Предисловие

«Прикладная электроника» («Промышленная электроника», «Микроэлектроника» и другие названия курсов для студентов родственных специальностей) относится к числу наиболее важных курсов для подготовки современных инженеров — физиков и инженеров других электротехнических специальностей. В этом курсе почти сразу за курсом «Основы электроники», будущие специалисты изучают: основные типы приборов и схем интегрального исполнения, используемых в электронике; принцип действия и особенности линейных, импульсных и цифровых устройств для обработки сигналов в электронных системах управления и отображения информации, применяемых при проектировании и изготовлении микропроцессоров. Даже из этого краткого сообщения видно, что электроника является базой дальнейшей компьютеризации как процесса обучения, так и основой автоматизации многих областей промышленности, транспорта и энергетики.

Курс «Прикладная электроника» можно отнести скорее к общеинженерным, чем к специальным дисциплинам. Из этого следует, что главная цель данного курса — не столько научить студента разрабатывать те или иные функционально законченные электронные устройства (изучение электроники в таком объеме предусмотрено для подготовки инженеров соответствующего профиля в рамках специальности «Промышленная электроника»), сколько научить его понимать принцип действия этих устройств, уметь грамотно эксплуатировать их и формулировать задание на разработку нового устройства. Это и отражено в содержании данного пособия.

Предлагаемое пособие написано в соответствии с Государственным образовательным стандартом профессионального высшего образования по специальности 200600 «Электроника и автоматика физических установок» по дисциплине «Прикладная электроника».

При написании пособия по этому курсу автор неизбежно сталкивается с трудной задачей, обусловленной, с одной стороны, разнообразием и быстрым развитием современных электронных устройств, существенно различающихся назначением, принципом действия, уровнем мощности и иными признаками, и с другой — ограниченным числом лекционных часов и соответственно ограниченным объемом пособия.

В основу пособия положен материал, содержащийся в следующей литературе:

1 Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. -М.: Высшая школа, 1982. - 496с., ил.

2 Поспелов Д.А. Логические методы анализа и синтеза схем. – М., Л.: Энергия, 1964. – 320 с.: ил.

3 Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990. -304 с., ил.

4 Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - 2-е изд., испр. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отд., 1989. - 352 с., ил.

5 Цифровые интегральные микросхемы. Справочник: П.П. Мальцев, Н.С. Долидзе, М.И. Критенко и др. –М.: Радио и связь, 1994. –240 с.: ил.

Пособие составил доц. Терехин В.Б.

1 Импульсная и цифровая техника

1.1 Общие сведения

В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. На базе импульсной техники выполняются системы управления и регулирования, устройства измерения и отображения информации. На ней основана цифровая вычислительная техника.

В отличие от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени (например, напряжение изменяется пропорционально регулируемой температуре), в импульсных системах используются сигналы (напряжение, ток) импульсной формы.

Преобладающее применение импульсных систем обусловлено их существенно меньшим потреблением тока (большим к. п. д.), более высокой точностью, меньшей критичностью к изменению температуры, большей помехоустойчивостью. Немаловажную роль играют также относительная простота средств представления информации в импульсной форме и наличие эффективных способов ее обработки (преобразования).

В импульсной технике применяются импульсы различной формы. Распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной кривым (рисунок 1.1, а - в), а также импульсы положительной, отрицательной и чередующейся полярности (рисунок 1.1,г),

Рисунок 1.1. Импульсные сигналы прямоугольной (а), пилообразной (б), экспоненциальной (в), прямоугольной с чередующейся полярностью (г) форм

Импульсный сигнал характеризуется рядом параметров. Рассмотрим их на примере реального импульса напряжения с формой кривой, близкой к прямоугольной (рисунок 1.2).

Такой сигнал вначале быстро нарастает до максимального значения. Затем напряжение может сравнительно медленно изменяться в течение некоторого промежутка времени, после чего происходит быстрое спадание импульса. Характерными участками импульса являются фронт (передний фронт), вершина (плоская часть) и срез (задний фронт).

Рисунок 1.2 - Реальный импульс напряжения прямоугольной формы

Параметрами импульса являются амплитуда, длительность, длительность фронта, длительность среза и спад вершины.

Амплитуда импульса определяет наибольшее значение напряжения импульсного сигнала.

Длительность импульса характеризует продолжительность импульса во времени. Ее часто измеряют на уровне, соответствующем половине амплитуды (активная длительность импульса). Иногда длительность импульса определяют на уровне 0,1. При относительно малых продолжительностях двух крайних участков импульса длительностьопределяют по его основанию (см. рисунок 1.1,а).

Длительность фронта и длительность среза импульсахарактеризуют соответственно времена нарастания и спада импульса. Наиболее часто пользуются понятиями активных длительностей фронта и среза, представляющими указанные времена изменения напряжения относительно уровней 0,1и 0,9(рисунок 1.2).

Длительности иобычно составляют доли процента от длительности. Чем меньшеипо сравнению с, тем меньше отличие сигнала от идеального импульса прямоугольной формы.

Спад вершины импульса и его относительная величина/отражают уменьшение напряжения на плоской части импульса. Спад вершины импульса, в частности, создается при прохождении сигнала прямоугольной формы через импульсный усилитель сRС- связями .

Параметрами последовательности импульсов (см. рисунок 1.1, а) являются период повторения (следования), частота повторения, пауза, коэффициент заполнения и скважность.

Периодом повторения импульсов называют интервал времени между соответствующими точками (например, между началами) двух соседних импульсов.

Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения импульсов: f= 1/Т.

Паузой называют интервал времени между окончанием одного и началом следующего импульсов:.

Коэффициент заполнения характеризуется отношением длительности импульсов к периоду их следования:= t_и/T.

Величину, обратную коэффициенту заполнения, называют скважностью импульсов: q =T/t_и= 1/.

Импульсный сигнал (последовательность импульсов) обладает большими информационными возможностями. Для преобразования электрического или неэлектрического параметра в сигнал импульсной формы наибольшее применение получили время-импульсный и число-импульсный методы. Носителем информации в первом случае является длительность импульсов, во втором — число импульсов в фиксированном интервале времени.

В схемах импульсной техники для обработки и преобразования информации широко применяют цифровые методы. Они базируются на использовании сигнала прямоугольной формы, имеющего два фиксированных уровня напряжения. Это позволяет представить сигнал в цифровой форме: уровню высокого напряжения приписывают символ «1», а уровню низкого напряжения — символ «0». На указанном виде сигнала основана, в частности, работа цифровых вычислительных устройств, а также используемая в них двоичная система счисления.

Цифровая форма представления сигнала упрощает рассмотрение импульсных систем и позволяет использовать при их анализе и разработке соответствующий математический аппарат (алгебру логики). Цифровые методы построения и проектирования импульсных систем занимают в современной электронике ведущее место.