Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.
Условное графическое обозначение операционного усилителя
Важнейшими характеристиками ОУ являются его амплитудные (передаточные) характеристики (рис. 3.2). Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтальных и наклонного участков.
Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзистора выходного каскада (эмиттерного повторителя). При изменении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменения и определяется напряжениями U+вых max и U–выхmax.
Указанные значения максимальных выходных напряжений близки к напряжению Ек источников питания.
Рисунок 3.2 – Передаточные характеристики ОУ (а),
передаточные характеристики ОУ при наличии разбаланса (б)
Обозначение на схемах
Из корпуса усилителя обычно выходят пять выводов, из которых два вывода – входы, один – выход, остальные два – питание.
Принцип действия
Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:
Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
Входы усилителя не расходуют ток.
Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «–», считается инвертирующим.
65. T-триггеры.
Т-триггер (от англ. Toggle - переключатель) часто называют счётным триггером, так как он является простейшим счётчиком до 2.
T-триггер синхронный
| T | Q(t) | Q(t+1) |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Рис.14.9.
Условное графическое обозначение (УГО) синхронного T-триггера с динамическим входом синхронизации С на схемах.
Синхронный Т-триггер, при единице на входе Т, по каждому такту на входе С изменяет своё логическое состояние на противоположное, и не изменяет выходное состояние при нуле на входе T. Т-триггер можно построить на JK-триггере, на двухступенчатом (Master-Slave, MS) D-триггере и на двух одноступенчатых D-триггерах и инверторе.
Как можно видеть в таблице истинности JK-триггера, он переходит в инверсное состояние каждый раз при одновременной подаче на входы J и K логической 1. Это свойство позволяет создать на базе JK-триггера Т-триггер, объединяя входы J и К.
В двухступенчатом (Master-Slave, MS) D-триггере инверсный выход Q соединяется со входом D, а на вход С подаются счётные импульсы. В результате триггер при каждом счётном импульсе запоминает значение Q, то есть будет переключаться в противоположное состояние.
66. Фоторезисторы - полупроводниковые приборы, которые имеют два контакта и электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава падающего излучения.При подключении фоторезистора к источнику питания в электрической цепи проходит небольшой ток IT, называемый темновым. При освещении фоторезистора ток в цепи возрастает за счет фототока, обусловленного внутренним фотоэффектом. Вольтамперная характеристика, т. е. зависимость фототока от приложенного напряжения при постоянном световом потоке Ф, практически линейна. Параметры фоторезисторов, как и других полупроводниковых приборов, существенно зависят от температуры.Фоторезисторы инерционны, что обусловлено конечным временем генерации и рекомбинации носителей заряда при изменении освещенности, вследствие чего фототок не успевает следовать за изменением освещенности. Это является их недостатком. Фоторезисторы широко применяют в различных схемах автоматики, контроля и измерения.
.
67. JK-триггер
Рис.14.10.
JK-триггер с дополнительными асинхронными инверсными входами S и R
| J | K | Q(t) | Q(t+1) |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 |
JK-триггер работает так же как RS-триггер, с одним лишь исключением: при подаче логической единицы на оба входа J и K состояние выхода триггера изменяется на противоположное. Вход J (от англ. Jump — прыжок) аналогичен входу S у RS-триггера. Вход K (от англ. Kill — убить) аналогичен входу R у RS-триггера. При подаче единицы на вход J и нуля на вход K выходное состояние триггера становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход K и нуля на вход J выходное состояние триггера становится равным логическому нулю. JK-триггер в отличие от RS-триггера не имеет запрещённых состояний на основных входах, однако это никак не помогает при нарушении правил разработки логических схем. На практике применяются только синхронные JK-триггеры, то есть состояния основных входов J и K учитываются только в момент тактирования, например по положительному фронту импульса на входе синхронизации.
На базе JK-триггера возможно построить D-триггер или Т-триггер. Как можно видеть в таблице истинности JK-триггера, он переходит в инверсное состояние каждый раз при одновременной подаче на входы J и K логической 1. Это свойство позволяет создать на базе JK-триггера Т-триггер, объединив входы J и К.
68. .Оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных 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.
По степени интеграции
· оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе)
· оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).
По типу оптического канала
· с открытым оптическим каналом
· с закрытым оптическим каналом
По типу фотоприёмника
· с фоторезистором (резисторные оптопары)
· с фотодиодом
· с биполярным (обычным или составным) фототранзистором
· с фотогальваническим генератором (солнечной батарейкой); такие оптроны обычно снабжаются обычным полевым транзистором, затвором которого управляет фотогальванический генератор.
· с фототиристором или фотосимистором.
По типу источников света
· с миниатюрной лампой накаливания
· с неоновой лампой
· со светодиодом
Классификация ЭВМ
классификация ЭВМ:
– ЭВМ по принципу действия;
– ЭВМ по этапам создания;
– ЭВМ по назначению;
– ЭВМ по размерам и функциональным возможностям
Классификация ЭВМ по принципу действия. Электронная вычислительная машина, компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса:
· аналоговые (АВМ),
· цифровые (ЦВМ)
· гибридные (ГВМ).
Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.
Аналоговые вычислительные машины (АВМ) – вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
Гибридные вычислительные машины (ГВМ) – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ.
Классификация ЭВМ по этапам создания. По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:
1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронно-вакуумных лампах;
2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);
3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных микросхемах с малой и средней степенью интеграции (сотни, тысячи транзисторов в одном корпусе);
4-е поколение, 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах-микропроцессорах (десятки тысяч — миллионы транзисторов в одном кристалле);
5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;
6-е и последующие поколения: оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой — с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Классификация ЭВМ по назначению. По назначению ЭВМ можно разделить на три группы:
– универсальные (общего назначения),
– проблемно-ориентированные
– специализированные.
Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям . По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на:
· сверхбольшие (суперЭВМ),
· большие (Mainframe),
· малые,
· сверхмалые (микроЭВМ).
Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементарная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.
Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для решения задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.
Появление в 70-х гг. малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.
Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х гг. еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Именно наличие МП служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.
70. Повторитель напряжения на основе ОУ.
Схема повторителя (рис. 10.4) легко может быть получена из схемы неинвертирующего усилителя при R 1→ 
, R 2→ 0. Здесь предполагается, что операционный усилитель работает в режиме усиления (u диф 
0). Используя второй закон Кирхгофа, получаем u вых = u вх.
Рис. 10.4.
Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор).
Рассмотрим схему сумматора, приведенную на рис. 10.5.
Рис. 10.5.
Предположим, что операционн 
ый усилитель работает в режиме усиления, тогда u диф 
0. Учитывая, что i –= i += 0, получим 
. При u диф 0 получим uRj = u вх j, j = 1,…,n; uR ос = u вых. На основании этих выражений после несложных преобразований получаем
. (26)
Для уменьшения влияния входных токов ОУ в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением
R э = R 1 // R 2 //… // Rn // R ос .
три элементарных правила, определяющие работу операционного усилителя:
Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через 
ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.
Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток
Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.
71. Типовая структура микропроцессорных устройств.Применение МП позволило создать новый класс вычислительной техники - микропроцессорные системы, обобщенная логическая структура которых приведена на рисунке .Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Работа МП происходит под воздействием сигналов схемы синхронизации и начальной установки, часто выполняемой в виде отдельного кристалла.
Показанный на рисунке МП может представлять собой или однокристальный МП с фиксированной системой команд или многокристальный МП с микропрограммным управлением.Представленная на рисунке структура отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорных устройств и систем. Отдельные блоки являются функционально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или СБИС. Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляются посредством коллективных шин (магистралей), к которым имеют доступ все основные модули системы. В каждый данный момент времени возможен обмен информацией только между двумя модулями системы.Магистральный принцип построения сопряжения модулей (интерфейс ЭВМ) предполагает наличие информационно-логической совместимости модулей, которая реализуется путем использования единых способов представления информации, алгоритма управления обменом, форматов команд и способа синхронизации.Для большинства микропроцессоров характерна трехшинная структура, содержащая шину адреса (ША), двунаправленную шину данных (ШД) и шину управления (ШУ)
В состав этих МПС, как правило, входят:
- шинный контролер для сопряжения устройств с системной шиной по параллельному интерфейсу;
- адаптер последовательного интерфейса для построения многопроцессорных систем или сопряжения источников и приемников сигналов, не увеличивающих нагрузку на системный интерфейс;
- специализированный процессор арифметической обработки сигналов (сопроцессор);
- ПЗУ команд и констант;
- ОЗУ операндов.
Для обеспечения работы МПС к их системному интерфейсу можно подключать устройства специализированной обработки арифметических алгоритмов, таких как быстрое преобразование Фурье, и устройства обработки аналоговых сигналов.
В состав таких устройств обработки аналоговых сигналов входят:
-аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, обеспечивающие непосредственное сопряжение цифрового устройства обработки с аналоговыми сигналами датчиков и приемников;
- система памяти ПЗУ и ОЗУ;
- буферы данных, используемые для временного хранения (буферизации) данных при передаче между устройствами;
- МП, предназначенный для цифровой обработки аналоговых сигналов.
В рассматриваемых структурах МПС реализуются три способа организации (обслуживания) передачи информации:
1) программно-управляемая передача, инициируемая процессором;
2) программно-управляющая передача, инициируемая запросом прерывания от периферийного устройства;
3) прямой доступ к памяти (ПДП).
Микропроцессоры
Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией.
Микропроцессор выполняет следующие основные функции:
1. чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
2. чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;
3. прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;
4. обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;
5. выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.
В состав микропроцессора входят следующие устройства.
1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:
o формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
o формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
o получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.
3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.
4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя:
o внутренний интерфейс микропроцессора;
o буферные запоминающие регистры;
o схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. (Порт ввода-вывода — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору , другое устройство.)
Все микропроцессоры можно разделить на группы:
1. микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;
2. микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;
3. микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;
4. микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.
Важнейшими характеристиками микропроцессора являются:
1. тактовая частота. Характеризует быстродействие компьютера. Режим работы процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц;
2. разрядность процессора — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени и тем больше, при прочих равных условиях, производительность компьютера;
Усилители мощности на ОУ
74. Усилители постоянного тока.
Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель можно использовать и для усиления переменных сигналов. К таким усилителям можно отнести и операционные усилители.
Для того, чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.
Характерным свойством УПТ является дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном под действием влияния внешней среды (изменений температуры, питающего напряжения, старения электронных элементов).
Основными методами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей, использование отрицательных обратных связей, применение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры.
Для устранения отмеченных недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, который можно назвать дифференциальным усилителем.
Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах.
Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 10.8.
Рис. 10.8.
Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, состоит в использовании в одном целом двух совершенно одинаковых половин. Это приводит к тому, что выходное напряжение u вых.диф очень слабо зависит от входного синфазного напряжения и практически определяется только u вх.диф.
Дифференциальное входное напряжение определяется выражением
. (30) Коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала Кдиф описывается выражением
. (31)
Как известно, при увеличении начального тока в цепи эмиттера величина r э уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Поэтому при увеличении тока i 0 коэффициент Кдиф увеличивается. Это позволяет изменять коэффициент усиления, изменяя начальный режим работы усилителя.
Дата: 2019-07-24, просмотров: 306.
