Радиотехника. В. И. Левченко Минобрнауки России, Омгту. Омск Издво Омгту
 Скачать 4.77 Mb.
|
|
7.3. М ИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ Особое значение имеют специализированные компьютеры, которыми оснащаются разного рода бытовые и промышленные устройства. Такого рода встроенные компьютеры, называемые также микроконтроллерами, выполняют функцию управления устройствами и организации их пользовательских интерфейсов [2]. Диапазон устройств, работающих с помощью микрокомпьютеров, крайне широк − бытовые приборы (будильники, стиральные машины, микроволновые печи, охранные сигнализации и т. п − коммуникаторы (беспроводные и сотовые телефоны, факсимильные аппараты, смартфоны); − периферийные устройства (принтеры, сканеры, модемы, приводы CD-ROM); − развлекательные устройства (видеомагнитофоны, плееры, музыкальные центры, МРЗ-плееры, телеприставки); − формирователи изображений (телевизоры, цифровые фотокамеры, видеокамеры, объективы, фотокопировальные устройства − медицинское оборудование (рентгеноскопические аппараты, томографы, кардиомониторы, цифровые термометры 128 − военные комплексы вооружений (беспилотные летательные, наземные, подводные аппараты, межконтинентальные баллистические ракеты, торпеды − торговое оборудование (торговые автоматы, кассовые аппараты − игрушки (говорящие куклы, приставки для видеоигр, радиоуправляемые устройства − промышленное оборудование (станки, производственные линии и т. п) В любом современном автомобиле устанавливается несколько десятков микроконтроллеров, которые управляют различными подсистемами, в частности автоблокировкой колес, впрыском топлива, магнитолой, освещением и системой навигации. В реактивных самолетах количество микроконтроллеров достигает 200 и даже больше. Практически все приборы с источниками электропитания будут оснащаться микроконтроллерами. По объемам ежегодных продаж микроконтроллеры опережают компьютеры всех остальных типов на несколько порядков. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СЕТИ И НТЕРНЕТ История глобальных сетей началась в конце х годов. В самый разгар холодной войны Министерство обороны США поставило задачу создания сети, которая могла бы пережить даже ядерную войну. В то время все военные телекоммуникации базировались на телефонной сети общего пользования, которая была сочтена слишком уязвимой из-за наличия в ее составе узлового коммутатора, вывод из строя которого приводил к разрушению всей системы связи. Было принято решение о поиске новых методов, позволяющих создать компьютерную сеть с децентрализованной структурой, в которой был бы устранен главный недостаток централизованной структуры риса уязвимость единственного (центрального) узла. Но и при децентрализованной структуре (рис. 7.9, б) проблема уязвимости сохранялась, хотя ив меньшей степени. Альтернативу централизованной и децентрализованной архитектурам в виде распределенной сети предложил сотрудник корпорации RAND Па- уль Бэрен. 129 а б в Рис. 7.9. Принципы организации централизованной (а, децентрализованной (б)и распределенной (в) сетей В 1961 гон опубликовал первые статьи на тему создания сетей с распределенной архитектурой. П. Барен обратил внимание на то, что при поражении отдельных участков человеческого мозга нервные импульсы передаются по обходным маршрутам. В предложенной им распределенной архитектуре сети (рис. 7.9, в) вообще отсутствуют центральные концентраторы – каждый узел соединяется с несколькими соседними узлами (lattice-like configuration). Таким образом, каждый узел имеет несколько маршрутов для передачи данных, что позволяет сохранить работоспособность сети в случае разрушения большей части ее элементов. За активную научную деятельность и огромный вклад в развитие глобальной информационной инфраструктуры П. Бэрен был отмечен многими почетными наградами, включая медаль им. Александра Белла и награду Международного общества Маркони – MIF (Marconi International Fellowship). Первая передача данных посети между двумя компьютерами произошла 29 октября 1969 г. Сеть состояла из двух терминалов, первый из которых находился в Калифорнийском университете, а второй на расстоянии 600 км от него – в Стэнфордском университете. Тестовое задание заключалось в том, что первый оператор вводил слово LOG, а второй должен был подтвердить, что он видит его у себя на экране. Так возникла предпосылка для зарождения Интернета. Именно эту дату – 29 октября 1969 г, хотя тогда еще не появилось слово Интернет, считают его днем рождения. 130 Помимо помощи развивающейся сети ARPANET, агентство ARPA (Advanced Research Projects Agency – Управление перспективного планирования научно-исследовательских работ) также финансировало исследовательские работы по спутниковым сетями разработку мобильных пакетных радиосетей. К середине 1970 г. в сеть ARPANET вошли Массачусетский технологический институт, Гарвардский университет и ряд корпораций, расположенных на востоке страны, а в 1971 г. в ней работали уже 15 учреждений. В 1973 г. к сети подсоединились Университетский колледж в Лондоне и государственные службы в Норвегии, изобретен E-mail (электронная почта. Система ARPANET обеспечила надежную связь при обмене компьютерной информацией. В 1980 г. в Европейском центре ядерных исследований (CERN – Conseil European pour la Recherche Nucleaire) начал работать физики программист летний англичанин Тим Бернерс-Ли, который увлекся вопросами цифровой обработки результатов проводимых исследований и представления научной информации в режиме реального времени. 13 марта 1989 г. Тим Бернерс-Ли и другие сотрудники CERN представили доклад Информационный менеджмент некоторые приложения, содержавший программную концепцию свободного международного пользования общедоступными документами. Бернерс-Ли и его команда создали первый в мире браузер – World- Wide-Web (www) , первый веб-сервер и язык разметки гипертекста HTML. Проект World-Wide-Web был реализован в г. В 1995 г. был образован Консорциум Всемирной паутины (англ. World Wide Web Consortium, W3C) – организация, разрабатывающая и внедряющая технологические стандарты для Интернета. Его бессменным руководителем стал Тим Бернерс-Ли. С этого времени Всемирная паутина реконструировала Интернет, приспособила его к современным реалиям, взяла на себя обязанности основного маршрутизатора. Хотя в проектировании Интернета приняли участие тысячи специалистов, имена которых в большинстве находятся в безвестности, Тима Бер- нерса-Ли принято считать одним из основных изобретателей Всемирной паутины – сети Интернет. 131 Современные вычислительные системы и информационные технологии находят и будут находить все более широкое применение во всех областях человеческой деятельности – в науке и технике, в образовании и культуре, в производстве, на транспорте ив сфере обслуживания. Они формируют стиль жизни современного человека, его культуру, восприятие мира и образ действий. Контрольные вопросы к теме 7 1. Электронная элементная база ЭВМ первого, второго, третьего и четвертого поколений. 2. Основные логические принципы и структура ЭВМ. 3. Основные блоки архитектуры ЭВМ фон Неймана. 4. Основные критерии поколений ЭВМ. 5. Основные признаки ЭВМ первого поколения. 6. Основные признаки ЭВМ второго поколения. 7. Основные признаки ЭВМ третьего поколения. 8. Основные признаки ЭВМ четвертого поколения. 9. Особенности ЭВМ пятого поколения. 10. Области применения микроконтроллеров. 11. Отличие структуры Интернета от структуры телефонной сети. 12. Вклад Бернерса-Ли и его команды в развитие Интернета. Список рекомендуемой литературы 1. Штыков, В. В. Введение в радиоэлектронику : учебники практикум для вузов / В. В. Штыков. – е изд, испр. и доп. – М. : Юрайт, 2016. – 271 с. 2. Таненбаум, Э. Архитектура компьютера / Э. Таненбаум, Т. Остине изд. – СПб. : Питер, 2013. – 960 с. 3. Олифер, В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы учебник для вузов / В. Г. Олифер, НА. Олифер. – е изд. – СПб. : Питер, 2007. – 957 с. 4. Пятибратов, А. П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации учеб. пособие / А. П. Пятибратов, Л. П. Гудыно, А. А. Кириченко ; под ред. А. П. Пятибратова. – М. : КНОРУС, 2017. – 376 с. 132 Тема 8 ЭЛЕКТРОНИКА Электроника – это область техники, в которой взаимодействия электронов с электромагнитными полями используются для преобразования электромагнитной энергии, создания электронных приборов, а также устройств передачи, обработки и хранения информации. Электроника исследует эти взаимодействия как в макрообъемах – рабочем пространстве электронных приборов, таки в микрообъемах – атомах, молекулах или кристаллической решетке. Область, посвященная применению электронных приборов в промышленности промышленная электроника. Электроника и радиотехника тесно связаны, поэтому совместную область техники называют радиоэлектроника. Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры. С другой стороны, многие проблемы в радиотехнике привели к изобретению новых и совершенствованию действующих электронных приборов. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ Развитие электроники можно условно разделить на пять этапов. Ниже мы перечислим эти этапы, обозначив наименование каждого этапа классом электронных компонентов, которые были созданы вначале этапа. Это вовсе не означает, что история развития данных компонентов завершилась к началу следующего этапа. Особенность этапов развития электроники состоит в том, что все классы компонентов, начав свое существование в соответствующее началу этапа время, продолжают свое технологическое развитие ив настоящее время. 8.1.1. Первый этап электроники пассивные компоненты Первый этап начался в конце ХIХ в. с изобретением радио. День радио (7 мая 1895 г) можно считать также и днем рождения электроники. На первом этапе еще не было ни электронных ламп, ни транзисторов. Электронные компоненты, которые начали применяться в это время, были пассивными резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, 133 трансформаторы, а также первые кристаллические диоды. Термин пассивный в данном случае означает, что электронный компонент не требует для своего функционирования наличия внешнего источника электропитания. Однако некоторым элементам радиотехнических устройств того времени электрическое питание было необходимо. В их числе такие электротехнические исполнительные устройства, как электромагнитное реле, электрический звонок, телеграфный аппарат. Когерер, служивший для обнаружения электромагнитного излучения, также требовал питания, чтобы выработать ток для включения исполнительного реле. В настоящее время, несмотря на широкое применение активных электронных компонентов – транзисторов и микросхем, пассивные элементы по- прежнему широко используются. Рассмотрим свойства некоторых из них. Резистор – пассивный элемент электрических цепей, обладающий постоянным или переменным значением электрического сопротивления и предназначенный для линейного преобразования тока в напряжение и напряжения в ток, поглощения электрической энергии. Основные характеристики и параметры резисторов • номинальное сопротивление R; • предельная рассеиваемая мощность P расс ; • температурный коэффициент сопротивления (ТКС); • допустимое отклонение сопротивления от номинального значения технологический разброс в процессе изготовления) ΔR. От величины сопротивления резистора R в соответствии с законом Ома зависит величина тока I при воздействии напряжения U: I = В свою очередь, U = I·R и R = U/I. Мощность, выделяемая на резисторе P = U·I = U 2 ·R = I 2 ·R. При отсутствии резистора необходимого номинала R его можно заменить, соединив имеющиеся резисторы R 1 и последовательно либо параллельно (рис. 8.1). Рис. 8.1. Соединения резисторов а – последовательное б – параллельное 134 По возможности регулировки сопротивления резисторы подразделяют на постоянные, построечные и переменные. У постоянных резисторов сопротивление неизменно. У подстроечных резисторов сопротивление можно некоторое число раз изменить, после чего наступит физический износ деталей. Подстройка производится обычно в процессе изготовления изделия, в которое входит резистор. У переменных резисторов сопротивление регулируют большее число раз. Это происходит в процессе текущей эксплуатации изделия. Промышленность выпускает резисторы сопротивлением примерно от 0,1 Ом до 100 МОм, мощностью от 0,125 до 100 Вт и более. Сопротивление специальных резисторов изменяется под действием внешних факторов протекающего тока или приложенного напряжения варисторы, температуры (терморезисторы, освещения (фоторезисторы) и т. д. Конденсатор – устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Основные характеристики и параметры конденсаторов • ёмкость (единица измерения – фарада (Ф) – способность конденсатора накапливать электрический заряд q = C·U. Типичные значения ёмко- сти конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад • номинальное напряжение – значение напряжения, при котором конденсатор может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального • полярность. Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при определенной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. Обозначения конденсаторов на схеме для конденсаторов различных видов представлены на рис. 8.2. При отсутствии конденсатора необходимого номинала Сего можно заменить, соединив имеющиеся конденсаторы Си С 2 последовательно риса) либо параллельно (рис. 8.3, б 135 Рис. 8.2. Обозначения конденсаторов на электрической схеме Рис. 8.3. Соединения конденсаторов а – последовательное б – параллельное Таким образом, правило расчета последовательного и параллельного соединений для конденсаторов противоположно правилу расчета для резисторов. Конденсатор после заряда до величины приложенного напряжения не пропускает постоянный ток. Сопротивление конденсатора переменному току уменьшается обратно пропорционально частоте тока f и величине емкости конденсатора С fC X C π 2 Катушки индуктивности – это компоненты, предназначенные для накопления энергии в магнитном поле и состоящие из проводов, уложенных в обмотки, которые могут содержать, а могут не содержать магнитопроводы. Магнитопроводы из ферромагнетиков задействуют для увеличения индуктивности катушек, а из диамагнетиков – для ее уменьшения. Обмотки катушек индуктивности выполняют проводами круглого или прямоугольного сечения (рис. 8.4). 136 Рис. 8.4. Плоская пленочная прямоугольная катушка индуктивности Индуктивность (единица измерения – генри (Гн)) – коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током , I L Ф ⋅ = где Ф – магнитный поток L – индуктивность I – ток в контуре. Сопротивление индуктивности переменному току X L = 2 π f Параллельное или последовательное соединение индуктивности и конденсатора образует колебательный контур (рис. 8.5). Рис. 8.5. Параллельный колебательный контур Частота, на которой достигается равенство С = называется резонансной частотой колебательного контура. На резонансной частоте сопротивление параллельного колебательного контура враз больше, чем сопротивление, где Q = X / пот – добротность колебательного контура. Здесь пот – активное сопротивление потерь вцепи контура. Обычно это сопротивление провода катушки индуктивности постоянному току. Добротность может достигать десятков и сотен единиц, поэтому сопротивление контура на частоте резонанса может быть в десятки и сотни раз больше сопротивления конденсатора или индуктивности. На этом основано использование колебательного контура для выделения сигнала из помех. В последовательном контуре, наоборот, сопротивление на резонансной частоте враз меньше сопротивления конденсатора или индуктивности. Это также может использовать для целей селекции сигналов 1 Значение резонансной частоты определяется по формуле Томпсона: LC π 2 Две или более связанных между собой магнитным полем индуктивности образуют трансформатор риса б Рис. 8.6. Трансформатора вариант конструкции б – изображение на схеме Различают сигнальные трансформаторы и трансформаторы питания. Сигнальные трансформаторы предназначены для передачи сигналов с минимальными искажениями. Обычно сигнальные трансформаторы применяют для гальванической развязки цепей. Трансформаторы питания нужны для электропитания аппаратуры, которая по каким-либо причинам не может быть подключена непосредственно к сети, например из-за несоответствия величин напряжений. 8.1.2. Второй этап развития электроники электронные лампы Эра электронных ламп наступила вначале ХХ в. после изобретения в 1904 г. английским ученым Дж. Э. Флемингом вакуумного диода, который был им применен для детектирования электромагнитных колебаний в радиотелеграфных приемниках. На рис. 8.7 приведена схема измерения вольт-амперных характеристик диода – зависимостей тока через диод от величины напряжения на его электродах. Если на анод диода А подать положительное напряжение, то 138 сила тока зависит оттока в нити накаливания н, который определяет температуру T катода, и напряжения на аноде U a . Причиной этого тока является испускание электронов раскаленной нитью лампочки (явление термоэлектронной эмиссии. Каждому из значений температуры нити накаливания T i соответствует свое значение тока насыщения I нi , которое тем больше, чем сильнее разогрет катод K. Рис. 8.7. Вольт-амперные характеристики вакуумного диода В настоящее время вакуумные диоды практически не применяются. Их вытеснили полупроводниковые диоды, не трубующие питания нити накала и поэтому являющиеся пассивными элементами электронных схем. Некоторые основные параметры полупроводниковых диодов – максимально допустимый прямой ток, А – максимально допустимое обратное напряжение, В – статическое сопротивление диода в прямом включении, Ом – статическое сопротивление диода в обратном включении, МОм – динамическое сопротивление диода в прямом включении, Ом – динамическое сопротивление диода в обратном включении, Ом – емкость запертого диода, пФ – максимально допустимая частота переменного тока, Гц. Схема простейшего однополупериодного диодного выпрямителя и диаграммы его функционирования приведены на рис. 8.8. Рис. 8.8. Однополупериодный выпрямитель на полупроводниковом диоде и диаграммы его функционирования 139 В 1906 г. американский инженер Лиде Форест изобрел трехэлектродную вакуумную лампу – триод («аудион Фореста»), который был первым активным элементом, позволяющим преобразовывать и усиливать электрические сигналы (рис. 8.9). Рис. 8.9. Изображение вакуумного триода на электрической схеме и его конструкция В триоде величина анодного тока управляется напряжением сигнала, подаваемого на сетчатый электрод, расположенный вблизи от катода рис. 8.10). Выходная мощность триода значительно больше входной мощности управляющего сигнала. Таким образом достигается эффект усиления. Вольт-амперные характеристики вакуумного триода похожи на вышеприведенные характеристики диода, только параметром, влияющим на величину анодного тока, является не температура катода, а напряжение на сетке, которое, в отличие от температуры катода, может меняться практически безынерционно, что позволяет обрабатывать сигналы с весьма высокой, до сотен мегагерц, частотой. При этом температура катода поддерживается постоянной. Рис. 8.10. Схема усилителя на вакуумном триоде Однако при решении задачи создания высокочувствительных радиоприемных устройств первые электронные лампы – триоды – имели слабый 140 коэффициент усиления. Необходимы были дополнительные изыскания, чтобы создать эффективный усилитель. В 1912 г. американский радиотехник Э. X. Армстронг предложил регенеративный усилитель на триоде, в котором за счет положительной обратной связи достигалось значительное увеличение усиления (рис. 8.11). Регенеративная схема Армстронга была быстро внедрена в производство. В 1915 г. между Нью-Йорком и Сан-Франциско была установлена трансконтинентальная телефонная связь с применением регенеративных ретрансляторов. Рис. 8.11. Схема регенеративного усилителя Армстронга Впоследствии проблема увеличения усиления была решена путем создания многоэлектродных ламп – тетродов и пентодов (риса б Рис. 8.12. Пентода конструкция б – изображение на схеме 141 В 1918–1925 гг. в первом советском радиотехническом научно-иссле- довательском центре Нижегородская лаборатория плодотворно работал Михаил Александрович Бонч-Бруевич, который в 1919 г. опубликовал основы теории и расчета радиоламп. В 1921 г. совместно с сотрудниками им были разработаны мощные генераторные лампы для радиопередатчиков, используемых в системах дальней радиосвязи и радиовещания. Впервые в мире он применил платиновые и красномедные аноды с водяным охлаждением и освоил выпуск генераторных ламп мощностью до 100 кВт. С этого времени электронные лампы становятся основной элементной базой. На них создаются генераторы, передатчики, усилители, выпрямители, радиоприемники и, наконец, в середине х годов – первые ЭВМ. Функциональное усложнение электронных устройств привело к применению большого количества элементов (ламп, резисторов, конденсаторов и др, резко увеличило их массу и габариты и снизило надежность. Например, вычислительные машины типа БЭСМ содержали по 5–6 тысяч лампа время безотказной работы ЭВМ было 5–10 ч. В разработке приемно-усилительных и генераторных ламп значительная роль принадлежит русскому физику Николаю Дмитриевичу Папа- лекси (1880–1947). В 1911 гон заложил основы теории преобразовательных схем в электронике. В 1914–1916 гг. Н. Д. Папалекси руководил разработкой первых образцов отечественных радиоламп. В 1916 г. при активном участии МА. Бонч-Бруевича в России было налажено собственное производство электронных ламп. В СССР академик Н.Д. Папалекси разрабатывал ламповые приемники для оборонных целей. Работал над усовершенствованием радиотелефонной связи. Внес большой вклад в теорию нелинейных колебаний, создал параметрические генераторы Папалекси руководил разработкой телемеханической аппаратуры и организовал опыты по управлению самолетами и подводными лодками на расстоянии. Одновременно с этим он занимался и теорией радиотехники. Из-под его пера в тот период вышла большая научная работа, посвященная теории генерации колебаний с помощью радиоламп. В 1925 г. Центральная радиолаборатория под руководством Ман- дельштама и Папалекси разработала схему приемника с кварцевым фильтром, которая впоследствии стала основой всех приемников этого типа. 142 Электронные лампы используются ив настоящее время. Прежде всего их область применения – мощные усилители радиопередающих устройств. Некоторые любители качественного звуковоспроизведения предпочитают звучание ламповых усилителей усилителям на транзисторах. Существует также новое направление, как вакуумные интегральные схемы, где активными элементами являются электронно-вакуумные лампы с размерами, близкими к размерам полупроводниковых транзисторов. Из-за более высокой скорости электронов (10 6 –10 мс) они обладают лучшими частотными свойствами, чем кремниевые транзисторы, характеризуются более высокой радиационной стойкостью, что для условий открытого космоса и применения в радиационных объектах является весьма важным преимуществом. |