Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Електронні, мікропроцесорні та обчислювальні пристрої як основа систем керування професійно-технічною освітою. Основні компоненти електронних пристроїв. Застосування напівпровідникових приладів

1.1 Електронні, програмовані системи автоматизації як основа систем керування ПТО

Гнучкі виробничі системи мають у своєму складі електронні системи керування, які збудовані за допомогою обчислювальної та цифрової техніки.

Електронна цифрова техніка почала розвиватися на основі широкого використання елементної бази імпульсної техніки, а основною причиною її широкого використання стала можливість ефективно реалізувати всі переваги імпульсної техніки завдяки успішному розвитку інтегральної технології. В свою чергу, перехід до цифрової техніки став потужним стимулом для швидкого розвитку мікроелектроніки. Це сприяло тому, що сьогодні цифрова мікроелектронна техніка є основою усіх сучасних обчислювальних пристроїв.

Крім таких переваг цифрової техніки, як економічність, конструктивна технологічність, малогабаритність т. ін., є ще й такі переваги, як принципи цифрової обробки сигналів, що дозволяють досить просто і точно реалізувати складні алгоритми, котрі не під силу аналоговій техніці. Перш за все це стосується найважливішого розділу сучасної техніки - створення адаптивних (самонастроювальних) систем. Вони основані на реалізації адаптивних алгоритмів, які змінюються при зміні параметрів вхідного сигналу або зовнішнього середовища. Тут цифрові системи за точністю обробки сигналу суттєво перевищують аналогові.

Цифрові системи мають відносну складність порівняно з аналоговими системами. Для схеми цифрової обробки додатково потрібно мати аналого-цифровий, цифро-аналоговий перетворювачі та цифрові фільтри, які е досить складними пристроями. Реалізація таких математичних операцій, як диференціювання, інтегрування та розв'язування диференціальних рівнянь, потребують складних алгоритмів обробки сигналів. Недоліком цифрових систем, зокрема цифрових фільтрів, є на даному етапі порівняно низька швидкодія, яка залежить від необхідності виконання значної кількості арифметичних дій. Проблема підвищення швидкодії цифрових систем пов'язана, з одного боку, із швидкодією інтегральних мікросхем, а з другого - з ефективністю алгоритму числових методів аналізу.

Особливе місце в сучасних системах та пристроях керування посідають мікропроцесори, їх широке впровадження дозволяє оптимізувати розв'язування цілого ряду дуже важливих задач регулювання, формування та обробки спеціальних сигналів, цифрової фільтрації, використання самонастроювальних та самонавчальних систем тощо. Останні покоління ЕОМ реалізовані на основі мікропроцесорних інтегральних схем, що містять на напівпровідниковій пластині площею не більше 1 см кв. цілі пристрої. Малі габаритні розміри і низькі енергоспоживання та вартість таких машин дозволяють вбудовувати їх в різні пристрої та системи керування різних пристроїв, у тому числі і в системи керування виробничіх пристроїв.

1.2 Основні поняття і визначення. Компоненти електронних та мікропроцесорних пристроїв

автоматизація електронний регістр мікропроцесорний

Основні елементи електронних пристроїв можна розділити на пасивні й активні. До пасивних відносяться резистори, конденсатори, котушки індуктивності. До активних елементів відносять вироби напівпровідникової техніки, що володіють функціями підсилення і перетворення сигналів.

У залежності від вигляду опрацьовуваних сигналів інтегральні мікросхеми діляться на аналогові і дискретні (цифрові).

Пристрої цифрової техніки можна умовно поділити на два класи:

пристрої формування, генерування та перетворення заданих фізичних сигналів у сигнали із стандартними (логічними) параметрами

пристрої перетворення логічних сигналів - цифрових кодів.

До першого класу належать формувачі імпульсних параметрів, тактові. генератори (мультивібратори, релаксатори) аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі, перетворювачі частота-код і т. ін. Розробка пристроїв цієї групи - електрофізична задача, вихідними даними для якої є параметри вхідних сигналів (амплітуда, тривалість імпульсу, його фронту та зрізу, полярність і напруга джерела живлення тощо).

До другого класу цифрових пристроїв входять схеми від найпростіших логічних елементів до мікро-ЕОМ. Тут перетворення інформації, що подасться у цифровій формі, здійснюється виконанням певної послідовності арифметичних та логічних операцій.

Найпростіші логічні елементи виконують лише одну (елементарну) функцію - логічну операцію - відповідно до законів бульової алгебри. Залежно від числа логічних елементів, що містяться в одній мікросхемі, останні класифікуються за відповідним рівнем інтеграції:

Чим вищий рівень інтеграції мікросхеми, тим ширші її функціональні можливості і вищий ступінь складності її виготовлення.

Мікросхеми це універсальний матеріал для розробника апаратури, але реалізація складніших функцій на їх основі вимагав збільшення кількості мікросхем та з'єднань міх ними. Сучасні мікросхеми це багатофункціональні пристрої, на яких можна будувати досить складні багатофункціональні пристрої, вузли, мікропроцесорні комплекси і мікро-ЕОМ.

Сучасні керуючи пристрої будуються з використанням обчислювальних пристроїв на основі мікропроцесорної техніки, які зроблені на модульному принципі. Це дає можливість швидкого проектування та вводу в дію, а також діагностики обладнання під час його роботи.

Найбільш частіше в наш час використовуються так звані програмовані логічні контролери (ПЛК), які встановлюються на різних підйомно-транспортних засобах та робототехнічних системах, наприклад, на конвеєрах, портальних кранах, контейнерних перевантажувачах , автоматизованих транспортно-складських системах, роботах з цикловим та позиційним керуванням, роботах штабелерах, автоматизованих транспортно-складських системах.

1.3 Основні компоненти електронних пристроїв. Напівпровідникові прилади та інтегральні мікросхеми

Основні елементи електронних пристроїв можна розділити на пасивні й активні.

До пасивних відносяться резистори R, конденсатори C, котушки індуктивності L.

При використанні пасивних елементів треба приймати до уваги, що напруга на конденсаторі та струм, який проходить скрізь індуктивність, не можуть змінюватися миттєво. Наприклад, у пристроях живлення, де є конденсаторі, та в двигунах, статор яких є індуктивністю, напруга та струм після відключення зберігаються деякий час.

Приклади використання пасивних елементів.

До активних елементів відносять вироби напівпровідникової техніки, що володіють функціями підсилення і перетворення сигналів, діоди, транзисторі, польові транзистори тощо.

У свою чергу активні елементи можна розділити на дискретні (різноманітні напівпровідникові прилади, наприклад, транзистори, діоди і т.д.) і інтегральні (інтегральні мікросхеми).

1.4 Напівпровідникові підсилювачі

Напівпровідникові підсилювачі використовуються для підсилення та перетворення рівня сигналу, наприклад, доведення слабких сигналів до рівня, який може прийняти вхід системи керування. Нижче наведені схеми підсилювальних каскадів із спільним емітером (інвертуючий каскад) та із спільним колектором (неінвертуючий каскад).

1.5 Аналогові та дискретні мікросхеми

У залежності від вигляду опрацьовуваних сигналів інтегральні мікросхеми діляться на аналогові і дискретні. Аналогові мікросхеми перетворять аналогові сигнали, тобто сигнали, що можуть приймати різноманітні значення в межах заданого діапазону. Дискретні мікросхеми мають діло з дискретними, що можуть приймати тільки два значення "0" та "1". До аналогових мікросхем відносять операційні підсилювачі, стабілізатори току і напруги, випрямлячі і функціональні перетворювачі. До цифрових мікросхем відносять логічні елементи, регістри, лічильники і вузли на їхній основі, запам'ятовуючи пристрої, мікропроцесорні комплекти.

1.6 Умовні позначення електронних елементів принципової схеми

1.7 Операційні підсилювачі

Елементи систем автоматичного керування найчастіше будуються за типовими підсилювальними схемами на базі операційних підсилювачів. Операційними називаються підсилювачі постійного струму, які мають коефіцієнт підсилення не менше кількох тисяч у діапазоні частот від нуля до десятків кілогерц.

Незалежно від складності принципової схеми операційного підсилювача, кожний з них містить такі основні каскади: вхідний диференціальний підсилювач, підсилювач напруги, схему зміщення /зсуву/ постійного рівня та вихідний підсилювач потужності.

Операційні підсилювачі займають чільне місце серед аналогових інтегральних мікросхем. Вони широко застосовуються в різних лінійних і нелінійних схемах перетворення й генерування сигналів для створення підсумовуючих, інтегруючих, диференціюючих, множних, ділильних, дорівнюючих, обмежуючих, фільтруючих та інших пристрої.

Інтегральні операційні підсилювачі характеризуються такими параметрами: коефіцієнт підсилення за напругою в розімкненому стані без зворотного зв'язку; вхідний опір.

Аналітичне визначення коефіцієнта передачі реального операційного підсилювача досить складне. Тому звичайно приймається ряд припущень, внаслідок яких реальний ОП замінюється ідеальним.

Для ідеального операційного підсилювача приймаються такі припущення: коефіцієнт підсилення Kр > ?, вхідний опір Rвх > ?, вихідний опір Rвих > 0, смуга пропускання f > ?; при нульовому вхідному сигналі вихідна напруга дорівнює нулю.

Операційні підсилювачі мають, як правило, диференціальний вхід і одиничний вихід. Якщо збільшення вхідної напруги призводить до зменшення вихідної напруги, то такий вхід називається інвертуючім. В іншому випадку вхід - неінвертуючий. Інвертуючий вхід позначається кружком на вході ОП. Загальною особливістю більшості схем ОП є наявність кола негативного зворотного зв'язку з виходу на інвертуючий вхід.

Інвертуючий ОП

Неінвертуючий ОП

Диференціальний ОП

1.8 Випрямлячі та стабілізатори напруги

У джерелах живлення автоматизованих пристроїв використовуються випрямлячі та стабілізатори напруги. Нижче наведені однофазний та трифазний випрямлячі.

У джерелах живлення автоматизованих пристроїв використовуються два типи стабілізаторів напруги - параметричні та компенсаційні. Параметричні стабілізатори базуються на незмінності напруги деяких видів приладів при зміні струму, що протікає через них (наприклад, стабілітрони). У іншому типі стабілізаторів використовується компенсаційний принцип, заснований на автоматичному регулюванні напруги залежно від струму навантаження.

Якість стабілізаторів напруги оцінюється коефіцієнтом стабілізації.

Компенсаційні стабілізатори напруги мають більш високий коефіцієнт стабілізації, а також менший вихідний опір порівняно з параметричними.

Принцип дії компенсаційних стабілізаторів такий: відхилення напруги на навантаженні передається на регулюючий елемент, який перешкоджає зміні цієї напруги.

Залежно від способу вмикання регулюючого елемента (звичайно транзисторів) розрізняють два типи компенсаційних стабілізаторів - паралельні та послідовні.

Діяння на регулюючі елементи в обох тилах стабілізаторів здійснюється схемою, до якої входить операційний підсилювач та джерело еталонної напруги на опорних стабілітронах. Функція операційних підсилювачів полягав в підсиленні різниці між напругою навантаження і, еталонною напругою та подачі підсиленого сигналу на регулюючий елемент. Цим зумовлений більш високий коефіцієнт корисної дії послідовних стабілізаторів та їх широке застосування на практиці.

Перевагою стабілізаторів паралельного типу є їх некритичність до перевантаження за струмом навантаження аж до режиму короткого замикання. Послідовні стабілізатори потребують пристроїв захисту регулюючого елемента від перевантаження за струмом.

1.9 Основні типи дискретних інтегральних мікросхем

Класифікація цифрових елементів

Цифровим інтегральним мікросхемам /цифровим елементам/, які в основою елементної бази сучасної цифрової техніки, властива різноманітність за багатьма ознаками - технологією виготовлення, логікою роботи, будовою електричної схеми, ступенем інтеграції, областю застосування тощо. Проте, незважаючи на таке різноманіття цифрові мікросхеми мають деякі спільні властивості, характеристики та параметри, за якими їх виділяють в окремі групи чи серії.

Елементи цифрової техніки (або цифрові елементи) - це найменші функціональні частини будь-якого цифрового пристрою або системи, на які можна розкласти або а з яких можна скласти пристрой при логічному проектуванні .

За функціональним призначенням цифрові елементи можна розподілити на логічні, запам'ятовувальні та допоміжні.

Логічні елементи - це елементарні комбінаційні пристрої з одним виходом, що реалізують, як правило, одну логічну Функцію за законами бульової алгебри і характеризуються функціональною повнотою.

Запам'ятовувачі - це елементарні комірки пам'яті однобітної інформації ("0" або "1"), які можна скласти з логічних елементів.

Логічні елементи та запам'ятовувачі утворюють групу цифрових елементів загального призначення - універсальних елементів, на основі яких можна будувати (синтезувати) цифрові пристрої обох класів.

Логічні елементи загального призначення виготовляють в основному як малі інтегральні схеми. Це забезпечує максимальну гнучкість та ефективність при проектуванні на їх основі різних нестандартних і не досить складних функціональних вузлів. Допоміжні елементи, або елементи спеціального призначення, використовуються в основному для перетворення електричних сигналів в цифрові або навпаки, а також для формування, комутування, індикації, спряження чи узгодження логічних рівнів тощо. Вони практично повністю входять до цифрових пристроїв першої групи, не враховуючи систем ЦАП і АЦП. Отже, до них належать спеціальні елементи спряження - інтерфейсні мікросхеми, що узгоджують рівнів сигналів мікросхем різних технологій, приймачі-передавачі як формувачі двійкових сигналів на лініях зв'язку різних типів, елементи цифрової індикації тощо.

1.10 Логічні елементи та запам'ятовувачі

Логічні елементи. Інверсія змінює сигнал на протилежний.

Запам'ятовувачі здатні пам'ятати записану інформацію у двійковому вигляді. Для цього використовуються так звані тригери, наприклад, RS-тригери.

Коли сигнал "1" потрапляє на вхід S, вихід RS-тригера встановлюється у стан "1", а коли сигнал "1" потрапляє на вхід R, вихід RS-тригера встановлюється у стан "0".

Таким чином здійснюється запам'ятовування стану, що використовується у запам'ятовуючих пристроях.

1.11 Регістри, лічильники та засновані на них пристрої

Регістром називається функціональний послідовнісний пристрій, що призначений для приймання, запам'ятовування, перетворення і передачі двійкової інформації. Регістри можуть використовуватися також для виконання деяких логічних перетворень і тому широко використовуются в обчислювальних пристроях. У загальному випадку регістр - це блок тригерів і логічних елементів одного типу, що певним чином з'єднані між собою. Введення - запис інформації у регістр і зняття - зчитування інформації з нього залежать від способу і характеру цих з'єднань. Тому можливих способів приймання і передачі слів може бути чотири:

- з послідовними входом /записом/ і виходом /зчитуванням;

- з послідовним входом /записом/ і паралельним виходом /зчитуванням;

- з паралельним входом /записом/ і послідовним виходом /зчитуванням;

- з паралельними входом /записом/ і виходом /зчитуванням.

Регістр, призначений для послідовного біт за бітом виконання операції запису і зчитування n - розрядного слова називають регістром зсуву. Регістр з послідовним входом і паралельним виходом завантажується (тобто здійснює запис слова) послідовно біт за бітом, а видає записану інформацію одночасно з усіх своїх розрядів за один такт синхросигналу. Приймання інформації у регістрі з паралельним входом (записом) і послідовним виходом здійснюється одночасно по всіх розрядах слова за один такт керування, а зчитування - послідовно. Найбільш швидкодіючими, очевидно, є регістр - з паралельними входом /записом/ і виходом, бо і запис, і зчитування слова у нього відбуваються одночасно і незалежно. Такий регістр називають регістром пам'яті.

Розрядність будь-якого регістра визначається числом тригерів, кожний з яких як двостановий запам'ятовувач одного розряду слова відповідає за введення, збереження і виведення І біт інформації. Регістри можуть відрізнятись між собою за кількістю тактів керування, що необхідні для виконання конкретних операцій. Тому за способом тактування розрізняють одно-, дво- або багатотактні регістри. Для керування однотактним регістром досить однієї послідовності синхросигналів, багатотактним - кількох. Такі операції, як встановлення регістра у початковий стан, приймання інформації з одного пристрою і передача її в інший пристрій, зсув слова вліво або вправо, реалізуються за допомогою комбінаційної схеми регістра.

Регістри належать до найбільш поширених функціональних вузлів. Крім зберігання інформації, її зсуву та зчитування, які необхідні для виконання різних арифметичних та логічних операцій над двійковими числами (словами), за допомогою регістрів можна також перетворювати інформацію з одного виду в інший, наприклад, послідовного коду у паралельний або навпаки тощо.

Регістри пам'яті

Це накопичувальні регістри - пристрої з паралельним записом та зчитуванням слова їх основне призначення - зберігання двійкової інформації, що подана у паралельному коді. Регістри пам'яті можуть бути синхронізовані рівнем (дозволом С = 1 або С = 0) або фронтом синхросигналу залежно від типу застосованих тригерів.

Література

Основна

1. Цифрова техніка: Учеб. пособие /Б.Е.Рыцар. - Киев: УМК ВО, 1991 - 372 с. - На укр.яз. (4 прим.)

2. Элементы автоматизированного электропривода / Р.Г.Попович, В.А.Гаврилюл, О.В.Ковальчук, В.И.Теряев. - К.: УМК ВО, 1990. - 260 с. - На укр. яз. (4 прим.)

3. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Ленинград, Энергоатомиздат, 1988. (5 прим.)

4. Сташин В. В. і ін.. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / В.В. Сташин, А.В.Урусов, О.Ф.Мологонцева. : Энергоатомиздат, 1990. - 224 с. (2 прим.)

5. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. - М.: ИНФРА-М, 2000. - 480 с.:илл. (6 прим)

6. SIMATIC Totally Integrated Automation. Информация о продуктах. Приборы, системы, консультации, обучение. ДП “Сименс Украина”, Департамент “Средства автоматизации и приводы” 2006 (CD SIMATIC документация, Каталоги по автоматизации, 01/2007) .

7. SIMATIC S7 Комплексная автоматизация -программирование для начинающих. Курс ST-PRO1. Версия 5.5, SIEMENS AG, A&D 2004.

Додаткова

8. Системы управления с фаззи-логикой / В.И.Калашников, В.И.Справедливый, Ф.Палис. ДДТУ, Магдебургский университет. Донецк, Магдебург. 1997. - 38 с.

9. Интерфейсы средств вычислительной техники: Справочник. / Мячев А.А. М.: Радио и связь, 1993. - 352 с.

Методичні вказівки

10. Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу «Микропроцессорные и вычислительные устройства ГПС»/Составители: Михайлов Е.П., Денисенко Т.А., Кузниченко Д.А., Кузниченко С.Д. Изд. ОГПУ, 1997. 30 с.

11. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Локальные системы автоматики» для студентов специальности 7.091402 и по курсу «Микропроцессорные и вычислительные устройства ГПС» для студентов специальности 7.090207./Составители: Михайлов Е.П., Тихончук С.Т., Денисенко Т.А. ОГПУ, 1997. 33 с.

12. Методичні вказівки до лабораторних робіт по дисциплінам "Електронні, мікропроцесорні та обчислювальні пристрої ГВС" та "Електронні, мікропроцесорні та обчислювальні пристрої ПТМ" за темою "Логічні програмовані контролери" Проектування систем автоматизації SIMATIC S7-300 для студентів машинобудівного інституту спеціальності 7.090207 та 7.090214 Склав доцент Михайлов Є. П., 2007 р. 36 с. Одеса ОНПУ

Размещено на Allbest.ru