Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы электроники и цифровой схемотехники. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
---------------------------------
ФГБОУ ВО
---------------------------------
Н. В. СУХАНОВА
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
И ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
ВОРОНЕЖ
2017
1
УДК 621.3 (075.8)
ББК 32Я7
С91
Научный редактор профессор В. С. КУДРЯШОВ
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра электроники
Воронежского государственного университета;
канд. тех. наук Н. Р. БОБРОВНИКОВ
(ОАО «Автоматика»)
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Воронежского государственного университета инженерных технологий
Суханова, Н. В.
С91
Основы электроники и цифровой схемотехники [Текст]: учеб.
пособие / Н. В. Суханова; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. – Воронеж : ВГУИТ, 2017. – 95 с.
ISBN 978-5-00032-226-0
Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВО
подготовки выпускников по специальности 10.05.03 - «Информационная
безопасность автоматизированных систем», направлениям 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств», 27.03.04 – «Управление в технических системах». Оно предназначено для закрепления теоретических знаний по дисциплинам блока Б1 «Дисциплины».
2202010000 – 09
C
ОК2 (03) – 2017
ISBN 978-5-00032-226-0 ©©Суханова Н. В., 2017
Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.
2
Без объявл.
ФГБОУ ВО «Воронеж. гос.
ун-т инж. технол.», 2017
УДК 621.3 (075.8)
ББК 32я7
ПРЕДИСЛОВИЕ
Изучение дисциплины «Электроника и схемотехника» направлено
на формирование у студентов следующих компетенций:
по специальности 10.05.03:
ПК-10 - способность применять знания в области электроники и схемотехники, технологий, методов и языков программирования, технологий связи и передачи данных при разработке
программно-аппаратных компонентов защищенных автоматизированных систем в сфере профессиональной деятельности;
по направлению 15.03.04:
ОПК-2 - способность решать стандартные задачи профессиональной деятельности на основе информационной и библиографической культуры с применением информационнокоммуникационных технологий и с учетом основных требований
информационной безопасности;
ПК-15 - способность выбирать технологии, инструментальные
средства и средства вычислительной техники при организации
процессов проектирования, изготовления, контроля и испытаний
продукции; средства и системы автоматизации, контроля,
диагностики, испытаний, управления производством, жизненным
циклом продукции и ее качеством;
по направлению 27.03.04:
ОПК-3 - способность решать задачи анализа и расчета характеристик электрических цепей.
Значительный прогресс в развитии многих областей науки
и техники обусловлен развитием электроники и схемотехники. В
настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные
приборы или электронные устройства измерительной техники,
автоматики и вычислительной техники. Причем тенденция развития такова, что доля электронных информационных устройств и
устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является
результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешевых высококачественных микроэлектронных функциональных узлов различного
назначения [1].
3
В данном пособии рассматривается элементная база электроники: резисторы, конденсаторы, полупроводниковые приборы. Излагаются принципы построения аналоговых и импульсных
электронных устройств. Особое внимание уделено операционным усилителям и устройствам на их основе. Рассмотрены также
основные устройства цифровой электроники, запоминающие устройства, преобразователи информации и т. п.
Учебное пособие состоит из трех глав. В первой главе рассмотрена элементная база электронных устройств, вторая посвящена вопросам построения аналоговых и импульсных электронных устройств, третья - цифровой электронике и электронным
устройствам хранения и преобразования информации. В пособии
изложены в сжатой и доступной форме основные разделы программы курса, рассмотрены принципы функционирования, выбора и практической реализации электронных устройств различного
назначения, методы их анализа и расчета. Особое внимание уделено вопросам практического построения аналоговых и цифровых электронных устройств.
4
ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ
Основная задача схемотехники – синтез (определение
структуры) электронных схем, обеспечивающих выполнение определённых функций, и расчёт параметров входящих в них элементов. Термин «схемотехника» появился в 60-х годах 20 века в
связи с разработкой унифицированных схем, пригодных одновременно для многих применений. Элементной базой для создания электронных устройств служат дискретные электро- и радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и т. п.)
и интегральные микросхемы (ИС). Если электронная схема реализуется в виде ИС либо нескольких ИС, то говорят о «микросхемотехнике». Теоретической базой схемотехники служат теория линейных и нелинейных электрических цепей, электродинамика, математическое программирование и др. При создании
электронных схем перспективно использование методов проектирования с применением ЭВМ.
Схемотехника – научно-техническое направление, охваты-
вающее проблемы проектирования и исследования схем электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и др. областей техники. Это наука о проектировании и исследовании схем.
В рамках электроники изучаются физические основы функ-
ционирования электронных устройств. Рассматривается достаточно
«низкий» физический уровень, то есть взаимодействие электронов с
электромагнитными полями. Схемотехника находится на более высоком уровне абстракции, чем электроника: в рамках электроники разрабатываются отдельные «детали» (транзисторы, диоды, электронные
лампы и т. д.), а в рамках схемотехники эти детали используются.
При этом для схемотехники совершенно не важно, как устроены
электронные компоненты и какие физические принципы положены в
основу их работы. Схемотехника обычно рассматривает все электронные компоненты как черные ящики (подобно тому, как мы успешно пользуемся мобильными телефонами, не задумываясь об их
внутреннем устройстве).
Слово “ схема” нуждается в отдельном пояснении. Предмет изучения схемотехники - это схемы, и этот термин имеет два значения:
5
· во-первых, электрическая схема - это условное графиче-
ское представление некоторой электрической цепи. В зависимости от назначения используются различные виды схем
(принципиальная схема, эквивалентная схема и другие) [2].
· во-вторых, схема - это сама электрическая цепь (напри-
мер, интегральная схема).
Можно сказать, что задача схемотехники - это анализ и
проектирование реальных электронных устройств, но при этом
схемотехника оперирует «схемой» - абстрактным представлением
устройства в виде совокупности условных обозначений.
Электроника и схемотехника охватывает обширный раздел
науки и техники, связанный с изучением и использованием различных физических явлений, а также разработкой и применением устройств, основанных на протекании электрического тока в вакууме,
газе и твердом теле при воздействии электрических или магнитных
полей. В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития электроники.
Первое поколение (1904 -1950) характеризуется тем, что основу элементной базы электронных устройств составляли электровакуумные и газоразрядные приборы [9]. К ним относятся электронные лампы, электронно-вакуумные трубки, газоразрядные индикаторы и др.
Второе поколение (1950 - начало 60-х) характеризуется применением дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и т. д.).
Третье поколение (1960 – 1980) связано с бурным развитием
микроэлектроники и с созданием интегральных схем различной
степени интеграции, а также микросборок. На этом этапе электронные устройства характеризуются резким увеличением надежности,
уменьшением габаритов, массы, энергопотребления.
Четвертое поколение (с 1980 по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств
с использованием больших и сверхбольших интегральных схем.
Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передачи сигналов управления подразделяются на два класса: аналоговые и дискретные. Аналоговые электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи сигналов, которые изме-
6
няются по закону непрерывной (аналоговой) функции. Аналоговые
ЭУ отличаются простотой, быстродействием, однако имеют низкую
помехоустойчивость и нестабильность параметров при воздействии
внешних дестабилизирующих факторов, например, температуры,
влажности, времени и т. д.
Дискретные электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, представленных в дискретной форме. Такие устройства отличаются высокой
помехоустойчивостью, небольшой потребляемой мощностью и стоимостью. В свою очередь, дискретные электронные устройства подразделяются на импульсные и цифровые. Импульсные - формируют
импульсную последовательность сигналов. Процесс преобразования
аналоговой информации в последовательность импульсов носит название импульсной модуляции. На практике широко используется
амплитудная, широтно-импульсная и фазоимпульсная модуляция.
В цифровых электронных устройствах происходит кодирование
сигнала, т. е. преобразование его в определенную последовательность
однотипных импульсов. Цифровые электронные устройства в настоящее время получили очень широкое распространение благодаря
высокой надежности, высокой помехоустойчивости, возможности
длительного хранения информации без ее потери; энергетической совместимости и интегральной технологичности элементной базы. В
ряде электронных устройств имеет место аналоговая и цифровая информация. Такие устройства относятся к комбинированным электронным устройствам [3].
К аналоговым электронным устройствам относятся: электронные усилители, операционные усилители, коммутаторы,
компараторы, стабилизаторы напряжения и т. д. К импульсным мультивибраторы, одновибраторы, блокинг-генераторы, функциональные преобразователи, генераторы пилообразного напряжения и т. д.
Цифровые электронные устройства - это логические элементы, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, шифраторы,
мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры и т. д.
К комбинированным электронным устройствам относятся: аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Все вышеперечисленные электронные устройства рассмотрены в пособии [4].
7
1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
1.1. Резисторы
Ток, протекающий через металлический проводник (или другой материал, обладающий некоторой проводимостью), пропорционален напряжению, приложенному к проводнику [ 9]. Резисторы изготавливают из графитовых смесей, металлических пленок,
накрученных на каркас, или на основе полупроводниковых элементов, подобных полевым транзисторам [5]. Резистор (рис.
1.1) характеризуется величиной сопротивления:
. Сопро-
IUR /=
тивление R измеряется в омах, если напряжение U выражено в
вольтах, а ток I в амперах. Это соотношение носит название «закон Ома». Резисторы характеризуются также мощностью, которую они рассеивают в пространство (мощность рассеивания) и
такими параметрами, как допуск (точность), температурный коэффициент, уровень шума, коэффициент напряжения, стабильность во времени и пр. Резисторы используются для преобразования напряжения в ток и наоборот.
Рис. 1.1 Внешний вид резисторов
Резисторы – самый распространенный элемент. Типов резисторов очень много, как и схем, в которых они используются. Они
применяются в усилителях, в качестве нагрузки активных устройств, в схемах смещения и в качестве элементов обратной связи
[6]. Вместе с конденсаторами работают как фильтры. Промышленность выпускает резисторы с сопротивлением от 0,01 до 1012 Ом и
мощностью от 0,125 до 250 Вт с допуском от 0,005 до 20 %.
Все резисторы можно разделить на постоянные, переменные и подстроечные.
Классификация и обозначение резисторов. До 1968 года
не существовало единой системы обозначений. Чаще всего использовались сокращения, отражавшие особенности конструктивно-технологического исполнения. Многие резисторы этих серий применяются и сейчас. Например, резисторы типа МЛТ - металлопленочные лакированные термостойкие. В 1968 году была
8
введена классификация, по которой в обозначении резистора
±
±
±
±1±2±5±10±
±
первой идет буква «С». Дополнительная буква «П» - значит переменный, а идущие далее цифры обозначают особенности резистора. Существует следующая классификация резисторов.
1. Непроволочные углеродистые тонкослойные.
2. Непроволочные тонкослойные металлодиэлектрические и
металлоактивные.
3. Непроволочные композиционные пленочные.
4. Непроволочные композиционные объемные.
5. Проволочные.
6. Непроволочные тонкослойные металлизированные.
С 1970 года существует еще одна система условных обозначений:
П – постоянный резистор;
РП – переменный резистор;
РН – набор резисторов;
1 – непроволочный;
2 – проволочный.
Далее идут цифры, обозначающие номер обработки. Например, П2-15 значит, что это постоянный проволочный резистор, 15
– номер обработки.
Рассмотрим допустимые отклонения сопротивлений резисторов (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Допуск,
%
Обозна-
чение
допуска
1980 года.
0,1
B(Ж) C(У) D(Д) F(Р) G(Л) I(И) K(С) M(В)
Примечание: в скобках приведены обозначения использовавшиеся до
0,2
0,5
20
Маркировка резисторов. Первая буква используется вместо
десятичной запятой: Е – омы, К – килоомы (103); М – мегаомы
(106), Г – гигаомы (109), Т – тераомы (1012). Вторая буква используется для обозначения допуска.
Например, обозначение резистора К47И означает, что его
номинал – 470 Ом и допуск
5 %.
9
В последнее время резисторы все чаще маркируются цветовым кодом. При этом маркировка наносится на цилиндрическую
поверхность в виде круговых полос или точек, сдвинутых к одному из торцов. Если длина резистора не позволяет сдвинуть
маркировку, то последний знак делается в 1,5 раза больше остальных. Цветовая маркировка резисторов приведена в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Цвет 1-я полоса 2-я полоса 3-я полоса Множи-
тель
Черный - 0 - 1 1
Коричневый 1 1 1 10 2
Красный 2 2 2 10
Оранжевый 3 3 3 10
Желтый 4 4 4 10
Зеленый 5 5 5 10
Синий 6 6 6 10
Фиолетовый 7 7 7 10
Серый 8 8 8 - 0,05
Белый 9 9 9 - -
Золотой - - - 0,1 5
Серебряный - - - 0,01 10
Допуск, %
2
3
4
5
6
7
-
-
-
0,5
0,25
0,1
Если имеется четырехполосный код: 1, 2-я полосы – номинал, 3-я полоса – множитель, 4-я полоса – допуск [6].
Если мы имеем дело с пятиполосным кодом: 1, 2, 3-я полосы – номинал, 4-я – множитель, 5-я – допуск.
Для резисторов с номинальным сопротивлением, выраженным двумя цифрами и множителем, маркировка состоит из 4 знаков или 3 при допуске±20 %.
Значения номинальных мощностей рассеивания образуют
ряд, из которого чаще всего используют резисторы с мощностью
рассеивания от 0,125 до 5 Вт.
Переменные резисторы в общем виде выполняются в виде
токопроводящего слоя на оси контактной пружины, скользящей
по этому слою. Переменные резисторы делятся: на 1) регулировочные и 2) подстроечные. Первые являются органами оперативной регулировки. Подстроечные резисторы обычно используют
для точной настройки параметров, в процессе изготовления или
ремонта. Переменные резисторы изготавливаются для объемного
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]