Структурная схема автомата Мура

Рассмотрим вариант структурной схемы автомата Мура с памятью на двух регистрах с парафазной связью (рис. 61).

Рис. 61. Структурная схема автомата Мура

На схеме обозначено:

Е – постоянное напряжение источника питания;

DC – дешифратор (1) и (2);

CD – шифратор;

Pг a (t) – регистр памяти состояния a(t) в виде кода (кортежа) переменных Z₀, Z₁, …, Z _p (t);

Pг a (t + 1) – регистр памяти состояния a_j в виде кода Z₀, Z₁, …, Z _p (t + 1), как переобозначенных S₀, S₁, S₂, …, S _p;

ГИ – генератор импульсов с выходными сигналами τ и ;

Пуск, Ост – сигналы установки в состояние «1» управляющего триггера (УП) и установки в состояние «0» сигналом Ост или f₀;

с ₁₀ – установка всех триггеров Pг a(t + 1) в нулевое состояние;

с ₁₁ – внешняя синхронизация схем «И» (3) между Pг a(t + 1) и Pг a (t).

Автомат Мура будет работать в каждом периоде T тактовой частоты синхро­импульсов τ за два такта:

- по сигналу τ будут сформированы функции F₂ (для двоичного кода сигналы Z₁, Z₂, …, Z _p);

- по сигналу осуществляется обратная связь, т.е. перепись Z(t + 1)→Z(t).

Автомат управления работает в следующей последовательности.

1. Установка исходного состояния и пуск УА.

а) Подается импульсный сигнал с ₁₀ на все «0» входы триггеров (S) Pг a(t + 1), и весь Pг a(t + 1) устанавливается в исходное «нулевое» состояние.

б) Подается сигнал с ₁₁ через схему «ИЛИ» (3), тогда «нулевой» код Pг a(t + 1) через схемы «И» (4) парафазным способом переписывается на Pг a(t). Таким образом «обнуляются» оба регистра памяти автомата.

в) На управляющий триггер (УП) подается сигнал «Пуск», и напряжением единичного (Q) выхода триггера (УП) «приоткрываются» схемы «И» (5) и (6). Подключается генератор импульсов.

2. Переходы автомата.

а) Первый же импульс τ генератора (ГИ) через схему «И» (5) опрашивает де­шифратор DC(2). Поскольку в Pг a (t) вначале записан код, состоящий из всех «0», на нулевом выходе DC(2), обозначенном a ₀, появится сигнал (τ а ₀) той же длитель­ности τ,как и импульс синхронизации ГИ. Этот импульс воздействует на комби­национную схему F₂, которая реализует систему булевых функций a(t + 1) = F₂(a(t), { α }) и на выходе которой появляется значение унитарного кода f₀, f₁, …, f_i, т.е. один из сигналов f_i принимает значение «1» (в соответствии с графом переходов и формальной записью F₂).

Каким способом реализуются комбинационные схемы F₂ и F₁, рассмотрим позднее после анализа функционирования автомата. Соответствующий сигнал f_i (конкретное значение унитарного кода { f }) поступает на вход шифратора CD, ко­торый преобразует его в двоичный код S₀, S₁, S₂, …, S _p. Код {S} записывается на Pг a(t + 1).

На этом действие сигнала τ заканчивается. Т.о., по синхросигналу τ опрашива­ется через дешифратор DC (2) комбинационная схема F₂, и на основании сигналов кода состояний {Z} и логических сигналов { α } от операционного устройства (ОУ) – α₁, α₂, …, α_r в Pг a(t + 1) устанавливается новый код состояния a(t + 1).

Если рассмотреть пример (рис. 59), то нетрудно увидеть, что вместо кода со­стояния «0» в Pг а(t + 1) запишется код состояния, соответствующий №1. Однако сам автомат еще не перешел в состояние № 1, т.к. во времени не осуществилась обратная связь в автомате.

б) После прекращения сигнала τ от ГИ появляется сигнал . Тогда через после­довательность схем «И» (6), «ИЛИ» (3) и через схемы «И» (4) код состояния а(t + 1) переписывается в в Pг a(t), т.е. автомат переходит в новое (в данном случае – первое) состояние.

в) Код этого нового состояния a(t) подается параллельно на адресные входы дешифратора DC (1), и через комбинационную схему F₁ на выходе автомата появ­ляются соответствующие выходные сигналы { с } – для примера см. функции F₁ (табл. 25).

Эти сигналы { c } будут действовать длительное время в течение всего пе­риода Т, пока не появится следующий импульс синхронизации τ.

г) С каждым импульсом синхронизации τ повторяются пункты а), б), в) до тех пор, пока автомат в соответствии с графом переходов (рис. 59) не перейдет снова в нулевое состояние. При этом формируется сигнал f ₀, который через схему «ИЛИ» (7) устанавливает триггер УП в нулевое состояние, «снимается» напряже­ние с выходного Q «плеча» триггера УП, т.е. снимается разрешающий потенциал со схем «И» (5), (6), и автомат отключает сам себя от источника импульсов τ и .

д) Всё, программа управления выполнена, реализована выдача всех сигналов управления в соответствии с ГСА. Для нового пуска автомата необходимо повто­рить оба этапа: этап начальной установки исходного состояния памяти автомата и этап пуска «программы» управления.

Предположим, что автомат реализован на элементах логики с τ = 0,1 мкс = 10^-7 с. Это быстродействие на сегодня весьма низкое для электронных схем и исполь­зуется для построения схем управления «медленными» технологическими про­цессами. Для специальных радиотехнических операционных устройств величина τ может составлять единицы или доли наносекунд, т.е. τ ≤ 10^-9 с.

Итак, для управления каким-то технологическим процессом для самого авто­мата управления выбрано τ = 0,1 мкс.

Пусть сигналы { с } связаны с подачей команд управления электродвигателем через включение реле. Самые быстродействующие реле требуют для включения сигнал длительностью 2–4 млс = (2 4)∙10^-3 с.*

Тогда, если сигнал включения двигателя составит τ = 0,1 мкс = 10^-7 с, то он окажется по времени «короче» требуемого в 20–40 тысяч раз. Контакты реле даже не успеют «вздрогнуть», не то что соединиться.

Рассмотрим следующую специфику автомата Мура. В этом автомате исполь­зуется два одинаковых дешифратора DC (1) и DC (2), расшифровывающих один и тот же код Z₀, Z₁, …, Z _p. Как видно на рис. 61, DC (2) синхронизируется сигналом τ, а у DC (1) на вход синхронизации подано постоянно логическая «1» (подклю­чено напряжение питания Е).

Представим, что мы уберем DC (1) и на вход F₁ будем подавать сигналы с DC(2), т.е. те же а₀, а₁, …, а _к. В принципе, работа автомата не изменится, и управ­ляющий автомат будет правильно осуществлять переходы a(t)→a(t + 1) и пра­вильно формировать выходные сигналы { c } в соответствии с ГСА. Но при одном дешифраторе DC (2) длительность сигналов { c } станет равной τ, а при независи­мой DC (1) длительность сигналов { c } равна (T – 2 τ), т.е. почти период. Вот это и является принципиальным моментом для автоматов Мура.

При независимых дешифраторах можно самим подобрать величину периода (Т) следования сигналов синхронизации так, что она будет соответствовать пас­портным данным быстродействия схем включения электродвигателей.