Компьютер – это сложное устройство, состоящее из множества взаимосвязанных устройств (процессор, память, контроллеры и т.д.), выполняющие определенные функции по обеспечению вычислительного процесса обработки данных. Каждое устройство выполнено на базе БИС или СБИС и представляет собой совокупность более мелких узлов (АЛУ, УУ, ОЗУ, ПЗУ и т.д.). Работа этих устройств обеспечивается с помощью типовых электронных узлов (СУММАТОРЫ, РЕГИСТРЫ, ТРИГГЕРЫ, ШИФРАТОРЫ, ДЕШИФРАТОРЫ, СДВИГАТЕЛИ), а каждый типовой электронный узел - это совокупность логических элементов (вентилей).
Логический элемент (вентиль) - это наименьшая функциональная часть, на которую может быть разбита ЭВМ при логическом проектировании и технической реализации. Физически реализуются в виде электронных схем, используя три базовые логические операции: и, или, не .
Логические элементы компьютера оперируют с электрическими сигналами (импульсами), имеющие два различные состояния (логически 1 или 0). Наиболее распространенными способами физического представления информации являются импульсный и потенциальный.
При импульсном способе код 1- наличие электрического импульса / код 0 – его отсутствие. Импульс характеризуется амплитудой и длительностью, причем длительность должна быть меньше временного такта машины);
При потенциальном способе код 1 - высокий уровень напряжения / код 0 - низкий уровень напряжения или его отсутствие. Уровень напряжения не меняется в течение всего такта работы машины. Форма и амплитуда сигнала при этом во внимание не принимаются. Фиксируется лишь сам факт наличия или отсутствия потенциала).
Операция НЕ реализована с помощью Инвертора , схема которого имеет вид:
Операция И реализована с помощью Коньюнктора , схема которого имеет вид:
Операция ИЛИ реализована с помощью Дизъюнктора , схема которого имеет вид:
С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Обычно у вентилей бывает до восьми входов и один или два выхода.
При рассмотрении структуры любой ЭВМ обычно проводят ее детализацию. Как правило, в структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы.
Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации. Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов - информационных слов. Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов - функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.). Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.
В общем случае любая структурная единица ЭВМ обеспечивает преобразование входной информации Х в выходную У (см. рис. 2.1).
Все современные вычислительные машины строятся на комплексах системах интегральных микросхем (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупроводника: кремния, германия и т.д. В состав микропроцессорных наборов включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналов взаимодействия (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.). Основу набора обычно составляют большие БИС и даже сверхбольшие интегральные схемы. На очереди следует ожидать появления ультра больших ИС (УБИС). Кроме них обычно используются микросхемы с малой и средней степенью интеграции (СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но каждая из них состоит из комбинации простейших логических элементов, реализующих функции формирования, преобразования, запоминания сигналов и т.д.
Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто такими признаками являются: тип сигналов, назначение элементов, технология их изготовления и т.д.
В ЭВМ широко применяют два способа физического представления сигналов: импульсный и потенциальный. При импульсном способе представления сигналов единичному значению некоторой двоичной переменной ставится в соответствие наличие импульса (тока или напряжения), нулевому значению - отсутствие импульса (рис. 3.1, а). Длительность импульсного сигнала не превышает один такт синхроимпульсов.
При потенциальном или статическом представлении сигналов единично значение двоичной переменной отображается высоким уровнем напряжения, а нулевое значение - низким уровнем (рис. 3.1, б).
Рис. 3.1. а - импульсные сигналы; б - потенциальные сигналы
Независимо от вида сигналов различают последовательный и параллельный коды передачи и представления информации в ЭВМ.
При последовательном коде представления данных используются одиночные шины или линии передачи, в которых сигналы, соответствующие отдельным разрядам данных, разнесены во времени. Обработка такой информации производится последовательно разряд за разрядом. Такой вид представления и передачи данных требует весьма экономичных по аппаратурным затратам схем обработки данных. Время же обработки Определяется числом обрабатываемых сигналов (разрядов).
Параллельный код отображения и передачи информации предполагает параллельную и одновременную фиксацию всех разрядов данных на различных шинах, т.е. параллельный код данных развернут в пространстве. Это дает возможность ускорить обработку во времени, но затраты на аппаратурные средства при этом возрастают пропорционально числу обрабатываемых разрядов.
Во всех вычислительных машинах используются и параллельно-последовательные коды представления информации. При этом информация отображается частями. Части поступают на обработку последовательно, а каждая часть данных представляется параллельным кодом.
По своему назначению элементы делятся на формирующие, логические и запоминающие.
К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители, усилители-формирователи и т.п. Данные элементы служат для выработки определенных электрических сигналов, восстановления их параметров (амплитуды, полярности, мощности, длительности).
В каждой ЭВМ имеются специальные блоки, формирующие сигналы тактовой частоты, серии синхронизирующих и управляющих сигналов, координирующих работу всех схем ЭВМ. Интервал времени между импульсами основной частоты называется тактом. Длительность такта является важной характеристикой ЭВМ, определяющей ее потенциальную производительность. Время выполнения любой операции ЭВМ связано с определенным числом тактов.
Простейшие логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии с элементарными логическими функциями, рассмотренными в п.2.4. В свою очередь, полученные сигналы могут формировать следующий уровень сигналов и т. д. Сложные преобразования в соответствии с требуемыми логическими зависимостями могут приводить к построению многоуровневых схем. Каждая такая схема представляет собой композицию простейших логических схем.
Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать и хранить код двоичной цифры (единицы или нуля). Элементы памяти могут запоминать и сохранять исходные значения некоторых величин, промежуточные значения обработки и окончательные результаты вычислений. Только запоминающие элементы в схемах ЭВМ позволяют проводить обработку информации с учетом ее развития.
Элементы и узлы ЭВМ
Тема № 2Дискретный и цифровой сигнал.
Сигнал называетсядискретным, если он
может принимать
только конечное число
значений.
Цифровой сигнал сигнал, дискретный по
оси времени,
представленный
конечным множеством
возможных значений.
Филиппенко О.И.
ТКС
2
Двоичный цифровой сигнал.
BinaryAMI
2B1Q
Филиппенко О.И.
Двоичный цифровой
сигнал - сигнал,
дискретный по оси
времени,
представленный
двумя возможными
значениями – уровнем
нуля и уровнем
единицы.
Цифровой сигнал не
обязательно двоичный.
ТКС
3
Системы счисления (обзор)
Способ записи чисел знаками называется системойсчисления. Системы счисления делятся на
непозиционные, например, римская система
счисления, и позиционные.
В непозиционных системах значение конкретной
цифры постоянно и не зависит от ее расположения в
записи числа. Примером такой системы счисления
является Римская система записи числа. Например,
в числе XXXVII значение цифры X не зависит от ее
местоположения в записи числа. Оно везде равно 10.
Система называется позиционной, если значение
каждой цифры, входящей в запись числа,
определяется ее местоположением в числе.
В цифровой технике нашла применение только
позиционная система счисления.
Филиппенко О.И.
ТКС
4
Системы счисления (обзор)
Любое число в позиционной системе счисленияможно представить в виде суммы:
N q K n q n K n-1q n-1 ..... K1q1 K 0 q 0 ....
где
Nq – число, записанное в системе счисления q;
Kn – разрядные коэффициенты;
qn – весовые коэффициенты.
n – разрядность;
q – основание системы счисления.
Разрядные коэффициенты представляют собой
целую степень основания системы счисления.
Для десятичной: 100, 101, 102,103……
Филиппенко О.И.
ТКС
5
Системы счисления (обзор)
Основанием системы счисления q называется общееколичество символов (цифр), используемых в данной
позиционной системе для записи чисел.
Если принять q = 10, 2, 8, 16 и т.д., то будем иметь
соответственно десятичную, двоичную, восьмеричную,
шестнадцатеричную системы счисления.
Количество различных чисел, которое может быть
записано в позиционной системе счисления с
основанием q при заданном числе разрядов: N q n
Филиппенко О.И.
ТКС
6
Системы счисления (обзор)
Широкое распространение в цифровой техникеполучила позиционная система счисления с основанием
q=2 - двоичная система счисления.
По определению в такой системе есть только два
цифровых знака 0 и 1.
Разрядные коэффициенты представляют собой целую
степень основания системы счисления:
20=1; 21=2;
22=4;
23=8,……
Филиппенко О.И.
ТКС
7
Системы счисления (обзор)
Пример перевода из десятичной системы в двоичную.Филиппенко О.И.
ТКС
8
Системы счисления (обзор)
Шестнадцатеричнаясистема счисления
(hexadecimal), или
система с основанием
16, использует 16
символов от 0 до 9 и А,
В, С, D, E, F.
В таблице приведены
эквиваленты
десятичных, двоичных
и шестнадцатеричных
чисел.
Филиппенко О.И.
ТКС
9
10. Системы счисления (обзор)
Над числами в двоичной системе счислениямогут выполняться арифметические и
логические операции.
К арифметическим относятся четыре
операции: сложение, вычитание, умножение
и деление. Алгоритм выполнения
арифметических операций такой же, как и в
десятичной системе счисления.
Логические операции относятся к
поразрядным (операции выполняются внутри
каждого разряда без переносов и заемов).
Филиппенко О.И.
ТКС
10
11. Логические устройства
Последовательным называется устройство, в котором входныепеременные подаются на вход и выходные переменные снимаются с
выхода не одновременно, а последовательно.
Параллельным называется устройство, в котором все разряды
входных переменных подаются на вход и все разряды выходных
переменных снимаются с выхода одновременно.
В последовательно - параллельных устройствах входные и
выходные переменные представлены в различных формах. Либо на
вход переменные подаются последовательно, а с выхода они
снимаются одновременно, либо наоборот.
По принципу действия все логические устройства делятся на два
класса комбинационные устройства и цифровые автоматы.
Комбинационными устройствами или автоматами без памяти
называют логические устройства выходные сигналы которых
однозначно определяются только действующей в настоящий момент на
входе комбинацией переменных и не зависят от значений переменных
действовавших на входе ранее.
Цифровыми автоматами или автоматами с памятью называют
логические устройства выходные сигналы которых определяются не
только действующей в настоящий момент на входе комбинацией
переменных, но и всей последовательностью входных переменных
действовавших в предыдущие моменты времени.
Филиппенко О.И.
ТКС
11
12. Условные обозначения. Входы.
Прямой статический входИнверсный статический вход
Прямой динамический вход
Инверсный динамический вход
информации
Гистерезисный вход
Входы информационные и управляющие
Филиппенко О.И.
ТКС
12
13. Условные обозначения. Выходы.
Прямой статический выходИнверсный статический выход
Вывод, не несущий логической
информации
Открытый вывод (Э, К или И, С)
Открытый выход типа High
(присутствует «верхний» ключ)
Открытый выход типа Low
(присутствует «нижний» ключ)
Выход с третьим
(высокоимпедансным “Z”)
состоянием
Филиппенко О.И.
ТКС
13
14. Выходы
Филиппенко О.И.ТКС
14
15. Выходы
Филиппенко О.И.ТКС
15
16. Логические уровни, активные уровни, временная диаграмма
ТТЛ5V
Положительная и отрицательная логика
2,7 V
Неопределенный
уровень
1,8 V
0V
Пример временной диаграммы
Филиппенко О.И.
ТКС
16
17. Элемент НЕ (инвертор)
Физическийэквивалент
элемента НЕ
Инвертор
1
A
F
A
F
F=A
Таблица истинности
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
А F
1 0
0 1
ТКС
17
18. Логические элементы. Элемент И
Физическийэквивалент
элемента 3И.
Элемент 2И
&
F = AB
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
F
0
0
0
1
Таблица истинности
ТКС
18
19. Логические элементы. Элемент И-НЕ
Физическийэквивалент элемента
3И-НЕ.
Элемент 2И-НЕ
&
F = AB
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
F
1
1
1
0
Таблица истинности
ТКС
19
20. Логические элементы. Элемент ИЛИ
Физическийэквивалент
элемента 3ИЛИ.
Элемент 2ИЛИ
1
F = A+B
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
F
0
1
1
1
Таблица истинности
ТКС
20
21. Логические элементы. Элемент ИЛИ-НЕ
Физическийэквивалент
элемента 3ИЛИ-НЕ.
Элемент 2ИЛИ-НЕ
1
F = A+B
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
F
1
0
0
0
Таблица истинности
ТКС
21
22. Логические элементы. Элемент Исключающее-ИЛИ
Элемент ИсключающееИЛИ (XOR)
Элемент Исключающее
ИЛИ-НЕ (XNOT-OR)
F=A+B
F=A+B
=1
=1
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
F
0
1
1
0
A
0
0
1
1
Условные обозначения
Филиппенко О.И.
B
0
1
0
1
F
1
0
0
1
Таблица истинности
ТКС
22
23. Альтернатива (правило Де-Моргана в действии)
(a + b) = a * b(a * b) = a + b
a + b = (a * b)
(a * b) = (a + b)
Филиппенко О.И.
ТКС
23
24. Задержки
Филиппенко О.И.Время нарастания ttLH (transition time low high) и время спада ttHL (transition High - low)
определяются интервалами, границы которых
соответствуют 10% и 90% максимальной
амплитуды напряжения.
Время задержки распространения при
переходе от уровня low к уровню high tpLH
(propagation delay time low - high) и время
задержки распространения при переходе от
уровня high к low tpHL (propagation delay high low) определяются как интервалы времени
между моментом времени соответствующим
уровню напряжения на входе, равному 50%
максимального напряжения на входе и
моментом достижения такого же уровня
напряжения на выходе. Время задержки
распространения сигнала в логическом
вентиле представляет собой среднее
значение упомянутых выше интервалов
времени.
ТКС
24
25. Дешифратор.
Схема (а)условное обозначение (б)
таблица истинности (в)
Дешифратором называется комбинационная цифровая схема с
несколькими входами и выходами, преобразующая код,
подаваемый на входы, в сигнал на одном из выходов.
Если дешифратор, имеющий n входов, имеет 2n выходов, то
такой дешифратор называется полным.
Если количество выходов меньше, то дешифратор называется
неполным.
Филиппенко О.И.
ТКС
25
26. Дешифратор
На выходе дешифраторавырабатываются все
возможные логические
произведения всех входных
переменных (конъюнктивные
минтермы).
Подключая к определенным
выводам дешифратора
логический элемент “ИЛИ”
или используя дешифратор с
открытым выходом и
реализуя на нем «монтажное
ИЛИ», можно реализовать
любую логическую функцию.
Филиппенко О.И.
ТКС
26
27. Шифратор.
Схема (а), условное обозначение (б), таблица истинности (в)Шифратором называется устройство,
предназначенное для преобразования чисел из
одной системы в другую, например, десятичной
системы в двоичную.
Филиппенко О.И.
ТКС
27
28. Преобразователь кодов
Преобразователи кодов предназначены для преобразованиякода одного вида в код другого вида, например, преобразования
двоично-десятичного кода в двоичный или обратного
преобразования, для преобразования двоичного кода в код
Грея,
для преобразования двоичного кода в код управления
шкальными или матричными индикаторами, для
преобразования двоичного кода в код управления сегментными
индикаторами.
Пример преобразователя двоично-десятичного кода в код
семисегментного индикатора.
Филиппенко О.И.
ТКС
28
29. Мультиплексор.
Мультиплексоромназывается
комбинационное
цифровое устройство,
предназначенное для
управляемой передачи
информации от
нескольких источников в
один выходной канал.
Мультиплексор 4 в 1:
Мультиплексор имеет один выход, информационные входы и
адресные или управляющие входы.
В зависимости от кода, подаваемого в адресные шины X0, X1 один
из информационных входов подключается к выходному каналу.
Функция алгебры логики, описывающая работу мультиплексора,
имеет вид:
Y D0 X1 X 0 D1 X1 X 0 D 2 X1 X 0 D3 X1 X 0
Филиппенко О.И.
ТКС
29
30. Демультиплексор.
Схема демультиплексора (а),условное обозначение (б),
таблица истинности (в)
Демультиплексор 1 в 4:
Демультиплексором называется комбинационное логическое
устройство, предназначенное для управляемой передачи данных от
одного источника информации в несколько выходных каналов.
Демультиплексор имеет один информационный вход, n адресных
шин и 2n - выходов.
Филиппенко О.И.
ТКС
30
31. Комбинационный сумматор
Структурная схемаодноразрядного сумматора
Комбинационный сумматор - это цифровое устройство, предназначенное
для арифметического сложения чисел, представленных в виде двоичных
кодов.
Обычно сумматор представляет собой комбинацию одноразрядных
сумматоров. При сложении двух чисел в каждом разряде производится
сложение трех цифр: цифры первого слагаемого ai, цифры второго
слагаемого bi и цифры переноса из младшего разряда Pi. В результате
суммирования на выходных шинах получается сумма Si и перенос в
старший разряд Pi+1.
Филиппенко О.И.
ТКС
31
32. Цифровой компаратор
Обозначение (а),таблица истинности(б)
Компаратор на 4 разряда
Цифровые компараторы предназначены для сравнения
цифровых кодов.
Количество входов определяется разрядностью чисел. На
выходе обычно формируются сигналы A=B, A>B и A
Разрядность можно наращивать, например, для
восьмиразрядного кода, берутся две схемы, для двенадцати три и т.д.
Можно без наращивания разработать схему любой разрядности.
Филиппенко О.И.
ТКС
32
33. Триггеры
Триггером называется цифровое устройство, которое можетнаходиться в одном из двух устойчивых состояний и переходит
из одного состояния в другое под действием входных сигналов.
Триггеры можно классифицировать по способу управления
(приема информации), принципу построения, функциональным
возможностям.
По способу приема информации триггеры подразделяются на
асинхронные и синхронные.
Асинхронный триггер изменяет свое состояние в момент
прихода сигнала на его информационные входы.
Синхронные триггеры изменяют свое состояние по закону
входных сигналов только в момент прихода активного сигнала
на его синхронизирующий вход.
Если хотя бы с одного входа информация в триггер заносится
под воздействием синхронизирующего сигнала, триггер
называется синхронным.
Филиппенко О.И.
ТКС
33
34. Триггеры
По виду активного сигнала, действующего на информационныхвходах триггеры подразделяются на статические и динамические.
Статические переключаются потенциалом (уровнем напряжения)
Динамические - перепадом (передним или задним фронтом
импульса).
Входные информационные сигналы могут быть прямыми и
инверсными.
По принципу построения триггеры можно подразделить на
одноступенчатые и двухступенчатые (mastr-slave).
В одноступенчатых триггерах имеется одна ступень запоминания.
В двухступенчатых триггерах имеются две ступени запоминания.
Вначале информация записывается в первую ступень, а затем
переписывается во вторую и появляется на выходе. В обозначении
таких триггеров дублируется символ ТТ
По функциональным возможностям триггеры делятся на: RSтриггер, D-триггер, Т-триггер, JK-триггер, (DV и TV-триггеры).
Филиппенко О.И.
ТКС
34
35. Триггеры (классификация)
по функциональномуназначению
Филиппенко О.И.
по способу управления
(ввода информации)
ТКС
35
36. RS-триггер
Филиппенко О.И.Асинхронный RS-триггер имеет два
информационных входа R и S и два
выхода Q-прямой и - инверсный.
Под действием входного сигнала S-set
- установка триггер устанавливается в
состояние “1”
Под действием сигнала R- reset –
сброс- переходит в состояние "0" .
При поступлении запрещенной
комбинации на входы нарушается
логика работы триггера. На прямом
и инверсном выходах появляется
одинаковый логический уровень, что
противоречит логике. При переходе к
хранению после этого состояния на
выходе может, как остаться единица,
так и появиться ноль. То есть, при
переходе к хранению, состояние
выхода будет не определено.
ТКС
36
37. RS-триггер синхронный
Синхронизируемыйоднотактный RS-триггер
Входы RS синхронизируются
сигналом С через элементы
2-И №1,2. Инверсные входы асинхронные.
Синхронизируемый
двухтактный RS-триггер.
Филиппенко О.И.
ТКС
37
38. D-триггер синхронный
Вход С может быть статический илидинамический
Филиппенко О.И.
D - триггер от «Delay» –
задержка.
Простейший элемент памяти
емкостью один бит.
D - триггер имеет
информационный вход D и
вход стробирования - С и два
выхода Q - прямой и
инверсный.
Состояние прямого выхода Q
повторяет состояние входа D
при активном сигнале на
синхронизирующем входе
(записи) C.
Состояние выхода Q не
меняется при любом состоянии
входа D при не активном
сигнале на синхронизирующем
входе (записи) C.
ТКС
38
39. JK- триггер
JK- триггер в отличие от RS-триггера не имеетзапрещенных комбинаций входных сигналов.
При поступлении сигналов на оба входа J и K триггер
изменяет свое состояние на противоположное.
JK-триггер является универсальным триггером. На
его основе можно построить RS, D, Т-триггеры.
Филиппенко О.И.
ТКС
39
40. T- триггер
TQ(t+1)
0
Q(t)
1
Q(t)
Т-триггер имеет один информационный вход Т
Т-триггер изменяет свое состояние на
противоположное при поступлении на этот вход
фронта или спада сигнала.
Т-триггер – счетный триггер
Филиппенко О.И.
ТКС
40
41. Регистр
Регистр - функциональное устройство, предназначенное дляприема (записи) и запоминания n-разрядного слова (кода), а также
для выполнения определенных микроопераций, например – сдвиг,
над этим словом.
Регистр представляет собой упорядоченную совокупность триггеров
со схемой управления входными и выходными сигналами.
С помощью регистров можно осуществлять операции
преобразования информации из одного вида в другой
(последовательного кода в параллельный и т. п.).
При помощи объединения схемы управления (комбинационной
схемы) и регистра можно осуществить различные операции,
например:
– ввод и вывод из регистра хранимой информации;
– преобразование кода числа, хранящегося в регистре;
– сдвиг числа влево или вправо на определенное число разрядов;
– преобразование последовательного кода числа в параллельный и
наоборот
– и т.д.
Филиппенко О.И.
ТКС
41
42. Регистры
Регистры классифицируют по различным признакам, основнымииз которых являются:
способ ввода информации (записи) в регистр и ее вывод,
способ представления вводимой и выводимой информации.
По способу ввода и вывода информации регистры
подразделяются на:
– параллельные (регистры памяти);
– последовательные (регистры сдвига);
– параллельно-последовательные.
Филиппенко О.И.
ТКС
42
43. Параллельный регистр
В параллельных регистрах запись информации производится впараллельном коде одновременно по всем разрядам.
Параллельные регистры применяются, например, для хранения
информации и поэтому называются еще регистрами памяти.
Параллельный регистр может быть выполнен, например, на D-триггерах.
Если вход записи динамический, запись информации производится по
фронту тактового сигнала.
Если вход записи статический, то при активном уровне на нем, происходит
прямая передача информации с входов на выходы, а при смене сигнала на
не активный уровень – фиксация данных, которые присутствовали на входе
в момент смены уровня сигнала записи.
На входах и выходах триггеров регистра могут стоять логические схемы для
преобразования кодов в прямые или инверсные.
Филиппенко О.И.
ТКС
43
44. Регистр сдвига
В сдвиговых регистрах выполняется сдвиг информации влево или вправо.Информация в регистр может записываться в последовательном или
параллельном коде
Информация может выводиться в последовательном или параллельном
коде.
В сдвиговых регистрах можно преобразовывать коды из последовательного
в параллельный и обратно.
Сдвиг информации в регистре в зависимости от управляющего сигнала
может осуществляться влево и вправо. Такие регистры называются
реверсивными.
Регистры могут иметь вход, который переводит выходы в
высокоимпедансное Z-состояние, производя отключение выходов регистра
от шины.
Филиппенко О.И.
ТКС
44
45. Счетчики
Счетчик представляет собой устройство, предназначенное дляподсчета числа сигналов, поступающих на его вход, и фиксации
этого числа в виде кода, хранящегося в триггерах.
Количество разрядов счетчика определяется наибольшим
числом, которое должно быть получено в результате счета.
Для счета и выдачи результатов в счетчиках имеется один вход
и n выходов в зависимости от количества разрядов.
В общем случае счетчик имеет М=2n устойчивых состояний,
включая нулевое.
Счетчик, установленный в определенное состояние, сохраняет
его до тех пор, пока на вход не поступит следующий сигнал.
Каждому состоянию счетчика соответствует порядковый номер
0, 1, 2,..., М-1.
При подаче на вход счетчика М-го входного сигнала на выходе
его возникает сигнал переполнения и счетчик возвращается в
начальное состояние, т. е. счет единичных сигналов
осуществляется в нем по модулю М.
Модуль М называется коэффициентом пересчета.
Филиппенко О.И.
ТКС
45
46. Счетчики
Счетчики бывают суммирующие, вычитающие и реверсивные.Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в
прямом направлении, т. е. для суммирования входных
импульсов.
Вычитающий счетчик предназначен для выполнения счета в
сторону уменьшения, т.е. в режиме вычитания.
Реверсивный счетчик имеет вход управления, позволяющий
изменять направление счета.
По способу организации межразрядных связей счетчики
выполняются с:
– последовательным переносом,
– параллельным переносом и
– параллельно-последовательным переносом.
Самые простые и вместе с тем самые медленные - это счетчики
с последовательным переносом.
Наибольшим быстродействием обладают счетчики с
параллельным переносом.
Филиппенко О.И.
ТКС
46
47. Счетчик двоичный 4-х разрядный с последовательным переносом, суммирующий. М=16.
временные диаграммы работыФилиппенко О.И.
ТКС
Состояние выходов
47
48. Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета
Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета можнопостроить на основе двоичных счетчиков с организацией
обратной связи с выходов соответствующих разрядов через
схему И (дешифратор) на вход R- обнуления счетчика.
Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета можно
построить на вычитающих счетчиках в режиме автоматической
перезагрузки по сигналу заема.
Филиппенко О.И.
ТКС
48
49. Счетчик двоичный 4-х разрядный с параллельным переносом, реверсивный. М=16. SN74LS193
Филиппенко О.И.ТКС
49
50. Накапливающие сумматоры
Накапливающие сумматоры предназначены дляпоследовательного суммирования нескольких чисел.
В каждом такте к предыдущей сумме добавляется очередное
число.
Накапливающие сумматоры строятся на базе комбинационных
сумматоров и параллельных регистров.
Филиппенко О.И.
ТКС
50
51. Запоминающие устройства
Устройства для хранения информацииКлассификация запоминающих устройств в интегральном исполнении.
Филиппенко О.И.
ТКС
51
52. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) энергонезависимое ЗУ, которое служит для хранениястандартных (неизменяемых) программ и констант,
необходимых для выполнения программы.
В ПЗУ обычно записываются программы начальной
инициализации (загрузки) систем, тестовые и диагностические
программы и другое служебное программное обеспечение,
которое не меняется в процессе эксплуатации систем.
В микропроцессорных системах, управляющих определенными
объектами с использованием фиксированных или редко
изменяемых программ, для их хранения также обычно
используется ПЗУ (память ROM - Read-Only Memory) или
репрограммируемое ПЗУ (память EEPROM - Electrically Erased
Programmable Read-Only Memory или флэш-память).
Масочные ПЗУ программируются исключительно в условиях
полупроводникового производства.
Механизмов занесения информации в программируемые ПЗУ
существует несколько.
Филиппенко О.И.
ТКС
52
53. Основные принципы хранения информации
Физически пережигаемые перемычки матрицы на основе нихромаили поликристаллического кремния (ограниченное применение)
Элементы памяти на полевых транзисторах с плавающими (не
имеющими выводов, находящиеся в толще диэлектрика между
управляющим затвором и каналом) затворами с лавинноинжекционным накоплением зарядов.
Различают приборы, в которых элементарная ячейка хранит один
бит информации и несколько бит.
В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на
плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми
(single-level cell, SLC).
В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их
называют многоуровневыми (multi-level cell, MLC). MLC-приборы
дешевле и более ёмкие, чем SLC-приборы, однако с большим
временем доступа и меньшим максимальным количеством
перезаписей.
MLC память может быть с 4 уровнями заряда (2 бита) на каждую
ячейку, память с 8 уровнями (3 бита) иногда называют TLC (Triple
Level Cell) или 3bit MLC и более.
Филиппенко О.И.
ТКС
53
54. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) энергозависимое ЗУ, которое служит для хранения данных,получаемых в результате выполнения программы.
В оперативное запоминающее устройство (для принстонской
архитектуры) также возможна загрузка программы или части
программы и передача управления этому фрагменту
программы, т.е. в ОЗУ может хранится выполняемая программа
(или ее фрагменты), а также данные, подлежащих обработке.
Информация, находящаяся в ОЗУ теряется при снятии
питающего напряжения.
Элементами памяти в статических ЗУ, как правило, являются
триггеры. Один триггер может запомнить один бит информации.
После записи информации в ячейку для обеспечения хранения
не требуется никаких дополнительных действий до следующей
записи. Чтение не влияет на состояние ячеек памяти. Память
такого типа имеет высокую стоимость в силу большого
количества транзисторов необходимых для построения одной
ячейки памяти. При снятии питания информация разрушается.
Филиппенко О.И.
ТКС
54
55. Структура ЗУ
ЗУ с двумерной адресациейпозволяет осуществлять
побитовую запись или
считывание информации.
ЗУ с такой структурой
осуществляют
двухкоординатную выборку
запоминающих элементов
матрицы, что позволяет
упростить дешифраторы
адреса, т. е. уменьшить число
выходов дешифратора.
Адресный код разрядностью К + L делится на две части: одна (К разрядов)
служит для определения строки, вторая (L разрядов) - для определения
столбца. Таким образом, выбирается один бит нужного слова, находящийся
в ЗЭ на пересечении активных выходов обоих дешифраторов. При
построении ЗУ для многоразрядных слов к дешифраторам DC1 и DC2
подключаются параллельно несколько матриц М, число которых равно
разрядности хранимых слов
Филиппенко О.И.
ТКС
55
56. Структура статического запоминающего устройства объемом 32кбайт, организацией 32к * 8бит
Филиппенко О.И.ТКС
56
57. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
С целью упрощенияреализации ячейки
памяти, соответственно,
удешевления хранения
единицы информации,
увеличения объемов ЗУ
широко применяется ОЗУ
динамического типа.
Элементом памяти в этом
типе ЗУ является
конденсатор.
Поскольку конденсатору
свойственно явление
саморазряда, т.е. потери
заряда вследствие
наличия токов утечки,
такой тип ячейки памяти
требует регулярное
обновление информации –
так называемой
регенерации.
Филиппенко О.И.
ТКС
57
58. Условные графические обозначения
RAMROM
ОЗУ
ПЗУ
ОЗУ
Филиппенко О.И.
ОЗУ
ТКС
58
59. Временные диаграммы ОЗУ динамического типа
ЧтениеФилиппенко О.И.
Запись
ТКС
59
60. АЦП
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являютсяустройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и
генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные
для обработки микропроцессорами и другими цифровыми
устройствами.
Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных
сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет
собой преобразование непрерывной функции времени U(t),
описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел
{U"(tj)}, j=0,1,2,:, отнесенных к некоторым фиксированным
моментам времени.
Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные
операции.
Первая из них называется дискретизацией и состоит в
преобразовании непрерывной функции времени U(t) в
непрерывную последовательность {U(tj)}.
Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании
непрерывной последовательности в дискретную {U"(tj)}.
Филиппенко О.И.
ТКС
60
61. Классификация АЦП
Филиппенко О.И.ТКС
61
62. Параллельный АЦП
Если приложенное входноенапряжение не выходит за
пределы диапазона от 5/2h,
до 7/2h, где h=Uоп/7 - квант
входного напряжения,
соответствующий единице
младшего разряда АЦП, то
компараторы с 1-го по 3-й
устанавливаются в
состояние 1, а компараторы
с 4-го по 7-й - в состояние 0.
Преобразование этой группы
кодов в трехзначное
двоичное число выполняет
логическое устройство,
называемое приоритетным
шифратором.
Филиппенко О.И.
ТКС
62
63. ЦАП
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен дляпреобразования числа, определенного, как правило, в виде
двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные
значению цифрового кода.
Цифро-аналоговые преобразователи можно классифицировать
по следующим признакам:
– разрядность
– по виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в
виде напряжения
– по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом
и с параллельным вводом входного кода
– по быстродействию
Филиппенко О.И.
ТКС
Индивидуальное задание №4 (Урок № 1)
(К ЛР№2 «Исследование операционных узлов ЦУ»)
Схемы устройств представлены в соответствующем разделе лабораторной работы.
Задача 1: Реализовать для параллельного регистра памяти режим записи и хранения заданного кода
Задача 2: Реализовать для последовательного сдвигающего регистра режим записи и хранения заданного кода. Необходимо учесть, что запись осуществляется начиная со старшего разряда.
Варианты исходных данных для анализа работы регистров Таблица 1
| Вариант | Параллельный регистр памяти (запись, хранение кода) | Последовательный сдвигающий регистр (запись, хранение кода) | ||||||
| 3р | 2р | 1р | 0р | 3р | 2р | 1р | 0р | |
| 1, 21, 41 | ||||||||
| 2, 22, 42 | ||||||||
| 3, 23, 43 | ||||||||
| 4, 24, 44 | ||||||||
| 5, 25, 45 | ||||||||
| 6, 26, 46 | ||||||||
| 7, 27, 47 | ||||||||
| 8, 28, 48 | ||||||||
| 9, 29, 49 | ||||||||
| 10, 30, 50 | ||||||||
| 11, 31, 51 | ||||||||
| 12, 32, 52 | ||||||||
| 13, 33, 53 | ||||||||
| 14, 34, 54 | ||||||||
| 15, 35, 55 | ||||||||
| 16, 36, 56 | ||||||||
| 17, 37, 57 | ||||||||
| 18, 38, 58 | ||||||||
| 19, 39, 59 | ||||||||
| 20, 40, 60 |
Задача 3: Реализовать для счетчиков режимы предустановки и счета для заданных исходных данных:
Варианты исходных данных для анализа работы реверсивных счетчиков Таблица 3
| Вариант | Режим предустановки (С=0) Qn=Dn | Режим счета (С=1) | ||||||||
| Счетчик СТ2 (DD10) | СчетчикСТ2/10 (DD11) | +1 | -1 | |||||||
| D8 | D4 | D2 | D1 | D8 | D4 | D2 | D1 | |||
| 1, 21, 41 | ||||||||||
| 2, 22, 42 | ||||||||||
| 3, 23, 43 | ||||||||||
| 4, 24, 44 | ||||||||||
| 5, 25, 45 | ||||||||||
| 6, 26, 46 | ||||||||||
| 7, 27, 47 | ||||||||||
| 8, 28, 48 | ||||||||||
| 9, 29, 49 | ||||||||||
| 10, 30, 50 | ||||||||||
| 11, 31, 51 | ||||||||||
| 12, 32, 52 | ||||||||||
| 13, 33, 53 | ||||||||||
| 14, 34, 54 | ||||||||||
| 15, 35, 55 | ||||||||||
| 16, 36, 56 | ||||||||||
| 17, 37, 57 | ||||||||||
| 18, 38, 58 | ||||||||||
| 19, 39, 59 | ||||||||||
| 20, 40, 60 | ||||||||||
Задача 4: Выполнить анализ работы параллельного сумматора с последовательным переносом для исходных данных:
Варианты исходных данных для анализа работы сумматора Таблица 3
| Вариант | Р in | Число А (а i) | Число В (bi) | ||||||||||
| А4 | А3 | А2 | А1 | В4 | В3 | В2 | В1 | ||||||
| 1, 21, 41 | |||||||||||||
| 2, 22, 42 | |||||||||||||
| 3, 23, 43 | |||||||||||||
| 4, 24, 44 | |||||||||||||
| 5, 25, 45 | |||||||||||||
| 6, 26, 46 | |||||||||||||
| 7, 27, 47 | |||||||||||||
| 8, 28, 48 | |||||||||||||
| 9, 29, 49 | |||||||||||||
| 10, 30, 50 | |||||||||||||
| 11, 31, 51 | |||||||||||||
| 12, 32, 52 | |||||||||||||
| 13, 33, 53 | |||||||||||||
| 14, 34, 54 | |||||||||||||
| 15, 35, 55 | |||||||||||||
| 16, 36, 56 | |||||||||||||
| 17, 37, 57 | |||||||||||||
| 18, 38, 58 | |||||||||||||
| 19, 39, 59 | |||||||||||||
| 20, 40, 60 | |||||||||||||
Тема 3. Типовые элементы и узлы ЦТ
Индивидуальное задание №5 (Урок № 2)
(К ЛР№3 «Исследование узлов преобразования кодов,
Коммутации сигналов и контроля ЦУ»)
Задача 1. Для дешифратора на 2 входа (преобразователя двоичного двухразрядного кода X 2 X 1 в код семисегментного индикатора) составить и минимизировать логическое уравнение для одного из сегментов. Нарисовать схему реализации данного уравнения на элементах ИЛИ – НЕ, И – НЕ. Для этого воспользоваться таблицей истинности дешифратора (табл. 1).
Таблица 1
| Код 10сс | Код 8421 (входные переменные) | Элемент индикации (семисегментный код) | |||||||||
| X 4 | X 3 | X 2 | X 1 | a | b | c | d | e | f | g | |
Задача 2: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) цифрового одноразрядного компаратора схемы №2 (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему №2, проверить полученную таблицу истинности
Задача 3: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) схемы мажоритирования (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему, проверить полученную таблицу истинности
| Входы схемы контроля | Выход схемы контроля | Номер отказавшего канала | |||
| F 3 | F 2 | F 1 | F | a 1 | a 0 |
Задача 4: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) схемы контроля четности (нечетности) единиц параллельного двухразрядного кода (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему, проверить полученную таблицу истинности
Задача 5: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) схемы кодирования на четность параллельного двухразрядного кода (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему, проверить полученную таблицу истинности
Задача 6: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) схемы контроля на четность параллельного двухразрядного кода (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему, проверить полученную таблицу истинности
Задача 7: По ЛФ провести анализ работы (заполнить таблицу истинности) схемы передачи параллельного двухразрядного кода с контролем на четность (ПЗ№4). На ЛР№3 собрать схему, проверить полученную таблицу истинности
Тема 4. Микропроцессорная техника
Индивидуальное задание №6 (ПЗ№3)
(К ЛР№4 «Исследование работы микропроцессора»)
Задача №1. Используя систему команд микропроцессора КР580ИК80А, определить коды операций для команд:
| Варианты | ||||||||||
| 0+ | ADD L | ADD H | ADD A | ADD B | ADD C | ADD E | ADD H | ADD D | ADD L | ADDH |
| MOV A, E | MOV B, D | MOV C, A | MOV D, B | MOV E, L | MOV H, B | MOV L, D | MOV A, B | MOV A, C | MOV E, L | |
| MVI A | MVI B | MVI A | MVI B | MVI A | MVI B | MVI A | MVI B | MVI D | MVI A | |
| ADD A | ADD D | ADD A | ADD D | ADD A | ADD D | ADD A | ADD D | ADD C | ADD D | |
| SUB C | SUB H | SUB C | SUB H | SUB C | SUB H | SUB C | SUB H | SUB C | SUB D | |
| 10+ | ADD H | ADD A | ADD B | ADD C | ADD E | ADD H | ADD D | ADD L | ADD B | ADDВ |
| MOV A, D | MOV A, L | MOV A, H | MOV B, A | MOV B, C | MOV B, D | MOV B, E | MOV B, L | MOV B, H | MOV B, C | |
| MVI C | MVI L | MVI C | MVI L | MVI C | MVI L | MVI C | MVI L | MVI E | MVI D | |
| ADD C | ADD H | ADD C | ADD H | ADD C | ADD H | ADD C | ADD H | ADD B | ADD D | |
| SUB E | SUB B | SUB E | SUB B | SUB E | SUB B | SUB E | SUB B | SUB E | SUB D | |
| 20+ | ADD B | ADD C | ADD E | ADD H | ADD D | ADD B | ADD C | ADD E | ADD H | ADDА |
| MOV C, A | MOV C, B | MOV C, D | MOV C, L | MOV C, H | MOV C, E | MOV D, A | MOV D, B | MOV D, C | MOV C, D | |
| MVI D | MVI H | MVI D | MVI H | MVI D | MVI H | MVI D | MVI H | MVI H | MVI A | |
| ADD B | ADD L | ADD B | ADD L | ADD B | ADD L | ADD B | ADD L | ADD E | ADD C | |
| SUB L | SUB A | SUB L | SUB A | SUB L | SUB A | SUB L | SUB A | SUB L | SUB H | |
| 30+ | ADD L | ADD B | ADD C | ADD E | ADD B | ADD C | ADD E | ADD H | ADD D | ADDL |
| MOV D,E | MOV D,L | MOV D,H | MOV E,A | MOV E,B | MOV E,C | MOV E,D | MOV E,H | MOV E,L | MOV D, B | |
| MVI E | MVI A | MVI E | MVI A | MVI E | MVI A | MVI E | MVI A | MVI L | MVI H | |
| ADD E | ADD A | ADD E | ADD A | ADD E | ADD A | ADD E | ADD A | ADD D | ADD L | |
| SUB A | SUB D | SUB A | SUB D | SUB A | SUB D | SUB A | SUB D | SUB A | SUB H |
Задача №2. Используя систему команд МП КР580ИК80А, составить программу в машинных кодах. Вычислительная задача и исходные данные представлены в таблице.
По результату выполнения арифметической операции индивидуального задания №3 определить состояние (расписать по разрядам-признакам в двоичной системе счисления) регистра признаков F .
| Вариант | ||||||||||
| Вычисл. задача | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z |
| X 16 | 7А в М(0907) | 4B в М(0807) | B2 в p.H | в М(0A0F) | 3А в М(0804) | E2 в p. H | 6B в М(0807) | в М(090F) | 7B в М(0809) | в p. A |
| Y 16 | в р.D | в р.A | в р.B | в р.E | в р.D | в р.L | в М(0A08) | в р.C | в М(0A0C) | в р.H |
| Z | в М(0908) в р.E | в М(0A08) | в р.C | в р.L | в М(0902) в р.H | в р.A | в р.A | в р.B | в р.E | в р.B |
| Вариант | ||||||||||
| Вычисл. задача | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z |
| X 16 | в М(0903) | DB в М(0805) | B7 в p.A | в М(0A06) | 1А в М(0808) | E5 в p. A | AB в М(0804) | в М(0906) | в М(0800) | в p. H |
| Y 16 | в р.L | в р.B | в р.B | в р.E | в р.D | в р.L | в М(0A08) | в р.E | в М(080C) | в р.A |
| Z | в М(0908) в р.E | в М(0A08) | в р.C | в р.A | в М(0906) в р.H | в р.D | в р.A | в р.B | в р.E | в р.B |
| Вариант | ||||||||||
| Вычисл. задача | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z |
| X 16 | 7А в М(0907) | 4B в М(0807) | B2 в p.H | в М(0A0F) | 3А в М(0804) | E2 в p. H | 6B в М(0807) | в М(090F) | 7B в М(0809) | в p. A |
| Y 16 | в р.D | в р.A | в р.B | в р.E | в р.D | в р.L | в М(0A08) | в р.C | в М(0A0C) | в р.H |
| Z | в М(0908) в р.E | в М(0A08) | в р.C | в р.L | в М(0902) в р.H | в р.A | в р.A | в р.B | в р.E | в р.B |
| Вычисл. задача | ||||||||||
| X 16 | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z | Х-У=Z | Х+У=Z |
| Y 16 | в М(0903) | DB в М(0805) | B7 в p.A | в М(0A06) | 1А в М(0808) | E5 в p. A | AB в М(0804) | в М(0906) | в М(0800) | в p. H |
| Z | в р.L | в р.B | в р.B | в р.E | в р.D | в р.L | в М(0A08) | в р.E | в М(080C) | в р.A |
| в М(0908) в р.E | в М(0A08) | в р.C | в р.A | в М(0906) в р.H | в р.D | в р.A | в р.B | в р.E | в р.B |
Задание к ЛР№4 Исследование работы микропроцессора: Необходимо каждому студенту выполнить индивидуальное задание по программированию микропроцессоров.
Несущую систему станка образует совокупность его элементов, через которые замыкаются силы, возникающие между инструментом и заготовкой в процессе резания. Основными элементами несущей системы станка являются станина и корпусные детали (поперечины, хоботы, ползуны, плиты, столы, суппорты и т.д.).
Станина 1 (рис. 3.2) служит для монтажа деталей и узлов станка, относительно нее ориентируются и перемещаются подвижные детали и узлы. Станина так же, как и другие элементы несущей системы, должна обладать стабильностью свойств и обеспечивать в течение срока службы станка возможность обработки заготовок с заданными режимами и точностью. Это достигается правильным выбором материала станины и технологией ее изготовления, износостойкостью направляющих.
Для изготовления станин используют следующие основные материалы: для литых станин - чугун; для сварных - сталь, для станин тяжелых станков - железобетон (иногда), для станков высокой точности - искусственный материал синтегран, изготовляемый на основе крошки минеральных материалов и смолы и характеризующийся незначительными температурными деформациями.
Рис. 3.2. Станины станков:
а - токарно-винторезного; б - токарного с программным управлением; в - плоскошлифовального; 1 - станина; 2 - направляющие
Направляющие 2 обеспечивают требуемое взаимное расположение и возможность относительного перемещения узлов, несущих инструмент и заготовку. Конструкции направляющих для перемещения узла допускает только одну степень свободы движения.
В зависимости от назначения и конструктивного исполнения существует следующая классификация направляющих:
- по виду движения - главного движения и движения подачи; направляющие для перестановки сопряженных и вспомогательных узлов, неподвижных в процессе обработки;
- по траектории движения - прямолинейного и кругового движения;
- по направлению траектории перемещения узла в пространстве - горизонтальные, вертикальные и наклонные;
- по геометрической форме - призматические, плоские, цилиндрические, конические (только для кругового движения) и их сочетания.
Наибольшее распространение получили направляющие скольжения и направляющие качения (в последних используют шарики или ролики в качестве промежуточных тел качения).
Для изготовления направляющих скольжения (рис. 3.3) (когда направляющие выполнены как одно целое со станиной) используют серый чугун. Износостойкость направляющих повышают поверхностной закалкой, твердость HRC 42...56.
Рис. 3.3. Примеры направляющих скольжения:
а - плоская; б - призматическая; в - в виде «ласточкина хвоста»
Стальные направляющие выполняют накладными, обычно закаленными, твердостью HRC 58...63. Чаще всего используют сталь 40Х с закалкой ТВЧ1, стали 15Х и 20Х - с последующей цементацией и закалкой.
Надежная работа направляющих зависит от защитных устройств, предохраняющих рабочие поверхности от попадания на них пыли, стружки, грязи (рис. 3.4). Защитные устройства изготовляют из различных материалов, в том числе полимерных.
Рис. 3.4. Основные типы защитных устройств для направляющих:
а - щитки; б - телескопические щитки; в, г и д - лента; е - гармоникообразные меха
Шпиндели и их опоры
Шпиндель - разновидность вала - служит для закрепления и вращения режущего инструмента или приспособления, несущего заготовку.
Для сохранения точности обработки в течение заданного срока службы станка шпиндель обеспечивает стабильность положения оси при вращении и поступательном движении, износостойкость опорных, посадочных и базирующих поверхностей.
Шпиндели, как правило, изготовляют из стали (40Х, 20Х, 18ХГТ, 40ХФА и др.) и подвергают термической обработке (цементации, азотированию, объемной или поверхностной закалке, отпуску).
Для закрепления инструмента или приспособления передние концы шпинделей стандартизованы. Основные типы концов шпинделей станков показаны в табл. 3.2.
Таблица 3.2 Основные типы концов шпинделей станков
В качестве опор шпинделей применяют подшипники скольжения и качения. Конструктивная схема регулируемых подшипников скольжения, выполняемых в виде бронзовых втулок-вкладышей, одна из поверхностей которых имеет коническую форму, приведена на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Регулируемые подшипники скольжения:
а - с цилиндрической шейкой шпинделя: 1 - шейка шпинделя; 2 - разрезная втулка; 3 - корпус; б - с конической шейкой шпинделя: 1 - шпиндель; 2 - цельная втулка
В опорах скольжения шпинделей используют смазочный материал в виде жидкости (в гидростатических и гидродинамических подшипниках) или газа (в аэродинамических и аэростатических подшипниках).
Существуют одно- и многоклиновые гидродинамические подшипники . Одноклиновые наиболее просты по конструкции (втулка), но не обеспечивают стабильного положения шпинделя при больших скоростях скольжения и малых нагрузках. Этот недостаток отсутствует в многоклиновых подшипниках, имеющих несколько несущих масляных слоев, охватывающих шейку шпинделя равномерно со всех сторон (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Опора шпинделя шлифовального круга с гидродинамическим пятивкладышным подшипником:
1 - самоустанавливающиеся вкладыши; 2 - шпиндель; 3 - обойма; 4 - гайка; 5 - подшипники качения; 6 - винты со сферическим опорным торцом; 7 - манжеты
Гидростатические подшипники - подшипники скольжения, в которых масляный слой между трущимися поверхностями создается путем подвода к ним масла под давлением от насоса, - обеспечивают высокую точность положения оси шпинделя при вращении, имеют большую жесткость и обеспечивают режим жидкостного трения при малых скоростях скольжения (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Гидростатический подшипник:
1 - корпус подшипника; 2 - шейка шпинделя; 3 - карман, создающий несущую поверхность подшипника (стрелками показано направление подвода смазочного материала под давлением и его отвод)
Подшипники с газовой смазкой (аэродинамические и аэростатические) по конструкции подобны подшипникам гидравлическим, но обеспечивают меньшие потери при трении, что позволяет применять их в опорах быстроходных шпинделей.
Подшипники качения в качестве опор шпинделей широко применяют в станках разных типов. К точности вращения шпинделей предъявляют повышенные требования, поэтому в их опорах применяют подшипники высоких классов точности, устанавливаемые с предварительным натягом, который позволяет устранить вредное влияние зазоров. Натяг в радиально-упорных шариковых и конических роликовых подшипниках создается при их парной установке в результате осевого смещения внутренних колец относительно наружных.
Это смещение осуществляется с помощью специальных элементов конструкции шпиндельного узла: проставочных колец определенного размера; пружин, обеспечивающих постоянство силы предварительного натяга; резьбовых соединений. В роликоподшипниках с цилиндрическими роликами предварительный натяг создается за счет деформирования внутреннего кольца 6 (рис. 3.8) при затяжке его на коническую шейку шпинделя 8 с помощью втулки 5, перемещаемой гайками 1. Подшипники шпиндельных опор надежно защищены от загрязнения и вытекания смазочного материала манжетными и лабиринтными уплотнениями 7.
Рис. 3.8. Передняя опора шпинделя токарного станка на подшипниках качения:
1 - гайки; 2 - регулировочные гайки; 3 - пружины; 4 - подшипники качения упорные; 5 - втулки; 6 - внутреннее кольцо роликоподшипника; 7 - уплотнения; 8 - шпиндель
Подшипники качения 4 широко используют в качестве упорных, фиксирующих положение шпинделя в осевом направлении и воспринимающих возникающие в этом направлении нагрузки. Предварительный натяг шариковых упорных подшипников 4 создается пружинами 3. Регулирование пружин осуществляют гайками 2.
Пример использования радиально-упорных шариковых подшипников для восприятия осевых нагрузок приведен на рис. 3.6. Предварительный натяг создается регулировкой положения наружных колец подшипников 5 с помощью гайки 4.
Типовые механизмы для осуществления поступательного движения
Поступательное движение в рассматриваемых станках обеспечивают следующие механизмы и устройства:
- механизмы, преобразующие вращательное движение в поступательное: зубчатое колесо или червяк с рейкой, ходовой винт-гайка и другие механизмы;
- гидравлические устройства с парой цилиндр -поршень;
- электромагнитные устройства типа соленоидов, используемые в основном в приводах систем управления.
Приведем примеры некоторых из указанных механизмов (условные обозначения см. в табл. 3.1).
Пара зубчатое колесо-рейка имеет высокий КПД, что обусловливает ее применение в большом диапазоне скоростей движения рейки, в том числе в приводах главного движения, передающих значительную мощность, и приводах вспомогательных перемещений.
Червячно-реечная передача отличается от пары зубчатое колесо - рейка повышенной плавностью движения. Однако эта передача сложнее в изготовлении и имеет более низкий КПД.
Механизм ходовой винт-гайка широко применяется в приводах подач, вспомогательных и установочных движений и обеспечивает: малое расстояние, на которое перемещается движущийся элемент за один оборот привода; высокую плавность и точность перемещения, определяемую главным образом точностью изготовления элементов пары; самоторможение (в парах винт-гайка скольжения).
В станкостроении для ходовых винтов и гаек скольжения установлено шесть классов точности: 0 - наиболее точный; 1, 2, 3, 4 и 5-й классы, с помощью которых регулируют допустимые отклонения по шагу, профилю, диаметрам и по параметру шероховатости поверхности. Конструкция гаек зависит от назначения механизма.
Пары ходовой винт-гайка скольжения из-за низкого КПД заменяют винтовыми парами качения (рис. 3.9). В этих парах устранен износ, уменьшены потери при трении и могут быть устранены зазоры за счет создания предварительного натяга.
Рис. 3.9. Пара винт-гайка качения:
1, 2 - гайка, состоящая из двух частей; 3 - винт; 4 - шарики (или ролики)
Недостатки, присущие парам винт-гайка скольжения и винт-гайка качения, обусловленные особенностями их эксплуатации и изготовления, исключены в гидростатической передаче винт-гайка. Эта пара работает в условиях трения со смазочным материалом; КПД передачи достигает 0,99; масло подается в карманы, выполненные на боковых сторонах резьбы гайки.
Типовые механизмы для осуществления периодических движений
В процессе работы в некоторых станках требуется периодическое перемещение (изменение положения) отдельных узлов или элементов. Периодические движения могут осуществляться храповыми и мальтийскими механизмами, механизмами кулачковыми и с муфтами обгона, электро-, пневмо- и гидромеханизмами.
Храповые механизмы (рис. 3.10) наиболее часто используют в механизмах подачи станков, в которых периодическое перемещение заготовки, режущего (резца, шлифовального круга) или вспомогательного (алмаз для правки шлифовального круга) инструмента производится во время перебега или обратного (вспомогательного) хода (в шлифовальных и других станках).
Рис. 3.10. Схема храпового механизма:
1 - храповик; 2 - собачка; 3 - щиток; 4 - тяга
В большинстве случаев храповые механизмы используют для прямолинейного перемещения соответствующего узла (стола, суппорта, пиноли). Спомощью храповой передачи осуществляют также и круговые периодические перемещения.
Муфты служат для соединения двух соосных валов. В зависимости от назначения различают муфты нерасцепляемые, сцепляемые и предохранительные.
Нерасцепляемые муфты (рис. 3.11, а, б, в) служат для жесткого (глухого) соединения валов, например соединения с помощью втулки, через упругие элементы или через промежуточный элемент, имеющий на торцовых плоскостях два взаимно перпендикулярных выступа и позволяющий компенсировать несоосность соединяемых валов.
Рис. 3.11. Муфты для соединения валов:
а - жесткая типа втулки; б - с упругими элементами; в - крестово-подвижная; г - кулачковая; д - многодисковая с механическим приводом: 1 - шайба; 2 - нажимной диск; 3 - шарики; 4 - неподвижная втулка; 5 - втулка; 6 - гайка; 7 - пружины; е - электромагнитная: 1 - шлицевая втулка; 2 - электромагнитная катушка; 3 и 4 - магнитопроводящие диски; 5 - якорь; 6 - втулка
Сцепляемые муфты (рис. 3.11, г, д, е) применяют для периодического соединения валов. В станках используют сцепляемые кулачковые муфты в виде дисков с торцовыми зубьями-кулачками и зубчатые муфты. Недостатком таких сцепляемых муфт является трудность их включения при большой разнице угловых скоростей ведущего и ведомого элементов. Фрикционные муфты не имеют недостатка, присущего кулачковым муфтам, и позволяют включить их при любых скоростях вращения ведущего и ведомого элементов. Фрикционные муфты бывают конусные и дисковые. В приводах главного движения и подачи широко применяют многодисковые муфты, передающие значительные крутящие моменты при сравнительно небольших габаритных размерах. Сжатие ведущих дисков с ведомыми осуществляется с помощью механического, электромагнитного и гидравлического приводов.
Предохранительные муфты (рис. 3.12) соединяют два вала при нормальных условиях работы и разрывают кинематическую цепь при повышении нагрузки. Разрыв цепи может происходить при разрушении специального элемента, а также в результате проскальзывания сопрягаемых и трущихся частей (например, дисков) или расцепления кулачков двух сопрягаемых частей муфты.
Рис. 3.12. Схемы предохранительных муфт;
а - шариковая; б - кулачковая; 1 - кулачки; 2 - подвижный элемент муфты; 3 - пружины; 4 - гайка; 5 - шарики
В качестве разрушаемого элемента обычно используют штифт, площадь сечения которого рассчитывают для передачи заданного крутящего момента. Расцепление сопрягаемых элементов муфты происходит при условии, что осевая сила, возникающая на зубьях, кулачках 1 или шариках 5, при перегрузках превышает силу, создаваемую пружинами 3 и регулируемую гайкой 4. При смещении подвижный элемент 2 муфты воздействует на концевой выключатель, разрывающий электрическую цепь питания двигателя привода.
Муфты обгона (рис. 3.13) предназначены для передачи вращающего момента при вращении звеньев кинематической цепи в заданном направлении и для разъединения звеньев при вращении в обратном направлении, а также для передачи валу различных по частоте вращений (например, медленного - рабочего вращения и быстрого - вспомогательного). Муфта обгона позволяет передавать дополнительное (быстрое) вращение без выключения основной цепи. В станках наиболее широко применяют муфты роликового типа, которые могут передавать вращающий момент в двух направлениях.
Рис. 3.13. Муфта обгона роликовая:
1 - обойма; 2 - ступица; 3 - ролики; 4 - поводковая вилка; 5 - пружины
В качестве муфт обгона используют также храповые механизмы.
Контрольные вопросы
- Какие требования предъявляют к станинам и направляющим станков?
- Расскажите о назначении и конструкциях шпиндельных узлов и подшипников.
- Какие муфты применяют в станках?
Загрузка...
