Электронные узлы автоматических приборных и вычислительных устройств

Операционные усилители.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, с очень высоким и стабильным коэффициентом усиления (от 1000 до 100000), широкой полосой пропускания ( = 10 - 100 МГц), высоким входным сопротивлением ( >10 кОм), малым выходным сопротивлением ( < 100 Ом), малым дрейфом нуля, высоким коэффициентом подавления синфазных сигналов, несимметричным выходом. Таким образом, под термином «операционный усилитель» понимают высококачественный универсальный усилитель.

Операционный усилитель предназначен для выполнения математических операций с аналоговыми сигналами.

Условное обозначение ОУ и его амплитудная характеристика показаны на рисунке

Вход 1, обозначенный знаком плюс, называют неинвертирующим (прямым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Вход 2, обозначенный знаком Минус, называют инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность.

Второй вариант УГО ОУ:

Вход A – инвертирующий вход.

Вход B – неинвертирующий вход.

Входы C – для подключения двуполярного ИП.

Входы D – выводы для подключения цепей коррекции.

ОУ подразделяются по следующим признакам:

· ОУ общего применения

· Мощные ОУ

· ОУ с управляемыми параметрами

· Быстродействующие ОУ

К основным параметрам ОУ относятся следующие:

· Напряжение ИП

· Коэффициент усиления

· Входное сопротивление

· Потребляемый от ИП ток или потребляемая мощность

· Коэффициент ослабления синфазного сигнала

· Скорость нарастания выходного напряжения. Она показывает быстродействие ОУ

Схемы включений операционных усилителей.

Поскольку на входе ОУ стоит дифференциальный каскад усиления, имеющий инвертирующий и неинвертирующий входы, то различают два основных вида включения – инвертирующее и не инвертирующее. Кроме этого ОУ за счёт высокого коэффициента усиления должен быть охвачен глубокой ООС для обеспечения устойчивости его работы.

Инвертирующая схема включения ОУ изображена на рисунке

При

 

 

Не инвертирующая схема включения ОУ

Схема суммирующего включения ОУ

 

 

Электронные ключи.

Электронный ключ — это устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний: замкнутом или разомкнутом. Переход из одного состояния в другое в идеальном электронном ключе происходит скачком под влиянием управляющего напряжения или тока.

Электродные ключи (ЭК) используются для коммутации электрических сигналов. В информационных маломощных устройствах их выполняют на полупроводниковых диодах, а также на биполярных и полевых транзисторах.

В зависимости от характера коммутируемого сигнала электронные ключи разделяют па цифровые и аналоговые. Цифровые ключи коммутируют напряжения или токи источника питания и обеспечивают получение двух уровней сигнала на выходе. Один уровень соответствует открытому состоянию ключа, другой - закрытому. Аналоговые ключи обеспечивают подключение или отключение источников аналоговых информационных сигналов, имеющих произвольную форму напряжений. Причем характеристики измерительных устройств, в которых они используются, во многом зависят от качества передачи сигнала аналоговым ключом и помех в цепи, появляющихся при его коммутации.

Диодные ключи.

Простейшим типом электронных ключей являются диодные ключи. Их схемы аналогичны схемам диодных ограничителей. В диодных ключах используется зависимость сопротивления диода от величины и знака приложенного напряжения.

Транзисторные ключи.

Транзисторные ключи (ТК) являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. На их основе создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генсраторы и т. д.

В зависимости от целевого назначения ТК и особенностей его работы схема ТК может несколько видоизменяться. Но, несмотря на это, в основе всех модификаций лежит изображенная на рисунке транзисторная ключевая схема.

Транзисторный ключ по своей схеме подобен транзисторному усилителю с ОЭ. Однако по выполняемым функциям и соответственно режимам работы активного элемента он существенно отличается от усилительного каскада.

ТК выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два основных состояния: разомкнутое, которому соответствует режим отсечки транзистора (транзистор заперт), и замкнутое, которое характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему.

В течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. Процессы в ключевом каскаде носят нелинейный характер.

Логические элементы.

Логическими элементами (ЛЭ) называются функциональные устройства, с помощью которых реализуются элементарные логические функции. Они обычно используются для построения сложных преобразователей цифровых сигналов комбинационного типа. В комбинационных устройствах отсутствует внутренняя память. Сигналы на их выходах в любой момент однозначно определяются сочетаниями сигналов на входах и не зависят от предыдущих состояний схемы. Характерной особенностью комбинационных устройств является отсутствие петель обратной связи.

Современные логические элементы выполняются в виде микросхем различной степени сложности.

В алгебре логики оперируют фундаментальным понятием «высказывание», под которым понимают какое-либо утверждение о любом предмете. При этом высказывания оценивают только с точки зрения их истинности или ложности без каких-либо промежуточных градаций.

Если высказывание соответствует истине, оно имеет значение истинности, равное единице, а если не соответствует, то нулю. Поэтому все переменные в алгебре логики принимают только два значения: 1 или 0, а любые математические действия над этими переменными обеспечивают получение результатов в виде 1 либо 0.

Логические элементы дают возможность изображать логические переменные с помощью электрических сигналов (напряжения или тока). Обычно наличие сигнала соответствует цифре 1, а его отсутствие — 0.

Высказывания бывают простыми и сложными. Если значение истинности не зависит от других высказываний, оно называется простым. Если же значение истинности зависит от значений истинности составляющих его высказываний, то сложным.

Любую логически сложную функцию, отражающую сложное высказывание, можно реализовать, используя три типа логических элементов: И. ИЛИ. НЕ.

Логический элемент И реализует операцию логического умножения (конъюнкции), смысл которого заключается в том, что сложное высказывание истинно только в том случае, если истинны все составляющие его простые высказывания. Этот элемент выполняют в виде устройства, имеющего несколько входов и один выход. Сигнал логической единицы появляется на выходе такой схемы только в том случае, если на все входы поданы сигналы, соответствующие единице. Поэтому логический элемент И часто называют схемой совпадений или конъюнктором.

 

X1	X2	Y

Таблица истинности:

 

На структурных схемах логический элемент, выполняющий функцию И, обозначают в виде прямоугольника, внутри которого имеется символ & (энд).

Логический элемент ИЛИ реализует функцию логического сложения. При логическом сложении сложное высказывание истинно, если истинно хотя бы одно из составляющих его простых высказываний. Элемент, выполняющий функцию ИЛИ, имеет несколько входов и один выход. Сигнал логической единицы появляется на выходе такого устройства в том случае, если хотя бы на один из входов подана логическая единица. Эту операцию называют иногда дизъюнкцией или собиранием, а cоответствующий элемент—дизъюнктором или собирательной схемой.

X1	X2	Y

Таблица истинности:

 

 

Схему ИЛИ обозначают прямоугольником с символом 1 внутри него.

Логический элемент НЕ реализует функцию логического отрицания. Смысл отрицания заключается в том, что сложное высказывание истинно, когда определенное высказывание ложно, и соответственно ложно, если это высказывание истинно. Сигнал, соответствующий единице на выходе устройства, появляется тогда, когда на вход подан сигнал логического нуля. В соответствии с выполняемой операцией инверсии элемент НЕ иногда называют инвертором.

Логическое отрицание обычно обозначают сплошной линией над соответствующими логическими переменными, например

X	Y

Таблица истинности:

 

 

Инверсия по выходу (входу) обозначается кружком (О) в контуре прямоугольника, изображающем схему.

Два возможных СОСТОЯНИЯ выходного параметра логического элемента могут быть представлены двумя уровнями выходного напряжения или появлением и не появлением выходных импульсов в определенные промежутки времени. В первом случае имеет место потенциальный способ задания логических переменных, во втором - импульсный.

При потенциальном способе задания различают положительную и отрицательную логику.

При положительной логике высокий уровень выходного сигнала соответствует единице (1), а низкий нулю (0), а при отрицательной высокий уровень соответствует нулю (0), а низкий — единице (1).

На принципиальных схемах логические элементы изображают прямоугольником (основное поле), в верхней части которого указан символ функции (& или 1) Входы показывают с левой стороны, а выходы - с правой. Допускается другая ориентация прямоугольника, при которой выходы показываются снизу, а входы—сверху. Знак инверсии О может быть показан и у входного вывода. Это означает, что в цепи входа установлен логический элемент НЕ. Соответствующий сигнал на выходе появляется в том случае, если на таком инверсном входе имеется логический 0, а не логическая 1, как это наблюдается при прямом входе.

Шины и провода, не несущие логической информации (в том числе и питания), подводят к левой или правой стороне прямоугольника и помечают крестиком (Х).

Триггеры.

Триггерами называют большой класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух или более устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. В отличие от комбинационных логических схем, триггеры — это логические устройства с памятью. Их выходные сигналы в общем случае зависят не только от сигналов, приложенных к входам в данный момент времени, но и от сигналов, воздействовавших на них ранее. В зависимости от свойств, числа и назначения входов триггеры можно разделить на несколько видов.Основой классификации триггеров по функциональному признаку является вид логического управления, характеризующего состояние входов и выходов триггера в момент времени до t_n и после его срабатывания t_{n + l}. По этому признаку триггеры подразделяют на RS-; D-; Т-; JK-типы и т. д. Название триггера отражает особенности организации его управления и характеризует вид логического уравнения, описывающего его функционирование при подаче электрических сигналов. Один из выходов триггера называют прямым и обозначают буквой Q, другой — инверсным и обозначают — . Состояние триггера отождествляют с сигналом на прямом _выходе. Триггер находится в единичном состоянии при и нулевом – при

а-асинхронный RS-триггер; б-синхронизируемый логическим нулем RS-триггер; D-триггер, срабатывающий по фронту 0,1; г - JK-триггер, срабатывающий по срезу 1,0; д -двухступенчатый JK-триггер с входами раздельной установки в нулевое (R) и единичное S состояния; е - Т-триггер, срабатывающий по срезу 1,0; ж-синхронизируемый фронтом 1,0 JK-триггер с логическими элементами И на входах J и К

Обозначения входов проводят исходя из состояний, в которые устанавливается триггер при подаче па них управляющих сигналов. При этом используют следующие метки:

· S – вход для раздельной установки триггера в состояние 1 (S-вход);

· R – вход для раздельной установки триггера в состояние 0 (R-вход);

· J – вход для установки состояния 1 в универсальном триггере (J-вход);

· К – вход для установки состояния 0 в универсальном триггере (К-вход);

· Т – счетный вход (Т-вход);

· D – информационный вход для установки триггера в состояния 1 или 0 (D-вход);

· Е – дополнительный управляющий вход для разрешения приема информации;

· С – управляющий вход разрешения приема информации (вход синхронизации, С – вход или тактовый).

Триггер обозначают в виде прямоугольника, имеющего основное и дополнительные поля. Внутри основного поля пишется буква Т или буквы ТТ, если триггер двухступенчатый; внутри дополнительных полей записываются буквы, характеризующие входы и выходы триггера. Причем если триггер управляется инверсным сигналом (логическим 0), то у соответствующего входа имеется метка О. При наличии нескольких входов одного назначения допускается добавлять к буквам цифры, например: 1, 2, CI, C2; 1, 2, 3 и т. д. Если переключение триггера осуществляется только в момент действия фронта или среза импульса (динамическое управление), то соответствующие входы обозначают дополнительным маленьким треугольником или косой линией. Треугольник повернут вершиной внутрь триггера, а косая линия имеет наклон 45°, если тот срабатывает по перепаду 0,1. Если переключение происходит по перепаду 1,0, то направление вершины треугольника изменяется на противоположное, а косая линия проводится под углом 135°. Выходы триггера показывают правой стороны прямоугольника, причем инверсный выход (Q) также обозначают кружком.

Триггер RS-типа представляет собой устройство, имеющее два информационных входа: R и S. В нем возможны два устойчивых состояния.

При R =0 и S=1 триггер принимает состояние 1 (Q=1), a при R=1, S=0 – состояние 0 (Q = 0). Иногда вход S называют единичным, a R—нулевым. Для триггера RS-типа комбинация S=1; R=1 является запрещенной, так как после такой комбинации состояние триггера будет неопределенным (X) и он может оказаться или в нуле, или в единице.

 

tn-1	tn
R	S	Q
		Qn-1
		Х

 

Простейший асинхронный RS-триггер состоит из двух ячеек И-НЕ (или ИЛИ-НЕ), замкнутых в кольцо, и по существу представляет ячейку памяти.

 

Микропроцессорная техника

Наибольшее применение цифровые цепи и сигналы находят в компьютерах. Компьютер — это устройство, автоматически обрабатывающее данные в цифровом виде с помощью цифровой техники. Обработка данных означает проведение различных операций с ними.

Компьютеры классифицируются по размерам и вычислительной мощности. Самые мощные компьютеры называются мэйнфреймами. Они дороги, но имеют большую память и высокую скорость вычислений. Самые маленькие компьютеры — миникомпьютеры и микрокомпьютеры — более доступны и широко используются. Микрокомпьютер — это наименьший и наименее дорогой из компьютеров, еще сохраняющий все свойства и характеристики компьютера.

Компьютеры классифицируются по назначению. Основное их назначение — обработка данных. В промышленности, бизнесе и других областях компьютеры используют для хранения данных, бухгалтерского учета, складского учета и для других самых различных функций.

Компьютеры могут быть общего и специального назначения. Компьютеры общего назначения очень гибкие и могут быть запрограммированы для решения любых задач. Компьютеры специального назначения рассчитаны на выполнение определенной задачи.