МДК 01.02 ответы 20ш.(1). 1. Физические основы электронных приборов Основные физические характеристики электронных приборов
 Скачать 398.19 Kb.
|
|
R- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); S- усилитель считывания с цифровым выходом; Y- прочие микросхемы. Следующие затем первые две цифры указывают серийный (регистрационный) номер (от 10 до 99), а третья цифра - диапазон рабочих температур: 0- температурный диапазон не нормирован; 1- от 0 до +70С; 2- от -55 до +125C; 3- от -10 до +85C; 4- от +15 до +55C; 5- от -25 до +70C; 6- от -40 до +85C. Например, ИМС типа FYH121 является цифровой логической ИМС и относится к семейству ЭСЛ. Она совместима с другими ИМС этой серии (семейства), т.е. используется при таком же напряжении питания, при таком же напряжении питания, при тех же входных и выходных уровнях, имеет то же быстродействие. Это третий прибор серии (цифра 12), работает в температурном диапазоне 0-70С. Источник: справочник "Обозначения, товарные знаки, корпуса ИМС". Информация, конечно, не новая, но вдруг кому-нибудь пригодится, так что пусть будет . 13. Разновидности индикаторов Виды индикаторов В зависимости от способа преобразования перемещения индикаторы делятся на часовые, рычажно-зубчатые и пружинные. Рассмотрим основные типы индикаторов по порядку. 1. Индикаторы часового типа (ИЧ) являются наиболее распространенными на предприятиях машиностроения, металлургического комплекса, в ремонтных мастерских. Состоят ИЧ из цилиндрического корпуса, шестеренной передачи и зубчатой рейки. На индикаторе стрелочного типа нанесены две шкалы: большая — для измерения отклонения, и малая — для отсчета числа оборотов стрелки. Так, например, для ИЧ с точностью 0,01 мм, если измерительный наконечник перемещается на миллиметр, стрелка на шкале делает полный оборот. Требования к характеристикам индикаторов часового типа указаны в ГОСТ 577-68. Стандарт регламентирует изготовление ИЧ с диапазонами измерения 0–2, 0–5, 0–10 и 0–25 мм. Помимо ИЧ, в которых измерительный шток перемещается параллельно шкале, выпускаются индикаторы часового типа с перпендикулярным перемещением (ИТ). 2. Индикаторы рычажного типа внешне схожи с ИЧ и тоже оснащены стрелочным индикатором, но зубчатая рейка заменяется двумя неравноплечими рычажными парами, благодаря которым увеличивается передаточное число механизма. Многооборотные рычажные индикаторы типа МИГ по ГОСТ 9696-82 отличаются высокой точностью до 0,001 мм. Межгосударственный стандарт ГОСТ 5584-75 регламентирует требования к моделям прямого контакта с измерительным рычагом (ИРТ) и бокового действия (ИРБ). 3. Пружинные индикаторы ИГП (микрокаторы) отличаются универсальностью и точностью измерений, подходящей для контроля размеров изделий 5-го и 6-го квалитетов. Изготовление измерительных головок пружинных (ИГП) регламентируется межгосударственным стандартом ГОСТ 28798-90. Принцип работы устройств основан на изменении длины пружины под действием рычага, которое приводит в движение стрелку индикатора. Поскольку трение в измерительном механизме отсутствует, погрешность пружинных индикаторов достигает 0,0001 мм. Недостаток ИГП заключается в ограниченном диапазоне измерений, что решается наличием разных модификаций. * Микрокаторы общего типа ИГ изготавливаются с ценами деления от 0,0001 и диапазонами измерения от 0,008 до 0,600 мм. * Микаторы ИПМ (пружинные малогабаритные) и ИПМУ (пружинные малогабаритные с уменьшенным измерительным усилием) имеют цену делению от 0,0002 мм, а также малые диапазоны измерения — от 0,02 до 0,20 мм. Согласно стандарту, выпускаются виброустойчивые (ИГПВ) и виброустойчивые герметизированные (ИГПВГ) приборы. * Миникаторы ИРП используют для измерения отклонений в труднодоступных местах. ИРП с длинным наконечником меряет с точностью 0,002 мм в диапазоне 0–16 мм; с коротким — 0,001 мм в диапазоне 0–8 мм. * Оптикаторы (П и ПР) совмещают пружинный механизм с оптической системой, вместо стрелочной шкалы применяются осветитель и зеркало. Такое сочетание расширяет диапазон измерения оптикаторов от 0–24 до 0–250 мм при абсолютных погрешностях от 0,0001 до 0,001 мм соответственно. 14. Общая характеристика импульсных устройств Импульсными называются устройства, работающие в прерывистом режиме, т. е. кратковременное воздействие чередуется с паузой, длительность которых соизмерима с длительностью переходных процессов. Это предопределяет существенные особенности электронных устройств, работающих в импульсном режиме. Преимущество перед непрерывным режимом: 1 В импульсном режиме может быть достигнута значительная мощность во время действия импульсов при малом значении средней (за период их повторения) мощности устройства. Габариты и вес электронной аппаратуры, определяемые средней мощностью, существенно снижаются. 2 Импульсный режим позволяет ослабить влияние t° и разброса параметров полупроводниковых приборов на работу устройств (т. к. уменьшается энергия, выделяемая в импульсных устройствах). 3 Значительно повышается пропускная способность и помеха-устойчивостьэлектронной аппаратуры. 4 Для реализации даже сложных импульсных устройств требуется большое число сравнительно простых однотипных элементов. Независимо от функционального назначения импульсных устройств общее для них: 1 Быстрота процесса изменения тока и напряжения; 2 Приборы в таких устройствах (диоды, транзисторы) работают в ключевом режиме: включено – выключено; 3 Сигналы на входах и выходах имеют конечные (дискретные) значения: наличие импульса – отсутствие импульса, высокий уровень – низкий уровень. Поэтому такие системы подразделяют на импульсные и потенциальные. Дискретное представление сигналов в виде импульсов или перепадов позволяет использовать двоичную систему счисления для обработки информации (цифровой), а системы обработки – дискретные или цифровые. 15. Диодные и транзисторные электронные ключи Общие сведения об электронных ключах Электронный ключ — это элемент, который под действием управляющих сигналов, изменяющихся во времени по заданному закону, осуществляет различные коммутации (включение и выключение) внешних цепей. В статическом режиме электронный ключ находится в одном из двух состояний — включенном (замкнутом) или выключенном (разомкнутом). При этом предполагается, что сопротивление замкнутого ключа равно нулю, а разомкнутого — бесконечно велико.  Рис. 11.15. Структурная схема электронного ключа Качество электронного ключа определяется следующими основными параметрами: падением напряжения на ключе в разомкнутом состоянии; временем перехода (переключения) ключа из одного состояния в другое. Чем меньше все эти параметры, тем выше качество ключа. Структурная схема электронного ключа представлена на рис. 11.15. Ключ имеет вход, выход и управляющий вход. В электронных ключах часто входной сигнал выполняет функции управляющего сигнала. В качестве входных, выходных и управляющих сигналов в электронном ключе могут быть выбраны импульсы напряжения или уровни напряжения (потенциалы). В связи с этим различают импульсные, потенциальные и потенциально-импульсные ключевые схемы. В зависимости от характера коммутируемого сигнала электронные ключи разделяются на импульсные (цифровые) и аналоговые ключи. Цифровые ключи коммутируют напряжение или ток источника сигнала и обеспечивают получение двух уровней сигнала на выходе. Один уровень соответствует открытому состоянию ключа, а другой — закрытому. Аналоговые ключи обеспечивают подключение и отключение источников аналоговых (непрерывных) сигналов, имеющих произвольную форму напряжения. Для построения электронных ключей используются транзисторы, электронные лампы, полупроводниковые диоды, тиристоры. В зависимости от применяемых элементов электронные ключи получают и соответствующие названия. В данном разделе рассматриваются диодные, транзисторные и тиристорные ключи как устройства, имеющие наибольшее практическое применение. Диодные ключи. Диодные ключи представляют собой простейший тип электронных ключей, предназначенных для бесконтактной коммутации электрической цепи. Принцип действия диодных ключей основан на свойстве диодов — односторонней проводимости. По способу включения диодов в электрической цепи различают последовательные и параллельные диодные ключи. Физические процессы, протекающие в диодных ключах, при включении и выключении оказываются сложными переходными процессами. Полный анализ этих процессов связан с рассмотрением переходных процессов изменения не только дифференциального сопротивления /*диф, но барьерной и диффузионной емкости электронно-дырочного перехода. Изменение /*диф, Сдифф и Сбар происходит не мгновенно, а экспоненциально, что влияет на форму выходного сигнала. Для исключения большого влияния переходных процессов на форму выходного сигнала необходимо в схемах применять диоды высокого быстродействия и с малой барьерной емкостью. Для упрощения рассмотрения физических процессов в диодных ключах принимаем, что диоды быстродействующие и барьерная емкость минимальна. Транзисторные ключи. Транзисторные ключи являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. На их основе создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т.д. В транзисторных ключах используются как биполярные транзисторы структуры р-п-р- и п-р-п-типа, так и униполярные транзисторы преимущественно МДП- и МОП-структуры. В схемах ключей находят применение все схемы включения транзисторов — ОЭ, ОК, ОБ, ОИ, ОС и 03. Однако наибольшее распространение получили схемы с ОЭ и ОИ, которые мы рассмотрим ниже. Так как выходное и входное напряжения при таком включении транзисторов сдвинуты относительно друг друга по фазе на 180°, то такой ключ называют транзисторным ключом — инвертором. В схемах транзисторных ключей, где транзисторы включены по схеме с ОК или ОС, фазы выходного и входного напряжения совпадают, такие ключи называют повторяющими. В транзисторных ключах транзисторы работают в нескольких качественно различных режимах, которые характеризуются полярностью напряжения между электродами транзистора и во многом отличаются от режимов работы транзисторов в схемах усилителей. Принято различать следующие режимы работы транзисторного ключа: режим отсечки; нормальный активный; инверсный активный; режим насыщения. Схема транзисторного ключа подобна схеме транзисторного усилителя, однако выполняемые функции и соответственно режимы работы активного элемента в них существенно различаются. Транзисторный ключ выполняет функции быстродействующего переключающего элемента, т.е. ключа, и имеет два основных состояния: разомкнутое, которому соответствует режим отсечки транзистора (транзистор закрыт), и замкнутое, которое характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему (транзистор открыт). В течение процесса переключения транзистор работает непродолжительное время в активном режиме. Процессы в электронных ключах носят нелинейный характер. Транзисторные ключи могут коммутировать как аналоговые сигналы, так и цифровые. Построение и работа схемы ключей на биполярных и полевых транзисторах имеют существенные различия, связанные с особенностями принципов действия транзисторов и их включения в схемах, поэтому мы рассмотрим схемы ключей на транзисторах разного типа по отдельности. 16. Формирование импульсов: ограничители Ограничители Ограничителем, или, более точно, амплитудным ограничителем, называют нелинейный четырехполюсник, предназначенный для ограничения амплитуды или изменения формы сигнала. Различают ограничители по максимуму (или ограничители «сверху»), ограничители по минимуму (или ограничители «снизу») и двусторонние ограничители. В качестве ограничителей используются ключевые схемы на диодах, стабилитронах и транзисторах. Ограничители иногда называют формирователями напряжения. Ограничители, построенные на диодах и стабилитронах, называют пассивными, а на транзисторах — активными или усилителями-ограничителями. Ограничители применяют для формирования импульсов с постоянной амплитудой, для выравнивания вершины импульсов, получивших какие-либо искажения при передаче через импульсные цепи, для получения напряжения по форме, близкой к прямоугольной форме, из синусоидального напряжения. Ограничители могут входить в качестве составной части и в более сложные импульсные устройства. Ограничители в составе импульсных устройств осуществляют отбор импульсов с заданными параметрами. Ограничители по минимуму позволяют выделить импульсы с амплитудой, превышающей некоторое заданное значение. При ограничении «снизу» на выход пропускается только та часть входного напряжения, которая расположена выше уровня ограничения; при ограничении «сверху» пропускается часть входного напряжения, расположенная ниже уровня ограничения; при двустороннем ограничении пропускается часть входного напряжения, уменьшенная по амплитуде сверху и снизу. Простейшими диодными ограничителями логично считать и рассмотренные выше диодные ключи последовательного и паралдельного типов, так как в этих ключах ограничивается прохождение на выход сигнала одной полярности, а сигнал другой полярности не пропускается. Следует отметить, что принцип работы схем ключей как ограничителей не отличается от работы рассмотренных выше схем ключей. Таким образом, ограничители можно, как и диодные ключи, классифицировать по способу включения диодов: последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. В зависимости от включения диодов можно построить ограничители «сверху», когда не пропускаются импульсы положительной полярности, и ограничители «снизу», когда не пропускаются импульсы отрицательной полярности. Ограничители «снизу» и «сверху» называются односторонними, а ограничители, ограничивающие сигнал и «снизу» и «сверху», называются двусторонними. Также можно построить и более сложные схемы ограничителей, которые пропускают сигнал с входа на выход с определенного уровня входного сигнала, т.е. ограничивают уровень пропускаемого сигнала, так как включение ограничителя (бесконтактное соединение входа с выходом) происходит на определенном уровне входного сигнала, заданном при построении схемы. Таким образом, ограничители классифицируются еще по уровню включения: с ненулевым и нулевым уровнем включения. 17. Формирование импульсов: дифференцирующие цепи Дифференцирующая RC-цепь. Из названия цепи, в принципе, уже понятно, что за элементы входят в ее состав - это конденсатор и резистор. И выглядит она следующим образом: Работа данной схемы основана на том, что ток, протекающий через конденсатор, прямо пропорционален скорости изменения напряжения, приложенного к нему: i = C\medspace\frac{du_c}{dt}i=Cdtduc Напряжения в цепи связаны следующим образом (по закону Кирхгофа): u_{out} = u_{in}\medspace-\medspace u_cuout=uin−uc В то же время, по закону Ома мы можем записать: u_{out} = i R = C R\medspace\frac{du_c}{dt}uout=iR=CRdtduc Выразим u_cuc из первого выражения и подставим во второе: u_{out} = C R\medspace\frac{du_c}{dt} = C R\medspace(\frac{du_{in}}{dt}\medspace-\medspace \frac{du_{out}}{dt}\medspace)uout=CRdtduc=CR(dtduin−dtduout) u_{out} = C R\medspace\frac{du_{in}}{dt}\medspace-\medspace C R\medspace\frac{du_{out}}{dt}uout=CRdtduin−CRdtduout При условии, что C R\medspace\frac{du_{out}}{dt} << u_{out}CRdtduout< u_{out} \approx C R\medspace\frac{du_{in}}{dt}uout≈CRdtduin Таким образом, цепь полностью оправдывает свое название, ведь напряжение на выходе представляет из себя дифференциал входного сигнала. Но возможен еще и другой случай, когда C R\medspace\frac{du_{out}}{dt} >> u_{out}CRdtduout>>uout (быстрое изменение напряжения). При выполнении этого равенства получаем другую ситуацию: C R\medspace\frac{du_{in}}{dt} = C R\medspace\frac{du_{out}}{dt}CRdtduin=CRdtduout То есть: u_{out} \approx u_{in}uout≈uin. Можно заметить, что условие C R\medspace\frac{du_{out}}{dt} << u_{out}CRdtduout< \tau = R Cτ=RC Давайте разберемся, какой смысл несет в себе эта характеристика. Заряд и разряд конденсатора происходят по экспоненциальному закону: u = U_0\medspace e^{-t/\tau}u=U0e−t/τ Здесь U_0U0 - напряжение на заряженном конденсаторе в начальный момент времени. Теперь посмотрим, каким будет значение напряжения по истечении времени \tauτ: U_{\tau} = U_0\medspace e^{-\tau/\tau} = U_0\medspace e^{-1} \approx 0.37\medspace U_0Uτ=U0e−τ/τ=U0e−1≈0.37U0 Напряжение на конденсаторе уменьшится до 37% от первоначального. Таким образом, \tauτ - это время, за которое конденсатор: при заряде - зарядится до 63% при разряде - разрядится на 63% (разрядится до 37%) С постоянной времени цепи разобрались, вернемся к дифференцирующей RC-цепи. Теоретические аспекты функционирования проанализировали, так что давайте посмотрим, как все это работает на практике. А для этого попробуем подавать на вход какой-нибудь сигнал и посмотрим, что получится на выходе. В качестве примера, подадим на вход последовательность прямоугольных импульсов: А вот как выглядит осциллограмма выходного сигнала (второй канал - синий цвет): Большую часть времени напряжение на входе неизменно, а значит его дифференциал равен 0 (производная константы = 0). Именно это мы и видим на графике, значит RC-цепь выполняет свою дифференцирующую функцию. А с чем связаны всплески на выходной осциллограмме? Все просто - при "включении" входного сигнала происходит процесс заряда конденсатора, то есть по цепи проходит ток и напряжение на выходе максимально. А затем по мере протекания процесса заряда ток уменьшается по экспоненциальному закону до нулевого значения, а вместе с ним уменьшается напряжение на выходе, ведь оно равно u_{out} = i Ruout=iR. Теперь увеличим масштаб осциллограммы и получим наглядную иллюстрацию процесса заряда: При "отключении" сигнала на входе дифференцирующей цепи происходит аналогичный переходный процесс, но только вызван он не зарядом, а разрядом конденсатора. В данном случае постоянная времени цепи имеет небольшую величину, поэтому цепь хорошо дифференцирует входной сигнал. По нашим теоретическим расчетам, чем больше мы будем увеличивать постоянную времени, тем больше выходной сигнал будет похож на входной. Давай проверим это на практике, будем увеличивать сопротивление резистора, что и приведет к росту \tauτ: Тут даже не надо ничего комментировать - результат налицо 👍 Мы подтвердили теоретические выкладки, проведя практические эксперименты, так что переходим к следующему вопросу - к интергрирующим RC-цепям. 18. Формирование импульсов: интегрирующие цепи |