Элементная база автоматизированных систем управления

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 22Следующая ⇒

Элементная база технических средств строится на элементах промышленной электроники с высокой степенью интеграции. (пример: транзистор, диод, тиристор, оптрон идр.)

Диод	используется как неуправляемые выпрямители, (как коммутаторные) и могут выполнять защиту от перенапряжения. Обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. P-N
Тиристор	используется как ключевой, управляющий элемент в преобразовательных устройствах, регулирует величину тока, протекающего через него.
Транзистор	используются для усиления, используется как ключевой элемент для управления исполнительным устройством, как правило, устройство постоянного тока. Обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Например, при подаче малого напряжения(сигнала) на базу в цепи Э-К отсутствует протекание тока. При подаче на базу напряжения высокого уровня в цепи Э-К возникает ток .
Оптроны	(оптико-электрические) электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод (1)) и фотоприёмника(2) (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов) Они связанны оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал. Выполняют гальваническую развязку (т.е. без электрического контакта) цепей преобразования сигналов и датчиков. Применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.

P-N переход

Имеется монокристалл (кремний, германий) в котором существует область, в которой преобладают носители заряда электроны и область где дырки. По закону диффузии эл-ны из n-области перемещаются в р-область, а дырки из р-обл. в n-обл. В тонком слое полупроводника у границы раздела р- и n-областей образуются две зоны объемных разноименных электрических зарядов. В этой области возникает эл. поле, которое препятствует проникновению эл-ов в р-обл, дырок в n-обл. Наступает стабильное состояние p-n перехода.

	Прямая проводимость Внешнее эл. поле и поле p-n перехода направлены в противоположные стороны. Эл. поле p-n перехода окажется в значительной степени ослабленным. И т.о. в цепи ИП-ПП возникает ток.
	Обратная проводимость Эл. поле источника и p-n перехода совпадают. (расширение запирающего слоя). Суммарное поле будет еще больше препятствовать передвижению зарядов через p-n переход. Ток не пойдет.

Рис.27. P-N переход

Интегральная микросхема (ИМС).

Это микро элементные изделия, выполняющие функции преобразования, обработки или накапливания информации. ИМС имеет высокую плотность упаковки эл. соединительных элементов, которые с точки зрения эксплуатации соединены в единое целое.

Термин интегральная означает сумму (интеграл) большого числа простых элементов.

Рис.28. Пример ИМС

Любая ИМС имеет внутренние и внешние элементы.

Внешние элементы необходимы для питания микросхем, изменения внутренних и внешних связей и изменения режима работы микросхем.

Кристалл, с помощью которого выполняется ИМС, представляет собой пластину из полупроводникового материала на котором сформированы элементы, межэлементные соединения и контактные площадки. К контактным площадкам микросваркой присоединяются проводники, которые являются выводами доступными пользователю. Большинство микропроцессорных схем заключаются в пластмассовый или нержавеющий корпус.

Микросхемы:

1. цифровые

2. аналоговые.

Цифровой сигнал – сигнал в цифровом коде.

Аналоговый – сигнал в виде непрерывно изменяющегося потенциала напряжения или тока. Он описывается непрерывной функцией времени.

Количество элементов микропроцессорной схемы определяет её сложность и характеризуется степенью интеграции – k.

n – число элементов в микросхеме. К первой степени интеграции относятся ИМС с числом элементов до 10; ко 2-ой до 100; к 3-ей до 1000; к 4-ой до 10000 и более.

Цифровые ИМС

Для цифровых ИМС комплексную меру сложности определяет число логических элементов. Под логическим элементом понимают устройство, выполняющее простейшие операции булевой алгебры, как правило, эти операции выполняются в двоичном коде («0» и «1»).

Переменные х и функции от них y могут принимать только два фиксированных значения 0 или 1, которым соответствуют определенные уровни напряжения и тока.

В электроники было принято следующее: Сигнал 0 не более 0,4 в и сигнал 1 не менее 2,4 В.

Рис.29. Уровни напряжения «0» и «1»

Уровни напряжения зависят от нагрузки на выходе, поэтому, как правило, микросхема нормируются величиной входов других элементов, присоединенных к входу, как правило, нагрузочная способность не более 10. (Пример на схеме). Если нагрузочная способность большая – это микросхемы с более мощными источниками.

Степень интеграции таких элементов, как правило, 1 или 2. У более сложных функциональных узлов (счетчики, регистраторы, дешифраторы: степень интеграции k=2;3).

Более сложные устройства (запоминающие, арифметические и логические устройства (АЛУ), микропроцессорные) k=4 и более.

Цифровые ИМС выпускаются сериями и объединяются по функциональному признаку в группы, логические элементы, счетчики и прочее.

ИМС одной серии имеют одинаковые напряжения питания, одинаковые уровни 0 и 1 и конструктивно аналогичны.

Сложные логические функции выполняются с использованием простых элементов, которые связываются в единый комплекс устройства. Базовые логические элементы выполняют простейшими логические операции: и-не, или-не. По принципу действия логические элементы делятся:

1. ДТЛ – диодно-транзисторная логика;

2. РТЛ – резистивно-транзисторная логика;

3. ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика;

4. ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика.

5. КМДП

В последнее время широко используется элементы КМДП (комплементарный) структур, на которой используется элементы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник. Также широко используются элементы на биполярных транзисторах.

Давайте в качестве примера рассмотрим логический элемент на базе ТТЛ

Двоичная система счисления

Двоичное счисление имеет в своей основе только две цифры: 0 и 1. Все числа записывают с помощью этих двух цифр. Основание двоичной системы счисления равно двум.

Пример четырехразрядного двоичного числа:

Для преобразования из двоичной системы в десятичную используют следующую таблицу степеней основания 2:

2³	2²	2¹	2⁰
0	0	1	1

или

8	4	2	1
0	0	1	1

Например Нужно перевести число0011₂ в десятичную систему. Для перевода в десятичное записывается сумма по разрядам следующим образом (начиная со старшего разряда):

0 * 2³ + 0 * 2² + 1 * 2¹ + 1 * 2⁰ = 3₁₀, таким образом 0011₂=3₁₀

Двоичная система счисления применяется в компьютерной технике. Бит — это наименьшая единица информации. Слово «бит», по-английски bit, происходит от «binary digit», что значит «двоичная цифра». Бит может быть единицей или нулём, ведь в двоичной системе счисления имеются только две цифры: 0 и 1.

Двоичное счисление относится к позиционным системам счисления. Это значит, что значение двоичного числа связано с позициями цифр в нём. Пример: двоичные числа 1101 и 1011 составлены из одинакового количества единиц и нулей, но позиции их различны, значит и числа различны.

Для четырех разрядов максимальное десятичное число -15:

0 0 0 1 (1₁₀)

0 0 1 0 (2₁₀)

0 0 1 1 (3₁₀)

0 1 0 0 (4₁₀)

0 1 0 1 (5₁₀)

0 1 1 0 (6₁₀)

0 1 1 1 (7₁₀)

1 0 0 0 (8₁₀)

1 0 0 1 (9₁₀)

1 0 1 0 (10₁₀)

1 0 1 1 (11₁₀)

1 1 0 0 (12₁₀)

1 1 0 1 (13₁₀)

1 1 1 0 (14₁₀)

1 1 1 1 (15₁₀)

В двоичной системе счисления арифметические операции выполняются по тем же правилам, что и в десятичной системе счисления, т.к. они обе являются позиционными (наряду с восьмеричной, шестнадцатеричной и др.).

Сложение

Сложение одноразрядных двоичных чисел выполняется по следующим правилам:

0 + 0 = 0

1 + 0 = 1

0 + 1 = 1

1 + 1 = 10

В последнем случае, при сложении двух единиц, происходит переполнение младшего разряда, и единица переносится в старший разряд. Переполнение возникает в случае, если сумма равна основанию системы счисления (в данном случае это число 2) или больше его (для двоичной системы счисления это не актуально).

Сложим для примера два любых двоичных числа:

1101 (13₁₀)

+ 101 (5₁₀)

------

10010 (18₁₀)

Вычитание

Вычитание одноразрядных двоичных чисел выполняется по следующим правилам:

0 - 0 = 0

1 - 0 = 1

0 - 1 = (заем из старшего разряда) 1

1 - 1 = 0

Пример:

1110 (14₁₀)

- 101 (5₁₀)

-------

1001 (9₁₀)

Умножение

Умножение одноразрядных двоичных чисел выполняется по следующим правилам:

0 * 0 = 0

1 * 0 = 0

0 * 1 = 0

1 * 1 = 1

Пример:

1110

* 10

------

+ 0000

1110

------

11100

Деление

Деление выполняется так же как в десятичной системе счисления:

1110 | 10

|----

10 | 111

------

Умножение посредством сдвига (влево):

Сдвиг - простыми словами это перенос числа влево (в сторону старшего разряда). При этом в младший разряд записывается 0.

Пример:

имеем число 0011₂ (это у нас 3₁₀)

Сдвигаем его влево и получаем такое число:

Это уже число 6₁₀

Что произошло при сдвиге?

Произошло обычное УМНОЖЕНИЕ на 2!

Было 3 - стало 6

Давайте сдвинем это число еще раз:

Имеем:

Сдвигаем его влево и получаем:

Если перевести это число в десятичную систему, то получим число 12_10.Если это число снова подвергнуть сдвигу, то результатом будет переполнение.

Булева алгебра.

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 2437; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!