Краткий конспект лекций

по дисциплине

Основы промышленной электроники

Часть 2

Специальность: 2-36 03 31 «Монтаж и эксплуатация электрооборудования»

Раздел 6 Импульсные устройства

6.1 Общая характеристика импульсных устройств

Способы представления информации

При использовании в качестве носителя информации электрических сигналов (напряжений и токов) возможны две формы представления численного значения какой-либо переменной, например, X:

1) в виде одного сигнала – напряжение (ток), которое сравни­мо с величиной X (аналогично ей) - например, при Х = 1845 единиц на вход электронного устройства можно подать напря­жение 1,845 В (масштаб представления 0,001 В/ед.) или 9,225 В (масштаб 0,005 В/ед.);

2) в виде нескольких сигналов - нескольких напряжений постоянного тока, которые, например, сравнимы с числом единиц в X, числом десятков в X, чис­лом сотен в X и т. д.

Первая форма представления информации называется аналоговой или непрерывной (с помощью сходной величины - аналога). Величины, пред­ставленные в такой форме, могут принимать принципиально любые значения в каком-то диапазоне. Количество значений, которые может принимать такая величина, бесконечно велико. Их бесконечно много даже в случае, когда величина изменяется в ограничен­ном диапазоне, например 0-2000 или 0-0,0001. Отсюда названия - не­прерывная величина, непрерывная или аналоговая информация, аналоговые устройства.

Вторая форма представления информации называется цифровой или дискретной (с помощью набора напряжений, каждое из которых соответ­ствует одной из цифр представляемой величины). Такие величины, принимаю­щие не все возможные, а лишь вполне определенные значения, называются дискретными (прерывистыми). В отличие от непрерывной величины коли­чество значений дискретной величины всегда будет конечным.

Импульсный режим работы

Соответственно, наряду с непрерывным режимом работы электронных устройств используется импульсный (дискретный) режим, при котором кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой.

Современная электроника характеризуется широким применением импульсных устройств. Многие производственные процессы имеют импульсный характер: пуск и остановка агрегатов, измене­ние скорости и торможение, сброс нагрузки, срабатывание защиты и т. д. Большинство технологических процессов разбивается на ряд операций - «тактов», и их чередование также обуславливает импульсный характер работы уст­ройств. Для управления работой агрегатов с импульсным характером требуется создание специ­фических импульсных электронных узлов.

По сравнению с аналоговым импульсный режим работы имеет ряд значительных преимуществ:

- значительная выходная мощность при малом значении средней мощности из-за отсутствия постоянной составляющей тока, что позволяет уменьшить массу и габариты аппаратуры;

- повышение пропускной способности – возможность одновременной передачи нескольких потоков информации;

- повышение помехоустойчивости, точ­ности и надежности электронных устройств;

- уменьшение влияния температур и разброса параметров полупроводниковых приборов на работу устройств, так как работа осуществляется в двух режимах: “включено” - ”выключено”;

- реализация импульсных устройств на однотипных элементах, легко выполняемых методом интегральной технологии.

Существует множество способов передачи непрерывного сигнала (рис. 34, а) в виде прямоугольных импульсов (рис. 34,6 - г).

При осуществлении амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) амплитуда импульсов пропорцио­нальна входному сигналу (рис. 34, б). При таком способе передачи информации вредное влияние дрейфа нуля уси­лителей и других дестабилизирующих факторов на точность сохраняется.

Рисунок 34 – Различные способы передачи информации с помощью импульсов

Рисунок 35 - Основные параметры прямоугольных импульсов

При использовании широтно-импульсной мо­дуляции (ШИМ) амплитуда и частота повторения импуль­сов постоянны, но ширина импульсов t_и пропорциональна текущему значению входного сигнала (рис. 34, в).

При частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) (рис. 34, г) вход­ной сигнал определяет частоту следования импульсов, ко­торые имеют постоянную длительность и амплитуду. При ШИМ и ЧИМ дрейф нуля усилителей не влияет на точность передачи входного сигнала, которая в данном случае за­висит только от точности фиксации временного положения импульсов.

Наибольшую точность и помехоустойчивость обеспечивают число - импульсные (цифровые) методы: информация пе­редается в виде числа, которому соответствует определен­ный набор импульсов (код), при этом существенно только наличие или отсутствие импульса.

Импульсы прямоугольной формы наиболее часто при­меняются в электронной технике. На рис. 35, а приведена периодическая последовательность прямоугольных импульсов, а на рис. 35, 6 показана система параметров, которая позволяет описать импульсы. Импульс характеризуется сле­дующими параметрами:

U_m - амплитуда импульса; t_и - длительность импуль­са; t_п - длительность паузы между импульсами; T_п=t_и + t_п - период повто­рения импульсов; f=1/T_п - частота повторения импульсов; Q_H = T_п/t_и - скважность импульсов.

В реальных устройствах прямоугольные импульсы име­ют (рис. 35, б) определенную длительность фронта t_ф и среза t_c. Как правило, фронт и срез импульса определяют­ся в течение нарастания (или спада) напряжения от 0,1U_m до 0,9U_m.

Наряду с прямоугольными импульсами в электронной технике широко применяются импульсы пилообразной, экспоненциальной, трапециидальной и другой формы.

Цифровой режим работы

Цифровые устройства чаще всего работают только с двумя значениями сигналов – нулём «0» (обычно низкий уровень напряжения или отсутствие импульса) и «1» (обычно высокий уровень напряжения или наличие прямоугольного импульса), т.е. информация представляется в двоичной системе счисления.

Это обусловлено удобством создания, обработки, хранения и передачи сигналов, представленных в двоичной системе: ключ замкнут – разомкнут, транзистор открыт – закрыт, конденсатор заряжен – разряжен, магнитный материал намагничен – размагничен и т.д.

Цифровая информация представляется двумя способами:

1) потенциальным - значениям «0» и «1» соответствуют низкий и высокий уровни напряжения.

2) импульсным - двоичным переменным соответствует наличие или отсутствие электронных импульсов в определённые моменты времени.

Наименьшая единица информации, которая выражает логическое значение да или нет и обозначающаяся двоичным числом 0 или 1 называется битом.

Группа из восьми битов называется байтом (256 значений).

Системы счисления, используемые в цифровых устройствах

Совокупность приёмов и правил обозначения чисел цифровыми знаками называется системой счисления. Количество знаков, используемых для изображения числа, называется основанием системы счисления.

Системы счисления, применяемые в цифровых устройствах, ориентированы на двоичную систему, т.к. основой цифровых устройствах является элемент, имеющий два устойчивых состояния.

В десятичной системе счисления основанием является 10 и для записи чисел используют символы 0...9. В двоичной системе основанием является. 2. Для записи чисел используются символы 0 и 1. Для перевода числа из десятичной системы в двоичную надо последовательно делить на два и результат записывать справа налево, начиная с последнего частного, включая остатки от деления.

Таблица 2 – Запись чисел в различных системах счисления

10	2	8	16
0	0	0	0
1	1	1	1
2	10	2	2
3	11	3	3
4	100	4	4
5	101	5	5
6	110	6	6
7	111	7	7
8	1000	10	8
9	1001	11	9
10	1010	12	A
11	1011	13	B
12	1100	14	C
13	1101	15	D
14	1110	16	E
15	1111	17	F
16	10000	20	10

В восьмеричной системе основанием является. 8. Для записи чисел используют символы 0...7. Любое число может быть записано как сумма степеней 8. Для перевода числа из десятичной системы в восьмеричную надо последовательно делить на 8.

Для перевода числа из двоичной системы в восьмеричную, нужно отсчитывать справа налево по три разряда двоичного числа и записывать каждую группу из трех разрядов с помощью символов 0...7.

Основанием в шестнадцатеричной системе является 16, для записи чисел используются символы 0...9 и A...F. Для перевода из десятичной системы в шестнадцатеричную, надо последовательно делить на 16.

Пример – Перевести в десятичную систему число 1С8₁₆

1²С¹8⁰ = 1·16² + 12·16¹ + 8·16⁰ = 256 + 192 + 8 = 456

Обратный перевод

456/16

448 28/16

456₁₀ = 1C8₁₆ 8 16 1

12

В любой системе счисления ее основание записывается как 10. Для перевода числа из двоичной системы в шестнадцатеричную, нужно отсчитывать справа налево по 4 разряда двоичного числа и записывать каждую группу разрядов с помощью символов из таблицы 2, в которой представлены соотношения между числами в различных системах счисления.

Правила двоичной арифметики

0+0=0 0+1=1 1+1=10 10+1=11