Файл: В.В. Демьянов Информационно-измерительная техника и электроника.pdf

1

ВВЕДЕНИЕ

Электроника - отрасль науки и техники, изучающая физические основы функционирования электронных приборов, а также устройств и систем, построенных на базе электронных приборов (вакуумных, газонаполненных, полупроводниковых). В связи с тем, что в последнее время резко возросло использование в электронных устройствах полупроводниковых приборов и интегральных микросхем и практически не используются другие типы приборов, разделы курса «Электроника» рассматриваются на базе полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Электроника объединяет два направления: физическое и техническое. Промышленная электроника является одним из направлений технической электроники, которые связаны с применением электронных приборов и устройств в различных отраслях промышленности. В промышленной электронике выделяют три области: информационную электронику, энергетическую электронику и электронную технологию.

Информационно-измерительная техника - это часть информационной электроники, включающая в себя приборы и устройства для измерения, передачи, обработки и отображения измерительной информации. Усилители и генераторы сигналов, логические элементы и цифровые схемы, индикаторные устройства, измерительные преобразователи и приборы, информационно-измерительные системы - все это устройства информационной электроники.

Целью изучения дисциплины является:

-изучение принципа действия типовых устройств электронной техники, предназначенных для обработки аналоговой и цифровой информации;

-изучение информационно-измерительных устройств, принципа действия и методов измерения в схемах основных электрических величин.

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

-классификацию и принцип действия электронных устройств;

- основной элементный базис аналоговых и цифровых интегральных микросхем;

- особенности использования операционных усилителей и логических элементов при создании различных функциональных блоков;

2

-выпрямители и инверторы, импульсные преобразователи постоянного и переменного тока;

уметь:

-анализировать электронные схемы;

-проектировать простые электронные устройства, включая преобразователи электрической энергии;

-синтезировать и налаживать блоки на цифровых элементах;

-работать с основными электронными измерительными прибора-

ми.

В процессе изучения курса студенты выполняют контрольную ра-

боту.

Студенты, представившие контрольную работу, допускаются к выполнению лабораторных работ, которые проводятся в период зачёт- но-экзаменационной сессии. Цель лабораторных работ - приобретение студентами практических навыков в исследовании вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов, в измерении амплитудных характеристик усилителей, в исследовании цифровых схем.

При выполнении лабораторных работ студент допускается к экзамену, успешная сдача которого в немалой степени зависит от практических навыков, знания теоретическогo материала.

Лабораторные работы проводятся в университете по темам: 1. Исследование характеристик транзистора.

2.Исследование транзисторного усилителя.

3.Исследование схем на логических элементах.

4.Исследование триггеров и регистров.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основная литература

1. Основы промышленной электроники: Учеб. / Под ред. В.Г. Герасимова. - М.: Высш. шк., 1986. - 336 с.

2. Горбачев Г.Н. Промышленная электроника: Учеб. для вузов /Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин; Под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1988.-320 с.

3

3. Руденко B.C. Основы промышленной электроники / В.С. Руденко, В.И. Сенько, В.В. Трифонюк. - Киев: Вища школа. Головное изд-во,

1985. - 400 с.

Дополнительная литература

4.Жеребцов И.П. Основы электроники. - 5-е изд. перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинград. изд-е, 1990. - 352 с.

5.Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 304 с.

6.Расчет электронных устройств на транзисторах / Л.H. Бочаров, С.К. Жебряков, И.Ф. Полесников. - М.: Энергия, 1978. - 208 с.

7.Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учеб. для вузов. -

М.: Высш. шк., 1982. - 496 с.

Тема 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электроника, ее роль и значение в современном обществе, науке, технике и производстве. Классификация базовых устройств современной электроники, история и перспективы их развития ([1], с. 5-11; [2],

с. 5-8).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Изучение темы рекомендуется начать с краткого обзора применения электронных устройств в различных областях науки и техники.

При этом необходимо обратить внимание на направления развития электроники, ставшие самостоятельными дисциплинами - физическая и техническая электроника, а также промышленная электроника.

Базой современной электроники является быстропрогрессирующая микроэлектроника, позволившая предельно уменьшить физические размеры электронных устройств и многократно увеличить их функциональные возможности.

Особо следует отметить, что в последнее время получила развитие оптоэлектроника, обладающая практически неисчерпаемыми возможностями повышения рабочих частот и использования принципа параллельной обработки информации.

4

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Приведите примеры применения электронных приборов и устройств в технике, науке, производстве.

2.Что изучает физическая, техническая и промышленная электроника?

3.По каким признакам классифицируются электронные приборы

иустройства?

4.Сущность микроминиатюризации.

Тема 2. ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Структура полупроводников и типы проводимости. Разновидности полупроводниковых резисторов. Формирование и свойства p-n перехода. Типы полупроводниковых диодов. Вольт-амперные характеристики и параметры выпрямительных, импульсных, высокочастотных, туннельных и обращенных диодов , стабилитронов. Принцип действия, типы, параметры и вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов. Принцип действия, типы, параметры и вольт-амперные характеристики полевых транзисторов. Принцип действия, вольтамперные характеристики и параметры тиристоров ([1], c.13-38; [2], c.9-39).

Классификация интегральных микросхем по технологическим, конструктивным и функциональным признакам ([1], с. 42-52; [2],

с. 40-45).

Электронно-лучевые, газоразрядные, полупроводниковые, жидкокристаллические, вакуумно-люминесцентные и прочие виды индикато-

ров ([1], с. 53-72; [2], c. 183-185).

Фоторезисторы, фотодиоды, специальные полупроводниковые фотоэлектрические приборы, электровакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители ([1], с. 71-85). Оптоэлектронные приборы

([1], с. 87-90; [2], с. 45-48).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

По значению проводимости полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Проводимость полупроводников сильно зависит от присутствия чужеродных атомов, неидеальности кристаллической структуры и подвержена влиянию раз-

5

личных факторов (температура, электрическое поле, световое излучение, магнитное поле, давление и т.п.). Эти свойства широко используются для создания полупроводниковых приборов с различными функциональными свойствами (резисторы, диоды, транзисторы, тиристоры). В последние десятилетия интенсивно развивается интегральная микросхемотехника.

Интегральная микросхема (ИМС) представляет собой единое целое, где ее элементы и соединительные проводники формируются в процессе изготовления в микрообъеме полупроводникового кристалла или на поверхности подложки, имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий и влаги. Количество элементов (степень интеграции) в микросхеме может составлять тысячи и сотни тысяч в одном кристалле.

Визуальная информация в электронных системах выдается оператором с помощью специальных устройств - индикаторов.

Степень сложности индикаторных устройств зависит от решаемой задачи (например, светодиод и дисплей ЭВМ).

Устройства, в которых энергия оптического излучения преобразуется в электрическую, называют фотоэлектрическими. В основе работы устройств положен фотоэффект, вызывающий переход электронов вещества на более высокий энергетический уровень, т.е. увеличивается концентрация носителей заряда. Фотоэффект может быть вызван ультрафиолетовым, видимым и инфракрасным излучением.

В оптронных приборах происходит последовательное преобразование электрической энергии в лучистую, лучистой энергии в электрическую. При этом входные и выходные цепи в устройстве гальванически развязаны, связь между ними только оптическая.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Типы полупроводниковых резисторов.

2.Происхождение и свойства запирающего слоя в полупроводниковых приборах.

3.Особенности применения плоскостных и точечных диодов.

4.Принцип действия биполярных транзисторов.

5.Принцип действия униполярных транзисторов.

6.Принцип действия тиристоров.

7.Элементы и виды интегральных микросхем.

6

8.Назначение различных видов индикаторов.

9.Принцип действия фотоэлектронных приборов.

10. Устройство и принцип действия оптоэлектронных приборов.

Тема 3. УСИЛИТЕЛИ

Классификация усилителей. Каскады с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК), общей базой (ОБ), их динамические характеристики и свойства. Линейные и нелинейные искажения. Виды обратных связей, их влияние на работу усилителей. Режимы работы и температурная стабилизация усилительных каскадов. Особенности построения и расчета мощных выходных каскадов. Избирательные усилители. Усилители постоянного тока. Дифференциальные усилители. Операционные усилители. Компараторы ([1], с. 91-157, 202-205; [2], c. 49-105,

113-116; [6], с. 11-30).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Усиление электрических сигналов, первоначально осуществленное в устройствах радиосвязи, нашло широкое распространение в электронной аппаратуре различного назначения. Отсюда многообразие построения схем усиления и их качественных показателей.

В современной электронике подавляющее большинство усилителей выполнено на полупроводниковых приборах (транзисторах, микросхемах). Усилители подразделяются на несколько видов: усилители постоянного тока, усилители низкой частоты, импульсные усилители, избирательные усилители.

Коэффициент усиления однокаскадного транзисторного усилителя зависит от схемы включения транзистора (ОЭ, ОК и ОБ), а его способность обеспечивать усиление сигналов без искажений определяется эффективностью мер защиты от влияния температуры окружающей среды, паразитных обратных связей, нагрузочной способностью источника, питающего усилитель, и др.

Широкое распространение получили операционные усилители, которые используются для усиления сигналов как постоянного, так и переменного тока.

7

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Каковы отличительные особенности схем с ОЭ, ОБ и ОК?

2.Как реализуется в усилителях эмиттерная и коллекторная стабилизация?

3.Причины возникновения нелинейных искажений.

4.Виды усилителей мощности, их достоинства и недостатки.

5.Виды обратных связей и их влияние на работу усилителей.

6.Меры борьбы с паразитными обратными связями.

7.Устройство и принцип действия операционного усилителя.

Тема 4. ГЕНЕРАТОРЫ

Применение обратных связей для построения генераторов и активных фильтров. Условия возникновения автоколебаний в системах с положительной обратной связью. Роль нелинейного усилителя в формировании установившейся амплитуды. Принцип построения генераторов (с мостом Вина, многозвенной фазосдвигающей цепочкой, колебательным контуром и кварцевым резонатором). Расчет параметров генераторов. Симметричные и несимметричные мультивибраторы на ОУ и транзисторах. Генераторы пилообразного напряжения ([1], с. 157213; [2], c. 92-133; [6], с.107-122; с. 132-163).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Генераторы синусоидальных колебаний нашли широкое распространение в измерительной технике, в приборах контроля состава и качества веществ, сигнализации и связи и др.

По способу возбуждения генераторы разделяются на два основных типа: с внешним возбуждением и самовозбуждением (автогенераторы).

Высокочастотные автогенераторы строятся на основе LC-цепей, а низкочастотные - на основе RC-цепей.

Основные требования, предъявляемые к генераторам - устойчивость колебаний и минимальные искажения формы выходного сигнала.

Релаксационные генераторы (мультивибраторы) предназначены для получения сигналов прямоугольной формы. Выполняются мультивибраторы на транзисторах и ОУ. Работают мультивибраторы в автогенераторном режиме. Разновидностью мультивибраторов является

8

ждущий мультивибратор (одновибратор), формирующий одиночные сигналы определенной длительности при подаче на его вход коротких запускающих импульсов.

Генераторы пилообразного напряжения вырабатывают сигналы,

Тобр = (0,01...0,5)Тр.

Используются эти генераторы в схемах развертки, в таймерах и

т.п.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Условия возникновения колебаний в автогенераторах.

2.Принцип действия генераторов синусоидальных колебаний. Области применения.

3.Принцип действия мультивибраторов. Области применения.

4.Устройство и принцип действия генераторов пилообразного напряжения.

Тема 5. ЛОГИЧЕСКИЕ И ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Классификация основных логических элементов. Схемы интегральных логических элементов и их параметры. Комбинационные устройства на логических элементах. Двоичный сумматор и полусумматор. Двоично-десятичный дешифратор. Мультиплексор. Классификация интегральных статических триггеров. Однотактные и двухтактные триггеры. Функциональные схемы и условные обозначения триггеров. Регистры. Счетчики. Запоминающие устройства. Преобразователи кодов. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые устройства ([1], с. 185218; [2], с.134-168).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Для преобразования и обработки дискретных сигналов используют логические устройства в интегральном исполнении (ИМС) - цифровые микросхемы. Их применяют в узлах и блоках ЭВМ, в устройствах дискретной автоматики и измерительной техники. Цифровые ИМС характеризуются статическими и динамическими параметрами.

9

К статическим параметрам относят: напряжение источника питания, входное и выходное напряжения, соответствующие логическому нулю (0) или логической единице (1); допустимое количество входов, называемое коэффициентом объединения по входу; количество одновременно подключенных нагрузок - коэффициент разветвления по выходу; средняя потребляемая мощность; помехоустойчивость.

Динамические параметры характеризуют цифровую ИМС в режиме переключения: время перехода из одного состояния в другое и наоборот, время задержки распространения сигнала и др.

Цифровые ИМС по функциональному назначению делят на подгруппы: логические ИМС, триггеры, элементы арифметических устройств. Логические ИМС являются базовыми и реализуют только определенные логические функции. На их основе могут быть построены более сложные устройства, например триггеры, счетчики, сумматоры, мультиплексоры, которые наряду с логическими выполняют функции по реализации арифметических действий в двоичной системе счисления.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Устройство и принцип действия базовых логических элементов (И-НЕ, ИЛИ-НЕ).

2.Назначение и принцип действия сумматоров и полусумматоров.

3.Назначение и принцип действия дешифратора, мультиплексора.

4.Устройство триггеров, счетчиков, регистров.

5.Устройство ЦАП и АЦП.

Тема 6. ВЫПРЯМИТЕЛИ

Неуправляемые и управляемые, однотактные и двухтактные однофазные выпрямители. Трехфазные выпрямители. Работа выпрямителей на активную, активно-индуктивную, активно-емкостную нагрузку. Умножители напряжения. Влияние выпрямителей на гармонический состав сетевого напряжения. Сглаживающие фильтры. Стабилизаторы напряжения и тока ([1], c. 224-272; [2], c. 189-211, 227-237).