n1

на рис. 18.1, общий коэффициент усиления

КU = К1 К2… Кn,

где К1 К2… Кn - коэффициент усиления соответствующих каскадов. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах –

белах и децибелах, (1Б=10дБ).

Рис.18.1. Структурная схема трёхкаскадного усилителя

Коэффициент усиления, выраженный в децибелах,

КдБ = 10lg (Uвых/ Uвх).

Общий коэффициент усиления, например, трехкаскадного усилителя в логарифмических единицах

КдБ = К1дБ + К2дБ + К3дБ.

В тех случаях, когда в децибелах необходимо определить усиление по мощности, применяют формулу

КРдБ = 20lg (Uвых/ Uвх),

где числовой множитель появляется потому, что мощность пропорциональна квадрату напряжения. Действительно,

КРдБ =10lg (Pвых/ Pвх)= 10lg (Uвых2/ Uвх2)= 20lg ×(Uвых/ Uвх).

Последнее выражение справедливо при равенстве входного и выходного сопротивлений.

Выходная мощность — это мощность, которая развивается на выходном

нагрузочном сопротивлении усилителя:

Pвых = Uвых2/Rн= Um вых2/( Rн).

Обычно используют значения номинальной выходной мощности - наибольшей мощности, развиваемой в нагрузке, при которой искажения не превышают заданных значений.

Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной выходной мощности к мощности, потребляемой всеми источниками питания:

η=Pвых/ Pвх.

Частотные искажения – это искажения, вызванные различной степенью усиления на различных частотах из-за присутствия в схемах усилителей реактивных элементов (индуктивных катушек и конденсаторов).

Фазовые искажения - это искажения, вызванные нелинейной зависимостью сдвига фазы между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты. Причиной этих искажений является присутствие реактивных элементов в схемах усилителя.

Нелинейные искажения возникают из-за нелинейности вольтамперных характеристик усилительных элементов (электронных ламп, транзисторов) и проявляются в искажении формы усиливаемого сигнала.

В промышленной электронике наиболее распространены усилители низкой частоты. В связи с этим рассмотрение работы усилителей в данной главе в основном связано с УНЧ.

91

18.4. Обратная связь в усилителях

Обратной связью называется такая связь между выходом и входом усилителя, при которой часть энергии полезного усиленного сигнала с его выхода подается на вход.

Обратную связь можно применять специально для повышения стабильности в работе усилителя, и тогда она является полезной. Однако, когда обратная связь возникает в результате взаимного влияния различных цепей, она может оказаться паразитной.

Различают положительную и отрицательную обратные связи. Положительную обратную связь, как правило, применяют в генераторных каскадах. В усилителях положительная обратная связь обычно является паразитной, а отрицательная является полезной и применяется довольно часто.

На рис. 18.2 показана структурная схема усилителя с обратной связью. Напряжение обратной связи U oc составляет часть выходного напряжения

U вых , вырабатывается цепью обратной связи (ЦОС) и подается на вход уси-

лителя вместе с напряжением сигнала Uc . Цепь обратной связи может быть выполнена в виде делителя напряжения. Обратная связь характеризуется коэффициентом обратной связи β :

В усилителе с отрицательной обратной связью входное напряжение Uвх определяется как разность между напряжением сигнала Uc и напряжением обратной связи Uос:

Необходимо иметь в виду, что это выражение всегда справедливо для постоянного напряжения. Для действующего значения синусоидального сигнала равенство сохраняется только при условии, что напряжения сигнала и обратной связи находятся в противофазе (в случае положительной обратной связи

— в фазе).

Найдем выражение для коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью:

92

Используя 18.1, 18.2, 18.3 и 18.4 получим выражение коэффициента усиления Кос усилителя, охваченного обратной связью, с учетом коэффициента усиления К усилителя, не охваченного обратной связью:

Анализ выражения (18.5) показывает, что Кос при отрицательной обратной связи всегда меньше К. В таком случае повышается стабильность работы усилителя. Покажем это на примере.

Допустим, что усилитель с К = 100 охвачен отрицательной обратной связью с коэффициентом β = 0,2. Тогда, согласно (18.5),

Пусть К увеличится на 10%. Тогда новое значение Кос будет равно

Таким образом, Кос изменилось всего лишь на 0,4 %.

Физическая сущность стабилизации коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, состоит в том, что при увеличении К увеличивается напряжение обратной связи и входное напряжение падает. В то же время при уменьшении К входное напряжение увеличивается, т. е. отрицательная обратная связь автоматически поддерживает стабильность работы усилителя.

При положительной обратной связи

Кос = - К × β .

1К

Вэтом случае устойчивость работы усилителя ухудшается, что может привести к самовозбуждению усилительного каскада.

Взаключение рассмотрим конкретную схему усилителя с отрицательной обратной связью, приведенную на рис. 10.3. Здесь напряжение отрицательной

обратной связи снимается с резистора R2 делителя напряжения R1R2 Легко убедиться в том, что обратная связь в данном случае - отрицательная. Дейст-

вительно, если при изменении uc потенциал базы увеличивается, то потенциал коллектора уменьшается. Это уменьшение потенциала через цепь обратной связи передается на базу транзистора и напряжение сигнала и обратной связи оказываются в противофазе.

Вопросы для самопроверки

1.Зачем нужны усилители в электронной технике?

2.Классификация усилителей.

3.Основные технические характеристики усилителей.

4.Что называется обратной связью?

93

5.Какие бывают виды обратной связи?

6.В чем физическая сущность стабилизации коэффициента усиления усилителя?

ЛЕКЦИЯ №19 ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.

ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОЭВМ

19.1.Системы счисления

Всовременной вычислительной технике наряду с десятичной широко применяются другие системы счисления. Все эти системы относятся к позиционным, обеспечивающим наиболее экономную запись чисел и формализацию арифметических операций.

Принцип построения всех позиционных систем одинаков: выбирают основание а, для записи первых чисел натурального ряда выбирают а - 1 различных символов, например 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, которые называют цифрами, отсутствие единиц того или иного разряда обозначают символом 0, основание системы всегда записывают как 10. В записи числа указывают, сколько в нем содержится единиц, т.е. сколько оснований, возведенных в нулевую степень

(первый разряд - 10°), далее сколько оснований, возведенных в первую степень (второй разряд - I01), далее сколько оснований, возведенных во вторую степень (третий разряд - 102), и т. д.

Например, в десятичной системе счисления запись 2095 означает

2×103 + 0×102 + 9×101 + 5×100 , т. е. число состоит из двух тысяч, девяти десятков и пяти единиц. В шестеричной системе счисления запись 125 означает

1×102 + 2 ×101 + 5×100 , т. е. число состоит из одной тридцатьшестерки, двух шестерок и пяти единиц (10 в шестеричной системе означает шесть).

Возникновение десятичной системы, вероятно, связано с наличием десяти пальцев на руках человека, которые мы и сейчас еще используем для счета (загибая соответствующее их количество). У десятичной системы нет специфических преимуществ, но историческая традиция и привычка, вырабатываемая у каждого человека с детства, делают эту систему практически незаменимой. Поэтому, используя для вычислений другие системы счисления, конечный результат всегда представляют в десятичной системе.

С точки зрения структуры все позиционные системы идентичны, однако некоторые из них имеют определенные преимущества. Так, основание двенадцатеричной системы следует считать более «круглым», чем основание десятичной, так как оно имеет четыре делителя.

Наиболее экономичной по количеству требуемых для записи чисел разрядов символов является троичная система. Преимущество восьмеричной системы - ее простая связь с двоичной.

Двоичная система счисления занимает особое положение: это система с наименьшим возможным основанием (для записи чисел требуется всего два символа), выполнение арифметических операций над числами максимально упрощено.

94

Именно возможность изображать числа с помощью всего двух символов - 1 и 0 - делает эту систему предпочтительной для цифровых электронных вычислительных машин. Числа в двоичной системе могут быть представлены последовательностью импульсов: наличие импульса соответствует единице, его отсутствие - нулю. При этом существенные колебания высоты отдельных импульсов, неизбежные вследствие помех, не приводит к сбою в вычислениях. Важно, чтобы импульс не был потерян полностью.

19.2. Структурная схема цифровой электронной вычислительной машины

Разнообразие назначений и характеристик вычислительных машин, исключительно высокие темпы их совершенствования и быстрая смена поколений привели к большому разнообразию структурных схем ЭВМ.

Рассмотрим принцип действия ЦЭВМ применительно к ставшей уже классической схеме универсальной вычислительной машины (рис. 19.1), на которой можно выделить семь функциональных блоков.

Арифметическое устройство (АУ) предназначено для выполнения арифметических операций с двоичными числами. Оно может выполнять также ограниченное число логических операций (сравнение, отрицание, инверсия, дизъюнкция, конъюнкция и др.).

Рис. 19.1. Структурная схема ЦЭВМ

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) позволяет хранить срав-

нительно небольшой объем информации, необходимой для производства вычислений на том или ином заранее выделенном этапе решения задачи. Скорость выбора информации из ОЗУ и передачи ее в арифметическое устройство соответствует скорости выполнения арифметических и логических операций в АУ.

Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) — хранилище основного мас-

сива информации, необходимого для решения задачи, а также справочных данных и стандартных программ. Скорость выбора информации из ВЗУ на несколько порядков ниже скорости выбора информации из ОЗУ.

Устройство управления (УУ) определяет порядок и содержание работы отдельных блоков в соответствии с программой, записанной в ВЗУ.

95

Пульт управления (ПУ) предназначен для ручного ввода в машину командной информации оператора («Пуск», «Запись программы»). Пульт снабжен кнопками для включения и выключения цепей и мнемоническими схемами для отображения состояния блоков (контроль).

Устройство ввода информации (УВ) предназначено для записи программ и другой информации в ВЗУ. Информация может поступать по каналам связи

ввиде непрерывных сигналов. Такую информацию устройство ввода кодирует, т. е. преобразует в дискретные сигналы (двоичные числа).

Устройство вывода и отображения информации (УВО) предназначено для выдачи решений в виде буквенно-цифровых текстов или графических построений на экране. УВО может также выдавать сигналы для систем автоматического управления (САУ).

Вмашинах последних поколений блоки АУ и УУ обычно объединяют. Такой объединенный блок называют процессором. Для хранения и выбора информации кроме ВЗУ и ОЗУ можно установить ряд промежуточных блоков, причем чем больше быстродействие, тем меньше объем памяти блока. Все запоминающие блоки иногда определяют понятием «память» машины, а блоки ввода и вывода информации — «канал связи».

Впроцессе работы машина последовательно выполняет операции, записанные в программе.

Программа представляет собой последовательность команд, а каждая команда - набор двоичных чисел. Первое число команды - это код операции, которую надо выполнить (например, 001 означает «сложить два числа»), второе число команды - адрес (номер или координаты) ячейки памяти, в которой записано первое слагаемое, третье число команды - адрес другого слагаемого, четвертое число команды - адрес ячейки памяти, в которую должен быть записан результат сложения (сумма двух двоичных чисел). Таким образом, команда - это последовательность импульсов, соответствующих тем разрядам,

вкоторых записаны единицы: 00101101... 10010. Рассмотренная команда называется трехадресной. В машинах используют и другие типы команд.

19.3. Принцип действия ЦЭВМ

Программа разрабатывается программистом, записывается условными знаками и переводится на перфорированные карты с помощью ручных (клавишных) перфорационных машин. Затем с перфокарт программу автоматически вводят в

память машины (ВЗУ).

После нажатия кнопки «Пуск» на пульте ручного управления машина начинает работать автоматически. Устройство управления передает в ВЗУ адрес первой команды. Записанная по этому адресу команда поступает в устройство управления, которое код операции передает в арифметическое устройство, а адреса чисел последовательно передает в ВЗУ. Найденные по этим адресам числа поступают в ОЗУ и оттуда в арифметическое устройство.

Арифметическое устройство выполняет заданную кодом операцию и направляет результат в ОЗУ, где он хранится некоторое время или передается в ВЗУ по адресу, указанному устройством управления. По получении результата арифметическое устройство вырабатывает двоичное число (признак результа-

96

та, например 1), которое поступает в устройство управления и добавляется к адресу первой команды. Таким образом формируется адрес второй команды, который устройством управления передается в ВЗУ. Записанная по этому адресу команда передается в УУ и т. д.

По ходу решения задачи встречаются команды «Выдать промежуточный результат», «Переписать очередной блок чисел из ВЗУ в ОЗУ», «Освободить те или иные ячейки ОЗУ» (стереть записанные в них использованные и в дальнейшем ненужные числа) и др.

Перенесение чисел из ВЗУ в ОЗУ и обратно производится параллельно с работой АУ, что обеспечивает независимость скорости вычислений от скорости выборки чисел из ВЗУ.

Получив команды «Вывести результат» и «Стоп», устройство управления запускает печатающие машины и прерывает процесс вычислений.

Так как быстродействие машины очень велико, программа может предусматривать решение сразу нескольких задач. Например, обучающий комплекс на базе ЦЭВМ способен одновременно вести диалог с десятками и сотнями учащихся. Это возможно потому, что человек реагирует на задания и указания машины несравненно медленнее, чем она обрабатывает и оценивает вводимые в нее ответы.

Самые разнообразные числовые и логические задачи машина решает с помощью ограниченного набора однотипных элементов.

19.4. Микропроцессоры и микроэвм

Микропроцессоры

Использование новых принципов и совершенствование технологии интегральных микросхем позволили довести степень интеграции до такого уровня, при котором в объеме одного кристалла с линейным размером в несколько миллиметров оказалось возможным разместить сотни тысяч активных и пассивных элементов электроники.

При этом количество стало переходить в качество: появилась возможность органичного объединения арифметического устройства (АУ), логических элементов и триггеров оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) с устройством управления (УУ) и сокращения до минимума длины линий (доли микрометра) и времени (доли микросекунды) передачи внутренних сигналов управления.

На этой основе возник микропроцессор, решающий разнообразные математические и логические задачи с точностью и скоростью соизмеримой, а иногда и не уступающей тем, которые достигнуты в современных больших ЭВМ. Такие микропроцессоры (кристаллы) с помощью устройств вводавывода информации включаются в системы автоматического управления (САУ), практически неограниченно расширяя их возможности, вплоть до наделения элементами интеллекта.

Микропроцессоры отличаются друг от друга сложностью, возможностями и стоимостью. Микропроцессор, предназначенный для решения одной задачи в конкретной САУ, проще универсального микропроцессора, рассчитанного на применение в различных САУ или в микроэвм.

97

Важнейшие характеристики микропроцессора - разрядность и быстродействие. Разрядность определяет точность обработки информации и, следовательно, точность работы САУ, а быстродействие - возможность работы устройства в реальном масштабе времени, что существенно для многих, в том числе и управляющих технологическими процессами, систем.

Серийно выпускаются микропроцессоры с разрядностью 4, 8, 16, 32. В некоторых микропроцессорах предусмотрена возможность удвоения количества разрядов. Быстродействие составляет от 200 тыс. до 2 млн. операций в секунду. Широко применяются два типа микропроцессоров: с аппаратным и микропрограммным устройством управления.

Микропроцессор с аппаратным управлением рассчитан на решение жестко фиксированной задачи или группы однотипных задач. Вычислительный процесс и логика его работы не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Микропроцессоры с аппаратным управлением выполняются в одном кристалле БИС.

Микропроцессоры с микропрограммным управлением имеют универсальное назначение. Они могут решать различные математические и логические задачи в зависимости от сменных программ, вводимых в память микропроцессора. Может меняться и длина их разрядной сетки. Микропроцессоры с микропрограммным управлением обычно изготавливаются на основе нескольких кристаллов БИС.

Микроэвм

МикроЭВМ - это универсальное средство обработки информации, используемое во всех областях народного хозяйства: в промышленности, транспорте, связи, образовании, медицине, быту и других. К микроЭВМ подключаются различные устройства, расширяющие ее применение ( накопители, дисплеи, графопостроители, принтеры, сменные блоки программы. Если микроЭВМ включается в качестве звена САУ, то на входе устанавливается аналого-цифровой (АЦП), а на выходе - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Для унификации процессов обмена информацией с внешними устройствами и пользователем в состав микроЭВМ вводятся дополнительные блоки, шины и устанавливаются стандартные правила обмена данными. Эти буферные устройства и правила их работы называют интерфейсом. Обычно интерфейсные схемы формируются в отдельном кристалле БИС.

Типовая схема БИС интерфейса включает формирователь сигналов управления, дешифраторы и регистры, соединенные внутренними шинами с шинами внешних устройств и общей шиной микроЭВМ.

Для микроЭВМ характерны большое быстродействие, большая емкость оперативной и долговременной памяти, языки программирования высокого уровня.

В качестве базовых микропроцессорных систем этих ЭВМ используются комплекты БИС серии К (К581, К586 и т.д.)

Вопросы для самопроверки

1.Какие системы счисления применяются в современной вычислительной технике?

2.Из каких основных функциональных блоков состоит ЦЭВМ?

98

3.Что такое программа работы машины и где она записана?

4.Принцип действия ЦЭВМ.

5.Что такое микроЭВМ и как она построена?

6.Что такое микропроцессор?

7.Важнейшие характеристики микропроцессора.

ЛЕКЦИЯ № 20 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

20.1. Сущность и значение электрических измерений

Для измерения электрических и магнитных величин служат электроизмерительные приборы: амперметры, вольтметры, гальванометры и др., а также их комбинации.

Процесс измерения состоит в сравнении измеряемой физической величины с ее значением, принятым за единицу.

Измерение одной величины можно заменить измерением другой, с ней связанной. Как правило, всякое измерение в конечном счете сводят к измерению перемещения стрелки или светового пятна на шкале.

Измерительная аппаратура разделяется на измерительные приборы и эталоны.

Измерительные приборы обладают высокой точностью и надежностью работы, возможностью автоматизации процесса измерений и передачи показаний на дальние расстояния, простотой ввода результатов измерений в электрические вычислительные устройства и т. д. Поэтому они широко используются в системах ручного или автоматического контроля и поддержания на заданном уровне параметров промышленных установок и технологических процессов.

С помощью измерительных устройств контролируются качество и количество выпускаемой продукции, соответствие ее характеристик установленным нормам. Разработаны и применяются электрические измерители влажности, температуры, давления и т. д.

Первостепенную роль электрические измерения играют в научных исследованиях. Установки, используемые в ядерной физике, наземные и бортовые измерительные комплексы для запуска и контроля параметров космических кораблей, сложные эксперименты с живой материей в медицине и биологии неосуществимы без совершенной электроизмерительной техники.

20.2. Основные единицы электрических и магнитных величин в междуна- родной системе единиц

В процессе измерений определяется отношение измеряемой физической величины к ее значению, принятому за единицу. Выбор этого единичного значения связан с учетом многих факторов.

Напомним, что единицы физических величин принято делить на основные и производные. Основные единицы вводятся независимо друг от друга, производные устанавливаются на основе экспериментально открытых законов или принятых определений, связывающих различные физические величины.

99

Впринципе, выбор основных единиц произволен, и можно было бы каждую физическую величину характеризовать своей собственной (основной) единицей. Например, на парусном флоте скорость движения корабля измерялась узлами.

Увеличение числа основных единиц приводит к практическим неудобствам: затрудняется их запоминание, появляются многочисленные постоянные коэффициенты в формулах, усложняются вычисления, увеличивается работа по созданию и хранению эталонов. Уменьшение числа основных единиц до одной или до нуля также практически неудобно, так как затрудняется процесс построения производных единиц и усложняется анализ размерностей для членов выражений, характеризующих физические явления.

Теоретически в качестве основных можно выбрать единицы любых физических величин, например единицу ускорения движущегося тела или единицу потенциала электрического поля. Однако выбор основных единиц существенно ограничен требованиями практики.

Основная единица должна обеспечивать удобство измерений и относительную простоту ее воспроизводства разных странах. Изготовление и хранение эталонов единицы физической величины не должно приводить к чрезмерным материальным затратам. Желательно также, чтобы основные единицы были связаны с фундаментальными физическими величинами, например с такими, как протяженность, время, количество вещества.

ВСИ в качестве основных единиц электрических и магнитных величин приняты следующие четыре единицы: единица длины - метр (м), единица времени - секунда (с), единица массы - килограмм (кг) и единица силы тока

-ампер (А).

Метр, секунда и килограмм были введены во Франции по предложению специальной комиссии в 1799 г. Эти единицы были связаны с фундаментальными природными объектами и процессами. Метр определялся как сорокамиллионная доля земного меридиана, секунда - как 1/86400 средних солнечных суток и килограмм - как масса кубического дециметра воды при 4° С. Были изготовлены прототипы метра и килограмма в виде линейки и гири из сплавов, наиболее устойчивых к внешним воздействиям металлов.

Развитие техники позволило зафиксировать размер метра и секундный интервал времени с предельной для наших дней точностью с помощью атомных эталонов.

В настоящее время приняты следующие определения основных единиц электрических и магнитных величин, входящих в СИ:

метр (м) - длина, равная 16507763,73 длины волн в вакууме излучения атома криптона-86, соответствующего переходу между уровнями 2р10 5d5;

килограмм (кг) - масса международного прототипа килограмма, который хранится в Национальном архиве Франции;

секунда (с) - продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия - 133;

ампер (А) - сила тока, при котором на каждый метр длины двух параллельных прямолинейных круглых проводников, расположенных в 1 м один

100