Inhltsverzeichnis Modul Produktion + Steuerungstechnik Grundlgen Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Inhltsverzeichnis... 2 1. Einleitung... 3 1.1 Einordnung... 3 1.2.1 Steuern... 3 1.2.2 Regeln... 3 1.2.3 Übertrgungsglieder... 3 1.3 Steuerungstechnik... 4 1.3.1 Signldrstellung... 4 1.3.2 Signlverrbeitung... 4 1.3.3 Progrmmverwirklichung... 4 1.3.3 Progrmmverwirklichung... 5 1.3.4 Struktur... 5 2. Signle... 5 2.1 Definition nloge und digitle Signle... 5 2.2 Diskrete, digitle und Binäre Signle... 6 2.x Alising... 6 3. Dtenübertrgung und Dtenspeicherung... 6 3.1.3 Geschwindigkeit... 6 3.2 Progrmmspeicher... 7 3.2.1 Kriterien für Dten- und Progrmmspeicher... 7 3.2.2 Speichertypen... 7 4. Codes... 8 4.1 Zhlensysteme... 8 4.2 Minimlcodes... 8 4.3 Tetrdische Codes (Codes us vier Einheiten/Bits)... 9 4.4 Fehlererkennende Codes (m-us-n-codes)... 9 4.5 Alfnumerische Codes... 9 5. Digitle Schltungstechnik... 10 5.1 Logische Grundfunktionen... 10 5.2 Schltungsnlyse... 10 5.3 Schltungslgebr (Boolsche Algebr)... 10 5.3.4 Grundgesetzte... 11 5.4 Schltungssynthese... 11 5.4.1 Aufbu von Verknüpfungsschltungen... 11 5.4.2 Normlformen... 11 5.4.3.1 Vereinfchen von Schltfunktionen mit Krnugh... 12 5.5 Sequentielle Systeme... 12 5.5.3 Typen von Flip-Flops... 13 5.5.3.1 Ungetktete Flip-Flops... 13 5.5.3.2 Getktete Flip-Flops... 13 5.5.4 Flip-Flops... 14 5.5.5 Umwndlung von Flip-Flops... 14 5.5.6 Logische Schltungen mit einem Stbilen Zustnd (Monoflop)... 14 5.6 Synthese sequentieller Schltwerke... 15 5.6.1.1 Synchrongetktete Schltwerke ohne Eingngssignle... 15 5.6.2 Zähler... 15 5.6.1.2 Beispiel BCD-Zähler... 16 5.6.3 Entwurf einer Ablufsteuerung... 16 Anhng... 16 Bsierend uf dem Skript von Prof. Jürg Hbegger Kpitel Nummerierung gemäss Skript. Fettgedruckte Zhlen m Anfng jedes Kpitel entspricht der Seitenzhl des Skriptes. Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 1 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 2
1. Einleitung 1.3 Steuerungstechnik 10 1.1 Einordnung Hndbefehle Steuerung Anzeige 4 Geber (Sensoren) Mschine Prozess Stellglieder (Aktoren) 1.2.1 Steuern 5 Ds Steuern, die Steuerung, ist der Vorgng in deinem System, bei dem eine oder mehrere Grössen ls Eingngsgrössen ndere Grössen ls Ausgngsgrössen ufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmässigkeit beeinflussen. Offener Wirkungsweg Geschlossener Wirkungsweg 1.3.1 Signldrstellung Anlog = entsprechend (Kurvenscheiben, Ventile) Binär = zwei Zustände (0&1) Digitl = mehrere binäre Signle (Mikroprozessoren) 11 1.2.2 Regeln 7 Ds Regeln ist ein Vorgng, bei dem die zu regeln de Grösse fortlufend erfsst und so beeinflusst wird, dss sie sich der gewünschten Grösse ngleicht. Geschlossener Wirkungskreis Regelgrösse wird mit Führungsgrösse verglichen und um Stellgrösse ngepsst 1.2.3 Übertrgungsglieder Sttisches Verhlten Dynmisches Verhlten 9 1.3.2 Signlverrbeitung 13 Synchron = uf ein Tktsignl Asynchron = unmittelbr Verknüpfungssteuerung (nd, or, not) Ablufsteuerung (n-te Schritt wenn (n-1)te Schritt bgeschlossen /NS, S, R, D) o Zeitgeführt o Prozessgeführt Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 3 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 4
1.3.3 Progrmmverwirklichung 18 Progrmm bedeutet die die Gesmtheit ller Anweisungen und Vereinbrungen für die Signlverrbeitung, durch die eine zu steuernde Anlge beeinflusst wird. Verbindungsprogrmmierte Steuerung (Verbindung durch fest verlegte Drähte oder Bhnen) Speicherprogrmmierbre Steuerung (RAM, ROM usw.) Wertkontinuierlich und Zeitdiskret 1.3.4 Struktur Nicht hierrchisch Hierrchisch o Einzelsteuerebene (viele kleine Dten, kurze Lebensduer) o Gruppensteuerebene o Leitersteuerebene (Grosse Dten, lnge Lebensduer) Unter Leiten versteht mn die Gesmtheit ller Mssnhmen, die bewirken, dss der gewünschte Prozessverluf erreicht wird. Dbei ist meist uch eine Mitwirkung von Menschen vorgesehen. Messen, Zählen, Steuern, Regeln, Optimieren, Überwchen, Schützen, Auswerten, Anzeigen, Melden, Aufzeichnen, Protokollieren, Eingreifen, Stellen, Dtenerfssen, Dteneingeben, Dtenverrbeiten, Dtenübertrgen, Dtenusgeben 20 Wert- und Zeitdiskret = digitles Signl 2.2 Diskrete, digitle und Binäre Signle Diskret (endliche Anzhl von Werten) Digitl (gnzzhliges Vielfches der Grundeinheit) Binär (einprmetrisches digitles Signl) 2.x Alising Abtstfrequenz f Signlfrequenz f s Niquistfrequenz f = n 25 f 2 2. Signle 22 Unter einem Signl versteht mn die physiklische Drstellung von Nchrichten oder Dten. Drgestellt durch einen Wertverluf, die Amplitude ist von der Zeit t bhängig. 2.1 Definition nloge und digitle Signle 22 Alisingfrequenz f = (( f + f ) mod f ) f s Verhinderung von Alising o Abtsttheorem von Shnnon einhlten theoretisch f 2 f prktisch N f 5 20 f s o Tiefpssfilter (Frequenz glättung / Grenzfrequenz s N f f g ) 2 Wert- und Zeitkontinuierlich = nloges Signl 3. Dtenübertrgung und Dtenspeicherung Prllel (8 Bits gleichzeitig / hohe Übertrgungsgeschw., höhere Kosten) Seriell (8 Bit-Folgen ncheinnder / lngsmer, billiger) 27 Wertdiskret und Zeitkontinuierlich (LED-Anzeige der Stereonlge) 3.1.3 Geschwindigkeit 1 Bud = 1 Bit pro Sekunde (USB2.0: 1.5 480 Mbit/s) 28 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 5 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 6
3.2 Progrmmspeicher 28 Speicherung durch Lochen von Krten oder Streifen ( Lochkrte, Lochstreifen) Speicherung durch stbilen mgnetischen Fluss (Mgnetkern, Mgnetbnd, HDD, Floppy) Speicherung durch stbile Strom- oder Spnnungsverteilung (Hlbleiterspeicher) 3.2.1 Kriterien für Dten- und Progrmmspeicher Speicherdichte, Speicherkpzität, Art des Zugriffs und Zugriffszeit, Adressierung, Energieverbruch 29 Andere o EAROM; Electriclly Alterble ROM Inhlt Wort für Wort löschbr o NOVRAM; NO Voltile RAM 4. Codes 34 Ein Code bildet die Zeichen eines Zeichenvorrtes uf die Zeichen eines zweiten Zeichenvorrtes b. Nur Zeichen 0 oder 1. Kombintion mehrerer Zeichen nennt mn Wort Mit der Wortlänge n können N = 2 n verschiedene Kombintionen von 0 und 1 gebildet werden. 3.2.2 Speichertypen Schreib-Lese-Speicher (Flüchtige Speicher) o RAM: Rndom Access Memory ; Speicher mit whlfreiem Zugriff o Sttische RAMs Speicherung durch Trnsistorzelle (grosse Abmessung, geringe Störnfälligkeit und Energieverbruch) o Dynmische RAMs (geringe Abmessung, refresh-zyklus) Nur-Lese-Speicher (Festwertspeicher) o ROM; Red Only Memory o Beliebig oft gelesen, nicht mehr verändert o Progrmmspeicher von festliegenden Abläufen Progrmmierbre Festwertspeicher o PROM; Progrmmble Red Only Memory o Einmlig beschreibbr, dnch nicht mehr veränderbr Löschbre Festwertspeicher o EPROM; Ersble Progrmmble Red Only Memory o Durch UV-Licht löschbr (nur insgesmt) nschliessend neu beschrieben Elektrisch löschbre Festwertspeicher o EEPROM; Electriclly Ersble Progrmmble Red Only Memory o Durch elektrischen Impuls insgesmt gelöscht 30 4.1 Zhlensysteme Dezimlsystem o 10 Ziffern (0-9) o Potenz zur Bsis 10 o Bsp.: 496 = 4*10 2 + 9*10 1 + 6*10 0 Dulsystem o Nur Ziffern 0 und 1 o Potenz zur Bsis 2 o Bsp.: 1001 = 1*2 3 + 0*2 2 + 0*2 1 + 1*2 0 Oktlsystem o 8 Ziffern (0-7) o Potenz zur Bsis 8 o Bsp.: 352 = 3*8 2 + 5*8 1 + 2*8 0 Hexdezimlsystem o 16 Ziffern (0-9 & A-F) o Potenz zur Bsis 16 o Bsp.: B3 = B*16 1 + 3*16 0 4.2 Minimlcodes 38 Werden lle N Codewörter in einem Code benützt, so spricht mn von einem Minimlcode, sonst von einem redundnten Code. Dulcode Gry-Code (ähnlich wie Dul, ber einschrittig, d.h. nur eine Ziffer ändert zum nächsten Wort. Eingesetzt in Abtstsystemen. Ist nicht bewertbr.) Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 7 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 8
4.3 Tetrdische Codes (Codes us vier Einheiten/Bits) 39 BCD-Code; Binry Coded Decimls (8-4-2-1-Code) o Jede Dezimlzhl wird durch ihr dules Äquivlent drgestellt o 10-15 werden nicht genutzt: Pseudo-Tetrden o Redundnt, kein Minimlcode, bewertbr Selbstkomplementäre Codes (Aiken, Exzess-3) Glixon-Code o Ähnlich Gry-Code (Ziffer 9 nders Codiert dmit 9 uf 1 einschrittig) o Kein Minimlcode, nicht bewertbr Code mit Prüfbit (8-4-2-1-0-Code) o Prity-Checkbit zur Erkennbrkeit von Fehlern o Redundnt, bewertbr 4.4 Fehlererkennende Codes (m-us-n-codes) 42 Es Werden Codewörter benützt, bei denen von n Stellen die Zhl der Einsen gleich m ist. 5. Digitle Schltungstechnik 5.1 Logische Grundfunktionen Drstellung einer binären Funktion durch Algebrischen Ausdruck, Whrheitstbelle, Signlschltbild, Venn-Digrmm, Schltermodell Grundopertionen UND (Konjunktion), ODER (Disjunktion), NICHT (Negtion) Abgeleitete Formen NAND, NOR, ÄQUIVALENZ, ANTIVALENZ (Xor) 5.2 Schltungsnlyse Betrchtung der Kombintionen der Logikbusteine untereinnder: Digitlschltung 48 54 1-us-10 Code 2-us-7 Code 2-us-5 Code 3-us-5 Code: Lorenzcode EAN-Code Für die Redundnz eines Codes gelten folgende Definitionen: Whrheistbelle Fll D C B A Y 1 0 0 0 0 0 2 0 0 0 1 0 3 0 0 1 0 0 Absolute Redundnz R = log 2 Anzhl ller möglichen Bitkombintionen Anzhl usgenützter Bitkombintionen Funktionsgleichung [( A B) C] D R Reltive Redundnz r = 100 % n 4.5 Alfnumerische Codes 46 Zum Codieren von lphnumerischen Zeichen, d.h. Buchstben, Ziffern, Stz- und Sonderzeichen. CCITT Nr.5 oder ASCII-Code (ISO 7-Bit Code) o 0-31 Steuerzeichen o 32-127 lphnumerisch 5.3 Schltungslgebr (Boolsche Algebr) Grundlegende Axiome Prioritäten der Grundopertionen 1. Ausdrücke in Klmmern 2. Negtion 3. Konjunktion 4. Disjunktion Rechenregeln mit Signlvriblen 0 X = 0 0 X = X 1 X = X 1 X = 1 X X = X X X = X X X = 0 X X = 1 57 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 9 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 10
5.3.4 Grundgesetzte 58 Konjunktionen und Disjunktionen sind kommuttiv: A B C = C A B Konjunktionen und Disjunktionen sind ssozitiv: ( A B) C = A ( B C) Distributionsgesetzt knn ngewendet werden ( A B) ( A C) = A ( B C) De Morgn A B C... Z = A B C... Z A B = A B Shnnon F ( A, B, C,..., Z,, ) = F( A, B, C,..., Z,, ) 5.4 Schltungssynthese 5.4.1 Aufbu von Verknüpfungsschltungen 1. Beschreibung der Funktion der gesuchten Schltung (Pflichtenheft) 2. Festlegung der Eingngs- und Ausgngsgrössen und der Bedeutung von 0 und 1 3. Erstellen der Whrheitstbelle 4. Bestimmen der logischen Verknüpfungsschltung 5. Vereinfchung und evtl. Umformung der Schltung 5.4.2 Normlformen ODER-Normlform (Disjunktive Normlform) Disjunktive Normlform wird jede disjunktive Verknüpfung von Vollkonjunktionen gennnt. Vollkonjunktionen oder Minterme sind Konjunktionen, die sämtliche Eingngsvriblen, negiert oder nicht negiert, enthlten. X = A B C A B C A B C A B C Die ODER-Normlform gibt vollständig lle Schltfunktionen wieder, die die gestellte Aufgbe lösen. Sie enthält die UND-Verknüpfungen ller vorkommenden Vriblen für lle Fälle in denen ds Ausgngssignl zu 1 wird. UND-Normlform (Konjunktive Normlform) Konjunktive Normlform wird jede konjunktive Verknüpfung von Volldisjunktionen gennnt. Volldisjunktionen oder Mxterme sind Disjunktionen, die sämtliche Eingngsvriblen, negiert oder nicht negiert, enthlten. X = A B C A B C A B C A B C 60 5.4.3.1 Vereinfchen von Schltfunktionen mit Krnugh 65 Im KV-Digrmm werden für lle Vollkonjunktionen, bei denen ds Ausgngssignl 1 liefert eine 1 in ds entsprechende Feld eingetrgen. KV-Digrmm (für 4 Vriblen) o Sind Vollkonjunktionen benchbrt, so können sie zu Päckchen zusmmengefsst werden o In einem Päckchen dürfen 2 n Vriblen zusmmengefsst werden o Ist ein Funktionswert nicht definiert wird ein X (don t cre) gesetzt. Für ds X knn im KV-Digrmm eine 0 oder 1 ngenommen werden 5.5 Sequentielle Systeme 70 Bei der sequentiellen Logik wird ds Ausgngssignl nicht nur vom Zustnd der Eingngsvriblen, sondern uch von der Zeit beeinflusst. Diese zeitliche Abhängigkeit ist durch ds innere Schltwerk gegeben. Die Grundbusteine sind Flip-Flops (Speicherelemente) Speicher (Selbsthltung) o s = setzten o r = rücksetzen dominierend löschend o r und s gleichzeitig 1, so bleibt Ausgng 0 dominierend setzend o r und s gleichzeitig 1, so Ausgng 1 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 11 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 12
5.5.3 Typen von Flip-Flops 72 5.5.4 Flip-Flops Funktionstbelle, Whrheitstbelle & Ansteuertbelle siehe Skript. 77 Nicht-tktgesteuert (synchron) o Speicher-Flipflop (Ltch- Flipflop) Tktgesteuert (synchron) o Tktzustndsgesteuert Auffng-Flipflops o Tktflnkengesteuert Einflnken Einspeicher Zweispeicher mit dynmischem Zwischenspeicher Zweiflnken Zweispeicher (Mster-Slve) 5.5.3.1 Ungetktete Flip-Flops NAND-Bsis-Flipflop RS-Flipflop (Reset-Set) (durch invertieren der Eingänge des NAND-Bsis) 5.5.3.2 Getktete Flip-Flops x1 x2 A1 A2 0 0 irregulär 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 speichern Tktzustndgesteuert Die Eingänge werden nur freigegeben, wenn ein ktives Tktsignl nliegt (ktiv heisst in diesem Zusmmenhng logisch 0 oder logisch 1). o Tktsignl C p o Negtiver ktiver Tktzustnd durch Inversion Tktflnkengesteuert Eingänge werden für eine kurze Zeit, bei einem Zustndswechsel des Tktsignls freigegeben. o Positiv-flnkengesteuert (bei Wechsel von 0 uf 1) o Negtiv-flnkengesteuert (bei Wechsel von 1 uf 0) 73 74 Binäruntersetzer o Chrkteristische Gleichung Q n+1 = Qn o Ändert uf jeden Tktimpuls den Zustnd m Ausgng RS-Flip-Flop (Reset-Set-Flip-Flop) o Chrkteristische Gleichung Qn+ 1 = Sn ( Qn Rn ) o S setzten, R zurücksetzen, nie beide Eingänge uf 1 T-Flip-Flop (Toggle-Flip-Flop) o Chrkteristische Gleichung Q = ( T Q ) ( T Q ) n+ 1 n n n n o Wenn T = 0 wird Ausgngssignl beibehlten. Wenn T = 1 wird Ausgngssignl invertiert D-Flip-Flop (Dely-Flip-Flop) o Chrkteristische Gleichung: Q n+1 = Dn o Zustnd m D-Eingng wird bei Tktimpuls weitergleitet JK-Flip-Flop (Universl-Flip-Flp) o Chrkteristische Gleichung Qn+ 1 = ( J n Qn ) ( Kn Qn ) o Ähnlich RS-Flipflop, Zustnd J=1 und K=1 ist jedoch erlubt. Ausgng wird invertiert 5.5.5 Umwndlung von Flip-Flops 80 Durch die Beschltung der Flip-Flop Eingänge knn jedes Flip-Flop eines bestimmten Typs in einen ndern Typ umgewndelt werden. 1. Erstellen der vollständigen Whrheitstbelle des gesuchten Flip-Flops 2. Bestimmen der logischen Funktion für die Eingänge des gegebenen Flip-Flops 3. Mit KV-Digrmm minimlisieren, nschliessend die Funktionen für die Eingänge des gegebenen Flip-Flops durch die Vriblen des gesuchten Flip- Flops usdrücken 5.5.6 Logische Schltungen mit einem Stbilen Zustnd (Monoflop) 81 Flip-Flop wird durch Impuls in einen nichtstbilen Zustnd gebrcht. Nch Abluf einer Zeit kehrt ds Flip-Flop in den ursprünglichen Zustnd zurück. Eingesetzt in: Regenertion von Impulsen Erzeugen von Mehrfchimpulsen Verzögerung von Impulsen t 1 gibt n, um welche Zeit nsteigende Signlflnken verzögert werden t 2 gibt n, um welche Zeit bfllende Signlflnken verzögert werden Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 13 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 14
5.6 Synthese sequentieller Schltwerke 5.6.1.1 Synchrongetktete Schltwerke ohne Eingngssignle Schltwerke ohne Eingngssignle sind Schlterwerke, die m Ausgng zyklisch einen bestimmten Code erzeugen. Sie werden llgemein ls Zähler bezeichnet. Sie bestehen us einem kombintorischen Netzwerk und einem Mehrbitspeicher. 5.6.2 Zähler Asynchroner Dulzähler Es werden so viele T-Kippglieder benötigt wie der Zähler Binärstellen ht. Mit jedem Zählimpuls, beim Wechsel von 1 uf 0 m Eingng T 0, kippt der Ausgng Q 0 in die entgegen gesetzte Richtung. Es entsteht ein Impulszug mit genu hlb so vielen Impulsen wie m Eingng T 0. 83 88 5.6.1.2 Beispiel BCD-Zähler Vorgehen: 1. Zeichnen des Zustndsdigrmms (Loop) 2. Aufstellen der Next-Stte-Tbelle (Z n, Q 3, Q 2, Z n, Q 3, Q 2, ) 3. Whl des einzusetzenden Speichertyps (Funktionstbelle, Ansteuertbelle ufstellen) 4. Aufstellen der Whrheitstbelle für die Funktion U n+1 (Flip-Flop- Eingänge in Next-Stte-Tbelle einsetzten) 5. Bestimmung der minimlen Logik-Funktionen für U n+1 U n+1 = G (KV-Digrmm) 6. Anlyse der don t cre Zustände (definierte X-Werte in Next-Stte- Tbelle einsetzten, Folgezustnd heruslesen (Huptloop prsitärer Loop)) 7. Zeichnen des Schems 5.6.3 Entwurf einer Ablufsteuerung Vorgehen: 1. Aufstellen eines Zustndsdigrmms oder Funktionsplns 2. Ermittlung der Anzhl Zustände 3. Auswhl der Codierung für den Zustndsspeicher und Zeichnen des Zustndsspeichers. Dulcode (Benötigt wenig Flip-Flops, Aufwnd für Verknüpfungen ist jedoch m grössten) b. Tktstufen (1-us-4-Code) (sehr übersichtlich, viele Flip- Flops d jeder Schritt/Tkt eine Speicherstufe) 84 Asynchrone 8-4-2-1 Zähldekde Ein BCD-Zähler mit dem 8-4-2-1-Code ht den gleichen Grundufbu wie ein Dulzähler mit 4 Bits. Es muss nur dfür gesorgt werden, dss nch der Ziffer 9 wieder die Ziffer 0 entsteht und nicht die Bit-Kombintion für die Ziffer 10. Dies wird durch Rücksetzen ller Kippglieder erreicht, wenn kurzzeitig die Bitkombintion 1010 nsteht. Synchrone 8-4-2-1 Zähldekde (siehe Beispiel) Synchrone Zähler sind für Steuerungsufgben grundsätzlich besser geeignet ls synchrone Zähler, d die jeweils folgende Zhl mit Eintreffen des Tktimpulses sofort richtig nsteht. Anhng Umfsst Vorlgen zu: Next-Stte-Tbelle KV-Digrmm 4x2 KV-Digrmm 4x4 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 15 Zusmmenfssung Wintersemester 05/06 Seite 16
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