Лек1

Электроника

ХХI век немыслим без электроники. Стремительное развитие электроники связано с появлением полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, которые находят широкое применение в энергетике, вычислительной технике, информационно-измерительной технике, космонавтике, автоматике, радиотехнике и телевидении и т.п.

В современной измерительной технике нашли широкое применение большинство типов электронных устройств, выполняющих функции выработки и преобразования информационных электрических сигналов, формирования управляющих воздействий и сигналов индикации. К ним можно отнести:

-Аналоговые электронные устройства, работающие с информационными сигналами, адекватно отражающими физические параметры объекта наблюдения в любой момент времени.

- Логические электронные устройства с аппаратно заданой («жесткой») логикой преобразования информацион-ных электрических сигналов, которые применяются глав-ным образом для реализации относительно несложных функций преобразования.

-Микропроцессорные устройства и ЭВМ , обладающие возможностью реализации сколь угодно сложных функ-ций преобразования информационных сигналов благодаря программированию логических операций.

В связи с появлением интегральных схем (ИС), боль-ших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интеграль-ных схем (СБИС) широкое развитие получили дискретные методы измерений, воплощенные в приборах с цифровым отсчетом и регистрацией. Усложнение технологии произ-водства, развитие научных исследований привело к необ-ходимости измерения и контроля сотен и тысяч парамет-ров одновременно. Появился новый класс информацион-но-измерительной техники – измерительные информаци-онные системы (ИИС).

Общие характеристики аналоговых сигналов и устройств.

Виды и характеристики аналоговых сигналов и их информационные параметры.

Под аналоговым информационным сигналом понимается электрический сигнал, параметры которого (напряжение, ток и др.) изменяются аналогично изменению физической величины, характеризующей состояние или работу контролируемого объекта.

К таким сигналам относятся следующие разновидности:

-Непрерывный аналоговый электрический сигнал – в качестве информационного параметра используется напря-жение или ток, характер изменения которых повторяет колебания значения контролируемой физической величины.

- Дискретный аналоговый электрический сигнал квантован по времени таким образом, что его величина пропор-циональна физическому параметру в каждый данный момент времени. При этом шаг дискретизации по времени Δt должен быть таким, чтобы на выходе измерителя не была потеряна информация о фактическом изменении физической величины.

- Синусоидальный моночастотный аналоговый электрический сигнал – в качестве информационных параметров могут быть использованы амплитуда, частота и фаза (при наличии на приемной стороне опорного сигнала).

- Модулированный синусоидальный аналоговый электрический сигнал образуется путем изменения амплитуды (АМ-модуляция), частоты (ЧМ-модуляция) или фазы (ФМ-модуляция) высокочастотного несущего сигнала низ-кочастотным информационным сигналом.

-Импульсный аналоговый электрический сигнал предс-тавляет собой периодическую последовательность импу-льсов. Для передачи сообщений используются модуляции информационным сигналом: амплитуды - Um (АИМ), час-тоты – f =1/T (ЧИМ), ширины импульса – Ти (ШИМ), фазы – Δφ (ФИМ).

Импульсная последовательность обладает большими ин-формационными возможностями по сравнению с гармони-ческими сигналами.

Основные функциональные узлы электронных устройств.

Усилители информационного сигнала присутствуют пра-ктически во всех электронных устройствах, применяемых в измерительной технике. Усилители любого типа характе-ризуются полосой пропускания Δf , которая равна разнос-ти верхней fв и нижней fн граничных частот. Полоса про-пускания увязывается с шириной спектра усиливаемого сигнала.

У усилителей переменного тока нижняя граничная час-тота всегда больше нулевой отметки. Эти усилители спо-собны усиливать только переменные составляющие элект-рического сигнала.

В измерительной технике чаще всего используются низ-кочастотные усилители с полосой пропускания 50 – 1000 Гц, иногда с верхней граничной частотой до 20 кГц. Дан-ные усилители бывают согласующими и нормирующими.

Согласующие усилители служат для согласования внутреннего сопротивления источника входного сигнала с входным сопротивлением нормирующего усилителя или его выходного сопротивления с нагрузкой.

Нормирующие усилители обеспечивают усиление сигна-ла до заданных значений по напряжению или току.

Импульсные усилители отличаются широкой полосой пропускания, достаточной для усиления необходимого для сохранения формы импульсов гармонических составляю-щих спектра периодической последовательности разнопо-лярных импульсов.

Усилители мощности предназначены для обеспечения заданного уровня мощности на нагрузке при усилении пе-ременных и постоянных сигналов.

Усилители постоянного тока имеют полосу пропуска-ния с нижней граничной частотой равной нулю и, следова-тельно, способны усиливать как переменную, так и посто-янную составляющие входного сигнала. Операционные усилители (ОУ) наиболее представительный класс усили-телей постоянного тока. Благодаря своим уникальным свойствам (высокий коэффициент усиления и входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, малый дрейф выходного напряжения и др.) ОУ в настоящее время являются основной элементной базой многих аналоговых и импульсных электронных схем разного назначения.

Существуют два основных способа усиления входного сигнала с помощью операционных усилителей: инверти-рующий ОУ - сигнал усиливается и его знак и фаза изме-няются на противоположный (инвертируются), неинвер-тирующий ОУ, когда выходной сигнал усиливается без инверсии его знака и фазы.

Усилители типа МДМ (модулятор – демодулятор) испо-льзуются для усиления сигналов постоянного и/или мед-ленно меняющегося напряжения, когда необходимо прак-тически полностью исключить аддитивную погрешность выходного сигнала. В этом случае используется модуля-ция входным сигналом высокочастотного несущего напря-жения, при этом основное усиление осуществляется уси-лителем переменного напряжения, не имеющим аддитив-ной погрешности.

Двухканальные усилители могут использоваться в случа-ях, когда входной сигнал занимает относительно широкую полосу частот и необходимо при этом минимизировать ад-дитивную погрешность. Принцип работы такого усилите-ля основан на разделении фильтрами частотного диапа-зона входного сигнала на высокочастотную и низкочас-тотную составляющие. Высокочастотная составляющая усиливается усилителем переменного сигнала, а низкочас-тотная – усилителем МДМ, далее усиленные составля-ющие входного сигнала смешиваются и доводятся до нор-мированного значения выходным усилителем постоянного тока. В данном случае аддитивная погрешность выходного усилителя очень мала, поскольку на его входе действует сигнал высокого уровня, а коэффициент усиления неве-лик (близок к единице).

Лек 2

Преобразователи на базе операционных усилителей получили широкое распространение в электронных уст-ройствах измерительной техники. Релаксационные генера-торы и формирователи служат для формирования импу-льсных последовательностей, одиночных импульсов, вре-менных задержек. Интегрирующий и дифференцирующий операционные усилители позволяют получить выходное напряжение пропорциональное соответственно интегралу или производной входного сигнала. Сумматор применяет-ся для получения алгебраической суммы входных напря-жений с усилением или без усиления результата. Компара-тор представляет собой устройство сравнения двух элект-рических однополярных или разнополярных сигналов, один из которых является опорным (уставка). Компарато-ры широко применяются в аналого – цифровых преобра-зователях, генераторах пилообразного напряжения.

Вторичные источники питания (ВИП) служат для преобразования сетевого напряжения в постоянные напря-жения необходимых для электронных устройств уровней.

К аналоговым ВИП относятся источники, собранные по классической схеме, содержащей входной силовой транс-форматор, выпрямитель, фильтр и аналоговый стабилиза-тор параметрического или компенсационного типа. В им-пульсных ВИП используется промежуточное преобразова-ние выпрямленного сетевого напряжения в высокочастот-ный импульсный сигнал с последующим выпрямлением, фильтрацией и стабилизацией выходного напряжения ста-билизатором с импульсным регулированием различного типа (релейного, широтно-импульсного и др.).

Фильтры представляют собой элемент электрической цепи, формирующий заданную полосу пропускания по ча-стоте напряжения на следующих за фильтром элементах: нагрузках, каскадах усиления и т.д. Пассивные фильтры строятся на R-, L-, C-элементах, имеют относительно не-высокие параметры: коэффициент передачи, крутизну спа-да на границах полосы пропускания и т.п. Активные фильтры содержат кроме пассивных цепей операционные усилители, что позволяет восполнить потери уровня сиг-нала на пассивных элементах, а также обеспечить необ-ходимые параметры частотной характеристики.

Основные типы электрических схем.

Основные функциональные узлы, компоненты элемент-ной базы представляют собой электронные устройства то-го или иного назначения. Физически электронное устройс-тво представляет собой реально существующую электри-ческую цепь, содержащую источники энергии, основные функциональные узлы, компоненты элементной базы, на-грузки и соединения. В конструкторской документации при разработке электронного устройства реальная элект-рическая цепь отражается в виде электрических схем трех основных видов.

Электрическая структурная схема в общем виде пояс-няет принцип работы электронного устройства, состав его основных узлов и блоков, их назначение и взаимосвязи между ними. В качестве примера приведен возможный вариант структурной схемы простейшего цифрового изме-рителя температуры объекта, содержащий шесть блоков.

Блок датчика осуществляет преобразование температу-ры в электрический сигнал. Блок нормирующего усилите-ля обеспечивает необходимый для дальнейшего преобра-зования уровень сигнала. Блок преобразователя формиру-ет из аналогового сигнала цифровой код, адекватный теку-щему значению температуры, далее цифровой код преоб-разуется блоком дешифратора в код управления цифровым индикатором. Электрические сигналы, соответствующие логическим уровням этого кода, усиливаются усилителем мощности до уровня, необходимого для работы блока ци-фрового индикатора.

Структурная схема служит основанием для разработки функциональной схемы.

Электрическая функциональная схема детализирует принцип работы устройства путем реализации блоков структурной схемы с помощью блоков, выполняющих стандартные функциональные преобразования.

При этом блок структурной схемы может быть реали-зован несколькими функциональными блоками, и наобо-рот, несколько блоков структурной схемы могут быть реа-лизованы меньшим числом функциональных блоков.

В данном примере первичный измерительный прео-бразователь представлен блоком 1 со стандартным услов-ным графическим изображением функции преобразова-ния. Нормирующий усилитель реализован на операцион-ном усилителе – блок 2, его условное графическое изо-бражение показано в рамках блока; преобразователь ана-логового сигнала и дешифратор выполнены в виде одного блока 3 – аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с выходом в виде позиционного кода управления цифровым индикатором. Усилитель мощности реализован блоком 4, имеющим соответствующее условное графическое обозна-чение (УГО); блок 5 имеет стандартное обозначение сим-вольного индикатора.

Таким образом, функциональная схема содержит прак-тические рекомендации по выбору отдельных схемотехни-ческих решений и служит основанием для разработки принципиальной схемы измерителя температуры.

Электрическая принципиальная схема содержит полный состав комплектующих элементов электронного устройст-ва и всех электрических связей между ними. Приложени-ем к принципиальной схеме является перечень всех входя-щих в неё элементов с указанием их позиционных обозна-чений, типов, числа, выполняемый по стандартной форме Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Принципиальная схема служит основанием для разработ-ки других конструкторских документов, необходимых для изготовления изделия (схем соединения, электромонтаж-ных чертежей и др.).

Характеристика простейшей электрической цепи.

Простейшая электрическая цепь содержит источник пи-тания (ИП), источник входного сигнала постоянного или переменного напряжения и нагрузку.

Д анная цепь не содержит реактивных эле-ментов. Обозначения на схеме: Е – ЭДС источника сигнала; Rи –внутреннее сопро-тивление источника; Rн – эквивалентноесопротивление нагрузки; Iн – ток нагрузки; Uвых – выход-ное напряжение.

Основной характеристикой такой цепи является коэф-фициент передачи: К = Rн / Rи + Rн.

На практике к простейшим цепям такого типа можно свести многие участки реальных электрических схем, что существенно облегчает их расчет. В то же время при рабо-те с источником переменного сигнала необходимо учиты-вать реактивные сопротивления конденсаторов и катушек индуктивности, входящих в состав схемы, а также возни-кающие при монтаже изделия. Реактивные элементы уме-ньшают уровень переменного сигнала и вносят дополни-тельные сдвиги (чаще всего нежелательные) между напря-жениями и токами сигнала при его преобразованиях. В данном случае электрическая цепь будет частотнозависи-мой, так как модуль реактивного сопротивления зависит от частоты сигнала.