计算机专业数字逻辑电路时序逻辑？

现在电气工程及其自动化的触角已伸向各行各业，小到一个开关的设计，大到宇航飞机的研究，都有它的身影。电气控制技术的发展走过了几个比较有代表性的阶段，了解这几个有代表性的发展阶段及其特点，对于学习电气控制柜的制作有很大帮助。

开关控制电器阶段

早期的电气控制都比较简单，主要是实现电器与电源之间的通断控制。由于当时的电器电压不是很高，电流不是很大，所以开关普遍采用裸露的非封闭形式，因此称为可见断点的开关。可见断点的开关因为其接通和断开状态一目了然，从心理上可以给人安全感，而且实际上在断开状态下也确实是安全的。比较有代表性的开关电器就是刀开关，至今仍然在普遍使用。

早期的刀开关一般由人直接操作，开关的通断速度不可能很快，因此只能用于低压且电流不太大的控制场合。因为电压较高及电流较大的开关在接通和断开的过程中会产生强烈的电弧，电弧会将开关的接触部分烧坏，电弧还会危及操作者的人身安全。为了解决电弧的危害，一是在开关上采用机械速动装置，减少产生电弧的时间;二是采用灭弧装置，减小电弧并降低电弧的温度;三是将开关用外壳完全封闭起来，避免对人的伤害;四是利用杠杆机构操作开关，使人处于安全位置;五是采用电动操作机构，实现开关的远距离操控和自动控制。

为了安全起见，根据国家标准，一般电气控制中的隔离开关应采用可见断点的开关。对于全封闭型开关及远距离操控开关，必须在操作器件上醒目地标示出开关接通和断开位置。对于自动控制开关，则必须在操作后有检测开关通断状态的反馈信号显示，以确保操作的可靠性和安全性。

继电控制电器阶段

“继电保护”是输变电过程中的一种专门技术，是由各种继电器及量测设备组成的保护电路，目的是保证持续不间断供电。“继电保护”技术的发展为电气自动控制技术的发展奠定了基础。

继电控制是利用具有继电特性的元件进行控制的自动控制系统。所谓继电特性是指，在输入信号作用下输出仅为通、断等几个状态的特性。由于其控制方式是断续的，故称为断续控制系统。例如，电炉温度调节中，根据炉温是否超过规定值而断开或接通电源。这种只有通、断两个状态的控制又称双位式控制。继电控制中使用的元件并不限于电磁式继电器，也可用别的手段来实现继电特性。例如，在双位式温度调节中，常采用双金属片作为敏感元件，温度变化时双金属片因两部分金属的膨胀系数不同而弯曲变形，接通或断开触点。液压和气动阀等也是具有继电特性的元件。

各种接触器、继电器的使用，对电气控制技术的发展具有决定性的意义。各种接触器、继电器的操作方式彻底颠覆了开关设备只能近身操作的观念，开启了远距离电气操作的时代。继电器是一种当输入量(电、磁、声、光、热)达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。继电器除具有开关功能外，还具有比较多的其他控制功能，这些功能为实现电气自动控制立下了汗马功劳。继电器与早期的开关电器相比具有以下特点。

1.具有记忆功能

利用继电器的接点可以连接成自保持电路，即使控制信号消失，继电器仍然可以保持控制指令的状态，这就是继电器的记忆功能。继电器的记忆功能是实现自动控制的基本条件，在电气自动控制中应用相当普遍。

2.动作速度快

继电器的动作一般由电磁铁控制，其动作速度一般只有零点几秒。继电器的动作速度比其他机械结构的开关电器快，有利于减小电弧，用于电压较高、电流较大的控制场合。

3.可以实现较远距离控制

继电器的控制回路中电流很小，因此在控制回路导线截面积一定的情况下，电压降很小，所以可以进行较远距离的控制。

4.可以实现非电量的控制

利用时间继电器可以实现对时间的控制;利用速度继电器可以实现对速度的控制;利用温度继电器可以实现对温度的控制;利用干簧式或磁保持继电器可以实现对磁场的控制;利用步进继电器可以实现顺序控制等。继电器对非电量的控制，较大地扩展了电气自动控制的应用领域。

5.具有放大作用

继电器利用工作电流很小的控制回路控制通断能力很大的主接点，可以控制很大功率的电路，因此继电器具有放大作用。

6.可以实现各种保护

1)失电压保护和欠电压保护

利用继电器电磁铁线圈在失电压和欠电压状态时不能吸合的特点，实现失电压保护和欠电压保护。

2)过电压保护

利用电压继电器可以实现过电压保护。

3)短路保护、过电流保护和过载保护

利用热继电器可以实现短路保护、过电流保护和过载保护。

4)断相保护

断相后其余两相的电流必然增大，利用热继电器或电流继电器可以实现断相保护。

7.可以实现监测功能

根据每一个继电器的控制功能，其接点连接上信号灯和电铃，就可以显示控制电路各个部分的工作状态，并可以实现故障显示、报警和监测功能。

8.扩大控制范围

多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、断开、接通多路电路。

9.综合信号功能

根据电气控制逻辑的需要，将多个控制信号按规定(串联、并联或混联)的形式输入多绕组继电器时，经过比较、综合，实现预定的控制目标。

正是由于继电器具有上述强大功能，自动装置上的继电器与其他电器一起可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。正是由于继电器的出现，人类才第一次实现了电气控制自动化。因此，继电器的运用在电气控制的发展史上具有里程碑的意义。

继电器接触式控制系统具有控制结构简单、方便实用、易于维护、控制容量大、抗干扰能力强、价格低廉等优点，继电控制系统的主要优点是控制装置比较简单。对于同样的功率，继电控制装置的质量和体积在各类控制系统中是比较小的，因此广泛应用于各类设备的电气控制。目前，继电器接触式控制仍然是电气控制设备最基本的控制形式之一，继电器-接触器控制系统至今仍在许多生产机械设备中广泛采用。

继电控制系统的主要缺点是控制的非线性。但也存在接线方式固定、灵活性差、难以适应复杂和程序可变的控制对象的要求，另外还有工作频率低的问题。由于继电控制系统的电气接点太多，接点的锈蚀、烧蚀、熔合及接触不良，使继电控制系统的故障率较高，存在可靠性差的问题。同时继电器的线圈耗电量很大，既不符合当代绿色环保要求，又不易实现电气控制设备小型化的要求。

数字逻辑控制阶段

开关电器和继电器控制的实质就是开关量的控制，因为只有接通“1”和断开“0”两个状态。

这里所讲的数字逻辑控制阶段是指，集成电路普遍采用以后，使用逻辑门电路进行的数字逻辑控制。尽管继电控制系统也可以进行一些比较简单的数字逻辑控制，但是由于继电控制系统实现这些逻辑电路结构十分复杂、成本高且可靠性差，并且存在难以避免的时序上的竞争问题，要解决这一问题，对设计人员的要求很高，最终往往需要通过实验才能解决。

在实际生产中，由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程，而实际生产工艺和流程又是经常变化的，因而传统的继电器接触式控制系统通常不能满足这种要求，因此曾出现了继电器接触控制和电子技术相结合的控制装置，叫作顺序控制器。它能根据生产需要改变控制程序，而又远比电子计算机结构简单、价格低廉，它是通过组合逻辑元件插接来实现继电器接触控制的。但装置体积大，功能也受到一定限制。

集成电路的逻辑门芯片具有体积小、质量轻、耗电量小、工作可靠的特点。集成的各种门电路、触发器、寄存器、编码器、译码器和半导体存储器组成组合逻辑电路和时序逻辑电路广泛应用在电气自动控制中，并且比较成功地解决了组合逻辑电路的竞争—冒险现象。

数字逻辑控制阶段最为成功的案例是数控机床的应用。为解决占机械总加工量80%左右的单件和小批量生产的自动化难题，20世纪50年代出现了数控机床。它综合应用了数字逻辑控制、检测、自动控制和机床结构设计等各个技术领域的最新技术成就。数控机床由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等部分组成，其中伺服系统的性能是决定数控机床加工精度和生产率的主要因素之一。

电子计算机控制阶段

1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel 4004，并以它为核心组成了世界上第一台微型计算机MCS-4。它开创了计算机应用的新时代。但是将普通PC直接移植于电气控制系统，存在系统过于复杂、成本太高的问题。直到专门为工业控制而设计的单片机诞生，这一问题才得以解决。

1.单片机

单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把整个计算机系统集成到一个芯片上。概括地讲，一块芯片就是一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、软件可修改、为应用和开发提供了便利条件。利用单片机可以实现柔性控制、通信技术、多目标控制、仿真与智能控制。

单片机虽然具有强大的功能，但是它的价格很低(一般在十元以内)。低廉的价格和强大的功能为单片机在电气控制领域内的应用创造了条件。目前，单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通信设备、导航系统、家用电器等。

单片机的最小系统只用一片集成电路，它作为控制部分的核心部件，可进行简单的运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控设备的“肚子”内。一个单片机系统的最低价格只有几十元。单片机控制系统使用灵活，多用于有一定生产批量、专业性比较强、市场面不是很大的领域。因为如果市场面很大，生产批量大，就会有更加经济的专用控制芯片生产出来。单片机控制系统比较适宜小批量生产及在旧设备技术改造中应用。

2.可编程逻辑控制器(PLC)

随着大规模集成电路和微处理机技术的发展及应用，电气控制技术也发生了根本性的变化，在20世纪70年代，出现了将计算机存储技术引入顺序控制器，产生了新型工业控制器—可编程序控制器(PLC)，它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故目前在世界各国已作为一种标准化通用电器普遍应用于工业自动控制领域。

可编程控制器技术是以硬接线的继电器-接触器控制为基础，逐步发展为既有逻辑控制、计时、计数，又有运算、数据处理、模拟量调节、连网通信等功能的控制装置。它可通过数字量或模拟量的输入、输出满足各种类型设备控制的需要。可编程控制器及有关外部设备，均按既易于与工业控制系统组成一个整体，又易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器已成为生产机械设备中开关量控制的主要电气控制装置。

可编程逻辑控制器(PLC)是利用单片机技术由模仿原继电器控制原理发展起来的，20世纪70年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它用来存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令，并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令)，再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。

不同型号的PLC，循环扫描周期在1μs到几十μs之间。PLC用梯形图编程，在计算逻辑方面，表现出快速的优点，扫描周期在微秒量级，计算1KB逻辑程序用时不到1ms。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位(也有32位的)为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算，把计算结果传送给PLC的控制器。

对于相同I/O点数的系统，用PLC比用计算机集中控制系统(DCS)的成本要低一些(大约能省40%)。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个大型的PLC控制器可以接收几千个I/O点(最多可达8000多个I/O)。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用小型PLC较为合适。PLC由于采用通用软件，在设计企业的管理信息系统方面要容易一些。

通用PLC应用于专用设备时，可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而言具有更高的可靠性和更好的稳定性。可编程控制器作为离散控制的首选产品，以微处理器为核心，通过软件手段实现各种控制功能。它具有通用性强、可靠性高、能适应恶劣的工业环境、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场连接安装方便等一系列优点，正逐步取代传统的继电器控制系统，广泛应用于各个行业的控制中。

第一个是三态输出的与门，C 是输出控制端，低电平有效，即：C = 0 ，输出门打开，等同于与门；C = 1 ，输出门关闭，输出端是高阻抗状态，等同于断路，后级的TTL与非门输入端悬空，等同于高电平输入。

F1 = B' + C' A'

与非门的逻辑关系是“有 0 出 1 ”，从后级往前分析。

B = 0 ，F1 = 1 ，与其他输入状态无关，说明与其他输入是或的逻辑关系；要使另一个输入端等于 0 ，必须 C = 0 ，否则三态门关闭输出为 1 ；最后 A 也要为 0 ，是与逻辑关系。