от сопротивле­ ния, которое оказывают этому импульсу выходные обмотки щвых1 и £овых2. Е сли импульсу / предшествовал сигнал А, записывающий в сердечник 1 единицу, а в сердечник 2 нуль, то под действием импульса / сердечник 1 будет перемагничиваться от + Втдо — Вт, а его об­ мотка шЕых1 — обладать высоким сопротивлением. Сердечник 2, пере­ магничиваясь под действием импульса / от — Вг до — Вт, не окажет существенного сопротивления этому импульсу. В результате почти весь ток / потечет по цепи с наименьшим сопротивлением через щВЫХ2 в нагрузку RnZ. Если же импульсу тока / предшествовал сиг­ нал В, который записывает единицу в сердечник 2 и нуль в сердечник /, то сердечники меняются ролями, и большая часть тока / потечет через

о>иыхі в нагрузку /?и1.

§ 9.2. ВИДЫ МАГНИТОДИОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА

При анализе схем магнитодиодных ячеек в § 9.1 не отмечалось, что при изменении индукции сердечника э. д. с. наводится во всех обмотках, помещенных на сердечнике, что может быть причиной как прямой, так и обратной ложной передачи информации по цепям связи.

Можно сформулировать следующие условия, которые должны выполняться для правильной и четкой работы магнитных сердечников

вэлементах цифровых машин:

1)предотвращение прямой ложной передачи информации, возни­

кающей за счет э. д. с. в выходной обмотке во время перемагничивания сердечника от — ВТдо Вт при записи единицы входной обмоткой; 2) предотвращение обратной ложной передачи информации, воз­ никающей за счет э. д. с. во входной обмотке во время перемагничива­

ния сердечника от + Вг до — Вт при считывании единицы, 3) разнесение во времени процессов записи и считывания информа­

ции, так как при одновременном действии напряженностей — Нт и -f- Нт сердечник остается в безразличном состоянии;

4) обеспечение устойчивой передачи информации при последова­ тельном соединении элементов: подавление э. д. с. помехи при считы­ вании нулей и создание токов в цепях связи, гарантирующих незату­ хающую передачу единиц.

Рассмотрим, как выполняются первые три.условия в распространен­ ных трансформаторных схемах.

Наиболее просто эти условия выполняются в т р е х т а к т н о й схеме (рис. 9.2, а). Исходное состояние всех трех сердечников схемы соответствует точке — ВТ. Тактовые импульсы /,, / 2, / 3, создавая отрицательные напряженности — Нт, не изменяют исходного состоя­ ния. Во время записи единицы в сердечник 1 импульсом, приходящим во входную обмотку этого сердечника, его индукция меняется «вверх» от — ВТ до + Вт, и в выходной обмотке сердечника 1 наводится э. д. с., которая может создать прямую ложную передачу информации,

200

Для ее предотвращения в цепи связи между сердечниками 1 и 2 вклю­ чен диод Д 1)2 , который запирается указанной э. д. с., и ток в цепи связи 1—2 не протекает. Такую же роль играет диод Д2,3 в цепи связи между сердечниками 2 и 3 во время передачи информации от сердечни­ ка 1 к сердечнику 2.

Передача информации от сердечника / к сердечнику 2 происходит при подаче в момент времени t xтактового импульса І ѵ Под действием импульса І г индукция сердечника 2 меняется «вниз» от -f- Вг до — Вт,

Рис. 9.2. Различные виды трансформаторных схем магнитодиодных эле-> ментов:

а — трехтактная; б, в, г — двухтактные; д — однотактная

и в выходной обмотке наводится э. д. с. обратной полярности, для ко­ торой диод Д 1)2 будет открыт. Ток, протекающий по цепи связи 1—2, создает в сердечнике 2 напряженность, достаточную для записи в нем

единицы.

В момент времени t 2 подается второй тактовый импульс / 2, под действием которого информация передается из сердечника 2 в сердеч­ ник 3. Однако при перемагничивании сердечника 2 «вниз» в его вход­ ной обмотке находится э. д. с. такой полярности, что диод Д 1)2 для нее оказывается открытым, и по цепи связи 1—2 будет протекать ток, который создает положительную напряженность в выходной обмотке

201

сердечника 1. Чтобы не произошло ложной записи единицы в сердеч­ ник 1 под действием этой напряженности, в тактовую шину сердечни­ ка 1 подается запрещающий импульс тока (заштрихован на рис. 9.2, а), который создает отрицательную напряженность, компенсирующую действие тока в цепи связи. Эта напряженность удерживает сердеч­ ник 1 в состоянии — Вп и обратной ложной передачи информации не происходит.

Аналогичным образом осуществляется передача информации с сер­ дечника 2 в сердечник 3 и затем на выход трехтактного трансформа­ торного элемента. За счет диодов в цепях связи и подачи запрещающих импульсов в трехтактной схеме полностью отсутствуют при правиль­ но подобранных параметрах как прямая, так и обратная ложные пе­ редачи информации.

Допустим, что через цепочку из трансформаторных элементов (та­ кую схему часто называют регистром сдвига) должен пройти какойлибо двоичный код, т. е. последовательность единиц и нулей, которая без искажений должна быть'•передана следующему логическому эле­ менту. Было рассмотрено прохождение сигнала 1 от входа до выхода элемента. Новый сигнал (1 или 0), соответствующий следующему раз­ ряду двоичного числа, может быть подан на вход элемента лишь в мо­ мент времени t3, так как в момент времени tx и t 2сердечник 1 находится под действием сильных отрицательных напряженностей. Таким обра­ зом, для выполнения третьего условия трехтактная схема должна состоять из трех магнитодиодных ячеек на каждый разряд двоичного кода, и для ее работы генератор (источник энергии) должен обеспечи­ вать систему из трех тактовых импульсов, синхронизированных относи­ тельно друг друга. При работе машины в момент времени іх опраши­ ваются все первые сердечники группы магнитных элементов машин, в момент 12 — все вторые сердечники, в момент t3 — все третьи. Не­ достатком трехтактной схемы является сложность системы питания с тремя синхронизированными последовательностями импульсов.

Замена запрещающего импульса диодами, шунтирующими цепь связи при обратной ложной передаче информации, позволяет сокра­ тить число сердечников до двух на каждый разряд двоичного кода и перейти от трехтактного питания к д в у х т а к т н о м у (рис. 9.2, б).

При записи единицы в сердечник / диод Д 1>2 будет заперт э. д. с., наводимой в выходной обмотке первой ячейки, и, так же как в трех­ тактной схеме, прямой ложной передачи информации не произойдет. В результате подачи тактового импульса І 1 информация передается в сердечник 2 за счет э. д. с., наводимой в выходной обмотке сердеч­ ника /, которая открывает диод Д ь а и через сопротивление R подается к входной обмотке сердечника 2, как в трехтактной схеме.

При считывании единицы с сердечника 2 тактовым импульсом / 2 сигнал поступает на выход элемента, но одновременно во входной обмотке сердечника 2 наводится э. д. с., которая может создать обрат­ ную ложную передачу информации.

Эта э. д. с. открывает шунтирующий диод Дш и замыкается на сопротивление R, величина которого ограничивает ток в этой цепи. Строго говоря, открытый диод Дш и сопротивление R образуют

202

делитель напряжения для э. д. с. входной обмотки сердечника 2, и обратную информацию обусловливает та часть рассматриваемой э. д. с., которая создает падение напряжения на открытом диоде Д ш. Пара­ метры схемы подбирают так, чтобы под действием этой части э. д. с. сердечник I не перемагнитился и второе условие нормальной работы схемы было бы соблюдено.

График подачи импульсов во времени, приведенный на рис. 9. 2, 6, показывает, что подача на вход элемента в обмотку шВх сердечника / нового сигнала, соответствующего следующему разряду двоичного чис­ ла, может быть осуществлена в момент, совпадающий с подачей так­ тового импульса 12 в сердечник 2. Если новый сигнал — единица, сердечник 1 беспрепятственно перемагнитится и «запомнит» ее; причем запертый диод Д 1і2 не нарушит работы шунтирующего диода. Если новый сигнал — нуль, то произойдет запись помехи, которая опреде­ ляется как сигналом, так и упомянутой частью э. д. с., создающей падение напряжения на шунтирующем диоде. Для работы двухтакт­ ной схемы, состоящей из двух магнитодиодных ячеек (МДЯ) требует­ ся генератор, создающий две последовательности тактовых импульсов, чередующихся между собой.

Получили распространение двухтактные схемы МДЯ [2.31, в ко­ торых обратная ложная передача информации предотвращается за счет э. д. с. отпирания диода (рис. 9.2, в).

В самом деле, если ток через диод появляется только при напря­

Из (9.5) ясно, что в целях меньшего ослабления Евых в эт°й схеме следует выбрать меньшее из двух возможных значений коэффициента а

[ср. (8.69)1.

В схеме рис. 9.2, г обратная передача информации не допускается за счет совместного действия Еп и падения напряжения на общем для двух цепей связи сопротивлении R. Учитывая полярность э. д. с. в обмотке wBXи падения напряжения, создаваемого током / 2,3 прямой

203

передачи информации с ячейки 2 в ячейку 3, можно записать условие предотвращения тока г2Д в виде

или, выразив ток через напряженность Нт,

WbxEi ^ E r + - ^ lL R

®вх

Из сравнения (9.6) и (9.1) очевидно, что при прочих равных усло­ виях допустимое число витков wBX в этой схеме больше, чем в преды­

дущей.

Прямая ложная передача информации в схемах рис. 9.2, в и г пре­ дотвращается диодами. Отметим, что к диодам этих схем предъявляют повышенные требования, в частности к стабильности характеристик и

пульс на каждый разряд двоичных чисел (рис. 9.2, д). Название схемы свидетельствует о том, что во все сердечники одновременно подается тактовый импульс. Поэтому прежде всего должно быть выполнено третье условие о разнесении во времени процесса записи и считывания информации с одного и того же сердечника. Эта задача в данном случае решается с помощью цепочки RC. При считывании тактовым импульсом единицы с какого-либо сердечника э. д. с. выходной об­ мотки через открытый диод Д заряжает конденсатор С, который «удер­ живает» полученный заряд на время опроса следующего сердечника, совпадающее со временем опроса первого сердечника. Когда тактовый импульс закончится, конденсатор разряжается на входную обмотку следующего сердечника, создавая импульс поля, который записывает в этом сердечнике единицу.

Следовательно, работа схемы состоит из двух полутактов: в тече­ ние первого полутакта сердечники опрашиваются тактовым импуль­ сом, а в течение второго полутакта происходит запись единиц или нулей в зависимости от величины заряда конденсаторов.

Прямую ложную передачу информации предотвращает, как и в пре­ дыдущих схемах, диод Д. Обратная передача исключается потому, что конденсатор, разряженный к моменту подачи тактового импульса, шунтирует выходную обмотку предыдущего сердечника (подобно диоду Дш в двухтактной схеме).

Из-за повышенного расхода энергии и низкой частоты работы одно­ тактные ячейки распространения не получили.

Теперь рассмотрим четвертое условие, но сначала поясним, чем оно вызвано.

Предположим, что все сердечники ячеек имеют одинаковую петлю гистерезиса, изображенную на рис. 9.3, а, и одинаковое количество витков обмоток давх = йУвых. Пусть в первом сердечнике трехтактной схемы записана единица, и индукция равна + ВГ. Первый тактовый импульс, изменяя индукцию от + Вг до — Вт, наводит в выходной

204

обметке данного сердечника э. д. с., которая пропорциональна вели­ чине этого изменения индукции. К входной обмотке второго сердеч­ ника в результате падения напряжения в цепи связи будет приложена меньшая э. д. с., под действием которой второй сердечник может пере­ магнититься лишь до точки а, и после прекращения тока в цепи связи оказаться в состоянии, соответствующем Ь. Второй тактовый импульс создает в выходной обмотке второго сердечника меньшую, чем первый, э. д. с., пропорциональную лишь изменению индукции от b до — Вт. Следовательно, третий сердечник, на вход которого поступит эта мень­ шая э. д. с., перемагнитится только до уровня с — d.

Рис. 9.3. Методы повышения надежности передачи информации:

а — затухание единицы; 6 — накапливание помехи нуля; б —схема с компенсирующими сердечниками; б —схема с запирающим напряжением

Таким образом, по мере продвижения единицы от элемента к эле­ менту происходит ее затухание, и может наступить сбой, т. е. единица перейдет в нуль.

Как было показано в § 8.7, при выполнении условия швх = awBUX, где а < 1, в котором учтены активные падения напряжения (включая э. д. с. отпирания диода), можно предотвратить затухание единицы и обеспечить равенство изменений потоков АФ у передающего и вос­ принимающего сердечников. Более того, выполнив число витков wBX меньше, чем рассчитанное awBbIX, можно не только предотвратить за­ тухание единицы, но добиться ее регенерации (восстановления). При этом воспринимающий сердечник будет перемагничиваться полностью и его индукция достигать точки + Вг даже под действием понижен­ ной э. д. с. передающего сердечника, пропорциональной, например, изменению его индукции лишь в диапазоне от d до — Вт. Этот прием используют во . всех видах магнитодиодных элементов.

до — Вт, наведет в даБЫХ э. д. с., под действием которой второй сердеч-

205

ник намагнитится по частному циклу а — Ь. Второй тактовый импульс, изменяя индукцию второго сердечника от Ь до — В т, наведет в его “'вых большую э. д. с., под действием которой индукция третьего сер­ дечника займет положение d. Нетрудно заметить, что эта помеха при считывании нуля, имея тенденцию к увеличению, по мере продвижения информации будет при условии wBX < щвых возрастать еще интенсив­ нее. Поэтому необходимо осуществить снижение и подавление помехи при считывании нуля.

Снижение этой помехи было бы возможно, если бы удалось улуч­ шить степень прямоугольное™ петли гистерезиса магнитных материа­ лов сердечников.

Эффективным способом предотвращения помех от непрямоуголь­ ное™ петли является способ включения к о м п е н с и р у ю щ и х с е р д е ч н и к о в (рис. 9.3, в). Компенсирующие сердечники К име­ ют те же размеры и обмоточные данные, что и основные, рабочие сердеч­ ники Р. Однако входной сигнал создает в компенсирующих сердечни­ ках не положительную, как в рабочих, а отрицательную напряжен­ ность — Нт. Поэтому индукция компенсирующего сердечника после окончания импульса всегда будет соответствовать точке — Вг. Выход­ ная обмотка компенсирующего сердечника включена навстречу вы­ ходной обмотке рабочего. Тактовый импульс, опрашивая одновремен­ но оба сердечника, создает в выходных обмотках э. д. с., которые взаим­ но компенсируются, если в рабочем сердечнике был записан нуль и его индукция была — Вг. Если же в рабочем сердечнике была записана единица, то на выход ячейки будет подана разность э. д. с., соответст­ вующих считыванию единицы с рабочего и нуля с компенсирующего сердечника.

На рис. 9.3, 6 приведена трехтактная схема. Двухтактную схему выполняют аналогично рис. 9.2, б, но с включением добавочных ком­ пенсирующих сердечников. Отметим, что входные обмотки на компен­ сирующих сердечниках могут отсутствовать, но работа схемы практи­ чески не изменится. При этом способе предотвращения помех от не­ прямоугольное™ число сердечников в схеме удваивают, что'является его недостатком.

Другой способ предотвращения помех осуществляется схемой с з а ­

этом условии при передаче нуля ток в цепи связи не возникает, так как диод остается запертым. Естественно, что запирающее напряжение ос­ лабляет и полезный сигнал при передаче единицы, так как амплитуда выходного напряжения

^вых = ®вых Е г — и_.

Эта схема в двухтактных магнитных элементах легко позволяет решить и другую задачу — предотвратить обратную ложную передачу информации, так как

Побр = toBX£ i - U..

20ß

ся линией равной передачи сигнала. Часть характеристики, лежащая ниже этой прямой, свидетельствует о затухании сигнала по мере прод­ вижения информации. Так, если на вход элемента поступил сигнал fco, то на его выходе или на входе следующего элемента сигнал будет ослаблен до fco'. Этот процесс продолжается до тех пор, пока в цепочке элементов не установится сигнал fc0 — устойчивой помехи при пере­ даче нуля.

Аналсгичнэ сигнал Ъ[ будет усиливаться до устойчивого значения Ьѵ Точка fcitp соответствует такому критическому уровню сигнала, при котором может наступить сбой.

При изменении напряжения питания и температуры изменяются положение и вид характеристики передачи.

Назовем з о н о й у с т о й ч и в о й р а б о т ы (рис. 9.4, б) такую область изменений напряжения питания и температуры, в которой

висимые колебания напряжения и температуры, при которых возмож­ на устойчивая работа элементов. На рис. 9.4, б показано подобное поле допусков, а для точек касания его с границей зоны устойчивой работы приведены характеристики передачи, имеющие лишь точки касания с линией равной передачи. При этом точка а определяет наи­ худшую регенеративность единицы, а точка fc — наименьшую помехо­ устойчивость нуля.

Рассмотрим примеры использования магнитодиодных ячеек транс­

запрета создаст отрицательную напряженность, направленную на­ встречу напряженности входной обмотки. Поэтому при подаче такто­ вого импульса / 2 на выходе схемы будет нуль. Схема, таким образом,

реализует логическую операцию Р = А-В.

208

Если на вход А схемы подать сигнал с выхода (показан пунктиром), то полученная схема будет выдавать непрерывно сигналы единицы после однажды поданного на вход А единичного сигнала до тех пор, пока поданный на вход В запрещающий единичный сигнал не прервет этот поток единиц. После подачи сигнала на вход В схема будет выда­ вать на выходе сигналы нуль до прихода следующего сигнала единица на вход А. Схемы такого типа часто называют д и н а м и ч е с к и м т р и г г е р о м .

Если при включенной обратной связи в схеме убрать сердечник В и обмотку запрета сердечника Р, то схема превратится в г е н е р а т о р

выход схемы. При одновременной подаче единичных сигналов на входы А и В в сердечнике / записывается единица, а сердечник 2 остается в состоянии нуля. Тактовый импульс І х передает единицу из сердеч­ ника 1 в сердечник 3, а тактовый импульс / 2 — на выход схемы.

При отсутствии сигналов на входах А и В все сердечники остаются в нулевом состоянии и на выход поступает нуль.

Схема логического сложения ИЛИ на два входа (рис. 9.6, б) также состоит из трех ячеек. При подаче единицы на любой из входов соот­ ветствующий сердечник (/ или 2) запоминает единицу, которая так­ товым импульсом 1Xпередается в одну из двух входных обмоток сер­ дечника 3, записывая в нем единицу. Тактовый импульс / 2 считывает эту единицу, и она поступает на выход схемы. Если единичные сигналы поступают одновременно на входы А и В, то работа схемы не изме­ нится, а сердечник 3 только быстрее перемагнитится в состояние + Вг под действием удвоенного импульса поля от обеих входных обмо­ ток. При отсутствии сигналов на входах А и ß на выходе появится нуль.

. 20)