- •«Дальневосточный федеральный университет»
- •Содержание
- •Аннотация учебно – методического комплекса дисциплины «электротехника и электроника»
- •«Дальневосточный федеральный университет»
- •150700.62 Оборудование и технология сварного оборудования
- •Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
- •Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
- •1.Цели и задачи дисциплины
- •Требования к результатам освоения дисциплины
- •150700.62 Оборудование и технология сварного оборудования
- •Конспекты лекций Электрические цепи
- •Магнитные цепи и методы их расчета
- •Электрические цепи постоянного тока
- •Переходные процессы в электрических цепях
- •Трехфазные электрические цепи
- •Раздел II Электротехнические устройства Трансформаторы
- •Основные виды трансформаторов:
- •4. Трансформаторы специального назначения:
- •Принцип действия трансформатора:
- •Режимы работы однофазного трансформатора
- •Автотрансформаторы
- •Измерительные трансформаторы
- •Виды измерительных трансформаторов:
- •Трехфазные трансформаторы
- •Трехфазный асинхронный двигатель
- •Явления в асинхронном электродвигателе в процессе работы
- •Однофазные асинхронные двигатели
- •Синхронные машины
- •Устройство и принцип работы синхронной машины
- •Синхронные генераторы. Холостой ход синхронного генератора
- •Реакция якоря синхронной машины
- •Электромагнитный момент и угловая характеристика машины
- •Характеристики синхронных генераторов
- •Бесконтактные синхронные генераторы
- •Синхронные двигатели
- •Потери и кпд синхронной машины
- •Графические обозначения синхронных машин
- •Синхронные микромашины
- •Информационные микромашины
- •Универсальные коллекторные двигатели
- •Электрические машины постоянного тока
- •Электродвижущая сила машины постоянного тока
- •Электромагнитный момент машины постоянного тока
- •Мощности, потери и к.П.Д. Машин постоянного тока
- •Мощность и к.П.Д. Генераторов
- •Мощность и к.П.Д. Электродвигателя
- •Электродвигатели постоянного тока
- •Регулирование частоты вращения электродвигателя
- •Торможение электродвигателей
- •Характеристики электродвигателей постоянного тока
- •Электродвигатель параллельного возбуждения
- •Раздел III Электроника Элементы электронных устройств
- •Транзисторы
- •Тиристоры
- •Оптопары
- •Оптоэлектронные микросхемы
- •Применение оптопар
- •Диодные оптопары
- •Тиристорные оптопары
- •Устройства усиления
- •Структурные схемы усилителей
- •Усилительные каскады на транзистора
- •Каскад с общим эмиттером
- •Двухтактные усилители мощности
- •Статическая характеристика
- •Выпрямительные устройства Статические преобразовательные элементы Общие сведения о выпрямителях
- •Схемы выпрямления переменного тока Однофазная однотактная схема выпрямления
- •Однофазная мостовая схема выпрямления (двухполупериодная)
- •Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова)
- •Инверторы
- •Типовая схема электропитания элементов и устройств автоматики
- •Сглаживающие фильтры
- •Параметрический стабилизатор напряжения
- •150700.62 Оборудование и технология сварного оборудования
- •Лабораторные устройства:
- •Лабораторные установки:
- •1). Частоту вращения вала двигателя измеряют цифровым измерителем в относительных единицах. Для определения истинного значения вращения вала двигателя нужно воспользоваться формулой:
- •150700.62 Оборудование и технология сварного оборудования
- •2. Трехфазные цепи
- •3. Трансформаторы
- •Машины постоянного тока
- •Асинхронные машины
- •Синхронные машины
- •5. Основы электропривода и электробезопасность
- •6. Электроника
- •Ответы на тесты
- •Контрольные вопросы для аттестации
- •Трансформаторы:
- •Электрические машины постоянного тока:
- •Машины переменного тока
- •Усилители переменного тока
- •150700.62 Оборудование и технология сварного оборудования
- •Тесты на остаточные знания по тоэ
- •Тесты на остаточные знания по тоэ Вариант 7 в каждом задании необходимо найти единственно правильный ответ
- •В каждом задании необходимо найти единственно правильный ответ
- •Вариант 9 в каждом задании необходимо найти единственно правильный ответ
- •Вариант 10 в каждом задании необходимо найти единственно правильный ответ
- •Ключи правильных ответов Вариант 1 1с 2 с 3 а 4 е 5в
- •Тематика контрольных работ:
- •Машины постоянного тока
- •150700.62 Оборудование и технология сварного оборудования
- •Дополнительная литература
- •Справочная литература
- •150700.62 Оборудование и технология сварного оборудования
- •Глоссарий по электронике
Тиристоры
Тиристор – это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется под внешним воздействием электрического напряжения или тока на прибор.
Основными типами являются диодные (двухэлектродные) и триодные (трехэлектродные) тиристоры.
При изготовлении устройств и систем электропитания возникают задачи преобразования переменного тока в постоянный, регулирования мощности переменного тока и переключения электрических цепей различной мощности. Данные задачи решаются применением статических преобразователей, построенных на основе тиристорных схем.
В
диодном тиристоре
(динисторе), структура которого изображена
на рис.8, а, переход прибора из закрытого
состояния в открытое производится,
когда напряжение между анодом и катодом
достигает некоторой величины, являющейся
номинальным параметром прибора –
напряжением переключения
.
На
рис.8, б показана вольт - амперная
характеристика полупроводниковой
структуры. При наличии прямого напряжения
(переходы n1
и n3
открыты, переход n2
заперт) через нее протекает малый ток
утечки, величина которого определяется
качеством перехода
n2.
Сопротивление динистора на участке О
— М достигает большого значения. По
мере увеличения напряжения на структуре
ток
протекающий через переход n2,
несколько возрастает, как у всякого
запертого диода. При достижении на
структуре некоторой величины напряжения
(точка
2) переход n2
начинает открываться, напряжение на
нем уменьшается, ток достигает значения
(точка 4) и все три p
– n
- перехода оказываются включенными. При
больших значениях тока
,
достигающих величины тока
,
(участок 4 - 3), характеристика динистора
совпадает с прямой ветвью характеристики
диода.
Рис.8. Диодный тиристор (динистор): а) структура; б) вольт - амперная характеристика
Если полярность на структуре изменить, то переход n2 окажется включенным, переходы n1 и n3 — запертыми и динистор переходит в закрытое состояние. Обратная ветвь вольт - амперной характеристики динистора практически совпадает с обратной ветвью характеристики диода.
Свойства
динистора в проводящем состоянии
отображают координаты точки 3 на его
характеристике: номинальный ток
,
остаточное напряжение
.
Ток выключения
соответствует нижнему участку
характеристики проводящего состояния
динистора. При снижении тока до этой
величины прибор переходит в запертое
состояние.
При отключении напряжения, питающего прибор, динистор переходит из проводящего состояния в запертое.
Триодным
тиристором
называется управляемый трехэлектродный
переключатель, в котором переключение
четырехслойной p1
-
n1
– p2
– n2
– структуры в проводящее состояние
(рис.9, а) производится подключением на
один из слоев структуры (p2)
напряжения управления. Таким образом
обеспечивается увеличение тока через
переход n3
на величину
.
Прямая ветвь вольт - амперной характеристики тиристора данного типа (рис.9, б) определяется величиной импульса тока управления . При достижении управляющим током некоторой величины участок отрицательного сопротивления перестает существовать и прямая ветвь вольт - амперной характеристики становится идентичной прямой ветви диода.
а) б)
Рис.9. Триодный тиристор: а) структура, вольт - амперная характеристика; б) конструкция
После того как тиристор с помощью сигнала управления на управляющем электроде переключен в проводящее состояние, этот электрод теряет свои управляющие свойства.
Данный
тип тиристора является не запираемым
с управлением по катоду, поэтому для
его обратного отключения необходимо
изменить полярность напряжения
или уменьшить протекающий через него
прямой ток
до величины, меньшей тока включения.
Существенным недостатком триодных тиристоров является невозможность проводить ток в обоих направлениях
Симметричные тиристоры (симисторы) позволяют управлять переключением цепи переменного тока в течение как положительного, так и отрицательного полупериодов приложенного переменного напряжения. На рис.10, а показано условное обозначение прибора в схемах и его вольт - амперная характеристика.
Симисторы, отпираемые по электроду управления током одной полярности для обоих полупериодов приложенного переменного напряжения, находят применение в цепях регулируемого электропитания переменного тока.
Вольт - амперная характеристика симистора (рис.10, б) показывает на некоторое различие в величинах тока управления для прямой и обратной ветвей. Это объясняется спецификой изготовления относительно сложной структуры симистора. Для надежного запирания симистора необходимо снизить напряжение до нуля.
Мощность,
необходимая для включения тиристора,
в десятки тысяч раз меньше мощности,
которая может быть подключена в его
анодную цепь.
а) б)
Рис.10. Симметричный тиристор (симистор)
Логические элементы
Логические элементы составляют основу устройств автоматики с цифровой (дискретной) обработкой информации. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией.
Логическая операция преобразует по определенным правилам входную информацию в выходную. Логические элементы строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.
В двоичной системе любое число, отражающее информацию, может быть выражено значениями 1 или 0, которым соответствует включенное (1) или отключенное (0) положение элемента, т.е. выражение «ДА» и «НЕТ». В отличие от десятичной системы счисления, в которой применяют десять цифр (от 0 до 9), в двоичной системе, лишь две цифры - 0 и 1, с помощью которых записывают любое число.
Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:
- логическое сложение или дизъюнкция (операция ИЛИ), обозначаемое знаком «V» или «+»:
F = X1 V X2 V ,...,V Xn;
- логическое умножение или конъюнкция (операция И), - обозначаемое «∩» или «-»:
F = X1∩X2 ∩X3,.., ∩Xn;
-
логическое отрицание или инверсия
(операция НЕ), обозначаемое чертой над
переменной: F
=
.
Правила выполнения логических операций над двоичными переменными для случая двух переменных имеют следующий вид:
Самостоятельное значение имеет логическая операция ЗАПРЕТ, которая символически записывается в виде F = X1∩X2.
Логические элементы ИЛИ имеют обозначения на функциональных схемах. Как показано на рис.11, а, выходной сигнал F равен 1 в тех случаях, когда на один из n – входов подан сигнал «1».
Операция ИЛИ Операция И Операция НЕ
0
+ 0 = 0 0 – 0 = 0
= 1
0
+ 1 = 1 0 – 1 = 0
= 0
1 + 0 = 1 1 – 0 = 0
1 + 1 = 1 1 – 1 = 1
Логические элементы И (схема совпадения) обозначены на рис.11, б. Выходной сигнал F элемента И равен 1, если одновременно на вcе n-входов подан сигнал «1» операция НЕ (рис.11, в) реализуется элементом, называемым инверторам. Логический элемент ЗАПРЕТ имеет разрешающий (Х1) и запрещающий (Х2) входы.
а) б) в) г) д) е)
Рис.11. Условные обозначения основных логических элементов
Здесь выходной сигнал повторяет сигнал на разрешающем входе Х1 если Х2= 1 на выходе возникает сигнал «О» независимо от значения Х1. Условно обозначение элемента ЗАПРЕТ приведено на рис.11, г. Кроме рассмотренных логических элементов широко применяют комбинированные элементы, реализующие две или более логических операций, например элементы И - НЕ (рис.11, д) и ИЛИ - НЕ (рис.11,е).
Интегральная микросхема
Интегральная микросхема состоит из активных элементов (транзисторов, диодов), пассивных элементов (резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов) и соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе, электрически соединенных между собой, заключенных в общий корпус и являющихся неразрывным целым.
По технологии изготовления интегральные микросхемы делят на гибридные, состоящие из полупроводниковых пленок и навесных элементов (транзисторов, резисторов и т.д.), и полупроводниковые, в которых все элементы формируются на едином кристалле кремния.
По количеству элементов полупроводниковые и гибридные микросхемы подразделяют на схемы: малой интеграции (до 30 элементов); средней интеграции (до 150 элементов); большой интеграции (более 150 элементов); сверхбольшой интеграции (более 1000 элементов).
По характеру входных и выходных электрических сигналов интегральные схемы делятся на аналоговые, предназначенные для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции, и цифровые - для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции (включено - выключено).
По функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на: усилители высокой частоты; усилители постоянного тока; операционные усилители; формирователи импульсов; логические элементы; триггеры и т. д.
Аналоговые (линейно - импульсные) интегральные микросхемы нашли применение в измерительной технике и в аппаратуре автоматического управления.
Из всех аналоговых микросхем в автоматике наиболее широкое применение находят операционные усилители с большим коэффициентом усиления, которые используют в качестве усилителей постоянного тока, усилителей переменного тока и напряжения.
Цифровые (логические) интегральные микросхемы используются в ЭВМ, системах автоматизированного управления технологическими процессами, радиоэлектронной аппаратуре и др. Выпускаются цифровые микросхемы сериями. Некоторые серии включают широкий функциональный набор микросхем, который позволяет построить сложное электронное устройство. Учитывая, что в серии все микросхемы питаются напряжением одного уровня и стыкуются друг с другом, создание такого устройства значительно проще, чем конструирование его из отдельных радиодеталей.
Основным преимуществами микросхем являются их высокая надежность, малые размеры и масса. При установке микросхем на монтажные платы и соединении их плотность элементов в блоке достигает 100 - 500 на 1см3. Это в 40 - 50 раз выше, чем при использовании отдельных транзисторов, диодов, резисторов. Преимуществом интегральных микросхем является также высокая экономичность. Даже большие интегральные схемы потребляют мало электроэнергии (10 - 20 мВт).
Недостатком интегральных микросхем является малая величина выходной мощности.
Логические элементы составляют основы, из которых создаются сложные микросхемы, выполняющие определенные функции, например сумматоры для сложения чисел, дешифраторы для преобразования одного кода в другой, счетчики для подсчета количества импульсов, ячейки памяти. Следует помнить, что логические ячейки - это электронные схемы, состоящие из транзисторов, диодов, резисторов, изготовленные по полупроводниковой или пленочной технологии.
При разработке системы на интегральных схемах используются различные логические элементы, каждый из которых выполняет, как правило, одну или небольшой набор логических функций (И, ИЛИ, НЕ) в различных сочетаниях. Логическое проектирование в этом случае заключается в нахождении определенных физических связей между этими элементами, в результате установления которых получается структура с требуемыми логическими функциями.
Достаточно сложные автоматические системы на логических элементах можно создать, используя простые логические элементы. Например, при необходимости включения нагревателя через какое-либо промежуточное устройство в случае понижения (ниже требуемой величины) температуры в двух любых точках термостатируемой воздушной камеры может быть использована схема, изображенная на рис.12, а. В камере установлены три датчика в разных местах и система автоматики реализуется одной микросхемой, содержащей четыре комбинированных логических элемента: три элемента 2И - НЕ и один элемент ЗИ - НЕ. В данном случае от датчиков А, В, С приходят сигналы на вход трех логических элементов. Если известно, что промежуточное устройство «Р» должно сработать тогда, когда не менее двух сигналов из трех будут иметь логическую «1», то функциональная зависимость будет иметь вид
F= А ∩В+В∩С+С∩А.
В случае если А и В равны логическим единицам, на выходе логического элемента ЛА1 (И - НЕ) появитcя логический «0», а на выходе ЛА4 (И - НЕ) установится логическая «1» и устройство Р включится. При В=«1» и С=«1» логический «0» появится на выходе ЛА2, а логическая «1» - на выходе ЛА4 и Р также включится. Устройство Р будет отключено, если на выходе ЛА4 будет логический «0», а это состояние наступит в случае одновременного появления на выходе ЛА1, ЛА2 и ЛАЗ логических нулей.
а) б)
Рис.12. Системы автоматики на логических элементах:
а) пример управления переключением нагревателя; б) триггер на основе логических элементов
На
логических элементах обычно осуществляют
построение триггеров. Триггер при
включении занимает одно из состояний
(«0» или «1»), а при подаче на его вход
входного импульса переходит в другое
состояние и остается в нем до тех пор,
пока его искусственно не переведут в
первоначальное. На рис.12, б приведена
структурная схема и условное обозначение
RS
- триггера, поcтроенного
на двух логических элементах ИЛИ - НЕ.
Триггер данного типа имеет два входа R
и S
и два выхода
и
.
При включении триггера в момент времени,
когда на входах R
и S
логические «0», на выходах устанавливаются
сигналы
=0
и
=1.
При подаче на вход импульса положительной
полярности, т. е. логической «1» , на
выходах триггера устанавливается новое
состояние:
=0
и
=1.
Триггер будет находиться в новом
состоянии до тех пор, пока на входы не
будут поданы сигналы: S=«0»
и R=«1»,
которые переведут RS
- триггер в первоначальное устойчивое
состояние.
Триггеры являются составными частями более сложных функциональных узлов: делителей частоты, счетчики, запоминающие устройства и т.д. Как правило, эти законченные функциональные узлы выпускаются в виде отдельных микросхем и имеют свое условное обозначение в электронных схемах.
Счетчики
Счетчики
- устройства для подсчета числа входных
сигналов. На рис.13, а приведена упрощенная
схема четырехразрядного двоичного
суммирующего счетчика, который состоит
из четырех статических триггеров.
Единичные выходы каждого триггера
подсоединены к счетному входу
триггера Т1
через дифференцирующие цепочки ДЦ,
вырабатывающие импульсы управления.
Записанное в счетчике число снимается
с единичных выходов
1-
4
триггеров в параллельном коде. Временные
диаграммы, поясняющие работу счетчика,
приведены на рис.13, б.
Начальное
состояние триггеров счетчиков нулевое.
При подаче на вход
счетчика первого импульса триггер Т1
переходит в состояние «1». При этом на
его выходе
получается положительный перепад
напряжения. В результате дифференцирования
этого перепада появляется положительный
импульс, поэтому второй триггер Т2
остается в прежнем состоянии, так как
применяемые триггеры переводятся из
одного устойчивого состояния в другое
только отрицательными импульсами.
Второй импульс, подаваемый на вход Т1
переводит его в состояние «0» и на выходе
дифференцирующей цепочки ДЦ формируется
импульс отрицательной полярности. Этот
импульс переводит триггер Т2
в состояние «1». Таким образом, отрицательный
импульс переноса в ячейку старшего
разряда двоичного счетчика появляется
тогда, когда триггер ячейки младшего
разряда переходит из состояния «1» в
состояние «0». Это соответствует правилу
сложения двоичных чисел (1+1 дает «0» в
данном разряде и единицу переноса в
старший разряд).
а)
б)
Рис.13. Счетчики входных сигналов: а) упрощенная схема четырехразрядного двоичного суммирующего счетчика; б) временная диаграммы сигналов в узлах схемы
Из рис.13, б видно, что триггер Т1 переходит из одного состояния в другое с приходом каждого импульса, подлежащего счету, триггер Т2 - через каждые два импульса, триггер Тз - через четыре и т.д. Таким образом, в рассмотренном примере коэффициент пересчета равен 2n.
В исходное нулевое состояние триггеры счетчика устанавливаются импульсом сброса, подаваемым на нулевые R - входы триггеров. Практические схемы счетчиков содержат клапаны, разрывающие цепи переноса под воздействием импульсов сброса.
По аналогичной схеме строятся вычитающие счетчики. В отличие от суммирующих устройств импульс переноса в старший разряд формируется при переходе младшего разряда из состояния «0» в состояние «1».
Регистры
Регистры представляют собой устройства, предназначенные для запоминания и хранения цифровых кодов, а также для выполнения над ними некоторых логических операций. Регистры в основном выполняются на логических триггерах, количество которых соответствует числу разрядов в цифровом коде. Операцию передачи цифрового кода в регистр и из регистра можно осуществлять последовательно и параллельно. На рис.14, а приведена схема четырехразрядного регистра параллельного действия на RS - триггерах. В исходное нулевое состояние триггеры регистра устанавливаются импульсом сброса, подаваемым на нулевые R - входы. Запись числа производится одновременной подачей кода числа на входы 1 - 4. Триггеры, на входы которых подается код единицы, переводятся в логическое состояние «1», остальные триггеры останутся в состоянии «0». Записанное в регистре число считывается с единичных выходов.
Для запоминания числа и сдвига его на один или несколько разрядов вправо или влево используют схемы сдвигающего регистра (рис.14, б). Регистры этого типа часто применяются в качестве преобразователей последовательного кода в параллельный и обратно. При записи в сдвигающий регистр цифровой код подается на единичный S - вход триггера Т1 начиная со старшего раз ряда. Импульсы сдвига ИС поступают на нулевые R - входы триггеров.
а)
б)
Рис.14. Регистры: а) схема четырехразрядного регистра на RS - триггерах; б) схема сдвигающего регистра
Работу триггера рассмотрим на примере записи числа 1011. С приходом первого импульса, соответствующего «1» старшего разряда, триггер Т1 переводится состояние «1». При действии импульса сдвига ИС триггеры переводятся в состояние «0». Возникающий на выходе триггера Т1 импульс переноса через элемент задержки 1 поступает на единичный S - вход триггера Т2 и переводит его в состояние «1». Задержка в данном случае обеспечивает правильную очередность работы элементов схемы. Cледующий разряд числа 0. Входной импульс отсутствует, поэтому Т1 остается в состоянии «0». При подаче очередного импульса сдвига 1 из триггера Т2 сдвигается в триггер Т3 аналогично вышеописанному. С приходом третьего разряда числа 1011 триггер Т1 устанавливается в состояние «1» и т.д. Путем последовательной подачи кодов чисел и импульсов сдвига число записывается в регистр. Считывание чисел может осуществляться параллельным кодом с единичных выходов триггеров 1 - 4 и последовательным кодом с единичного выхода путем последовательной подачи импульсов сдвига.
Микропроцессоры измерительных систем в оборудовании горных машин
Элементы микропроцессорных систем
Микропроцессор (М I) - это информационное устройство, которое по программе, задаваемой управляющими сигналами, обрабатывает информацию, т.е. реализует операции: арифметические, логические, ввода, вывода и т. д.
Основные элементы микропроцессора (рис.16) – это запоминающее устройство (память), вычислительное устройство (центральное процессорное устройство ЦПУ), выходной и входной интерфейсы.
Постоянное Запоминающее устройство ПЗУ используется для хранения операционной системы микропроцессора и стандартных программ.
Оперативное запоминающее устройство используется для хранения пользовательских программ и временного хранения данных. ЦПУ считывает информацию из ОЗУ, но и записывает туда новые данные.
Выходной и входной интерфейсы используются для согласования микропроцессора с внешними устройствами. Для обозначения этих интерфейсов используют обозначение - выходной и входной порт. Входной порт получает сигналы от внешних измерительных устройств посредством преобразования аналоговых сигналов с помощью аналого - цифрового преобразователя. Выходной порт получает сигналы в цифровой форме из ЦПУ для передачи во внешние устройства через цифро - аналоговый преобразователь.
Рис.16. Функциональная схема микропроцессорной измерительной системы
Основные элементы объединяются с помощью так называемых шин, представляющие конструктивно токопроводящие дорожки или проводники. В микропроцессоре есть три основные шины: шина данных - используется для передачи данных между микропроцессором и другими элементами системы; адресная шина - используется для передачи адреса области памяти, по которому данные можно отыскать или сохранить; шина управления - используется для передачи сигналов управления из микропроцессора другим элементам измерительной системы.
Рис.17. Архитектура микропроцессора
Упрощенная структурная схема одного из МП (рис.18, б) состоит из АЛУ и совокупности n параллельных регистров по m разрядов общего назначения (РОН) для хранения двоичных чисел, используемых в процессе вычислений.
В состав МП входят также два параллельных буферных регистра (БР), предназначенных для кратковременного хранения чисел А и В во время выполнения операции АЛУ, и устройство управления (УУ), которое задает режимы работы всех элементов МП.
а) б)
Рис.18. Упрощенная структура микропроцессора
При работе МП числа А и В, над которыми выполняется операция, передаются по магистрали последовательно из РОН на буферные регистры БР А и БР В. Затем по команде АЛУ производит указанную операцию, а результат ее по внутренней магистрали передается в РОН. Обычно для этой цели выделяется специальный регистр РОН, называемый аккумулятором, в котором ранее записанное число стирается. Например, сложение трех чисел выполняется таким образом: сначала складываются два первых числа и результат записывается в РОН. Затем в АЛУ поступают результат этого сложения и третье число, вычисляется окончательный результат и записывается в РОН.
Последовательность выполнения операций практически не ограничивает функциональные возможности МП. Однако эффективность применения МП значительно возрастает, если его снабдить дополнительными устройствами для хранения информации и обмену ею с внешними устройствами.
МикроЭВМ - это устройства на основе МП, а также запоминающих устройств (ЗУ), устройств управления и средств связи с периферийными устройствами (интерфейс). Управляющая микроЭВМ должна иметь средства сопряжения с объектом управления: датчики, АЦII, ЦАII. Совокупность микроЭВМ и средств сопряжения образует микропроцессорную систему.
Структурная схема микроЭВМ (рис.19) содержит устройства ввода (УВп) и вывода (УВыв), порты ввода и вывода, центральный МП с АЛУ, устройством управления и регистрами общего назначения, а также постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ) запоминающие устройства.
Рис.19. Структурная схема микроЭВМ
Входная информация делится на данные, над которыми выполняются операции, в программу, т.е. последовательность команд, описывающих выполняемые операции. Данные и программа задаются совокупностью слов разной длины в виде двоичных чисел с числом разрядов, кратным 8 (1 байт).
Данные УВв поступают в порт ввода. Сигналы управления выбирают необходимый порт, обеспечивают запись данных, временное хранение в порте, а затем их передачу в магистраль данных, состоящих из совокупности m проводящих линий, обеспечивающих передачу m - разрядного слова. При магистральной организации связей элементы микроЭВМ подключаются к единой магистрали через буферные усилители, которые могут находиться в одном из трех состояний:
1) передача данных в магистраль;
2) прием данных из магистрали;
3) отключение от магистрали.
Сигналами управления можно отдельные элементы микроЭВМ поставить в режим передачи информации в магистраль, другие - в режим приема информации, остальные - отключить. Кроме магистрали данных (МД) есть еще и магистраль управления (МУ).
Для того чтобы работа МП не зависела от быстродействия УВв, данные и программа перед ее выполнением записываются в ОЗУ в микроЭВМ. Объем ОЗУ для микроЭВМ составляет единицы и десятки килобайт (1 Кбайт=210 байт, т.е. 1024 восьмиразрядных слова).
Последовательность работы МП:
1) считывание команды из памяти; номер ячейки памяти, где хранится первая команда, заносится в счетчик команд; после выполнения команды число в счетчике автоматически увеличивается на 1, что обеспечивает последовательность выполнения команд программы;
2) при каждом положении счетчика команд происходит считывание из памяти следующей информации: кода операции, которая выполняется по данной команде, и числа или его адреса, над которым команда выполняется;
3) выполнение команды.
После выполнения команды «считывание» выполняется команда си из следующей ячейки памяти, и цикл повторяется.
Устройство управления с помощью генератора тактовых сигналов (ГТС) обеспечивает требуемую последовательность работы элементов для выполнения команды. Выполнение одной команды происходит за несколько машинных циклов, каждый из которых содержит несколько периодов работы ГТС.
Предположим, что имеется датчик температуры с рабочим диапазоном температур 0…1200С, и необходимо производить измерения с точностью 0,50С. Для этого необходимо разбить указанный интервал измерений на 240 частей. Очевидно, что для представления 240 различных значений входного сигнала микропроцессор должен иметь возможность выдавать столько же разных двоичных чисел. Таким образом, в этом случае микропроцессор должен быть как минимум восьмиразрядным (28=256>240).
Примеры использования микропроцессорных систем
Микропроцессорная система измерения температуры на основе термопары. Так как э.д.с. термопары не является линейной функцией температуры, то для получения значений измеренной температуры необходимо использовать специальные таблицы, переводящие э.д.с. термопары в градусы. В этих таблицах считается, что холодный спай термопары находится при температуре 00С. Если это условие не выполняется, то необходимо производить корректировку полученных данных. Поэтому в этой системе микропроцессор отслеживает измеряемую температуру по изменению э.д.с. на горячем спае температуры, а для контроля температуры холодного спая термопары используется термосопротивление. После преобразования эти сигналы от двух элементов поступают в микропроцессор, который производит вычисление значений измеряемой величины.
Рис.20. Микропроцессорная система измерения температуры
Еще один пример применения микропроцессорных систем - измерение относительной влажности воздуха. Здесь необходимо одновременно измерять температуру сухим и влажным термометром. Если обработка полученных данных ведется вручную, то после проведения измерений оператор ищет в таблицах два соответствующих значения, по которым и вычисляет потом значение относительной влажности. Очевидно, что прибор, способный сразу выдавать значения относительной влажности, должен быть микропроцессорным. На рис. показан один из вариантов такого прибора. Датчики температуры могут быть пьезоэлектрическими, например кварцевыми, у которых частота зависит от температуры. Таким образом, микропроцессор в такой системе принимает два сигнала, по значениям которых, используя стандартные таблицы, вычисляет величину относительной влажности. На отображающее устройство могут выводиться, на пример, значения двух температур и относительной влажности.
Рис.21. Микропроцессорная система измерения относительной влажности
Оптоэлектронные приборы
Оптоэлектронный прибор в широком смысле определяется как прибор, использующий для своей работы оптическое излучение. Формами этого использования могут быть генерация, детектирование, преобразование, передача информационных сигналов. Однако практически этим термином обобщаются приборы и устройства, содержащие излучатели и приемники, взаимодействующие друг с другом. Приборы же, в которых выполняется лишь один вид преобразования, - излучатели, индикаторы, фотоприемники, модуляторы и др. - чаще рассматривают отдельно как элементы оптоэлектронных приборов и систем.
