А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур icon

А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур



НазваниеА. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур
Дата конвертации18.06.2013
Размер232.96 Kb.
ТипУчебное пособие
скачать >>>
1. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Глава_1.doc
2. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Глава_2.doc
3. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Глава_3.doc
4. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Глава_4.doc
5. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Глава_5-1.doc
6. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Глава_5-2_5-4.doc
7. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Глава_7.doc
8. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Цифровая_1.doc
9. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Цифровая_2.doc
10. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Цифровая_3.doc
11. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Цифровая_4.doc
12. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Цифровая_5.doc
13. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Цифровая_6-8.doc
14. /Основы аналоговой и цифровой электроники/Ю_М_ОГЛАВЛЕНИЕ.doc
15. /Основы аналоговой и цифровой электроники/глава_6.doc
А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур
2. математический аппарат описания электронных элементов описание нелинейных элементов
3. полупроводники – основа современной элементной базы электроники преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными
4. многопереходные электронные элементы
5. основы теории электронных усилителей общие положения
Кроме значительного усложнения схемы
7. источники вторичного электропитания электронных устройств
II. Основы цифровой электроники
2. логические функции
3. характеристики и параметры логических элементов, основы схемотехники
Цифровые устройства комбинационного типа
Последовательностные цифровые устройства
6.
генераторы импульсных сигналов

Оглавление I. Основы аналоговой электронники
6. автогенераторы


Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В. М.Сергеев


Ю. М.Фомичев


ЭЛЕКТРОНИКА


Элементная база,
аналоговые и цифровые

функциональные устройства


Учебное пособие


Издательство

Томского политехнического университета

2009

УДК 621.396.6

С 66


Сергеев В. М., Фомичев Ю. М.

С 66 Электроника. Элементная база, аналоговые и цифровые функциональные устройства: учеб. пособие. – Томск: Изд.-во ТПУ, 2008. – 284 с.


В учебном пособии в лаконичной форме изложены основные задачи, решаемые электронной техникой, дискретные и интегральные компоненты, необходимые для их решения, основы физических процессов в электронных устройствах и их аналитическое описание. Каждая глава сопровождается резюме, подчеркивающим основные моменты. Работа подготовлена на кафедре компьютерных измерительных систем и метрологии, соответствует программе односеместрового курса и предназначена для студентов всех форм обучения направлений и специальностей электротехнического профиля.


УДК 621.396.6

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским

советом Томского политехнического университета


Рецензент

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедры

теоретические основы радиотехники ТУСУР

А. В. Пуговкин

Доцент кафедры телевидение и управление ТУСУР,

кандидат технических наук

В.А. Шалимов


© Сергеев В. М., Фомичев Ю. М., 2009

© Томский политехнический университет, 2009

© Оформление. Изд-во Томского политехнического университета, 2009



I. Основы аналоговой электроники


1. ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКОЙ, И
ЭЛЕМЕНТЫ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ИХ РЕШЕНИЯ



Научное определение электроники – изучение и практическое использование взаимодействия электронов с электромагнитным полем – мало о чем говорит. В то же время, всем понятно, что электроника – это телевидение и компьютеры, современные коммуникационные системы (Internet, например) и управление техническими объектами (от космических кораблей до детских игрушек), это медицинские аппараты, заменяющие важнейшие органы человека (как, например, вживляемые человеку стимуляторы), и т. д. Применение электроники в современной цивилизации стало практически необъятным, тем не менее ее возможности можно легко систематизировать, рассмотрев суть решаемых ею задач. По большому счету таких задач две.

Первая – преобразование информации, представленной электрическими сигналами, с целью удобства ее передачи, приема, хранения или отображения.

Вторая – преобразование электрической энергии с целью удобства ее транспортирования или использования.

Информация, сигналы являются объектом изучения в специальных курсах. Здесь же мы затронем лишь представления о них, минимально необходимые для изучения курса основ электроники.

Любая задача преобразования как информации, так и электрической энергии требует для ее решения широкого круга специальных знаний. В этой главе даются самые первые представления об этих проблемах, с тем, чтобы у читателя возникло системное представление о предмете электроники и понимание необходимости изучения последующих разделов данного курса.

1.1. Электрические сигналы.
Временное и спектральное представление


Информация – это сообщение о новом событии, передаваемом от источника к потребителю информации, в качестве которого могут выступать как люди, так и аппараты.

В электронике носителями информации являются электрические сигналы – изменение во времени параметров электромагнитного поля.

Далее будут рассматриваться сигналы в виде изменения во времени электрического напряжения (тока).

Аналитически сигналы можно описать двумя способами: представлением во временной области (функция времени) - S(t) или разложением в виде суммы элементарных колебаний (спектра).

Важнейшей характеристикой сигнала во временном представлении является его периодичность. Периодом сигнала Т является отрезок времени, для которого справедливо равенство

S(t+nT) = S(t), n=0,1,2,...

На рис. 1.1 изображен периодический сигнал пилообразного типа

.

На рис. 1.2 изображен гармонический сигнал с начальной фазой .

.







Рис. 1.1. Временное представление
периодического сигнала

пилообразной формы

Рис. 1.2. Временное представление
гармонического сигнала с начальной фазой 



Спектральное представление сигнала в виде суммы элементарных колебаний может быть проведено с помощью широкого класса полиномов и функций: Лежандра, Чебышева, Лагерра, Эрмита, Хаара, Радемахера, Уолша и др.

Однако для спектрального представления периодических сигналов наибольшее практическое применение нашло разложение в виде суммы гармонических составляющих (гармоник) - ряда Фурье:

, (1.1)

где – круговая частота первой гармоники.

Коэффициенты an, bn вычисляются по формулам:

, ,



Амплитуда An и фаза n n-гармоники выражаются через an и bn:

.




Рис. 1.3. Пример частотного спектра сигнала
Совокупность коэффициентов An ряда Фурье называется частотным спектром периодического сигнала.

Как следует из (1.1), частотный спектр периодического сигнала носит дискретный характер, т. к. состоит из отдельных “линий” высотой An, соответствующих дискретным частотам 0, 1, 2, 2=21, 3=31 и т. д. (рис. 1.3).

Хотя ряд Фурье и содержит бесконечное число гармоник, амплитуды этих гармоник у большинства реальных сигналов убывают с увеличением номера гармоник n. Физически это означает, что влияние высших гармоник на общую энергию сигнала и его форму может быть незначительным, что позволяет при анализе искусственно “урезать” спектр, ограничившись наиболее “влиятельными” низкими гармониками.

Частотный спектр пилообразного напряжения, изображенного на рис. 1.1, имеет вид




Рис. 1.4. Форма пилообразного
сигнала при удержании пяти
первых гармоник спектра


Как видно, амплитуды гармоник убывают с частотой по закону 1/n. При “удержании” в спектре, например, пяти первых гармоник форма сигнала принимает вид, изображенный на рис. 1.4 (сплошная линия), для многих случаев такая погрешность представления сигнала может оказаться приемлемой.

К сожалению, чем больше скорость изменения сигнала во времени, тем медленнее снижаются амплитуды гармоник по мере увеличения n. Для периодической (с периодом Т) последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой Е и длительностью  амплитуда n-й гармоники определяется по соотношению



и при , когда sinx х,



т. е. амплитуды всех гармоник (от 0 до ) становятся одинаковыми, спектр становится равномерным.

Увеличение ширины спектра при увеличении скорости изменения сигнала является основным препятствием для увеличения скорости передачи информации по каналам связи.




Рис. 1.5. Возможный вид АЧХ цепи
Разложение сигнала на гармонические составляющие (ряд Фурье) нашло широкое практическое применение по той причине, что гармоническое колебание является единственным физически существующим сигналом, форма которого не меняется при прохождении через линейную цепь (изменяется только амплитуда и фаза). Это свойство делает возможным, при определении установившейся реакции цепи на гармоническое воздействие, применение удобного символического метода – метода комплексных амплитуд.

Как известно из электротехники, амплитуду выходного гармонического колебания можно определить по амплитудно-частотной характеристике цепи (АЧХ), которая может быть определена как аналитически, так и (что очень важно для сложных цепей) экспериментально. АЧХ – это зависимость отношения амплитуды выходного и входного колебания (K) от частоты, которая может, например, иметь вид, представленный на рис. 1.5.

В пределах полосы частот (от н до в) АЧХ имеет равномерный характер. Это значит, что все гармоники сложного сигнала, “умещающегося” на этом частотном отрезке, пройдут через цепь практически с одинаковым усилением (или ослаблением, если K<1), что приведет лишь к изменению масштаба сигнала, а форма его останется неизменной. Если же полоса равномерной передачи цепи много меньше ширины спектра входного сигнала, то сигнал пройдет через такую цепь с большими искажениями, называемыми частотными.

Так, если через цепь, имеющую АЧХ (см. рис. 1.5), пропустить периодическую последовательность прямоугольных импульсов S1(t), то выходной сигнал S2(t) будет значительно отличаться по форме от входного (рис. 1.6).




Рис. 1.6. Искажения сигнала,
прошедшего через цепь с “узкой”
полосой пропускания
Таким образом, введение понятия частотного спектра сигнала позволяет сопоставить свойства канала связи (его широкополосность) с шириной спектра сигнала. Например, телевизионный сигнал, ширина спектра которого превышает 10106Гц, невозможно передать по телефонной проводной паре, полоса пропускания которой составляет всего несколько десятков килогерц.

Для непериодического сигнала можно при анализе полагать Т. Это означает, что как значение частоты первой гармоники, так и интервал между соседними гармониками будут стремиться к нулю, т. е. спектр становится сплошным, а амплитуды гармоник (коэффициенты ряда Фурье) станут бесконечно малыми.

Предельный переход от дискретного ряда Фурье к сигналу с Т описывается интегралом Фурье

,

где – спектральная плотность, физически означающая распределение мощности сигнала по диапазону частот.







Рис. 1.7. Спектральная
плотность S()
одиночного импульса
На рис. 1.7 для примера приведена спектральная плотность одиночного импульса с амплитудой А и длительностью tи.


1.2. Усиление электрических
сигналов


Усиление слабых сигналов являлось самой актуальной задачей на заре развития радиотехники, когда не было еще мощных радиопередатчиков и имелось слабое представление о способах распространения радиоволн при минимальном ослаблении их энергии. Но и в современной электронике усиление сигналов является одной из распространенных задач, причем очень часто усиление сигнала сопровождается некоторым функциональным его преобразованием (например, интегрирование сигнала).

Когда речь идет об усилении сигналов, то подразумевается, что усиливается его первоначальная энергия. Энергия электрического сигнала, описываемого в терминах тока и напряжения, определяется соотношением:



Если под Эс понимать энергию входного (слабого) сигнала усилителя, то энергия выходного (усиленного) сигнала – сигнала в полезной нагрузке Эн

, Эн>> Эс. (1.2)

Важно отметить, что выполнение условия усиления Эн>>Эс возможно при любом из приведенных ниже соотношений:

iн(t)>iс(t), Uн(t)с(t), iн (t)с(t), Uн (t)>Uс(t).

Это означает, что в процессе усиления, например, гармонического сигнала амплитуда напряжения в нагрузке может быть меньше амплитуды входного сигнала, но при этом выходной ток будет значительно превышать по амплитуде входной.

Поскольку вечных двигателей не бывает, то усиление энергии входного сигнала невозможно без привлечения энергии некоторого специального источника – источника питания усилителя.

Таким образом, под усилителем электрического сигнала следует понимать устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию сигнала в нагрузке под воздействием входного сигнала значительно меньшей энергии.

Поскольку носителем электрической энергии является ток, то для “перекачки” энергии от источника питания к нагрузке необходимо соединить их в замкнутую цепь, а для регулирования включить последовательно в эту цепь электронный регулятор элемент, сопротивление которого можно менять в широких пределах под воздействием слабого электрического сигнала (рис. 1.8), где ИП – источник питания; Н – нагрузка; ЭР – электронный регулятор.

Электронные регуляторы получили в электронике название усилительных (или активных) элементов, но более точно отражающим суть процесса было бы название – управляемые элементы (регуляторы).




Рис. 1.8. Структурная схема
усилителя электрических сигналов
Предположим, что нагрузка носит омический характер и обладает сопротивлением Rн. Тогда соотношение (1.2.) можно переписать в виде

; (1.3)

.

Из (1.3) следует два способа регулирования энергии в усилителях.

Первый – регулирование тока в нагрузке под воздействием входного сигнала iн=F(Uc). Это способ непрерывного регулирования (усиления). Второй – регулирование при постоянном токе нагрузки интервала времени t=t2 - t1, в течение которого пропускается ток через нагрузку

t= F(Uc), iн=const.

Такой способ регулирования называется ключевым. Оба способа находят широкое применение при построении усилительных устройств. Хотя в усилительной технике используют такие термины, как “вход”, “выход” усилителя, это не означает, что сигнал “проходит” через усилитель. На самом деле он лишь воздействует на регулятор, оставаясь на “пороге” усилителя.

Лишь в частных случаях (аудиотехника, видеотехника, осциллографическая аппаратура) сигнал в нагрузке усилителя должен по форме как можно ближе совпадать с входным сигналом. Во многих же других случаях точное воспроизведение формы входного сигнала необязательно. Например, входной сигнал постоянное напряжение с датчика температуры, а усилительный элемент регулирует мощность переменного тока в нагревателе электропечи и т.д.

Важнейшими характеристиками усилительных (управляемых) элементов являются статические характеристики “вход-выход” и быстродействие. Статическая характеристика – это зависимость выходного тока элемента от управляемого сигнала при постоянном напряжении источника питания. По своему виду эти характеристики могут быть плавными или скачкообразными релейными (рис. 1.9).




а б в

Рис. 1.9. Схемы для определения:
а – статической характеристики “вход-выход” усилительного элемента;

б – плавной характеристики регулирования;

в – релейной характеристики регулирования


Быстродействие усилительного элемента – это скорость реакции на изменение входного воздействия. Наиболее наглядно эта реакция проявляется при скачкообразном изменении управляющего сигнала (рис. 1.10).

Конечное время переходного процесса tП приводит к тому, что при достаточно высокой частоте повторения входных скачков усилительный элемент практически перестает на них реагировать, т. е. теряет управляемость (см. рис. 1.11).






Рис. 1.10. Реакция усилительного
элемента на скачкообразное из-
менение управляющего сигнала

Рис. 1.11. Потеря усилительных свойств
(управляемости) из-за инерционности
усилительного элемента


Усилительные элементы являются основными компонентами современной электроники, и в последующих разделах данного курса им будет посвящено достаточно большое внимание.

1.3. Модуляция сигналов


Модуляция – это преобразование спектра сигнала с целью удобства его передачи, усиления, хранения или обработки. В электронике практически используются различные способы модуляции, которые детально исследуются в специальных курсах. Здесь мы рассмотрим наиболее распространенные виды модуляции, выясняя, какие электронные элементы для этого необходимы.

1.3.1. Амплитудная модуляция


Исторически первым применением амплитудной модуляции явилась задача обеспечения одновременной работы в эфире нескольких радиостанций, передающих сигналы с близкими спектрами (речь, музыка). Суть амплитудной модуляции заключается в переносе полезной информации, заложенной в низкочастотном сообщении, на высокочастотное колебание (несущую частоту). Таким образом, выбирая для каждого сообщения “свою” несущую частоту, можно рассредоточить все сообщения по радиоканалу так, что на приемном конце их легко отличить друг от друга.

Аналогичная задача решается и при одновременной передаче нескольких телефонных переговоров по одному кабелю. Для упрощения анализа рассмотрим амплитудную модуляцию однотонального (гармонического) сигнала S(t)=Smcos t.

В качестве модулятора используем нелинейное устройство – аналоговый перемножитель сигналов, на входы которого подается сигнал S(t), осуществляющий модуляцию, и опорный сигнал высокой частоты (несущее колебание) U0=Umcost, >> (рис. 1.12). Выходной сигнал модулятора есть продукт перемножения входных сигналов:

S*=S(t) U0,

где  - нормирующий множитель с размерностью В-1, или

S*= S(t)Umcos t=Um(t)cos t. (2.3)









Рис. 1.12. Схема амплитуд-
ного модулятора на основе перемножителя

Рис. 1.13. Спектры исходного S, несущего U0
и модулированного
S* колебания

Из (2.3) следует, что S* – это уже высокочастотное колебание, амплитуда которого изменяется пропорционально полезному сигналу S(t). Тем самым информация с низкочастотного исходного сигнала “перенесена” на высокочастотное колебание. Спектр модулированного высокочастотного колебания имеет вид

S*=Smcos t Umcos t =SmUm [cos ( - ) t+ cos (+) t]

и изображен на рис. 1.13, а принцип “рассредоточения” сигналов по каналу связи иллюстрируется на рис. 1.14.

На практике амплитудная модуляция чаще всего выполняется за счет воздействия суммы исходного сообщения S(t) и несущего колебания U0 на нелинейный элемент (см. рис. 1.15), характеристика “вход-выход” которого может быть представлена в виде полинома

y=ax+bx2+cx3+...




Рис. 1.14. Принцип распределения последовательности
исходных сигналов S1(t), S2(t) с близким спектром по частотному
диапазону канала связи


Легко показать, что квадратичный член полинома может выполнить функцию перемножения, т. к.

х2=[S(t)+U0]2=S(t)2+U02+2 S(t)U0.




Рис. 1.15. Схема ампли-
тудного модулятора на ос-
нове нелинейного элемента
с полиномиальной харак-
теристикой
Не останавливаясь на операции восстановления исходного сообщения S(t), подчеркнем, что она тоже, как и любое другое преобразование спектра, выполняется с помощью нелинейных элементов.

1.3.2. Импульсно-кодовая

модуляция


Известно, что компьютеры оперируют с сигналами, представленными дискретными двоичными последовательностями (высокий уровень, низкий уровень, логический ноль, логическая единица) , в которых закодирована исходная информация. В то же время большинство физических объектов (датчиков) генерирует непрерывные (аналоговые) сигналы, например речь человека. Для обработки аналоговых сигналов с помощью компьютера необходимо его преобразовать в дискретную двоичную последовательность, естественно, с сохранением полезной информации. Кроме того, двоичные последовательности удобнее передавать по каналу связи, поскольку они не подвержены искажениям, например, вносимым за счет нелинейности канала связи, их легче закодировать как с целью обеспечения конфиденциальности информации, так и с целью повышения помехозащищенности. Дискретные двоичные последовательности можно хранить в огромном объеме на миниатюрных носителях информации (компакт-дисках).

Преобразование аналоговых сигналов в двоичные последовательности происходит в процессе аналого-цифрового преобразования (АЦП), самым распространенным из которых является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). В процессе ИКМ над аналоговым сигналом в определенные (тактируемые) моменты времени последовательно осуществляются две операции: выборка мгновенного значения и квантование этого значения по уровню (подсчет целого числа элементарных квантов, умещающихся в данной выборке).

Двоичный код, отображающий число квантов в отсчете, – это кодовое слово, а последовательность таких слов – цифровое представление аналогового сигнала.

На рис. 1.16 отражен принцип ИКМ для трехразрядного двоичного кода (23=8 квантов): S(ti) – мгновенные значения сигнала в тактируемые моменты времени.





Рис. 1.16. Принцип ИКМ
Отметим такие принципиальные моменты, присущие ИКМ, как погрешность представления сигнала в цифровом виде за счет округления мгновенных значений до целого числа квантов и за счет ступенчатой аппроксимации реального сигнала в процессе дискретизации по времени. Эти погрешности, рассматриваемые в специальной литературе, в современных аналого-цифровых преобразователях сведены к минимуму за счет выбора высокой частоты дискретизации (до сотен мегагерц) и большого разрешения по уровню (число квантов >216).

Устройство выборки и хранения (УВХ) до следующего временного такта в простейшем случае может быть представлено в виде конденсатора, который с помощью быстродействующего электронного ключа в тактируемые моменты времени “мгновенно” подключается к источнику сигнала, “запоминая” его значение в данный момент. После размыкания ключа конденсатор “хранит” заряд до следующего подключения (см. рис. 1.17).





Рис. 1.17. Схема устройства выбор-
ки-хранения аналогового сигнала
В качестве электронного ключа (SW) используются быстродействующие усилительные (управляемые) элементы, сопротивление которых под воздействием управляющих сигналов модулируется от практически бесконечного (ключ разомкнут) до ничтожно малого (ключ замкнут). В теории ИКМ показано, что спектр ступенчато-аппроксими-рованного сигнала приобретает высокочастотные составляющие, пропорциональные частоте дискретизации:



Появление в спектре преобразованного сигнала новых составляющих (обогащение спектра) является признаком нелинейного характера преобразования при ИКМ, как и при всех других видах модуляции. Роль нелинейного элемента в ИКМ выполняет ключ в УВХ.

1.3.3. Широтно-импульсная модуляция





Рис. 1.18. Широтно-импульсная модуляция
Важным и распространенным видом модуляции является широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой исходный сигнал S(t) заменяется последовательностью импульсов постоянного уровня, длительность которых пропорциональна мгновенному значению сигнала в тактируемые моменты времени ti (рис. 1.18). В теории сигналов показано, что в спектре ШИМ сигнала присутствует спектр исходного сигнала, который можно выделить путем фильтрации. Необходимость перехода от исходного сигнала к ШИМ сигналу обусловлена тем, что импульсы постоянного уровня можно воспроизводить с очень высоким коэффициентом полезного действия, что будет показано в последующих главах.

Получить импульс, длительность которого пропорциональна мгновенному значению сигнала, можно с помощью устройства сравнения (компаратора), на опорный вход которого подан пилообразный сигнал с высокой частотой повторения (рис. 1.19).

Не останавливаясь на всех технических и математических подробностях, рассмотренных выше, а также и других разнообразных видах модуляции, отметим наиболее существенный для нас факт, что для реализации любого вида модуляции принципиально необходимы нелинейные устройства с гладкими (полиномиальными) или релейными характеристиками.

1.4. Фильтрация сигналов





а




б


Рис. 1.19. Компаратор:
а – схема; б – временные
диаграммы при ШИМ
Под фильтрацией сигналов понимается, в общем случае, создание условий для прохождения через канал связи сигналов с определенными признаками и устранение (или резкое ослабление) нежелаемых сигналов. Фильтрация может быть временная и частотная. При временной фильтрации может быть произведено прерывание с помощью электронного ключа или ослабление сигнала в течение некоторого интервала времени.

При частотной фильтрации происходит ослабление отдельных спектральных составляющих сигнала. Частотная фильтрация может быть реализована с помощью линейных пассивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты (реактивные элементы). Это известные из курса физики и электротехники конденсаторы (элементы, обладающие электрической емкостью) и катушки индуктивности. Для ослабления сигналов очень часто совместно с реактивными элементами применяются резисторы (элементы, обладающие электрическим сопротивлением).

Конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности являются наиболее массовыми компонентами электронной техники. Они выпускаются в огромной разновидности типов и конструктивов. Читатели, решившие стать профессионалами в области электроники, должны самостоятельно ознакомиться с характеристиками этих элементов по специальной справочной литературе.

Специальным видом фильтрации является цифровая фильтрация, осуществляемая над сигналами, представляемыми цифровыми последовательностями. Фильтрация достигается в этом случае за счет временных задержек отдельных элементов цифровой последовательности (слов) на определенное число временных дискретов с последующим суммированием задержанных слов. Эти специфичные элементы будут рассмотрены в разделах, посвященных цифровой электронике.

1.5. Хранение и отображение информации


Хранение информации является одной из важных задач электроники в связи с лавинообразно нарастающей информатизацией общества. Хотя для хранения информации в виде электрических сигналов широко используются неэлектронные носители, например магнитная лента, металлические диски, здесь мы имеем в виду носители информации электронного типа – специальные электронные элементы, способные фиксировать два электрических состояния – высокий или низкий потенциал, наличие или отсутствие электрического заряда. Каждому из этих состояний ставится в соответствие элемент (0 или 1) двоичного кода. Существуют оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), способные удерживать записанную в них информацию только при наличии специального источника питания (выключен источник – стерлась информация), и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), сохраняющие информацию и при длительном отсутствии источника питания. Более подробно эти специальные элементы электроники будут рассмотрены после изучения принципа действия полупроводниковых электронных элементов.

Отображение информации – это преобразование электрического сигнала в звуковой или оптический сигнал, доступный для восприятия соответствующими органами человека. Эти преобразования осуществляются как с помощью неэлектронных элементов, например мембраны в телефонной трубке, так и с помощью специальных электронных элементов, электронно-лучевых трубок, светодиодных и жидкокристаллических индикаторов и т. д., которые более подробно будут рассмотрены в последующих главах данного пособия.

1.6. Преобразование электрической энергии


Задачи преобразования энергии приходится решать всякий раз, когда имеющийся некоторый первичный источник электрической энергии не может быть непосредственно использован. Например, первичный источник – электрическая сеть 220В, 50Гц, а требуется получить постоянное напряжение для питания компьютера; первичный источник – фотоэлементы космического корабля, вырабатывающие постоянное напряжение, а для питания разнообразной бортовой аппаратуры требуется широкая номенклатура источников как постоянного, так и переменного напряжения; это источники бесперебойного питания, которые, потребляя энергию от резервных аккумуляторов, при исчезновении переменного напряжения в “сети” автоматически заменяют последнюю, предотвращая потерю оперативной информации в компьютерах, и т. д.

По сути, могут иметь место следующие преобразования энергии:

  • переменного напряжения в постоянное (выпрямители);

  • постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (преобразователи постоянного напряжения);

  • постоянного напряжения в переменное напряжение любой формы (инверторы);

  • переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (преобразователи частоты).

Для выпрямления необходим нелинейный элемент с преимущественно односторонней проводимостью. Пусть, например, необходимо “выпрямить” переменное напряжение

U=Umcos t.

Возьмем в качестве нелинейного элемента квадратор, связь “вход-выход” которого описывается уравнением

U2= (U1 )2.

Принимая U1=Umcos  t, на выходе квадратора получаем

.

Полезная составляющая операции выпрямления – это постоянная составляющая

,

которую можно выделить, подавив с помощью фильтра переменную составляющую






Рис. 1.20. Временные диаграммы процесса
выпрямления
Описанный выше процесс выпрямления можно наглядно проиллюстрировать диаграммами (рис. 1.20).

Инвертирование электрической энергии с целью снижения потерь (обеспечения высокого КПД) практически всегда осуществляется с помощью ключевых элементов.

Простейший инвертор - это ключ, который с нужной периодичностью подключает нагрузку к первичному источнику постоянного напряжения (рис. 1.21,а).




а б

Рис. 1.21. Схема простейшего инвертора (а) и временная диаграмма
напряжения в нагрузке (б)


Остальные виды преобразователей являются комбинацией выпрямителей и инверторов. Преобразовательная техника, связанная со скоростными коммутациями токов в сотни-тысячи ампер и напряжений в тысячи вольт, является сложнейшей революционно развивающейся областью современной электроники, называемой промышленной электроникой, и изучается в специальных курсах.

Контрольные вопросы и задания


  1. Какие задачи решает электроника?

  2. Какие способы представления электрических сигналов вы знаете?

  3. Какие виды преобразования электрических сигналов наиболее часто встречаются в электронных устройствах?



Основные результаты первой главы


По типу решаемых задач электронику можно разделить на две: информационную и силовую (энергетическую). Наиболее распространенным способом аналитического описания сигналов - носителей информации - является спектральный в виде ряда (для периодических сигналов) или интеграла Фурье (для непериодических).

Спектральное представление позволяет наглядно оценить возможность неискаженной передачи сигнала по конкретному каналу связи.

Для всех преобразователей информации и электрической энергии достаточно иметь ограниченную разновидность электронных элементов. Это в первую очередь электрически управляемые сопротивления (усилительные элементы), способные работать как в непрерывном (линейном) режиме изменения своего сопротивления под воздействием управляющего сигнала, так и в ключевом режиме. Усилительные (управляемые) элементы, построенные на разных физических принципах, являются основными компонентами современной электроники.

Другой разновидностью элементов являются неуправляемые (нелинейные) электронные элементы, обладающие разными видами нелинейной связи (напряжение-ток), используемые при различных преобразованиях.

Для частотной фильтрации сигналов необходимо применение реактивных элементов с частотно-зависимыми сопротивлениями (конденсаторов и индуктивностей).






Похожие:

А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур iconМинистерство транспорта российской федерации федеральное агентство железнодорожного транспорта государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования самарский государственный университет путей сообщения
«Вагоны» представлен в Приложении 1 (председатель заведующий кафедрой «Вагоны» д т н., доцент Балалаев А. Н., члены комиссии: доцент...
А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур icon1. Цель производственной практики
Разработчик: доцент кафедры педагогики Кудряшова С. К, ст преподаватель Зубарева И. Г., доцент кафедры экономики и управления образованием...
А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур icon1. Цель производственной практики
Разработчик: доцент кафедры педагогики Кудряшова С. К, ст преподаватель Зубарева И. Г., доцент кафедры экономики и управления образованием...
А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур icon1. Цель производственной практики
Разработчик: доцент кафедры педагогики Кудряшова С. К, ст преподаватель Зубарева И. Г., доцент кафедры экономики и управления образованием...
А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур icon1. Цель производственной практики
Разработчик: доцент кафедры педагогики Кудряшова С. К, ст преподаватель Зубарева И. Г., доцент кафедры экономики и управления образованием...
А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур icon«Поиск и обработка экономической информации средствами Интернет и офисных приложений»
Авторы курса – к п н., доцент кафедры ит мамонтова Елена Анатольевна, к э н., доцент кафедры Информатика и программирование Сонина...
А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур iconА. И. Беличенко Кандидат военных наук, доцент
Авторы: (Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище имени генерала армии В. Ф. Маргелова): преподаватель кафедры воздушно-десантной...
А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур iconПрограмма курса «сравнительная политология» для студентов 2-3 курса факультета Политологии мгимо(У) мид россии
России профессор Ильин М. В., к полит н., доцент кафедры Сравнительной политологии Миронюк М. Г., д полит н профессор кафедры Сравнительной...
А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур iconПрограмма дисциплины
Пф гу-вшэ зиновьева Лилия Евгеньевна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры гуманитарных дисциплин пф гу-вшэ корчагина Е....
А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур iconПрограмма дисциплины
Пф гу-вшэ зиновьева Лилия Евгеньевна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры гуманитарных дисциплин пф гу-вшэ корчагина Е....
А. В. Пуговкин Доцент кафедры телевидение и управление тусур iconБаранников Александр Лукьянович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры антикризисного и стратегического менеджмента ргтэу учебно-методический комплекс
Учебно-методический комплекс «Теоретические основы реструктуризации» составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы