Convertoare Binar Trivalente Si Trivalente Binar

=== Convertoare trivalente cu simetrie fata de zero ===

Circuitele în logică trivalentă simetrică față de 0

Lista figuri

1. Introducere

În implementarea schemelor folosite în circuitele de logică trivalentă simetrică față de 0, se aplică principiile logicii multivalente. Această logică este o treaptă superioară de dezvoltare a aplicațiilor electronice care au avut la bază logica binară.

Înainte de apariția electronicii de putere modernă, folosirea convertoarelor în aplicatii era des evitată datorită dificultății de a opține conversia electric-electric. Soluția tehnică de atunci consta în utilizarea convertoarelor rotative formate din grupe de mașini electrice(grup generator-motor) care aveau ca dezavantaje majore prețul ridicat, fiabilitate scazută, randament mic al conversiei, gabarit și masă mare.

Conversia din electric în electric a luat amploare în a doua jumatate a secolului XX datorită dezvoltării tehnologice a semiconductoarelor; au fost fabricate primele diode de putere iar în 1956 este conceput tiristorul, ceea ce reprezintă primul semiconductor de putere care avea electrod de comanda. Convertoarelor statice numite și convertoare electronice de putere au avantaje complementare față de cele rotative, fiind înlaturată mișcarea în procesul de conversie, fapt care conduce la scăderea uzurii mecanice, gabaritul este redus, prețul devine mai mic și sunt mult mai puțin zgomotoase.

În ultimul secol domeniul electronicii a cunoscut o mare și foarte importantă dezvoltare în activitățile umane, ca rezultat a dorinței omului de a progresa, de a crea lucruri noi care să-i ofere precizie, siguranță, rapiditate și randament ridicat în activitate. Astfel calitatea muncii este mult îmbunătățită.

Cu ajutorul electronicii au apărut multe facilități, avantaje reale, în mai multe domenii de activitate : cibernetică, informatică, telecomunicații, radio, televiziune, medicină, agricultură.

Electronica este un domeniu științific care urmărește tehnologia, dezvoltarea, proiectarea și construcția sistemelor cu funcții diversificate în scopul realizării sarcinilor dorite.

Prin introducerea electronicii în tehnologia universală, omul beneficiază atât de ușurarea muncii pe care o depune în anumite domenii cât și de momente relaxante oferite de tehnica electronică.

Implementarea și verificarea funcționării circuitelor proiectate s-a realizat prin simulari în programul de proiectare Orcad.

2. Stadiu actual

2.1. Convertoare

Convertoarele statice de putere sunt echipamente electronice complexe, intercalate între sursa de energie și receptor, care asigură conversia energiei electrice tot în energie electrică și a căror parte de forță conține, de regulă dispozitive semiconductoare comandate (tiristoare, triace, tranzistoare etc.) sau necomandate (diode) care permit reglarea puterii medii transmise sarcinii.

Aceste dispozitive, funcționând în regim de comutație, au rolul unor întrerupătoare, deci rezultă un regim permanent care este format dintr-o succesiune de regimuri tranzitorii cu o anumită perioadă.

Închiderea și deschiderea succesivă a acestor întrerupătoare se face după o logică impusă de principiul de funcționare a convertorului. Această logică este asigurată de schema electronică de comanda. Toate convertoarele statice conțin deci o parte de comandă și o parte de putere.

Convertoarele realizează conversia unor cantități mari de energie. Aceasta impune ca, principalul lor criteriu de dimensionare să fie randamentul. Acest fapt determină diferențe între electronica de putere și electronica de semnal, unde scopul principal este obținerea unui semnal de ieșire cât mai fidel.

Comutația reprezintă trecerea succesivă a curentului de la o cale de curent la altă cale de curent ce aparține părții de putere.

Prin calea de curent se înțelege un traseu al circuitului care conține un singur întrerupător (diode, tranzistoare, tiristoare).

Pentru realizarea comutației între stările deschis și închis, un întrerupător trebuie să aibe la bornele lui o tensiune convenabilă care este numită tensiune de comutație.

Daca această tensiune de comutație există în partea de putere a circuitului, atunci convertorul este unul cu comutație naturală. Dacă nu există o tensiune convenabilă, ea trebuie creată și aplicată asupra dispozitivului comandat la momente de timp bine stabilite. Acest tip de comutație se numește forțat sau comandat și presupune existența unui circuit auxiliar de blocaj.

Element închis este elementul de circuit la care tensiunea între terminalele de forță este nulă; această stare inchisă se obține prin comanda corespunzătoare a elementului comandat prin terminalul de comandă.

Element în conducție îl reprezintă elementul închis care este parcurs de curent.

Clasificarea convertoarelor se realizează după următoarele criterii:

din punct de vedere energetic,

din punct de vedere al comutației,

Din punct de vedere energetic avem următoarea clasificare:

Convertoare statice c.a. – c.c. (numite redresoare) – realizează conversia energiei electrice de curent alternativ în energie electrică de curent continuu, cu tensiunea de ieșire reglabilă. (figura 1)

Figura 1 – Convertor c.a.-c.c. [3]

Convertoare statice c.c. – c.a. (numite invertoare) – sunt cele care realizează conversia energiei de curent continuu în energie electrică de curent alternativ având valoarea tensiunii și frecvenței reglabile. (figura 2). [3]

Figura 2 – Convertor c.c. – c.a.

Convertoare statice c.c. – c.c. (numite variatoare de tensiune continuă – VTC) – realizează conversia energiei de curent continuu cu parametrii constanți tot în energie de curent continuu cu parametrii reglabili (tensiunea de ieșire poate fi mai mare decât tensiunea de intrare). Acest tip de convertor este prezentat în figura 3. Acest model de convertor este de tip chopper. [3]

Figura 3 – Convertor c.c-c.c(chopper)

Convertoare statice c.a. – c.a. care realizează conversia energiei electrice de curent alternativ având parametrii constanți (amplitudine și frecvență) tot în energie electrica de curent alternativ, dar ai cărei parametrii pot fi reglați prin comandă. (figura 4) [3]

Din categoria convertoarelor statice c.a. – c.a. fac parte variatoarele de tensiune alternativă care modifică doar tensiunea, frecvența rămânând aceeași cu frecvența de intrare și variatoare de tensiune alternativă si frecvența care dau la ieșire o frecvență independentă de frecvența de la intrare.

Variatoare de tensiune alternativă – care permit reglarea valorii efective a tensiunii de ieșire, frecvența acesteia fiind neschimbată față de cea de alimentare.

Figura 4 – Convertor c.a. – c.a.

De asemenea, variatoarele statice de tensiune și frecvență sunt cele care permit reglarea atât a valorii efective a tensiunii de ieșire, cât și a frecvenței acesteia, ca în figura 5. [3]

Figura 5 – Convertor c.c – c.c cu modificarea frecvenței

Din punct de vedere al comutației, convertoarele sunt:

Convertoare statice cu comutație naturală

Convertoare statice cu comutație internă sau forțată

Convertoare statice cu comutație naturală

Energia necesară blocării dispozitivelor comandate este în se află în circuit provenind de la un generator de putere extern. Blocajul tiristoarelor sau diodelor în convertoarele cu comutație naturală se face la trecerea naturală prin zero a curentului care le străbate.

Această categorie cuprinde: redresoare cu comutație naturală și variatoarele de tensiune alternativă.

Convertoare statice cu comutație internă sau forțată

Energia de care are nevoie comutația este creată în interiorul convertorului (când avem tiristoare) sau este dată prin circuitul de comandă (când avem tranzistoare, dispositive complet comandate) .

În această categorie intră: variatoarele de tensiune continuă și invertoarele.

2.2. Logica binară

În măsurările numerice informația se prezintă, de obicei, în forma binară sau un cod binar, notificat prin simbolurile BCD, care face referire la complementul lui doi sau unu. Conversia mărimilor se realizează în funcție de timp sau viteză

Măsurările numerice sunt strâns legate de eșantionare și cuantizare, concluziile referitoare la aceste procedee aplicându-se în totalitate, atât pentru realizarea unor precizii ridicate, cât și pentru reconstituirea semnalelor măsurate.

Erorile caracteristice ale unui cuantizor sunt:

eroare de decalaj (off-set), de natura aditivă

eroarea de proporționalitate (amplificare), cu caracter multiplicative

eroarea de neliniaritate.

Pentru asigurarea monotoniei este necesar ca eroarea de neliniaritate să fie mai mică decât o cuantă.

Extinderea măsurărilor numerice este strâns legată de creșterea preciziei de măsurare, cât și de posibilitățile de prelucrare numerică a semnalelor și a fost posibilă ca urmare a progreselor înregistrate în tehnica de realizare a circuitelor integrate care oferă:

cresterea complexității și fiabilității circuitelor

realizarea unor componente cu parametri foarte apropiați

Forma caracteristicii de transfer statică este similară cu cea a cuantizorului atât pentru convertoarele analog-numerice cât și pentru cele numeric-analogice. În continuare, se presupune că numărul <1 (subunitar) este reprezentat în cod binar:

(1)

Unde bitul de ordinul i ,

iar semnalul analogic reprezintă, în afara altor precizări, o tensiune electrică;

a1 – reprezintă bitul cel mai semnificativ (engl: MSB = most significant bit), iar

an – bitul cel mai puțin semnificativ (engl: LSB = least significant bit).

Iar pentru un numar întreg relația de calcul va fi:

(2)

unde bitul de ordinul i . [3]

În cazul circuitelor logice compuse din comutatoare se va nota cu valoarea logică 1, comutatorul poziționat pe închis, adică pe cel care lasă curentul electric să treacă prin el. Pentru comutatoarele notate cu 0 logic, circuitul este deschis și nu se permite trecerea curentului prin circuit. Un comutator deschis, A, aflat în starea 0 este indicat prin simbolul A negat.

Deși cea mai utilizată logică în electronica zilelor noastre este logica binară, urmată de logica fuzzy, logica trivalentă este folosită în tot mai multe aplicații.

Logica binară este realizată pe două nivele logice. Logica multivalentă, notată și MVL (Multiple Valued Logic) utilizează un număr mai mare de nivele logice.

Printre probleme circuitelor integrate binare complexe este și cea referitoare la aria (suprafața) mare ocupată de traseele de interconexiuni, de creșterea temperaturii și implicit a căldurii disipate. Aceste două inconveniente dispar în cazul utilizării circuitelor trivalente. Această tehnologie reduce numărul traseelor de semnal pe cip și crește cantitatea de informație transmisă pe o linie de semnal. Prin trasee se face referire la fire și linii de semnal pentru cip.

În cazul circuitelor binare complexe interconexiunile ocupă de la 75% din suprafața chip-ului. Creșterea conținutului de informație pe un traseu de semnal reduce numărul de interconexiuni. O reducere suplimentară a numărului acestora se poate obține prin eliminarea circuitelor de codare și decodare (în unele cazuri), reducere datorată naturii multivalente a semnalelor și a procesărilor lor.

Logica binară este folosită pentru două valori abstracte: adevărat sau fals, reprezentate prin valorile 1 și 0. Aceste principii sunt aplicate la analiza circuitelor de comutație realizată din comutatoare, tranzistoare materiale magnetice care sunt caracterizate prin două stări distincte asociate cifrelor binare 1 și 0, precum:

închis – deschis,

în conducție – blocat,

magnetizat într-o direcție sau alta

În aplicațiile electronicii, un comutator închis este asociat cu simbolul A, având starea 1, iar un comutator deschis are starea 0 și este asociat cu simbolul A negat, ca în figura 6 [7]

Figura 6 – Simbolizarea comutatoarelor în logica binară

Operația logică ȘI-AND este realizată de un grup de comutatoare conectate în serie parcurse de un curent electric între terminalele circuitului, iar comutatoarele sunt pe poziția închis:

A · B = C – figura 7 [7]

Figura 7 – Simbolizarea comutatoarelor în logica AND

Operația logică SAU – OR este realizat dintr-un circuit cu mai multe comutatoare conectate în paralel, iar funcția este descrisă de relație:

A + B = C – figura 7 [7]

Figura 8 – Simbolizarea comutatoarelor în logica SAU

2.3. Logica multivalentă

Clasificarea circuitelor multivalente are scopul de a identifica tipurile de circuite logice multivalente existente în prezent și este realizată din punctul de vedere al: numărului de nivele logice, mărimii în care sunt reprezentate nivelele logice, simetriei față de zero a semnalelor logice și tehnologiilor de realizare a circuitelor.

În literatură se regăsesc următoarele clasificări : din punct de vedere al numărului de nivele logice, din punct de vedere al numărului de mărimi n care sunt reprezentate în nivelele logice, din punct de vedere al simetriei față de zero. [3]

Clasificarea după numărul de nivele logice

Din punct de vedere al numărului de nivele logice, circuitele multivalente cu cele mai multe aplicații sunt circuitele cu trei nivele logice – circuitele trivalente, urmate de circuitele cu patru nivele logice – circuitele tetravalente și apoi de circuitele cu cinci nivele logice – pentavalente.

Nivelele logice sunt reprezentate în două moduri, ca valori de curent și ca valori de tensiune. Pentru semnalele în curent nivelele logice sunt uzuale:

“0 logic” = 0uA,

“1 logic” = 20uA,

“2 logic” = 40uA,

“3 logic” = 60uA,

Valoarea de curent care reprezintă un nivel logic fiind (uzual) 20uA.

Circuitele multivalente care lucrează în tensiune au următoarele valori corespunzătoare pentru nivelele logice  :

“0 logic” = 0V,

“1 logic” = 2V,

“2 logic” = 4V,

“3 logic” = 6V,

Un nivel logic de tensiune este uzual în valoare de 2V.

Pentru circuitele multivalente cu nivele de tensiune, în realizările practice valoarea unui nivel logic este dată de raportul dintre valoarea tensiunii de alimentare, la numărător, și la numitor valența minus 1 (r-1).

De exemplu, dacă un circuit trivalent este alimentat cu +5V, valoarea nivelului logic este 2.5V, “0 logic” fiind 0V, “1 logic” fiind 2.5V, “2 logic” fiind tensiunea de alimentare 5V. [3]

Clasificarea după simetria față de zero a semnalelor logice

Pentru cele mai multe semnale multivalente, nivelele multivalente sunt considerate “0 logic”, “1 logic”, “2 logic”.

Un loc aparte îl ocupa însă semnalul trivalent simetric (balanced), în care nivelele logice sunt considerate “-1 logic”, “0 logic” și “1 logic” (simetrice față de zero).

În notarea convențională semnul minus pentru semnale logice este înlocuit cu o bară (deasupra valorii).

Semnalul trivalent simetric astfel reprezentat are nivelele logice “0”, “1” și “”, și cel puțin două avantaje:

numerele pozitive și cele negative se folosesc împreună în același sistem

operatiile aritmetice sunt aproape la fel de simple ca și pentru semnalele binare

Adunarea și scăderea sunt practic acceași operație – scăderea se realizează prin negarea unui număr și apoi adunarea lui, înmulțirea este foarte simplă iar negarea se realizează prin bararea numărului respectiv. [3]

Clasificarea după tehnologia realizării circuitelor

Este folosită tehnologia CMOS operatorii sunt implementați cu ajutorul tranzistoarelor CMOS, tranzistoarele sunt atât npn și pnp (pentru TB) cât și cu canal n și cu canal p (pentru tranzistoarele MOS). [2]

Avantajele sistemelor multivalente față de cele binare

Circuitele care folosesc logica binară au foarte multe avantaje, unul dintre cele mai importante în reprezintă reducerea numărului de conexiuni pentru implementarea funcțiilor logice, ceea ce conduce spre micșorarea mărimi integratelor (circuitelor integrate). Circuitele trivalente necesită o memorie mai mică pentru pachetul de date.

Operațiile seriale și serial-paralele pot fi făcute la o viteză mai mare și astfel se obține o viteză ridicată de lucru.

Circuitele trivalente au o complexitate mai scăzută decât cele din circuitele binare și analogice.

3. Fundamentare teoretică

3.1. Elemente pasive de circuit

În cadrul circuitelor logice trivalente cu simetrie față de zero se folosesc componentele pasive, diode și tranzistoare care au roluri specifice în simularea logicii multivalente.

3.1.1. Dioda

Dioda este un dispozitiv electronic constituit dintr-o joncțiune „PN” care este prevăzută cu contacte metalice în regiunile p și n, introdusă într-o capsulă din sticlă sau metal. Regiunea „p” a joncțiunii poartă numele de anod al diodei, iar joncțiunea „n” este numită catod.

Dioda este reprezentată în figura 9. [1]

Figura 9 – Reprezentarea diodei

Diodele se împart după următoarele criterii:

după tipul polarizării,

după materialul constructiv,

după caracteristica joncțiunii,

după tensiunea de prag, notată cu Up

după tensiunea maximă inversă, notată cu Uinv.max

după curentul maxim direct, notat cu Iam

Diodele au conductivitate unidirecțională. Curentul depinde de sensul polarizării diodei. În cazul polarizării în sens direct, se permite trecerea unui curent mare (numit și curent direct), iar în cazul polarizării în sens invers, se permite trecerea unui curent mic (numit curent invers).

În cazul polarizării directe, tensiunea continuă U, este aplicată de la Anod (de la +) la Catod (la-), deci de la P la N. Astfel, câmăul exterior este îndreptat în sens invers câmpului de baraj, stratul acestuia se îngustează și rezistența electrică scade și astfel crește curendtul direct, notat cu Id.

În cazul polarizării inverse, tensiunea exterioară U este aplicată de la N la P, iar curentul invers, condorm aceluiași principiu, scade, tinzând spre zero.

Dioda semiconductoare are și o valoare a tensiunii inverse care permite străpungerea diodei. În figura 10 este prezentată această caracteristică de funcționare ce exprimă dependența curentului Id. față de tensiunea aplicată Ud. [1]

Figura 10 – Caracteristica de funcționare a diodei

După materialul constructiv diodele sunt:

– cu germaniu,

– cu siliciu.

După caracteristicile joncțiunii acestea sunt:

diodă de comutație,

diodă redresoare,

diodă stabilizatoare de tensiune (diodă Zener),

diodă tunel

diodă variabilă

diodă diac

diodă Gunn

După tensiunea de prag, sau de deschidere, notată Up, avem pentru diodele construite din germaniu Up fiind cuprinsă între 0,2V-0,4V, iar pentru cele construite din siliciu valoarea tensiunii este cuprinsă între 0,4V- 0,8V.

3.1.2. Tranzistorul

Tranzistoarele se clasifică în două categorii, în funcție de modul de funcționare al acestora:

tranzistoare unipolare

tranzistoare bipolare.

Tranzistoarele bipolare pot fi de două tipuri: PNP sau NPN. Tranzistorul se realizează pe un substrat semiconductor, care în general este din siliciu. În tehnologii speciale, se folosesc mai multe tranzistoare integrate într-o singură capsulă.

Tehnologia de realizare diferă în funcție de tipul tranzistorului. Un tranzistor de tip PNP se realizează pe un substrat de tip P, în care se creează prin diferite metode (în general prin difuzie) o zona de tip N, care va constitui baza tranzistorului. În mod similar, se procedează pentru tranzistorul NPN, cu mențiunea că substratul este de tip N, iar zona de bază de tip P. În figura 11 sunt prezentate cele două tehnologii constructive ale tranzistoarelor. [8]

Figura 11 – Modul de reprezentare al tranzistoarelor

Construcția internă a tranzistoarelor este prezentată în figura 9. Tranzistorul PNP are configurația jocțiunilor și circulație curentului electric conform schemei prezentate în figura 12, unde sunt prezentate următoarele simboluri : [8]

UE – tensiune emitor

UC – tensiune colector

IE – curent emitor

IB – curent bază

IC – curent colector

J1, J2 – joncțiuni

Figura 12 – Construcția tranzistoarelor

Tranzistorul are trei borne cu mențiunea că intrarea și ieșirea au o bornă comună. Bornele tranzistoarelor au următoarele notații:

E – emitor,

B – bază,

C – colector

Modalitățile de conectare ale tranzistoarelor sunt prezentate în figura 13 și pot fi: [8]

cu emitor comun (a)

cu bază comună (b)

cu colector comun (c)

Figura 13 – Modalitățile de conectare ale tranzistoarelor

Caracteristicile statice ale tranzistoarelor sunt:

IE = IC + IB (3)

UCE = UCB – UEB (4)

Mărimile active care intervin la un tranzistor sunt în număr de patru, doi curenți și două tensiuni. Caracteristica de intrare, prezentată în figura 14 (a) este:

IB = f(UBE) pentru UCE = constant [8]

Caracteristica de ieșire este prezentată în figura 14 (b):

IC = f(UCE) pentru IB = constant [8]

Figura 14 – Caracteristicile principale ale tranzistoarelor

În zona activă a acestei caracteristici, dreptele sunt paralele și corespund conform relației:

IC = β0IB + ICB0 (5)

Unde avem:

β0 – reprezintă raportul de transfer în curent direct și definește amplificarea tranzistorului

ICB0 – curentul rezidual de colector

Tranzistoarele se utilizează în echipamentele electronice cu componente discrete pentru:

amplificatoare de semnal (radio,audio, video),

amplificatoare de instrumentație,

oscilatoare,

modulatoare,

demodulatoare,

filtre,

surse de alimentare liniare,

surse de alimentare în comutație,

în circuite integrate.

Simbolurile folosite în mod curent pentru tranzistori sunt prezentate în figura 15. [1]

Figura 15 – Simbolizarea tranzistorilor

Tranzistorul cu efect de câmp (numit și FET) este un dispozitiv electronic semiconductor folosit pentru a comanda intensitatea curentului electric dintr-un circuit. Aceste dispozitive poartă și denumirea de tranzistoare unipolare, datorită faptului că, conducția electrică este asigurată de un singur tip de purtători electronici de sarcină, electroni sau goluri, după cum canalul este de tip n, respectiv p.

Funcționarea se bazează pe variația conductibilității unui canal, accesibil prin terminale numite sursă și drenă, ce se realizează prin aplicarea unei tensiuni între grilă (sau poartă) și substratul dispozitivului, ducând la modificarea dimensiunii transversale a canalului semiconductor sau a concentrației de purtători electronici din acesta.

În funcție de modul de realizare a grilei cele mai frecvente configurații de tranzistoare cu efect de câmp întâlnite sunt tranzistoarele cu grilă izolată de semiconductor prin intermediul unui strat de oxid de siliciu foarte subțire (MOSFET) și tranzistoare cu o joncțiune invers polarizată (JFET).

Pentru a proteja tranzistorul, uneori, în procesul de fabricație, sunt introduse diode zener între grilă și substrat. Diodele dintre grilă și substrat protejează tranzistorul dar reduc rezistența de intrare. Datorită rezistențelor mari și capacităților mici ale structurii grilă-canal din tranzistorul MOS, pot apărea tensiuni mari de străpungere datorate acumulării de sarcină electrostatică. Aceste tensiuni străpung oxidul stratului izolator, de grosime foarte mică și distrug tranzistorul.

Acumularea de sarcini electrostatice poate apărea de exemplu datorită containerelor de plastic utilizate la transportul materialelor semiconductoare sau datorită tensiunii electrostatice cu care este încărcată o persoană ce ține în mână asemenea tranzistoare.

Tot prin procesul de fabricație se poate introduce și o diodă de descărcare conectată antiparalel, între drenă și sursă, acestea protejând tranzistorul în cazul sarcinilor inductive și returnând în circuit energia înmagazinată în bobină.

Tranzistorul MOSFET spre deosebire de tranzistorul bipolar are avantajul unei impedanțe de intrare mari, curentul de comandă pe grilă fiind semnificativ mai mic (de ordinul zecilor de picoamperi).

3.2. Logica trivalentă

Funcționarea circuitelor electronice bazată pe circuite logice trivalente atribuie valoarea 0 pentru „Fals”, 1 pentru „adevărat” și X pentru starea de „Necunoscut”. Pentru extinderea aplicațiilor se mai pot introduce și alte valori.

Logica trivalentă se poate folosi la computere pentru a crește rapiditatea. Aceste computere care folosesc circuitele trivalente sunt mai puternice și mai economice. Deși logica binară este cea mai utilizată, ea nu este întotdeauna cea mai bună.

Logica multivalentă oferă mai multe soluții pentru o problemă, ajută la dezvoltarea unor noi soluții pentru logica binară, ajută la eliminarea limitării în gândire dată de folosirea logicii binare.

O direcție către care se îndreaptă cercetarea actuală este cea legată de rețelele neuronale, care permit construcția unor computere care să funcționeze într-un mod similar și apropiat de gândirea omului, dar pe baza unor semnale analogice, nu digitale.

În acest scop, o rețea neuronală trebuie să utilizeze o logică poli-valentă, una non-clasică, similară cu principiile fuzzy logic. Logica fuzzy are la bază un număr infinit de nivele logice, folosindu-se de un număr finit de nivele logice.

Ideea circuitelor trivalente a pornit de la fuzzy logic, logică în cadrul căreia se atribuie propoziții în cadul sistemului cu valori de adevăr de 0 și 1. În acest caz se poate spune că există un grad de probabilitate ca o propoziție să fie adevărată sau falsă.

Logica trivalente există deja în aplicațiile rulate pe computere binare. În cadrul acestor programe, conform limbajului SQL, în baza de date apare o a treia valoare care este considerată NULL. Această valoare are rolul de a arăta necunoașterea unei valori de 0 și/sau de 1.

Operațiile specifice logicii trivalente sunt prezentate în figura 16 [4]

Figura 16 – Operații logice trivalente

În cazul aplicației s-au folosit porți logice. Operațiile elementare se pot implementa hardware cu ajutorul porților logice:

Operațiile logice sunt:

AND (produs) – două intrări

OR (sumă) – două intrări

NOT (complement) – o singură intrare

Operatorul AND are expresia xy, sau x·y și poarta:

Operatorul OR este exprimat prin: configurația:x + y

Operatorul NOT::

Tabela de adevăr pentru aceste operații sunt prezentate în figura 17 [5]

Figura 17 – Tabela de adevăr pentru operații logice

Expresiile booleene se pot converti în circuite combinate de porți elementare cu trei intrări ca în figura 18.

Figura 18 – Circuit trivalent

Logica multivalentă se ocupă cu studiul teoriei și aplicațiilor unde valorile clasice de adevăr “adevărat” și ”fals”sunt înlocuite sau extinse cu un număr mai mare de valori.

Conceptul a fost creat de catre Lukasiewicz, Lewis și Sulski, apoi reformulat de Grigore Moisil într-o formă algebrică și extinsă la logica n- valentă în 1945. Un model de semnal tip ternar este conceput de Olivier Sentieys în lucrarea sa și este prezentat în figura 19. [3]

Logica trivalentă constă în sistemele logice de valori multiple în care exista trei valori logice, indicând adevărat, fals și o a treia valoare spre deosebire de logica binară sau booleană în care există doar adevarat și fals .

Figura 19 – Semnal de tip ternar

Deși cea mai utilizată logică în electronica zilelor noastre este logica binară, urmată de logica fuzzy, logica multivalentă este folosită în tot mai multe aplicații. Logica multivalentă (MVL – Multiple Valued Logic) se deosebește de logica binară (cu două nivele logice) prin utilizarea unui număr de nivele logice mai mare decât doi iar de logica fuzzy (cu număr infinit de nivele logice) prin utilizarea unui număr finit de nivele logice.

Deși logica binară este cea mai utilizată, ea nu este întotdeauna cea mai bună. Logica multivalentă oferă mai multe soluții pentru o problemă, ajută la dezvoltarea unor noi soluții pentru logica binară, ajută la eliminarea limitării în gândire dată de folosirea logicii binare.

Alte probleme ale circuitelor integrate binare complexe, cum ar fi aria (suprafața) mare ocupată de traseele de interconexiuni sau creșterea căldurii disipate sunt îmbunătățite prin utilizarea logicii multivalente deoarece cu ajutorul acestei tehnologii se reduce numărul traseelor (firelor, linilor) de semnal pe cip și crește cantitatea de informație transmisă pe o linie de semnal.

În cazul circuitelor binare complexe interconexiunile pot să ocupe 75% sau chiar mai mult din suprafața chip-ului. Creșterea conținutului de informație pe un traseu de semnal reduce numărul de interconexiuni. O reducere suplimentară a numărului acestora se poate obține prin eliminarea circuitelor de codare și decodare (în unele cazuri), reducere datorată naturii multivalente a semnalelor și a procesărilor lor.

4. Implementarea soluției adoptate

4.1. Prezentarea programului OrCad

Cu ajutorul programului OrCad se pot realiza scheme electrice și electronice și se pot genera grafice și scheme. În cadrul acestui proiect, am utilizat programul Orcad pentru a implementa schema unui convertor trivalent cu simetrie față de zero și să mi se generaze semnalele de impuls pe baza circuitelor logice utilizate.

Lansarea programului pentru începerea unui proiect nou se va face din meniul:

Windows →Start → Programs → Orcad Release →  Capture CIS .

Din meniul File se poate opta pentru a deschiderea un proiect sau un desen nou ( New ), editarea unei librării noi, a unui fișier VHDL, chiar text nou, sau pentru a deschide unele proiecte deja existente (Open), conform figurii 20. [5]

Figura 20 – Meniul programului Orcad

Dacă se alege varianta deschiderii unui proiect, se deschide o ferestră ca în figura 21 unde se pot face următoarele setări:

numele proiectului (name),

tipul de circuite cu care se va lucra în cadrul proiectului (pot fi circuite analogice sau mixte) și desigur 

locația salvării proiectului pe hard disk. [5]

Figura 21 – Pagina de setări pentru un proiect nou

Pentru alegerea tipului de proiect, există mai multe opțiuni (figura 22): [5]

editare de scheme electronice și simulare,

proiectare a cablajelor imprimate,

simulare de circuite digitale,

realizare a unui proiect fără o anumită specificație.

Figura 22 – Modul de alegere al proiectului

Pentru proiectul de simulare se alege specificația Analog or Mixed – Signal Circuit Wizard. Specificarea acestor date determină lansarea în execuție a unui modul Express modificat pentru editarea și simularea circuitelor, al cărui meniul principal este prezentat în figura 23 [5]

Figura 23 – Modul Express al programului OrCad

După acceptarea și bifarea opțiunilor prin tastarea unui OK,  se va deschide o fereastră ca figura 24 și se indică necesarul de librării care sunt introduse în mod automat. În libraria analog se găsesc componentele pasive de circuit și librăria source de unde se extrag toate tipurile de surse de alimentare și de semnal necesare. [5]

Figura 24 – Alegerea librăriei necesare pentru proiect

După efectuarea acestei etape se va deschide mediul de proiectare, adică modul de desenare al schemei dorite. Meniurile principale apar sub formă de butoane, tip scurtături. [5]

Înainte de a se realiza schema trebuie editat profilul de simulare. Prin această editare se înțelege programarea simulatorului în funcție de condițiile de simulare. În acest mod se se stabilește tipul de analiză și pașii de simulare. Pentru această etapă se folosește butonul “ New Simulation Profile”.

Dacă nu se specifică condițiile la intrare, atunci sunt calculate și analizate pentru curent continuu, toate sursele independente cu valorile de la momentul inițial.

În cadrul profilului de simulare se folosește analiza: Time Domain (Transient) – o analiză tranzitorie în domeniul timp în care se integrează ecuațiile modelului de semnal mare al circuitului pe un interval de timp dat.

4.2. Editarea circuitelor în cadrul programului OrCad

Pentru editarea schemei electrice realizată în OrCad trebuie urmate câteva etape precum:

Plasarea pe suprafața de lucru a simbolurilor specifice componentelor;

Căutarea componentelor în bibliotecile programului;

Adăugarea și/sau eliminarea unor biblioteci;

Editarea proprietăților componentelor;

Trasarea firelor de legătură;

Alte operații speciale.

Suprafața de lucru pentru proiect este una cu o zonă caroiată, pe care se amplasează simbolurile corespunzătoare componentelor utilizate, ca în figura 25. [5]

Figura 25 – Suprafața de lucru pentru proiect

Pentru a amplasa un simbol se va alege din meniul principal opțiunea Place – Part. O altă modalitate pentru amplasarea unu unui simbol este utilizarea barei de instrumente din dreapta cu simbolul aferent operației Place – Part, conform figurii 26. [5]

Figura 26 – Selectarea simbolurilor în OrCad

În fereastrele de pe bara de instrumente din colțul de la stânga jos se găsesc numele librăriilor. Pentru început acolo se vor regăsi doar librăriile introduse automat, adică mai precis: analog , source, sourcstm și special. Pentru a se plasa o altă componentă trebuie refăcut importul de librării cu ajutorul butonului  Add Library nume, și apoi se caută calea spre librăria dorită, alegând opțiunea Open. [5]

Pentru a se elimina o librărie, se folosește opțiunea Remove Library. Pentru a se căuta numele unei componente în toate librăriile existente, se va folosi opțiunea Part Serch….

În partea de sus a ferestrei se alege din librăria selectată în partea de jos, o anumită componentă. După această selecție a componentei dorite se va bifa prin OK iar componenta rămâne “prinsă” de cursor. Următorul pas este alegerea locului de amplasare a acestei componente pe planșa de desen virtuală și poziționarea ei.

Amplasarea componentei se face printr-un simplu click pe mouse, unde apar mai multe opțiuni. Pentru click dreapta sunt opțiunile specifice:

plasare,

întoarcere în oglindă  pe orizontală,

întoarcere în oglindă pe verticală,

rotire la 90 de grade,

editarea de proprietați a componentei,

zoom in,

zoom out,

poziționare după coordonate.

Coordonatele sunt înscrise automat și se modifică după mișcările cursorului și se poate observa în colțul din dreapta jos al planșei de desenare sub forma coordonatelor de axă x și axă y.

După amplasarea tuturor componentelor pe planșă, urmează să se traseze firele, denumite Place Wire. Acest fir se trage de la un capăt de componentă la un alt capăt de componentă și cu click se așează firul, iar prin două click-uri se termină plasarea firului.

Editarea proprietăților unei componente care este amplasată pe suprafața de lucru, se selectează componenta, apoi se alege opțiunea Edit Properties și se face click dreapta pe aceasta. [5]

Un asemenea model de schemă este preluat din propria lucrare și prezentat în figura 27.

Figura 27 – Model de schemă în OrCad

Pentru amplasarea schemelor electrice în conținutul redactării se efectuează următorii pași:

realizarea schemei electrice în OrCAD

salvarea schemei electrice în format BMP sau JPG,

În OrCAD mai există și posibilitatea selectării schemei electrice, alegerea din meniul Edit a comenzii Copy (sau combinația de taste Ctrl+C), deschiderea programului Paint și copierea imaginii prin selectarea comenzii Paste din meniul Edit (combinație de taste Ctrl+V) după care se salvează în formatul dorit sau se copiază direct în Word.

4.3. Simbolurile circuitelor logice

În cadrul programului OrCAD avem simboluri pentru definirea generală a funcției circuitului logic:

Simbolurile blocurilor de comandă pentru circuitele logice sunt prezentate în figura 28.

Figura 28 – Simboluri combinate pentru circuite logice

a – bloc comun de comandă b – cu bloc comun de ieșire

În figura 29 sunt prezentați doi operatori ȘI-SAU-NU cu 2×2 intrări, utilizați în cadrul logicii multivalente.

Figura 29 – Operatori logici

5. Verificarea circuitelor în logică trivalentă cu simetrie față de zero

În continuare se vor prezenta cei cinci pași urmați în simularea schemelor electrice pentru determinarea simetriei față de zero.

Pentru început, conform figurii 30, tensiunea de intrare, cea de referință ea 3 valori, conform numărului de intrări ternare. Acceste valori sunt:

5V – pentru a reprezenta valoarea 2 logică,

1V – pentru a reprezenta valoarea 1 logică.

0V – pentru a reprezenta valoarea 0 logică.

În cadrul schemei realizate, pentru tensiunea de intrare V1 = 0V, la ieșirea inversorului se obțin valorile simetrice:

V2 = -1V

V3 = 1V

V4 = -5V

V5 = 5V

precum și tensiunea de ieșire Vout = -45,32mV

Figura 30 – Schema circuitului cu inversor

În urma datelor de intrare ale circuitului prezentat anterior și după verificarea funcționării schemei fără erori, se realizează analiza variației tensiunilor de intrare și de ieșire pentru simetria față de zero pentru -5V și 5V pentru diferite perioade de timp.

Tensiunea de intrare are o oscilație simetrică pentru 0V dar opusă pentru -5V și 5V, față de oscilația tensiunii de ieșire. În figura 31 sunt prezentate diagramele pentru aceste tensiuni, cu verde pentru tensiunea de intrare și cu culoare roșie – tensiunea de ieșire. Se poate observa cu acuratețe simetria tensiunilor față de punctul de zero. Pe abcisa diagramei este reprezentat timpul, exprimat în secunde, pentru intervalul 0-1 secundă.

Figura 31 – Diagrama tensiunilor pentru simularea cu inversor

Primul element folosit în cadrul simulării a fost inversorul figura 32.

Figura 32 – Inversor

Ieșirea unui inversor este complementul logic al propriei intrări, În figura 33 este prezentată caracteristica de transfer a inversorului. La intrare i se aplică un semnal logic B, iar la ieșire va avea complementul sau, B negat.

Figura 33 – Caracteristica de transfer a inversorului

În a două etapă a verificării, circuitului anterior i se mai adaugă un circuit logic de minim, convertit în minim negat, căruia i se aplică de asemenea o alimentare cu o tensiune de 0V.

În acest caz avem tensiunile de intrare:

V1 = 0V, la intrarea inversorului și

V6 = 0V, la intrarea în circuitul minim negat, la care se mai adaugă și tensiunea de intrare de la invertor.

La ieșire se obțin tensiunile celor două circuite logice, cuplate prin fire comune:

V2 = -1V

V3 = 1V

V4 = -5V

V5 = 5V

precum și tensiunea de ieșire Vout = -45,32mV de la circuitul minim negat.

Schema acestui circuit este prezentată în figura 34.

Figura 34 – Schema circuitului cu inversor și minim negat

În urma simulării acestei scheme se diagramele conform valorilor de intrare pentru tensiunea minimului negat și pentru V6.

Diagrama pentru tensiunea de ieșire opentru circuitul minim negat, Vout este conformă operațiilor logice realizate pentru cele două tensiuni de intrare: Vin1 (tensiunea de intrare comună cu a inversorului) și Vin2 (tensiunea de intrare specifică minimului negat).

Figura 35 – Diagrama tensiunilor pentru simularea cu inversor și minim negat

În a treia etapă a simulării, tensiunile de ieșire ale inversorului și al circuitului logic minim negat sunt cuplate la intrarea circuitului logic maxim, a cărei tensiune de ieșire Vout = -45,32 mV, prezentat în figura 36.

Figura 36 – Schema cu circuit logic MAXIM

În urma modificării circuitului, simularea schemei este prezentată în figura 35. Graficul este realizat penntru tensiunea de intrare al circuitului logic maxim (notat cu Vin1) și tensiunea de ieșire a circuitului logic minim negat (notat cu Vout), iar rezultanta simetriei este tensiunea de ieșire Vout pentru circuitul de maxim.

Figura 37 – Simularea circuitului logic maxim

În următoarea etapă a simulării se introduce un nou circuit logic, pentru a se verifica pas cu pas modul în care variază graficul tensiunii față de timp.

Pe lângă circuitele de INVERSOR, MINIM NEGAT și MAXIM se mai adaugă un circuit logic de MINIM. V1 = 0V, la intrarea inversorului și

V6 = 0V, la intrarea în circuitul minim negat,

V6 = 0V – tensiunea de intrare al cicuitului de MINIM.

La ieșire se obțin tensiunile celor trei circuite logice, cuplate între ele prin fire comune:

V2 = -1V

V3 = 1V

V4 = -5V

V5 = 5V

Tensiunile de ieșire de la circuitele INVERSOR și MINIM NEGAT se aplică la intrarea circuitului de MAXIM, la ieșirea căruia vom avea o tensiune de Vout = -45,32mV. Aceași tensiune de ieșire se regăsește și la circuitul de MINIM.

După cum se poate observa în schema prezentată în figura 38., singura modificare o reprezintă apariția circuitului MINIM care este legată la circuitul comun de ieșire cu celelalte două circuite.

Figura 38 – Schema cu circuit de MINIM

În figura 39 este prezentată simularea acestei scheme de circuit. În decursul unei perioade de 1 secundă, tensiunea V6 alternează față de zero în limitele de 5V și -5V, în perioade de timp egale.

Pentru valorile simulate la V7 se poate obseva că valoarea pentru 0 este constantă, iar singura variație, pentru un timp scurt de 0,1 secunde este pe partea negativă, de -5V..

Valoarea simulată pentru Vout este între 0V ți -5V, cu o scurtă trecere, fără a atinge valoarea, la 5V, la jumătatea simulării.

Figura 39 – Simularea circuituluicu logic minim

Următorul pas este implementarea în cadrul schemei a unui circuit MAXIM NEGAT..

Diferențele față de pasul anterior a simulării constă în cuplarea acestei componente astfel:

Vout de la circuitul de MAXIM reprezintă Vin1 pentru circuitul MAXIM NEGAT și are o valoare indusă de -257,3mV.

Vout = -45,32mV pentru MAXIM NEGAT

Acest circuit logic este conectat prin fire, impreună cu celelalte circuite la tensiunile:

V2 = -1V

V3 = 1V

V4 = -5V

V5 = 5V

Implementarea acestei scheme este reprezentată în figura 40

Figura 40 – Schema de circuit cu maxim negat

După cum s-a putu observa din schema circuitului, tensiunile de ieșire sunt diferite:

Vout = -136,7mV pentru INVERSOR

Vout = -120,7mV pentru MINIM NEGAT

Vout = -230,0mV pentru MINIM

Vout = -257,3mV pentru MAXIM

Vout = -45,32mV pentru MAXIM NEGAT

Variația tensiunilor în funcție de timp induc anumite nesimetrii ale rețelei care sunt prezentate în figura 41.

Ajungând la acest pas al simulării, se poate constata ca s-au folosit diferite circuite logice care, fiecare la rândul ei, a indus perturbații în cadrul sistemului.

Această simetrie față de zero se modifică concomitent cu noile circuite introduse în cadrul schemelor. Noțiunile care definesc parametrii sunt legate de împarțirea intervalului de variație a mărimii analogice într-un număr determinat de trepte (cuante) iar bitul cel mai semnificativ, este bitul având ponderea cea mai mare la scrierea binară a numerelor.

Figura 41 – Simularea schemei electrice

În Anexă este prezentat circuitul trivalent cu simetrie față de zero care face obiectul acestei lucrări.

6. Rezultate experimentale

7. Concluzii

Lucrarea de față a tratat ca și a dezvoltat ca subiect, implementarea unor scheme de circuit cu logică trivalentă simetrică față de zero. Pornind de la logica binară, ajungându-se la logica trivalentă, principiile acestea s-au folosit în aplicații specifică și strictă a simetriei față de zero.

Folosind semnalul trivalent simetric, în care nivelele logice sunt considerate “-1 logic”, “0 logic” și “1 logic” (simetrice față de zero), au fost proiectate și implementate circuite trivalente cu simetrie față de zero și semnalele obținute în urma simulărilor sunt apropie de semnalele reale, ceea ce indică o conversie cu performante ridicate.

Semnalul trivalent simetric astfel reprezentat a avut nivelele logice “0”, “1” și “”, folosind în același sistem atât numerele pozitive cât și pe și cele negative, iar operatiile aritmetice au fost similare în utilizare ca la semnalele binare

Implementarea și verificarea funcționării circuitelor proiectate s-a realizat prin simulări succesive cu ajutorul programului de proiectare Orcad.

Circuitele bazate pe logica ternară au importante avantaje față de cele binare. Câteva din aceste avantaje sunt: reducerea numărului de interconexiuni necesare implementării funcțiilor logice, deci reducerea dimensiunii chipului și în acest mod, mai multe informații pot fi transmise pe un număr dat de linii, necesitând o memorie mai redusă pentru aceeași lungime a datelor, la o viteză mai mare.

Numeroasele aplicații care folosesc aceste circuite ternare sunt într-o continuă perfecționare, datorită evoluției tehnologiei, ceea ce înseamnă noi îmbunătățiri care se pot aduce în timp, atât în partea practică cât și în teoria sistemelor multivalente.

8. Bibliografie

Bucur C., Dispozitive electronice și electronică analogică, Editura UPG, Ploiești, 2008

Dăbâcan M. A., Bazele sistemelor de achiziții de date, Editura Casa Cărții de Știință, București, 2004

Dhande A.P., Ingole V.T., Design Of 3-Valued R-S & D Flip – Flops Based on Simple Ternary Gates, Proc. of ICEM, France, 2010

Dhande, A.P.; Ingole, V.T., Two Digit Parallel Analog To Ternary Converter

Fitzpatrick, D., Analog Design and Simulation using OrCAD Capture and PSpice, Newnes, 2011

Mareș F. și colectivul, Elemente de comandă și control pentru acționări și sisteme de reglare automată, Editura Economică, București, 2002

Sentieys O. , Multiple Valued Logic – MVL, Proc. of ICEM, England, 2011

Schlett Z., Hoffman I., Câmpeanu A., Semiconductoare și aplicații, Editura Facla, Timișoara, 1981

Petrus D., Electronica surselor de alimentare, Editura Mediamira, Cluj – Napoca, 2002

Vaananen J., Combination of Power Electronic Models with the Two-Dimensional Finite Element Analysis of Electrical Machines, Proc. of ICEM, France, 1994

***, Wikipedia, Three-state logic: https://en.wikipedia.org/wiki/Three-state_logic

9. Anexă – Schema circuitului trivalent cu simetri față de zero