Основи електроніки (стр. 1 )

Партнерка на США и Канаду по недвижимости, выплаты в крипто

30% recurring commission
Выплаты в USDT
Вывод каждую неделю
Комиссия до 5 лет за каждого referral

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Вінницький державний технічний університет

, І. В.Кузьмін,

ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ

Частина І

Затверджено Ученою радою Вінницького державного технічного університету як навчальний посібник для студентів спеціальності "Комп'ютеризовані системи управління і автоматики ".Протокол №14 від 15 лютого 2001 р.

Вінниця ВДТУ 2001

УДК 621.38

, І. В.Кузьмін, . "Основи електроніки. Частина І". Навчальний осібник/ Вінниця: ВДТУ, 2001.-130 с. Укр. мовою/

Навчальний посібник стане в нагоді для студентів спеціальностей "Комп'ютеризовані системи управління і автоматики" та "Метрологія та вимірювальна техніка", а також для широкого кола спеціалістів, що вивчають схемотехнічні основи функціонування пристроїв та систем автоматики і вимірювальної техніки.

Бібліографія: 6 найм. Іл. 95. Табл.3 .

Рецензенти: Р. Н.Квєтний, д. т.н.

, к. т.н.

, д. т.н.

ЗМІСТ

ВСТУП…………………………………………………………………… 4

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1. Вивчення лабораторного

стенда та дослідження логічних елементів……………………………. 5

1.1. Порядок виконання роботи………………………………….. 5

1.2. Опис лабораторного стенда…………………………………. 5

1.3. Теоретичні відомості ………………………………………… 8

1.4. Завдання на лабораторну роботу……………………………. 10

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2. Синтез та дослідження

комбінаційних цифрових схем……………………………………….. 11

2.1. Порядок виконання роботи……………………………….. 11

2.2. Теоретичні відомості………………………………………. 11

2.3. Завдання на лабораторну роботу…………………………. 20

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3. Синтез та дослідження

тригерів…………………………………………………………………… 21

3.1. Порядок виконання роботи………………………………….. 21

3.2. Теоретичні відомості ………………………………………… 21

3.3. Завдання на лабораторну роботу……………………………. 27

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4. Синтез та дослідження

лічильників……………………………………………………………….. 28

4.1. Порядок виконання роботи………………………………….. 28

4.2. Теоретичні відомості ………………………………………… 28

4.3. Контрольні запитання та завдання

на лабораторну роботу ……………………………………… 36

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5. Синтез та дослідження

регістрів………………………………………………………………….. 37

5.1. Порядок виконання роботи…………………………………. 37

5.2. Теоретичні відомості………………………………………… 38

5.3. Контрольні запитання та завдання

на лабораторну роботу……………………………………… 46

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6. Синтез та дослідження

перетворювачів кодів …………………………………………………… 48

6.1. Порядок виконання роботи…………………………………. 48

6.2. Теоретичні відомості………………………………………… 48

6.3. Завдання на лабораторну роботу …………………………… 60

ЛІТЕРАТУРА ……………………………………………………………. 61

ВСТУП

Бурхливий розвиток електроніки на протязі кількох останніх десятиріч привів до визначних змін в сферах науки і техніки. За нашого часу неможливо знайти яку-небудь технічну чи організаційну систему, де б не використовувались електронні прилади чи електронні пристрої вимірювальної техніки, автоматики та обчислювальної техніки.

Системи автоматики та автоматизованого управління є потужним засобом підвищення ефективності роботи виробництва та різних організаційних систем. Одною з розповсюджених задач в техніці є автоматичне управління деяким технологічним процесом ( прокат металу, виробництво бетону, нафтопереробка і т. і.), яке повинно забезпечити виробництво продукції заданої якості при наявності різноманітних дестабілізуючих факторів. Одна з можливих узагальнених схем системи автоматичного управління технологічним процесом показана на рис. В.1.

Давачі ( первинні вимірювальні перетворювачі ) перетворюють контрольовані параметри технологічного процесу ( товщину листа металу, в’язкість бетону і т. і.) в електричні сигнали, які почережно з допомогою мультиплексора ( комутатора сигналів з кількох вхідних ліній на одну вихідну ) подаються на підсилювач сигналу, перетворюються з допомогою аналого-цифрового перетворювача ( АЦП ) в цифрову форму. По лінії зв’язку цей сигнал передається в електронну обчислювальну машину (ЕОМ ). В ній отримані сигнали з давачів аналізуються, що дає змогу виробити по кожному з них керувальні сигнали для управління технологічним процесом. Ці керувальні сигнали передаються по лінії зв’язку в пристрій перетворення сигналу з цифрової форми в аналогову (цифро-аналоговий перетворювач –ЦАП ), після чого вони з допомогою демультиплексора ( комутатора сигналу з однієї вхідної лінії на кілька вихідних ) подаються на підсилювачі потужності. Як правило, за ними розташовуються перетворювачі електричних сигналів в механічні, гідравлічні, пневматичні та інші сигнали, тип яких відповідає типу виконавчих механізмів, які безпосередньо регулюють ходом технологічного процесу: збільшують чи зменшують відстань між валками прокатного стану, відкривають чи закривають засувки в трубопроводах для складових частин бетонної суміші, і таке інше. Всі приведені на рис. В.1 блоки є елементами системи, причому вузли, розташовані між давачами і перетворювачами виду сигналів, в основному складаються з електронних пристроїв.

Розглянута система автоматичного управління містить в собі електронні пристрої, які працюють з аналоговими ( підсилювачі, перетворювачі типу сигналів), цифровими (ЕОМ) та аналого-цифровими (АЦП, ЦАП, комутатори) сигналами. Тому розроблювати, впроваджувати та використовувати різні системи автоматичного та автоматизованого управління неможливо, не знаючи принципів побудови, особливостей

1- Узагальнена схема системи автоматичного управління технологічним процесом

роботи і технічних можливостей електронних пристроїв автоматики.

Предметом дисципліни “ Основи електроніки ” є теорія і практика використання електронних приладів і мікросхем в електронних схемах і пристроях систем автоматики і управління.

Останнім часом промисловість випускає майже всі електронні функціональні вузли, необхідні для побудови пристроїв вимірювальної та обчислювальної техніки, а також систем автоматики і автоматизованих систем управління: інтегральні електронні підсилювачі електричних сигналів; фільтри; компаратори; комутатори; логічні елементи; перемножувачі електричних сигналів; тригери; лічильники імпульсів; регістратори; суматори і т. і. На основі великих (ВІС) і надвеликих (НВІС) інтегральних схем створені і використовуються мікропроцесори і мікропроцесорні комплекти, що являють собою обчислювальну машину або її основні вузли, виготовлені в одному корпусі або кількох малогабаритних корпусах. Дані мікросхеми дозволяють реалізувати велику кількість різноманітних операцій по обробці цифрових сигналів без яких-небудь змін в технології їх виготовлення.

В зв’язку з широким вибором інтегральних мікросхем, параметри яких відомі з технічних умов, змінились задачі, які стоять перед розробниками електронної апаратури систем автоматики. Якщо раніше значна часу йшла на розрахунки режимів окремих каскадів, визначення їх параметрів, вирішування питань термостабілізації і таке інше, то в наш час головна увага надається питанням вибору схем, з’єднання і взаємного узгодження мікросхем.

Типові функціональні вузли на мікросхемах дозволяють зібрати потрібний електронний блок без детального розрахунку окремих каскадів. Робота розробника електронної апаратури стає схожою на роботу програмувальника. Для складання програми програмувальник складає алгоритм (послідовність дій) для рішення задачі, вибирає потрібну мову програмування, складає підпрограми і встановлює їх послідовність виконання і порядок взаємодії з головною програмою. Подібно цьому розробник електронних пристроїв систем автоматики визначає послідовність функціональних перетворень, які повинен зазнати електричний сигнал, підбирає необхідні інтегральні мікросхеми для реалізації потрібних функцій, розробляє схему їх з’єднань і вводить зворотні зв’язки потрібного типу. І тільки в тому випадку, коли набори інтегральних мікровузлів, що випускаються, не дозволяють вирішити якесь конкретне схемотехнічне питання, їх доповнююють окремими вузлами на дискретних компонентах, які потребують проведення відповідних розрахунків, або розробляють мікросхеми часткового застосування.

Вивчення дисципліни “Основи електроніки” має на меті вирішення двох задач. Перша з них полягає в ознайомленні майбутніх фахівців по автоматиці і автоматизованих системах управління з будовою, принципом дії та основними параметрами електронних приладів та інтегральних мікросхем, а також основних схем та пристроїв автоматики. Друга задача-навчити навичкам проектування електронних схем та пристроїв на базі вказаних електронних приладів та їх використання в системах автоматики.

В результаті вивчення дисципліни студент повинен:

знати - принцип дії, характеристики і параметри електронних приладів та інтегральних мікросхем;

- структуру, принцип дії, область застосування, методику розрахунку, характерні параметри основних схем і пристроїв автоматики аналогової і цифрової дії в дискретному та інтегральному виконанні;

вміти - проводити проектно - конструктивні і розрахункові роботи по проектуванню електронних пристроїв систем автоматики та автоматизованого управління;

- забезпечувати налагодження, контроль і обслуговування електронної апаратури;

- самостійно користуватися науково-технічною та довідниковою літературою, освоювати нові питання, що відносяться до дисципліни “Основи електроніки”.

Вивчення цієї дисципліни базується на знаннях, отриманих в процесі вивчення математики та метрології. В свою чергу, дисципліна “Основи електроніки” є базою для теорії автоматичного управління, локальних систем управління, обчислювальних машин і систем, систем передачі даних і т. і.

Електроніка як наука займається вивченням явищ і приладів, зв’язаних з процесами взаємодії електричного поля з зарядженими частинами. Вона була створена завдяки працям таких найвидатніших теоретиків і експерементаторів, як М. Фарадей, Т. А. Едісон, Д. Максвел, Дж. Стоні, Г. Гельмгольц, У. Крукс, Д. І. Менделеєв, Е. Холл, В. Рентген, Г. Герц, єтов, Дж. Дж. Томсон, Г. Лоренц, А. Беккерель, Р. Міллікен, Е. Резерфорд, А. Ф. Іоффе, Г. Вільсон, М. Планк, А. Ейнштейн, Н. Бор, Луі де Бройль, Г. Гейзенберг, П. Дирак, Е. Фермі, і багатьох інших.

Перші кроки технічної електроніки потрібно віднести до XIX ст., коли російський електротехнік ін створив першу електричну лампу розжарювання (1872 р.). Виробництво таких ламп стало потім матеріальною базою промислового розвитку електронної техніки.

Поштовхом для розвитку електроніки стало винайдення російським вченим в 1895 р. першого в світі радіоприймача. Після цієї дати розвиток електроніки можна поділити на 3 періоди: радіотелеграфний, радіотехнічний та період власне електроніки.

В 1904 р. англійський вчений Дж. А. Флеммінг побудував перший ламповий діод. Через три роки після цього американський вчений Лі де Форест запропонува трьохелектродну лампу (тріод) з керувальним електродом-сіткою, що дало змогу підсилювати та генерувати електричні сигнали. З 1913 р. по 1920 р. радіотехніка стає ламповою.

В 1918 р. -Бруєвич очолив розробку вітчизняних радіоламп в Нижньогородській радіолабораторії. В цій же лабораторії в 1922 р. співробітником євим була відкрита можливість підсилювати радіосигнали з допомогою напівпровідникових приладів. Ним був створений безламповий радіоприймач-кристадін. Однак в ті роки ще не були відомі способи отримання напівпровідникових матеріалів, і винахід не отримав розповсюдження.

Великий вклад в розвиток теорії напівпровідників внесла радянська школа академіка А. Ф. Іоффе, роботи якої в цьому напрямку почалися в 30 - х роках. Видатною подією в розвитку напівпровідникової техніки стало відкриття в 1948 р. американськими вченими У. Бреттейном, Дж. Бардіном і У. Шоклі транзисторного ефекту. Перші промислові зразки транзисторів появились в рр. Після цього почався інтенсивний розвиток напівпровідникової електроніки, виробництва та використання багатьох різновидностей напівпровідникових приладів.

Сучасний етап розвитку електронної техніки характеризується значним ускладненням електронної апаратури. При цьому зменшення габаритів та підвищення надійності електронних пристроїв досягається за рахунок розвитку мікроелектроніки - галузі електроніки, що займається мікромініатюризацією електронної апаратури з метою зменшення її об’єму, маси, вартості, підвищення надійності і економічності. Особливий ефект дало використання інтегральних мікросхем в виробництві ЕОМ. За останні 25 років розміри обчислювальних машин зменшились більше як в раз, споживання енергії на одиницю потужності в стільки ж раз, швидкодія зросла більш як 300 раз, а функціональні можливості - в 200 раз.

На сьогоднішній час основна більшість працюючих комп’ютерів створені на основі мікропроцесорів - програмно керованих прстроїв для обробки цифрової інформації, побудованих на одній чи декількох НВІС. На сьогодні уже випускаються НВІС (надвеликі інтегральні схеми), кількість елементів в яких досягає десятків мільйонів, а розмір окремих компонентів 0мкм. Це дає можливість на багато порядків підвищити функціональні можливості побудованих на цих схемах мікроЕОМ: об’єм пам’яті, продуктивність, розрядність. Мікропроцесор Pentium-4 фірми INTEL містить на одному кристалі 64-розрядний цілочисельний прцесор, 64-розрядний сопроцесор з плаваючою комою, тримірний графічний процесор, кеш-пам’ять даних і команд пристрій керування пам’яттю. Він має швидкодію до 800 млн. команд в секунду. Такі успіхи в галузі мікроелектроніки спричинили широке розповсюдження спеціалізованих мікроЕОМ і персональних комп’ютерів, світовий парк яких на сьогодні складає більше кількох сот млн. одиниць. Ці комп’ютери займають зараз ключові позиції в різних сферах виробництва і управління.

РОЗДІЛ 1

ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ ЕЛЕКТРОННИХ СХЕМ І СИГНАЛІВ.

1.1 Основні поняття електронної схемотехніки

Основне призначення електронної схеми – отримання потрібного електричного вихідного сигналу, який діє на навантаження чи споживача з необхідним ефектом. Цей сигнал в одних випадках отримується за рахунок відповідних перетворень вхідного сигналу, а в інших – без подачі на вхід схеми зовнішнього сигналу, а тільки за рахунок перетворення енергії джерела живлення. Приклад електронної схеми показано на рис. 1.1.

Рисунок 1.1- Електронна схема підсилювача запису для магнітофона на інтегральній мікросхемі К548УН1

Ми бачимо, що наведена електронна схема має в своєму складі такі пасивні компоненти, як резистори (R1, R2, R3), конденсатори (С1, С2, С3, С4, С5), індуктивність L1, напівпровідниковий стабілітрон VD1, інтегральну мікросхему DA1, перетворювачі електричної енергії – мікрофон ВМ і магнітну головку Е1. Більш складні електронні схеми можуть містити в собі багато інших радіоелектронних елементів.

Робота електронної схеми може полягати в виконанні однієї або кількох операцій:

- перетворенні якогось параметра електричного сигналу (напруги, сили струму, частоти, фази) в той же параметр з іншою величиною (наприклад, підсилення напруги сигналу), або в інший електричний параметр (перетворення напруги в частоту і т. і.);

- перетворенні одного виду енергії в інший (світлова, теплова, механічна і інші можуть перетворюватись в електричну і навпаки);

- виконанні різних логічних операцій.

Електрична або неелектрична величина, що підлягає перетворенню електронною схемою, називається вхідним сигналом, а місце введення цього сигналу – входом схеми. Електрична або неелектрична величина, в яку перетворюється вхідний сигнал, називається вихідним сигналом, а місце, звідки знімається цей сигнал – виходом електронної схеми. В наведеному на рис. 1.1. прикладі електронної схеми вхідним є сигнал, знятий з мікрофона, а вихідним – підсилений по амплітуді сигнал, що подається на магнітну головку.

Вхідний сигнал подається на електронну схему від джерела вхідного сигналу, яким може бути який-небудь давач (мікрофон, термопара, фотоелемент і т. і.), природне джерело електричного струму (біоорганізм, хімічне джерело струму та інші), а також вихідний сигнал іншого каскада (каскад – частина схеми, яка виконує елементарну операцію перетворення сигналів).

Джерелом неелектричного вхідного сигналу можуть служити свічення предмета (потік променевої енергії), нагріте тіло (температура), коливання мембрани (звук) і т. і.

Споживачем вихідного електричного сигналу може бути електричний вимірювальний пристрій, гучномовець, обмотка реле, електродвигун, тобто вхід якогось виконавчого пристрою, іншого каскада або кола його живлення.

Електронна схема складається з одного або декількох каскадів. На рис. 1.2 наведені варіанти побудови електронних схем, які найбільш часто зустрічаються. Подібні схеми називаються структурними.

З наведеного рис. 1.1. видно, що електронні схеми можуть мати одноканальну (рис. 1.2,а), двохканальну (рис. 1.2, б, в, г) структури, а також структури із зворотнім зв’язком (рис. 1.2, д), який вводиться спеціально або виникає через наявність паразитних кіл. Кожен каскад в цих електронних схемах є якби джерелом (генератором) електричного сигналу, що живить вхідне коло наступного каскада, який, таким чином, відіграє роль навантаження цього генератора.

Часто, як окремі каскади електронної схеми, так і всю схему заміщують схемою чотириполюсника з двома вхідними і двома вихідними затискачами (рис. 1.3.).

Рисунок 1.2- Варіанти побудови електронних схем: а) – дноканальна по навантаженню; б) – двоканальна по входу; г) –двоканальна з загальним входом і виходом; д) – із зворотним зв’язком. Д – давач; ЕК – електронний каскад; Н – навантаження

Рисунок 1.3- Схема заміщення електронної схеми чотириполюсником

Це дає змогу охарактеризувати електронну схему по принципу “вхід – вихід”. Основними характеристиками такого типу є амплітудна, амплітудно-частотна, фазо-частотна, амплітудно-фазова і перехідна.

Амплітудна характеристика – представляє собою залежність величини вихідного сигналу від вхідного:

Uвих=fUU(Uвх),

Iвих =fIU (Uвх),

Uвих=fUI (Iвх),

Iвих =fII (Iвх).

На рис. 1.4, а, б наведені приклади лінійної і нелінійної амплітудних характеристик, а на рис. 1.4, в – реальна анодно-сіткова характеристика лампового тріода Iа=f(Uск).

Рисунок 1.4- Амплітудні характеристики: а – лінійна; б – нелінійна з наближеним до лінійного участком 1-2; в – для лампового тріода

Для каскадів, що містять електронні прилади, амплітудна характеристика нелінійна і може мати лише приблизно лінійні участки. Наявність нелінійностей викликає нелінійні спотворення форми сигналу.

Відношення нескінченно малого приросту вихідного сигналу до нескінченно малого приросту вхідного сигналу, який його визвав, називається коефіцієнтом передачі цієї схеми

Для лінійних схем зв’язок між вихідним і вхідним гармонічними сигналами визначається комплексними коефіцієнтами передачі (ККП), під яким розуміють відношення комплексної амплітуди вихідного сигналу схеми до комплексної амплітуди вхідного сигналу:

. (1.1)

В формулі (1.1) - це модуль ККП, або амплітудно-частотна характеристика (АЧХ), яка дорівнює відношенню вихідного сигналу до вхідного на заданій частоті; - фазочастотна характеристика (ФЧХ) схеми, що дорівнює різниці фаз вихідного і вхідного сигналів.