1.3. Структура и содержание разделов курса

Курс «Электротехника и промышленная электроника» рассчитан на изучение в течение двух семестров. В первом семестре изучаются:

• электрические цепи постоянного тока;

• однофазные цепи синусоидального тока;

• трехфазные электрические цепи;

• магнитные цепи;

• электрические измерения и приборы;

• трансформаторы;

• машины постоянного тока, асинхронные двигатели, синхронные машины;

• сигналы, спектральное представление сигналов;

• преобразование сигналов линейными системами с постоянными параметрами;

• полупроводниковые приборы;

• усилители, обратная связь в усилителях, операционные усилители;

• генерирование электрических колебаний;

• нелинейные и параметрические преобразования сигналов.

Этот семестр рассчитан на 36 лекционных часов, 18 часов лабораторных занятий и 18 часов практических занятий.

Во втором семестре изучаются вопросы, относящиеся к цифровой обработке информации. К ним относятся:

• представление информации в информационных системах;

• основы булевой алгебры;

• логические интегральные схемы, комбинационные и последовательностные схемы;

• полупроводниковые запоминающие устройства;

• цифровые процессоры;

• обмен данными в параллельном и в последовательном форматах;

• аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

• системы схемотехнического моделирования и анализа аналоговых, цифровых и цифро-аналоговых схем.

Он рассчитан на 32 лекционных часа и на 16 часов лабораторных занятий.

1.4. Обобщенная структурная схема автоматизированной управляющей системы

О бобщенная структурная схема системы автоматизации приведена на рис 1.1. На объект воздействуют возмущающие Х и управляющие М воздействия, состояние объекта характеризуется выходными сигналами Y. Возмущающие воздействия стремятся вывести объект из стационарного состояния, заставляют его развиваться в нежелательном направлении. Управляющие воздействия компенсируют нежелательное влияние возмущающих воздействий, обеспечивая тем самым сохранение стационарного состояния объекта или вынуждая его развиваться в направлении, желательном экспериментатору. Процессор обрабатывает исходные данные, характеризующие возмущающие воздействия и состояние объекта. Алгоритм обработки определяется автоматизируемым объектом. Датчики (первичные преобразователи) обеспечивают преобразование сигналов Х и Y, имеющих в большинстве случаев неэлектрическую природу, в электрические сигналы с сохранением необходимой информации о возмущающих воздействиях и состоянии объекта.

Возможны два типа процессоров: аналоговые и цифровые. Аналоговые процессоры обрабатывают аналоговые сигналы, цифровые процессоры – цифровые.

Аналоговые процессоры в настоящее время используются крайне редко. Это обусловлено их низкой помехоустойчивостью, невозможностью регенерации аналоговых сигналов, невозможностью реализации сложных алгоритмов. Указанных недостатков лишены цифровые процессоры. Обобщенная структурная схема системы автоматизации на базе цифрового процессора приведена на рис. 1.2.

В приведенной схеме аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует аналоговые выходные сигналы первичных преобразователей (датчиков) в цифровые сигналы, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует формируемые цифровым процессором управляющие воздействия из цифровой формы в аналоговую форму. В случае необходимости цифровые сигналы, формируемые на выходе процессора, могут непосредственно использоваться для управления объектом.

Ц ифровой процессор может быть реализован двумя принципиально различными способами.

Аппаратный принцип реализации логики управления (жесткая логика) предусматривает формирование требуемой последовательности или набора управляющих сигналов в специальной схеме процессора за счет соответствующих соединений между отдельными элементами, т.е. алгоритм функционирования такого процессора полностью определяется схемой соединений его элементов. Реализация подобных процессоров и их широкое использование в системах автоматизации стало возможным с появлением новой элементной базы – программируемых логические интегральные схемы (ПЛИС – Programmable Logic Devices – PLD). Главным отличительным свойством ПЛИС является возможность их настройки на выполнение заданных функций самим пользователем. Современные ПЛИС характеризуются низкой стоимостью (1-2 доллара США), высоким быстродействием (до 3,5 нс.), значительными функциональными возможностями (одна ПЛИС может заменить несколько сот корпусов традиционной "жесткой" логики), многократностью перепрограммирования, низкой потребляемой мощностью (позволяющей использовать их в изделиях с батарейным питанием), гибкостью архитектуры и др.

Процесс проектирования цифрового устройства на основе ПЛИС заключается в описании его функционирования на входном языке используемого программного средства, выполнении автоматизированного синтеза, проведении моделирования и настройке выбранной ПЛИС с помощью программатора. При этом время разработки даже достаточно сложных проектов может составлять всего несколько часов. Для того чтобы изменить алгоритм работы устройства, достаточно перепрограммировать ПЛИС, причем отдельные ПЛИС допускают программирование (перепрограммирование) уже после их установки на плату. По существу разработка устройств на основе ПЛИС представляет собой новую технологию проектирования электронных схем, включая их изготовление и сопровождение.

Программный принцип реализации логики управления (программируемая логика) предполагает последовательное во времени выполнение алгоритма функционирования, который определяется в виде программы и хранится в отдельном блоке памяти процессора.

Преимуществом систем, реализованных на программном принципе, является их гибкость. Изменение алгоритма функционирования такой системы осуществляется модификацией программы, структура системы в целом сохраняется. В настоящее время подобные цифровые процессоры в системах автоматизации могут быть реализованы на базе персональных ЭВМ, на микропроцессорах и микроконтроллерах