эиэ. Технология мяса и мясных продуктов, 260303 Технология молока и молочных продуктов. СанктПетербург 2009 2
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
к вых к к E u R i ), те. напряжения u вых Базовый делитель (резисторы R 1 и R 2 ) обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, те. отсутствия входного сигнала. Резистор R 1 предназначен для создания цепи протекания тока I Бп Совместно с R 2 резистор R 1 обеспечивает исходное напряжение на базе U Бп относительно зажима « + » источника питания. Резистор Э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Конденсатор Э шунтирует резистор Э попеременному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде попеременным составляющим. Отсутствие конденса- + к E вт R вх E к R н R 1 R 2 R э R 1 C 2 C э C i вх u вх б I Бп б I Кп +i к I Эп э н u вых н Рис. 65 94 тора Э привело бык уменьшению коэффициентов усиления схемы. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя I Кп от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока I Кп его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести к искажению формы кривой выходного сигнала. Принцип действия каскада с ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход усилительного каскада переменного напряжения u вх приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора. За счет падения напряжения на резисторе к создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор C 2 передается на выход каскада – в цепь нагрузки. Ток базы будет меняться в соответствии с входной характеристикой (см. рис. 55) и будет иметь кроме постоянной составляющей I Бп еще и переменную б. Одновременно будут меняться токи к и i б Зная изменение тока к, можно проследить за изменением коллекторного напряжения и падением напряжения на резисторе к. Переменная составляющая коллекторного напряжения – это и есть выходное напряжение усилительного каскада, которое численно равно и противоположно по фазе переменной составляющей падения напряжения на резисторе к (U вых = к к, так как усилительный каскад с ОЭ осуществляет поворот по фазе на 180 выходного напряжения относительно входного. Ток коллектора к значительно больше тока базы бак R вх , следовательно, выходное напряжение U вых значительно больше входного напряжения U вх Чтобы увеличить коэффициент усиления каскада, величину резистора К выбирают враз больше величины резистора Н. Небольшое значение входного сопротивления является главным недостатком усилительного каскада с ОЭ. Это увеличивает ток источника сигнала и мощность потерь в его внутреннем сопротивлении. Для оценки диапазона изменений входных напряжений, усиливаемых без искажений, используется амплитудная характеристика, представляющая собой зависимость амплитудного значения выходного 95 напряжения от амплитудного значения входного напряжения при постоянной частоте питающего тока const вх вых f U F U (риса. Участок 1–3 соответствует пропорциональной зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного сигнала. Поэтому участку можно определить коэффициент усиления по напряжению. Амплитудная характеристика не проходит через начало координат ввиду наличия на выходе напряжения собственных помехи шумов усилителя. По величине U min оценивают уровень минимальных напряжений входного сигнала (чувствительность) усилителя. При достижении некоторого значения входного сигнала, соответствующего точке 3, пропорциональность зависимости выходного напряжения от входного сигнала нарушается. Если изменение входного напряжения тока базы и тока коллектора укладываются в линейный участок характеристики, то форма выходного напряжения будет соответствовать форме входного напряжения (например, на входе – синусоида и на выходе – синусоида. Граничной точкой является точка 4, в которой выходное напряжение достигает своего максимального значения и его форма не искажается по сравнению с входным (режим насыщения. Для оценки свойств многокаскадного усилителя с конденсаторной связью на разных частотах пользуются амплитудно-частотной характеристикой, те. зависимостью коэффициента усиления усилителя от частоты питающего тока при постоянном значении входного сигнала const - вх U U f F K (рис. 66, б. Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров транзистора от частоты приводят к тому, что при изменении U вых K U U min 1 2 3 4 U вх а f Н K U f f 1 f 2 В б Рис. 66 96 частоты входного сигнала напряжение на выходе усилителя изменяется как по амплитуде, таки по фазе. Поэтому на практике приходиться исследовать еще фазочастотную характеристику усилителя, которая является зависимостью угла фазового сдвига от частоты. Обычно влияние параметров элементов схемы на ход указанной характеристики исследуют в области низких (Ни высоких (В) частот. По амплитудно-частотной характеристике можно определить тот диапазон частот, на котором можно работать с постоянным коэффициентом усиления без частотных искажений. Этот диапазон частот (f 1 f 2 ) называется полосой пропускания частот усилителя (рис. 66, б. Для улучшения показателей усилителя или придания ему некоторых специфических свойств (например, осуществление температурной стабилизации в одиночных усилительных каскадах, а также для построения усилителей на линейных интегральных микросхемах применяются обратные связи (ОС. Обратной связью называется воздействие выходной величины усилителя на его вход, те. обратная связь осуществляется подачей на вход усилителя сигнала сего выхода. В усилителях применяются различные виды обратных связей. Вид ОС зависит от параметра выходного сигнала, используемого для создания обратной связи, и способа подачи обратной связи на вход усилителя. В зависимости от этого ОС бывают по напряжению и потоку, последовательные и параллельные, положительные и отрицательные, попеременной или по постоянной составляющей. Воздействие обратной связи может привести либо к увеличению (часть выходного сигнала складывается с входным, либо к уменьшению (часть выходного сигнала вычитается из входного) результирующего сигнала на входе усилителя. В первом случае ОС называется положительной во втором – отрицательной. Положительная обратная связь в усилителях почти не применяется, но лежит в основе работы различного рода автогенераторов. Отрицательная обратная связь используется в усилителях очень широко. Она позволяет создавать на основе усилителей устройства различного функционального назначения сумматоры и вычитатели напряжения, интеграторы, фильтры и т. д. 97 8. ПОНЯТИЕ О ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ И МИКРОПРОЦЕССОРАХ 8.1. Логические элементы Логические элементы (узлы) предназначены для выполнения различных логических (функциональных) операций над дискретными сигналами при двоичном способе их представления (1; 0). Преимущественное распространение получили логические элементы потенциального типа. В них используются дискретные сигналы, нулевому значению «0» которых соответствует уровень низкого потенциала, а единичному значению «1» – уровень высокого потенциала (отрицательного или положительного. Потенциальные логические элементы нашли исключительное применение в интегральном исполнении в виде микросхем. Микросхема – это электронный узел, блок или устройство, изготовленное с высокой степенью миниатюризации, в которой каждый электронный компонент представляет собой не отдельно взятый транзистор, диод, резистор, конденсатор и т. да их неразъемное схемное соединение. Количество элементов, входящих в микросхему, может достигать тысячи более элементов. Применение микросхем легло в основу современного направления электроники – микроэлектроники, которая решает проблемы повышения надѐжности, уменьшения массогабаритных показателей и стоимости электронной аппаратуры. Логические биполярные микросхемы чаще всего выполняются на транзисторах типа n-p-n c напряжением питания к > 0, причѐм «1» – соответствует закрытое состояние транзистора, а «0» – открытое. Процесс перехода транзистора из одного состояния в другое достаточно быстрый. Все схемы цифровой техники выполняются на логических интегральных микросхемах. Работу логического элемента можно описать зависимостью логического значения выходного сигнала F от совокупности логических значений входных сигналов x. Такую зависимость принято представлять таблицей истинности. Для любых логических преобразований достаточно иметь три элементарных логических элемента, выполняющих следующие операции логическое сложение (логическое ИЛИ, логическое умножение (логическое И) и логическое отрицание (логическое НЕ. Логический элемент ИЛИ – имеет несколько входов и один общий выход. Элемент ИЛИ осуществляет логическое сложение дизъюнкцию. F = x 1 x 2 , или F = x 1 + где F – функция x 1 ……x n – аргументы (переменные двоичные сигналы на входе. Его условное обозначение показано на риса, а электрическая схема на полупроводниковых диодах – на рис. 67, б. Функция F = 0, когда все ее аргументы равны нулю, и F = 1 при одном, нескольких или всех аргументах, равных единице. Значение на выходе создается передачей входного сигнала вследствие отпирания соответствующего диода. К диодам, для которых входной сигнал равен нулю, прикладывается обратное напряжение, и они находятся в закрытом состоянии. Логический элемент И – имеет несколько входов и один выход. Элемент И осуществляет логическое умножение конъюнкцию. F = x 1 x 2 или F = x 1 x 2 F а VD 1 VD 2 VD n R x 1 x 2 x n б F x 1 x 2 Рис. 67 F = x 1 x 2 … x n или F = x 1 + x 2 +…+ x n 99 Его условное обозначение показано на риса, а электрическая схема на полупроводниковых диодах – на рис. 68, б. Функция F = 0, когда хотя бы один из ее аргументов равен нулю и F = 1 при всех аргументах, равных единице. Логический элемент И является схемой совпадения сигнал «1» на выходе появляется при совпадении сигналов «1» на всех входах. Отличие схемы Ирис, бот схемы ИЛИ (рис. 67, б) заключается в изменении полярности включения диодов и наличии резистора R 1 , подключенного к шине «+» источника питания. При всех входных сигналах, равных единице, на катодах диодов имеется положительный потенциал относительно общей точки и все диоды закрыты. На выходе схемы создается напряжение ER 2 / (R 1 +R 2 ), определяющее F = 1. При нулевом значении сигнала хотя бы на одном из входов соответствующий диод будет проводить токи шунтировать резистор выполняющий роль нагрузки. Напряжение на выходе при этом определяется падением напряжения на открытом диоде и близко к нулю (F = 0). На рис. 68, б показан вариант, когда x 1 = 0 и ток проводит диод VD 1 . Увеличение числа входов с нулевым значением сигнала приводит только к увеличению числа проводящих диодов, а функция F остается равной нулю. F R 1 R 2 VD 2 VD 1 VD n x 2 x 1 x n +E I 1 F x 1 x 2 а б Рис. 68 F = x 1 x 2 … x n или F = x 1 x 2 … x n . 100 Логический элемент НЕ – имеет один входи один выход. Элемент НЕ выполняет операцию отрицания (инверсии, в связи с чем его часто называют логическим инвертором Им реализуется функция Сигнал x = 0 на входе соответствует F = 1 и, наоборот, при x = 1 F = 0. Логический элемент НЕ представляет собой ключевую схему на транзисторе (рис 69, б, его условное обозначение показано на риса. При x = 0 (U ВХ = 0) транзистор закрыт, напряжение U кэ к, те. При x = 1 (U вх = U вх.отп ) транзистор открыт, напряжение U кэ = = U кэ.откр 0, те. Открытое состояние транзистора обеспечивается заданием тока базы, вводящего транзистор в режим насыщения На практике часто используется расширенный набор логических элементов. К ним относятся логические элементы ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса, реализующий функцию 2 1 x x F ; И-НЕ (штрих Шеффера), реализующий функцию 2 к F x x F U вх.отп F к б б 0 1 каб Рис. 69 101 Рабочие свойства логических элементов определяет ряд параметров быстродействие – время задержки между сменой состояний входного и выходного сигналов – нагрузочная способность или коэффициент разветвления – число входов, которые можно подключить к одному выходу – помехоустойчивость – максимально допустимый уровень напряжения помехи, не вызывающий ложного переключения – степень генерирования помех – интенсивность колебаний тока при переключении элементов – мощность рассеяния – мощность потерь энергии в элементах. 8.2. Микропроцессоры Микропроцессор (МП) – это информационное устройство, которое по программе, задаваемой управляющими сигналами, обрабатывает информацию, те. реализует операции арифметические, логические, ввода, вывода и т. д. Микропроцессор реализуется в виде одной или нескольких микросхем высокой степени интеграции и обладает меньшими функциональными возможностями, чем процессор ЭВМ. Микропроцессор применяется совместно с микроэлектронными элементами – запоминающим устройством программы (ЗУП); – запоминающим устройством данных (ЗУД – устройством ввода – вывода (УВВ). Система, состоящая из микропроцессора и указанных устройств, называется микропроцессорной системой (микроЭВМ. Общая функциональная схема системы с микропроцессором показана на рис. 70. Эта система содержит следующие функциональные элементы ЗУП – осуществляет хранение команд, составляющих программу микропроцессора, причѐм информация, записанная в нѐм не теряется при перерывах в напряжении питания. ЗУД – осуществляет хранение данных, предназначенных для обработки микропроцессором. 102 УВВ – обеспечивает ввод данных в ЗУД и их вывод к внешним приборами устройствам. Генератор тактов осуществляет функционирование всех узлов и блоков микропроцессорной системы. Устойство управления при помощи генератора тактовых сигналов обеспечивает требуемую последовательность работы элементов для выполнения команды. Блоки микропроцессорной системы связаны трактом передачи адресов для выборки микропроцессором команд из ЗУП и данных из ЗУД или УВВ , а также трактом передачи команд из ЗУП в микропроцессор и данных из ЗУД или УВВ в микропроцессор и от него. Оба тракта передачи информации состоят из некоторого количества проводников, каждый из которых может подключаться к соответствующим приемниками источникам микропроцессорной системы, осуществляя многократное использование каждого проводника для создания связи между узлами блоков всей системы. Это достигается устройством управления микропроцессора, осуществляющим разделение во времени соответствующих связей мультиплексирование. Тракт передачи информации можно сравнить с двусторонней транспортной магистралью, предназначенной для доставки пассажиров в требуемые пункты назначения. Система с микропроцессором оперирует информацией в двоичной системе исчисления (1–0). Каждый разряд двоичного числа называется битом. Например число 1110 – четырѐхбитовое двоичное число, а число 110 – трѐхбитовое. Крайний слева бит имеет наибольший Тракт передачи данных от внешних приборов и обратно ЗУП ЗУД УВВ МИКРОПРОЦЕССОР Тракт передачи адресов Тракт передачи команд и данных Генератор тактов Рис. 70 103 вес, крайний справа – наименьший (соответственно старший бит и младший. Информация, которую обрабатывает микропроцессор, представляется группой битов, составляющих слово. Количество битов в слове зависит от типа микропроцессора. Наиболее распространѐнные слова составляют длину 4, 8, 12, 16 бит. Количеством битов в слове определяется число разрядов приемных регистров, входящих в сверхоперативную память микропроцессора. Биты, образующие слово, подразделяются на группы группа избит называется байтом. Деление слова на байты позволяет упростить представление двоичного слова, применив шестнадцатиричную форму записи (шестнадцатиричный код. Представление двоичного слова в шестнадцатиричном коде позволяет уменьшить вероятность появления ошибок при составлении программы работы микропроцессора, а также упростить технику ее трансляции. Микропроцессор – сложное цифровое устройство, состоящее из множества функциональных узлов. Независимо от типа микропроцессора можно выделить отдельные функциональные узлы, составляющие основу его построения – счѐтчик команд – содержит адрес команды из ЗУП в текущий момент времени – регистр команд – осуществляет хранение в микропроцессоре команды, считанной с ЗУПна периоде выполнения – формирователь адресов операндов – один или несколько регистров, в которых составляется адрес данных (операнда) передоб- ращением в ЗУД АЛУ(арифметическо-логическое устройство – осуществляет операции сложения, вычитания, сравнения, операции И, ИЛИ, над двумя числами (операндами) с выдачей результата по одному выходу аккумулятор – основной регистр служит для ввода данных в микропроцессор и вывода их от него. В аккумулятор поступает операнд из ЗУД перед проведением соответствующей операции в АЛУ. В аккумулятор вводится результат проведѐнной в АЛУ операции 104 – регистры сверхоперативной памяти – служат для временного хранения данных перед проведением операций в АЛУ. Если, например, требуется провести операцию сложения двух чисел, то одно число предварительно хранится в аккумуляторе, авто- роев одном из регистров сверхоперативной памяти. У большинства микропроцессоров количество регистров сверхоперативной памяти равно 6. К началу выполнения программы микропроцессор должен находиться в исходном состоянии – для этого подаѐтся сигнал установка нуля, которым все регистры микропроцессора, в том числе счетчик команд, устанавливаются в исходное нулевое состояние 105 |