Электронные схемы и системы
Покупка
Тематика:
Схемотехника. Общие вопросы
Издательство:
ДМК Пресс
Автор:
Бишоп Оуэн
Перевод:
Рабодзей А. Н.
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 576
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-97060-172-3
Артикул: 652584.02.99
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти
Эта книга была написана как пособие для начальных курсов по электронике. Ее содержание тщательно согласовано с основными программами образования в Великобритании, но затрагиваемые темы и глубина их рассмотрения были выбраны так, чтобы получившийся материал был доступен для большинства студентов во всем мире. Единственным требуемым знанием являются основы математики и физики уровня средней школы. В книге рассмотрены следующие темы: основы электротехники и электроники, электронные приборы, аналоговые схемы, микропроцессорные системы и их применение, системы управления производственными процессами, микроконтроллеры и основы телекоммуникации, а также моделирование электронных схем на персональном компьютере. Особенностью книги является ее практическая направленность, имеющая целью побудить читателей к конструированию и испытанию реальных электрических схем на практике. В основной текст включены врезки с дополнительными материалами, которые студенты могут по своему желанию изучать или пропускать. В тексте часто вставлены вопросы для самопроверки. Издание подходит как для использования в качестве учебного пособия, так и для самообразования.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.01: Радиотехника
- 11.03.03: Конструирование и технология электронных средств
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Интернет-магазин:
www.dmkpress.com
Книга - почтой:
orders@alians-kniga.ru
Оптовая продажа:
“Альянс-книга”.
Тел.: (499)782-3889
books@alians-kniga.ru
Электронные схемы и системы
www.дмк.рф
Эта книга была написана как пособие для начальных курсов по
электронике. Ее содержание тщательно согласовано с основными
программами образования в Великобритании, но затрагиваемые
темы и глубина их рассмотрения были выбраны так, чтобы получившийся материал был доступен для большинства студентов во
всем мире. Единственным требуемым знанием являются основы
математики и физики уровня средней школы.
В книге рассмотрены следующие темы: основы электротехники и
электроники, электронные приборы, аналоговые схемы, микропроцессорные системы и их применение, системы управления
производственными процессами, микроконтроллеры и основы
телекоммуникации, а также моделирование электронных схем на
персональном компьютере.
Особенностью книги является ее практическая направленность,
имеющая целью побудить читателей к конструированию и испытанию реальных электрических схем на практике.
В основной текст включены врезки с дополнительными материалами, которые студенты могут по своему желанию изучать или пропускать. В тексте часто вставлены вопросы для самопроверки.
Издание подходит как для использования в качестве учебного пособия, так и для самообразования.
Электронные
схемы и
системы
Оуэн Бишоп
9 785970 601723
ISBN 978-5-97060-172-3
Электронные схемы и системы Оуэн Бишоп
Electronics Circuits and Systems Owen Bishop AMSTERDAM • BOSTON • HEIDELBERG • LONDON • NEW YORK • OXFORD • PARIS SAN DIEGO • SAN FRANCISCO • SINGAPORE • SYDNEY • TOKYO Newnes is an imprint of Elsevier
Электронные схемы и системы Москва, 2016 Оуэн Бишоп
УДК 621.38.04 ББК 32.85-04 Б67 Бишоп О. Б67 Электронные схемы и системы / пер. с англ. к. т. н. Рабодзей А. Н. – М.: ДМК Пресс, 2016. – 576 с. ISBN 978-5-97060-172-3 Эта книга была написана как пособие для начальных курсов по электронике. Ее содержание тщательно согласовано с основными программами образования в Великобритании, но затрагиваемые темы и глубина их рассмотрения были выбраны так, чтобы получившийся материал был доступен для большинства студентов во всем мире. Единственным требуемым знанием являются основы математики и физики уровня средней школы. В книге рассмотрены следующие темы: основы электротехники и электрони ки, электронные приборы, аналоговые схемы, микропроцессорные системы и их применение, системы управления производственными процессами, микроконтроллеры и основы телекоммуникации, а также моделирование электронных схем на персональном компьютере. Особенностью книги является ее практическая направленность, имеющая целью побудить читателей к конструированию и испытанию реальных электрических схем на практике. В основной текст включены врезки с дополнительными материалами, которые студенты могут по своему желанию изучать или пропускать. В тексте часто вставлены вопросы для самопроверки. Издание подходит как для использования в качестве учебного пособия, так и для самообразования. УДК 621.38.04 ББК 32.85-04 All rights reserved. This edition of Electronics - Circu its and Systems by Owen Bishop is published by arrangement with Elsevier Ltd, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, OX5 1 GB, England. Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги. ISBN 978-0-08-096634-2 (анг.) Copyright © 2011, Owen Bishop. Published by Elsevier Ltd. ISBN 978-5-97060-172-3 (рус.) © Оформление, перевод, ДМК Пресс, 2016
Содержание Предисловие ..................................................................................................................................17 Практические схемы и системы ............................................................................................18 I Электрические схемы и цепи ..........................................................................................20 Введение....................................................................................................................................................21 Глава 1. Диоды ..............................................................................................................................24 Ток и напряжение ..................................................................................................................................24 Обратное смещение...............................................................................................................................25 Вопросы по схемам .......................................................................................................................30 Вопросы по диодам .......................................................................................................................30 Тесты ..................................................................................................................................................31 Глава 2. Транзисторные ключи ..............................................................................................32 Включение ламп .....................................................................................................................................32 Датчики .............................................................................................................................................33 Схема включения лампы с помощью фотодиода ...............................................................33 Варианты схемы фотореле .........................................................................................................35 Конструирование систем ............................................................................................................35 Сирена, включаемая датчиком освещенности .............................................................................35 Ключи на биполярных транзисторах .....................................................................................37 Схема для управления нагревателем ..............................................................................................38 Термисторы ......................................................................................................................................39 Защитный диод ..............................................................................................................................40 ЭДС ....................................................................................................................................................41 Индикация работы системы ......................................................................................................41 Предупреждение о перегреве .............................................................................................................42 Инверсная работа ..........................................................................................................................42 p-n-p или n-p-n? .............................................................................................................................42 Типы МОП-транзисторов ..........................................................................................................43 Триггер Шмитта .....................................................................................................................................43 Защелкивание .................................................................................................................................44 Гистерезис ........................................................................................................................................44 Управление логическими сигналами ..............................................................................................45 Практикум по транзисторным ключам ..................................................................................50 Вопросы по транзисторным ключам ......................................................................................50 Дополнительные вопросы ..........................................................................................................52 Тесты ..................................................................................................................................................52 Глава 3. Делители напряжения ..............................................................................................54 Ток и разность потенциалов ......................................................................................................54 Влияние нагрузки делителя напряжения .............................................................................55 Увеличение точности ...................................................................................................................56 Датчики .............................................................................................................................................57 Погрешности измерений .............................................................................................................57 Регулируемые делители напряжения ....................................................................................58 Внутреннее сопротивление ........................................................................................................58
содержание 6 Практикум по делителям напряжения ..................................................................................60 Вопросы по делителям напряжения .......................................................................................60 Глава 4. Конденсаторы ..............................................................................................................62 Емкость конденсатора .................................................................................................................62 Параллельное и последовательное соединения конденсаторов ..................................63 Выбор конденсаторов...................................................................................................................63 Применение конденсаторов для связи между каскадами ...............................................68 Применение конденсаторов для исключения паразитной связи между каскадами (блокировки) .............................................................................................................69 Заряд конденсаторов ....................................................................................................................70 Разряд конденсаторов ..................................................................................................................72 Время .................................................................................................................................................72 Практикум по конденсаторам ...................................................................................................73 Вопросы по конденсаторам ........................................................................................................74 Дополнительные вопросы ..........................................................................................................75 Тесты ..................................................................................................................................................76 Вспомогательный веб-сайт ........................................................................................................77 Глава 5. Применение конденсаторов ...................................................................................78 Задержка времени .........................................................................................................................78 Одновибратор .................................................................................................................................78 Таймер на микросхеме семейства 555 ....................................................................................79 Мультивибратор ............................................................................................................................81 Переменное напряжение .............................................................................................................83 Фильтр нижних частот ................................................................................................................84 Сопротивление и реактанс ........................................................................................................85 Импеданс ..........................................................................................................................................85 Импеданс и частота.......................................................................................................................86 Амплитудно-частотная характеристика ................................................................................86 Частота среза ...................................................................................................................................88 АЧХ фильтра низкой частоты ...................................................................................................88 Фазовые соотношения .................................................................................................................89 Период и фазовый сдвиг .............................................................................................................90 Ток конденсатора ...........................................................................................................................91 Фазочастотная характеристика фильтра высокой частоты............................................92 Практикум по фильтрам .............................................................................................................92 Вопросы по применению конденсаторов ..............................................................................93 Глава 6. Поля .................................................................................................................................95 Электрическое поле ......................................................................................................................95 Магнитное поле ..............................................................................................................................95 Поля и движение ...........................................................................................................................96 Единицы измерения электрических полей ..........................................................................97 Единицы измерения магнитных полей ..................................................................................97 Ферромагнетики ............................................................................................................................99 Глава 7. Катушки индуктивности ....................................................................................... 102 Самоиндукция ............................................................................................................................. 102 Реактанс ......................................................................................................................................... 103 Типы компонентов электронных цепей с индуктивностью ........................................ 104 Передача энергии........................................................................................................................ 105
содержание 7 LC-цепи .......................................................................................................................................... 105 Фильтры с индуктивными элементами .............................................................................. 107 Вопросы по полям ...................................................................................................................... 110 Вопросы по катушкам индуктивности................................................................................ 110 Тесты ............................................................................................................................................... 111 Глава 8. Усилители на МОП-транзисторах .................................................................... 112 Усилитель с общим истоком ........................................................................................................... 112 Крутизна передаточной характеристики ........................................................................... 113 Смещение ...................................................................................................................................... 114 Разделительные конденсаторы .............................................................................................. 114 Выходное напряжение .............................................................................................................. 115 Выходное сопротивление ........................................................................................................ 115 Испытания усилителя .............................................................................................................. 116 Амплитудно-частотная характеристика ............................................................................. 116 Фазочастотная характеристика ............................................................................................. 117 Практикум по усилителю на МОП-транзисторе в схеме с общим истоком .......... 117 Практикум по крутизне МОП-транзисторов ................................................................... 118 Усилитель с общим стоком .............................................................................................................. 118 Коэффициент усиления по напряжению ........................................................................... 119 Согласование выхода с входом .............................................................................................. 119 Усиление по току и по мощности .......................................................................................... 120 Практикум по повторителям напряжения на МОП-транзисторах ......................... 120 Применение МОП-транзисторов ......................................................................................... 121 Вопросы по МОП-транзисторам .......................................................................................... 122 Тесты ............................................................................................................................................... 123 Дополнительные вопросы ....................................................................................................... 124 Глава 9. Усилители на биполярных транзисторах ....................................................... 125 Усилитель с общим эмиттером....................................................................................................... 125 Коэффициент усиления по току ........................................................................................... 125 Выходное напряжение .............................................................................................................. 126 Выходное сопротивление ........................................................................................................ 127 Смещение ...................................................................................................................................... 127 Сопротивление эмиттера ......................................................................................................... 127 Амплитудно-частотная характеристика ............................................................................. 128 Коэффициент усиления по напряжению ........................................................................... 128 Улучшение стабильности ......................................................................................................... 129 Входное сопротивление ........................................................................................................... 130 Коэффициент усиления по напряжению ........................................................................... 130 Амплитудно-частотная характеристика ............................................................................. 131 Шунтирующий конденсатор .................................................................................................. 131 Потребляемая мощность .......................................................................................................... 132 Практикум по усилителям на биполярных транзисторах ........................................... 132 Усилитель с общим коллектором .................................................................................................. 132 Коэффициент усиления по напряжению ........................................................................... 133 Коэффициент усиления по току и мощности .................................................................. 134 Амплитудно-частотная характеристика эмиттерного повторителя ......................... 134 Составной транзистор (схема Дарлингтона) ............................................................................ 134 Практикум по составным транзисторам ............................................................................ 135 Дифференциальный усилитель ..................................................................................................... 135 Практикум по дифференциальным усилителям ............................................................. 138
содержание 8 Резонансные усилители ................................................................................................................... 138 Добротность ................................................................................................................................. 140 Достоинства резонансных усилителей ............................................................................... 141 Практикум по резонансным усилителям ........................................................................... 141 Вопросы по биполярным транзисторам ............................................................................. 143 Тесты ............................................................................................................................................... 144 Глава 10. Усилители на полевых транзисторах с p-n-переходом .......................... 146 Крутизна передаточной характеристики ........................................................................... 147 Выходное сопротивление ........................................................................................................ 147 Амплитудно-частотная характеристика ............................................................................. 148 Практикум по усилителям на полевых транзисторах с p-n-переходом .................. 148 Практикум по крутизне полевых транзисторов с p-n-переходом ............................. 148 Вопросы по полевым транзисторам с p-n-переходом .................................................... 150 Тесты ............................................................................................................................................... 150 Глава 11. Операционные усилители .................................................................................. 151 Терминология .............................................................................................................................. 151 Корпуса .......................................................................................................................................... 152 Идеальный операционный усилитель ................................................................................ 152 ОУ на практике ............................................................................................................................ 152 Напряжение смещения нуля .................................................................................................. 153 Скорость нарастания выходного напряжения ................................................................. 153 Влияние частоты на коэффициент усиления ................................................................... 154 Компаратор напряжения .................................................................................................................. 155 Практикум по компараторам напряжения ........................................................................ 156 Равенство напряжений на входах ОУ ................................................................................. 156 Инвертирующий усилитель ............................................................................................................ 157 Виртуальная земля .................................................................................................................... 158 Входное сопротивление ........................................................................................................... 158 Расчет номинала резистора RB для минимизации смещения нуля ОУ ................... 159 Практикум по смещению нуля .............................................................................................. 160 Практикум по амплитудно-частотным характеристикам ............................................ 161 Неинвертирующий усилитель ............................................................................................... 161 Повторитель напряжения ........................................................................................................ 162 Вопросы по операционным усилителям ............................................................................ 163 Параметры операционных усилителей ............................................................................... 164 Выбор ОУ ...................................................................................................................................... 165 Тесты ............................................................................................................................................... 165 Глава 12. Применение операционных усилителей ...................................................... 166 Сумматор ............................................................................................................................................... 166 Дифференциальный усилитель ..................................................................................................... 167 Входное сопротивление дифференциального усилителя ............................................ 168 Применение дифференциальных усилителей в медицинских исследованиях .... 168 Измерения с помощью мостовой схемы ............................................................................. 169 Интегратор ............................................................................................................................................ 171 Генераторы треугольных импульсов .................................................................................... 172 Инвертирующий триггер Шмитта ................................................................................................ 173 Работа триггера Шмитта .......................................................................................................... 173 Расчет пороговых напряжений .............................................................................................. 175 Проектирование инвертирующего триггера Шмитта ................................................... 176
содержание 9 Неинвертирующий триггер Шмитта ........................................................................................... 177 Пороговые напряжения ............................................................................................................ 179 Проектирование неинвертирующего триггера Шмитта ............................................... 179 Генераторы пилообразного напряжения и импульсов прямоугольной формы ............ 181 Генератор пилообразного напряжения ............................................................................... 182 Период следования импульсов, постоянная времени RC-цепи и гистерезис ....... 183 Вопросы по применению операционных усилителей ................................................... 183 Тесты ............................................................................................................................................... 185 Глава 13. Активные фильтры ............................................................................................... 187 Амплитудно-частотная характеристика ............................................................................. 188 Активный фильтр верхних частот первого порядка ...................................................... 189 Проектирование фильтров первого порядка .................................................................... 190 Активные фильтры второго порядка ................................................................................... 191 Полосовые фильтры .................................................................................................................. 192 Заградительные фильтры ........................................................................................................ 194 Практикум по активным фильтрам ..................................................................................... 195 Вопросы по активным фильтрам .......................................................................................... 196 Тесты ............................................................................................................................................... 196 Глава 14. Генераторы .............................................................................................................. 198 Генератор с фазосдвигающей цепью ............................................................................................ 198 Генератор Колпитца ........................................................................................................................... 199 Генератор с мостом Вина .................................................................................................................. 200 Практикум по генераторам ..................................................................................................... 201 Глава 15. Мощные усилители .............................................................................................. 202 Усилители тока ............................................................................................................................ 202 Усилители класса А.................................................................................................................... 203 Усилители класса В .................................................................................................................... 203 Устранение переходных искажений ..................................................................................... 205 Мощные усилители на МОП-транзисторах ..................................................................... 206 Проблемы отвода тепла ............................................................................................................ 206 Радиаторы ..................................................................................................................................... 207 Тепловое сопротивление .......................................................................................................... 208 Интегральные схемы усилителей звуковой частоты ..................................................... 210 Практикум по мощным усилителям .................................................................................... 212 Вопросы по мощным усилителям......................................................................................... 212 Тесты ............................................................................................................................................... 212 Глава 16. Тиристоры и триаки ............................................................................................. 214 Работа тиристора ........................................................................................................................ 214 Применение тиристоров при работе на постоянном токе ............................................ 215 Применение тиристоров при работе на переменном токе ........................................... 216 Рабочее напряжение .................................................................................................................. 217 Двухполупериодный управляемый выпрямитель .......................................................... 218 Триаки............................................................................................................................................. 219 Диаки .............................................................................................................................................. 220 Импульсы управления ............................................................................................................. 220 Ложные включения ................................................................................................................... 223 Электромагнитные помехи ..................................................................................................... 223 Включение при нулевом напряжении................................................................................. 224
содержание 10 Практикум по работе тиристоров ......................................................................................... 226 Практикум по управляемым выпрямителям .................................................................... 227 Вопросы по тиристорам и триакам ...................................................................................... 227 Тесты ............................................................................................................................................... 228 Глава 17. Источники питания .............................................................................................. 229 Выпрямление ............................................................................................................................... 230 Сглаживание ................................................................................................................................ 230 Выходное напряжение .............................................................................................................. 231 Двухполупериодный выпрямитель и стабилизатор напряжения на стабилитроне ...... 231 Мостовой выпрямитель ........................................................................................................... 231 Сглаживание ................................................................................................................................ 232 Расчет амплитуды пульсаций ................................................................................................ 233 Стабилизация напряжения ..................................................................................................... 234 Мощность стабилитрона .......................................................................................................... 235 Мощность балластного резистора ........................................................................................ 235 Выходное сопротивление источника питания ................................................................. 235 Работа с большими токами нагрузки .................................................................................. 235 Стабилизированный источник питания с двухполупериодным выпрямлением и стабилизатором на микросхеме .................................................................................................. 236 Диодный мост в монолитном исполнении ........................................................................ 237 Применение микросхем для стабилизации напряжения ............................................. 237 Выходное сопротивление и коэффициент стабилизации ............................................ 238 Цепи защиты интегральных стабилизаторов напряжения .......................................... 238 Регулируемые интегральные стабилизаторы напряжения ......................................... 238 Практикум по источникам питания .................................................................................... 239 Вопросы по источникам питания ......................................................................................... 239 Глава 18. Логические микросхемы .................................................................................... 241 Работа элемента И ...................................................................................................................... 241 Элемент ИЛИ .............................................................................................................................. 242 Элемент НЕ .................................................................................................................................. 243 Элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ .................................................................................................. 243 Элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ .................................................................................... 244 Семейства логических микросхем ........................................................................................ 245 Транзисторно-транзисторная логика .................................................................................. 245 КМОП-логика ............................................................................................................................. 246 Сравнение ТТЛ и КМОП ИС ................................................................................................ 247 Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) .................................................................................. 250 Практикум по логическим уровням напряжения ........................................................... 250 Практикум по таблицам истинности ................................................................................... 251 Вопросы по логическим микросхемам ................................................................................ 252 Тесты ............................................................................................................................................... 253 Глава 19. Логические операции .......................................................................................... 254 Булевы символы ......................................................................................................................... 255 Определение состояния выходов.......................................................................................... 255 Схемы с четырьмя входами .................................................................................................... 258 Карты Карно ................................................................................................................................. 259 Разработка схем .......................................................................................................................... 260 Макетирование и моделирование ......................................................................................... 263 Работа с элементами И-НЕ и ИЛИ-НЕ ............................................................................. 264
содержание 11 Практикум по логическим операциям ................................................................................ 267 Практикум по использованию моделирования ............................................................... 268 Вопросы по логическим операциям ..................................................................................... 269 Тесты ............................................................................................................................................... 270 Глава 20. Комбинационные устройства .......................................................................... 271 Мажоритарная логика .............................................................................................................. 271 Полусумматор.............................................................................................................................. 272 Полный сумматор ....................................................................................................................... 273 Древовидная схема контроля по четности ........................................................................ 274 Схема сравнения по абсолютной величине ....................................................................... 275 Преобразователь десятичных чисел в двоичные ............................................................. 276 Преобразователь двоичных чисел в десятичные ............................................................. 276 Шифратор приоритетов ........................................................................................................... 277 Селектор данных ........................................................................................................................ 278 Распределитель данных ........................................................................................................... 279 Произвольные таблицы истинности ................................................................................... 280 Использование ПЗУ.................................................................................................................. 284 Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) ................................. 285 Выполнение логических операций программным путем ............................................. 285 Практикум по ИС средней степени интеграции ............................................................. 286 Вопросы по комбинационным устройствам ..................................................................... 286 Тесты ............................................................................................................................................... 287 Глава 21. Последовательностные логические схемы ................................................. 289 Триггеры ........................................................................................................................................ 289 Временны' е задержки ................................................................................................................ 291 Одновибраторы ........................................................................................................................... 293 Мультивибраторы на КМОП ИС ......................................................................................... 295 Защелки ......................................................................................................................................... 296 Тактируемая логика ................................................................................................................... 297 D-триггеры .................................................................................................................................... 297 Т-триггер ....................................................................................................................................... 298 J-K-триггеры ................................................................................................................................ 299 Практикум по триггерам .......................................................................................................... 300 Практикум по тактируемой логике ...................................................................................... 301 Вопросы по схемам с последовательностной логикой .................................................. 301 Тесты ............................................................................................................................................... 302 Глава 22. Счетчики и регистры ............................................................................................ 303 Деление и счет ............................................................................................................................. 303 JK-счетчики .................................................................................................................................. 305 Суммирующие и вычитающие счетчики ........................................................................... 305 Счетчики со сквозным переносом ........................................................................................ 306 Синхронные счетчики .............................................................................................................. 308 Двоично-десятичные счетчики .............................................................................................. 308 Счетчики до n............................................................................................................................... 310 Декодирование состояний выходов ..................................................................................... 310 Регистры данных ........................................................................................................................ 311 Регистры сдвига .......................................................................................................................... 312 Счетчики Джонсона .................................................................................................................. 313 Статические оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) .................................. 317
содержание 12 Динамические оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) .............................. 317 Флеш-память ............................................................................................................................... 318 Управление памятью ................................................................................................................. 319 Практикум по счетчикам и регистрам ................................................................................ 320 Вопросы по счетчикам и регистрам ..................................................................................... 321 Тесты ............................................................................................................................................... 322 Глава 23. Дисплеи ..................................................................................................................... 323 Светодиоды .................................................................................................................................. 323 7-сегментные светодиодные дисплеи .................................................................................. 324 14-сегментные дисплеи ............................................................................................................ 326 Матричные дисплеи .................................................................................................................. 326 Жидкокристаллические дисплеи ......................................................................................... 327 Практикум по светодиодным дисплеям ............................................................................. 328 Вопросы по светодиодам и дисплеям .................................................................................. 330 Тесты ............................................................................................................................................... 330 Глава 24. Преобразователи сигналов ............................................................................... 332 Аналого-цифровые преобразователи .......................................................................................... 332 Параллельный АЦП .................................................................................................................. 332 АЦП с последовательным приближением ........................................................................ 335 АЦП интегрирующего типа .................................................................................................... 338 Сигма-дельта АЦП ..................................................................................................................... 339 Цифроаналоговые преобразователи ............................................................................................ 340 Сумматор на операционном усилителе .............................................................................. 340 ЦАПы на матрице R-2R ........................................................................................................... 342 Практикум по АЦП ................................................................................................................... 344 Практикум по ЦАПам .............................................................................................................. 344 Вопросы по преобразователям сигналов ........................................................................... 344 Тесты ............................................................................................................................................... 345 Глава 25. Интегральные схемы ........................................................................................... 346 ИС с низким уровнем интеграции ....................................................................................... 346 ИС для импульсных преобразователей напряжения .................................................... 348 Фильтры на переключаемых конденсаторах .................................................................... 349 Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)........................................................ 350 Практикум по ИС ....................................................................................................................... 351 II Системы ............................................................................................................................ 352 Глава 26. Аудио- и видеосистемы ..................................................................................... 353 Системы ......................................................................................................................................... 353 Входная часть ............................................................................................................................... 353 Радиотюнер ................................................................................................................................... 354 CD/DVD-плеер ........................................................................................................................... 354 Жесткий диск ............................................................................................................................... 356 Флеш-память ............................................................................................................................... 357 Микрофоны .................................................................................................................................. 357 Компьютер как источник аудио- и видеосигналов ......................................................... 358 Аналоговые аудиосистемы .............................................................................................................. 359 Обработка сигналов ................................................................................................................... 359
содержание 13 Звуковой смеситель ................................................................................................................... 360 Эквалайзер .................................................................................................................................... 360 Выходной усилитель ................................................................................................................. 362 Громкоговорители ...................................................................................................................... 362 Звуковые колонки ...................................................................................................................... 364 Вопросы по аудио- и видеосистемам ................................................................................... 364 Другие вопросы ........................................................................................................................... 365 Тесты ............................................................................................................................................... 365 Глава 27. Шумы ........................................................................................................................ 367 Источники шумов ...................................................................................................................... 367 Электромагнитные помехи ..................................................................................................... 367 Механические источники помех ........................................................................................... 368 Шумы в электрических цепях ............................................................................................... 368 Обработка сигналов ................................................................................................................... 370 Отношение сигнал–шум .......................................................................................................... 370 Уменьшение шумов.................................................................................................................... 371 Шумы в телекоммуникациях ................................................................................................. 372 Вопросы по шумам ..................................................................................................................... 373 Тесты ............................................................................................................................................... 373 Глава 28. Телекоммуникационные системы .................................................................. 375 Несущая частота и модуляция ............................................................................................... 377 Импульсная модуляция ........................................................................................................... 379 Частотная манипуляция .......................................................................................................... 381 Передача цифровых данных ................................................................................................... 382 Частотное уплотнение .............................................................................................................. 383 Временно' е уплотнение ............................................................................................................. 384 Скорость передачи данных ..................................................................................................... 384 Дрожание (джиттер) ................................................................................................................. 385 Форма импульсов ....................................................................................................................... 386 Сравнение аналоговых и цифровых систем передачи данных ................................... 387 Сети телекоммуникации .......................................................................................................... 388 RS-232 ............................................................................................................................................. 388 Код ASCII ...................................................................................................................................... 390 Соединение и переключение цепей ..................................................................................... 391 Коммутация сообщений ........................................................................................................... 392 TCP/IP ........................................................................................................................................... 393 Вопросы по телекоммуникациям ......................................................................................... 395 Тесты ............................................................................................................................................... 396 Глава 29. Линии передачи ..................................................................................................... 397 Типы линий связи ...................................................................................................................... 397 Линии передачи .......................................................................................................................... 398 Характеристический импеданс.............................................................................................. 400 Передатчики и приемники ...................................................................................................... 400 Перекрестные помехи ............................................................................................................... 403 Практикум по линиям передач .............................................................................................. 403 Практикум по трансформаторному включению линии передачи ............................ 404 Практикум по передатчикам и приемникам ..................................................................... 404 Вопросы по линиям передач ................................................................................................... 405 Тесты ............................................................................................................................................... 405
содержание 14 Глава 30. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) ........................................... 407 Оптическое волокно .................................................................................................................. 407 Источники света ......................................................................................................................... 409 Приемники света ........................................................................................................................ 409 Преимущества ВОЛС ............................................................................................................... 410 Вопросы по ВОЛС ..................................................................................................................... 411 Тесты ............................................................................................................................................... 411 Глава 31. Радиотехнические системы связи ................................................................. 413 Спектр электромагнитных волн ............................................................................................ 413 Радиовещание .............................................................................................................................. 414 Околоземная волна .................................................................................................................... 414 Ионосферные радиоволны ...................................................................................................... 416 Антенны ......................................................................................................................................... 418 Антенны направленного действия ....................................................................................... 420 Радиопередающие устройства ............................................................................................... 421 Радиоприемные устройства .................................................................................................... 423 Супергетеродинные радиоприемники ................................................................................ 425 Мобильные телефоны ............................................................................................................... 427 Практикум по радиоприемникам ......................................................................................... 429 Практикум по биениям ............................................................................................................ 430 Вопросы по радиотехническим системам связи .............................................................. 430 Тесты ............................................................................................................................................... 430 Глава 32. Измерительные системы .................................................................................... 432 Телеметрия .................................................................................................................................... 432 Измерение напряжения ........................................................................................................... 433 Датчики .......................................................................................................................................... 434 Датчики, генерирующие ЭДС ................................................................................................ 435 Резистивные датчики ................................................................................................................ 436 Датчики газового состава ........................................................................................................ 437 Емкостные датчики .................................................................................................................... 438 Индуктивные датчики .............................................................................................................. 439 Обработка сигналов и их использование ........................................................................... 440 Дисплеи измерительных приборов ...................................................................................... 441 Практикум по измерительным системам ........................................................................... 443 Вопросы по измерительным системам ............................................................................... 443 Глава 33. Электронные системы управления ................................................................ 444 Регуляторные системы и сервосистемы ............................................................................. 445 Управление температурой ....................................................................................................... 445 Обратная связь в термостате .................................................................................................. 446 Управление скоростью вращения вала электромотора ................................................. 446 Управление перемещением ..................................................................................................... 449 Практикум по системам управления ................................................................................... 451 Вопросы по системам управления ........................................................................................ 451 Глава 34. Системы управления производственными процессами ........................ 452 Пропорциональное управление ..................................................................................................... 452 Пропорционально-интегральное управление .......................................................................... 456 Пропорционально-интегрально-дифференциальное управление .................................... 458 Практикум по системам пропорционально-интегрально-дифференциального управления .................................................................................................................................... 460
содержание 15 Глава 35. Отказы систем ........................................................................................................ 461 Причины отказов ........................................................................................................................ 461 Проявление отказа ..................................................................................................................... 462 Внешний осмотр ......................................................................................................................... 463 Предварительный анализ ........................................................................................................ 463 Наиболее часто встречающиеся причины отказов ......................................................... 464 Аналоговые схемы ...................................................................................................................... 465 Цифровые схемы ........................................................................................................................ 466 Программные неисправности ................................................................................................ 468 Испытания программ ................................................................................................................ 468 Вопросы по отказам систем .................................................................................................... 469 III Микроэлектронные цифровые системы ......................................................... 471 Глава 36. Входы и выходы .................................................................................................... 472 Одноразрядный вход ................................................................................................................. 472 Многоразрядные входы ............................................................................................................ 474 Изолированные входы .............................................................................................................. 475 Одноразрядный выход ............................................................................................................. 476 Многоразрядные выходы ........................................................................................................ 477 Вопросы по входам и выходам ............................................................................................... 477 Тесты ............................................................................................................................................... 478 Глава 37. Обработка информации ..................................................................................... 479 От битов до терабайтов ............................................................................................................ 479 Шины .............................................................................................................................................. 480 Элементы компьютерной системы ....................................................................................... 481 Процессор ...................................................................................................................................... 482 Микроконтроллеры ................................................................................................................... 485 Программируемые логические контроллеры ................................................................... 488 Адресация ...................................................................................................................................... 489 Обработка данных ...................................................................................................................... 491 Практикум по контроллерам .................................................................................................. 493 Вопросы по обработке данных ............................................................................................... 494 Тесты ............................................................................................................................................... 494 Глава 38. Программирование .............................................................................................. 496 Блок-схема ............................................................................................................................................ 497 Инициализация ........................................................................................................................... 497 Арифметические и логические операции .......................................................................... 499 Временны' е подпрограммы ..................................................................................................... 501 Обращение с данными .............................................................................................................. 502 Подпрограммы ввода ................................................................................................................ 503 Подпрограммы вывода ............................................................................................................. 508 Прерывания .................................................................................................................................. 515 Прямая и косвенная адресация ...................................................................................................... 517 Стек .......................................................................................................................................................... 518 Заключение ........................................................................................................................................... 519 Практикум по программированию ....................................................................................... 519 Глава 39. Языки программирования ................................................................................. 521 Программирование в машинных кодах .............................................................................. 521
содержание 16 Программирование на ассемблере ....................................................................................... 522 Некоторые программы в ассемблере ................................................................................... 525 Сокращения, используемые в ассемблере ......................................................................... 525 Входы и выходы .......................................................................................................................... 527 Конфигурация выводов как выходов .................................................................................. 527 Программирование с входами и выходами ....................................................................... 528 Виртуальный микроконтроллер для оптического распознавания образов ........... 530 Программирование на языке BASIC ................................................................................... 530 Программирование в многоступенчатой логике ............................................................. 533 Тесты по ассемблеру .................................................................................................................. 536 Тесты по BASIC’у ....................................................................................................................... 537 Тесты по многоступенчатой логике ..................................................................................... 538 Глава 40. Роботизированные системы ............................................................................. 540 Роботы в промышленности ..................................................................................................... 540 Источники питания ................................................................................................................... 541 Робот как система ....................................................................................................................... 542 Достоинства программного обеспечения ........................................................................... 542 Датчики роботов ......................................................................................................................... 542 Датчики света............................................................................................................................... 542 Датчики касания ......................................................................................................................... 543 Микрофон ..................................................................................................................................... 545 Датчики магнитного поля ....................................................................................................... 546 Исполнительные механизмы роботов ................................................................................. 546 Глава 41. Нейронные сети ..................................................................................................... 549 Математические модели .......................................................................................................... 550 Распознавание образов ............................................................................................................. 553 Аналоговые входы и выходы .................................................................................................. 554 Вопросы по нейронным сетям ............................................................................................... 555 Тесты ............................................................................................................................................... 555 Приложение А. Полезная информация .......................................................................... 557 Электрические величины и единицы их измерения ...................................................... 557 Законы электрических цепей ................................................................................................. 559 Электрические цепи .................................................................................................................. 560 Цепи с конденсаторами ............................................................................................................ 560 Компоненты.................................................................................................................................. 561 Логические тождества .............................................................................................................. 565 Системы счисления ................................................................................................................... 565 Представление отрицательных чисел в двоичном коде ................................................ 566 Благодарности ............................................................................................................................. 567 Приложение Б. Ответы к вопросам для самопроверки ............................................ 568 Предметный указатель ........................................................................................................... 570
Предисловие Эта книга была написана как пособие для начальных курсов по электронике. Ее содержание тщательно согласовано с основными программами образования в Великобритании, соответствующими уровню 3 (А-уровню), но затрагиваемые темы и глубина их рассмотрения были выбраны так, чтобы получившийся текст был доступен для большинства студентов младших курсов во всем мире. Единственным требуемым изначальным знанием являются основы математики и наличие аттестата об окончании средней школы с изучением естествознания. В книге рассмотрены темы, входящие в национальную программу инженерного образования в Великобритании (BTEC, 2007 г.), а именно: основы электротехники и электроники (раздел 5), основы применения электронных приборов и схем (раздел 35), микропроцессорные системы и их применение (раздел 62), вводные части к разделам 51 (системы управления производственными процессами), 60 (основы применения аналоговых схем), 68 (основы применения микроконтроллеров) и 90 (основы телекоммуникации). Особенностью книги является ее практическая направленность, имеющая целью побудить студентов к конструированию и испытанию реальных электрических схем в лабораториях. В соответствии с требованиями некоторых программ в книге показано, как поведение электронных схем может быть изучено с помощью моделирования на компьютере. Книга подходит и для использования в качестве пособия в учебных заведениях, и для самообразования. В основной текст включены врезки с дополнительными материалами, которые студенты могут по своему желанию изучать или пропускать. В тексте часто вставлены вопросы для самопроверки, ответы на которые даны в приложении Б. Ответы к нумерованным вопросам и тестам, приведенным в конце большинства глав, приведены на вспомогательном веб-сайте. При подготовке к изданию четвертой редакции текст был подвергнут значительной переработке. Было добавлено пять новых глав, в которых рассматриваются электрические и магнитные поля, диоды, генераторы, интегральные микросхемы и системы промышленного контроля и управления. С целью отображения растущей важности цифровой электроники и микроконтроллерных систем были расширены несколько других глав. Во всех главах были внесены изменения, связанные с последними достижениями электроники. Панель «В Интернете» во многих главах является новой чертой этого издания. Она предназначена для приучения студентов к пользованию этим изобильным источником информации. Выпуск в свет третьего издания данной книги по времени приурочен к запуску вспомогательного веб-сайта. Вспомогательный веб-сайт содержит ряд анимированных картинок, иллюстрирующих работу некоторых электронных схем, описанных в книге, калькулятор для расчетов электронных схем и серию интерактивных рабочих листов с ответами на вопросы. Оуэн Бишоп
Практические схемы и системы Идеи Эта книга содержит не только текст с различными объяснениями, но и может служить источником идей как для постановки лабораторных работ, так и при выполнении реальных проектов в области электроники. Все схемы в данной книге были испытаны или на рабочем столе, или с помощью компьютерного моделирования. Почти все чертежи схем выполнены с указанием номиналов входящих в них компонентов, так что студенты не будут испытывать затруднений при сборке схем, которые будут работать, как надо. Испытания схем Постарайтесь собрать столько из схем, приведенных в этой книге, сколько только сможете. Проверьте, ведут ли они себя так, как это описано в книге. Попробуйте немного изменить номиналы некоторых из элементов, отдавая себе отчет в том, что должно измениться в поведении схемы, и проверьте, так ли это. Существуют два пути испытаний схем: • с использованием макетной платы, на которой собирается временная схема из реальных элементов и модулей; • с использованием компьютерного моделирования. При этом сначала (виртуально) «собирается» схема-модель, потом этот файл сохраняется, а затем включается режим испытаний. Моделирование обычно проходит быстрее и дешевле, чем макетирование. При моделировании легче внести изменения и быстрее получить результаты испытаний. Кроме того, нет опасности случайно сжечь элементы схемы. Обозначения, используемые в этой книге Единицы измерения набраны прямым шрифтом: V, A, s, S, µF. Значения набраны курсивом: • фиксированные – VCC, R1; • изменяющиеся – vGS, gm, iD; • маленькие изменения значений – vgs, id. Резисторы в схемах пронумерованы R1, R2 и т. д. А сопротивление резистора показывается символом R1. То же самое касается конденсаторов (C1, C2) и индуктивностей (L1, L2). Значимые цифры При выполнении числовых расчетов в этой книге ответы следует давать в форме трех значащих цифр, если не указано иное. Единицы измерений при вычислениях Обычно единицы измерений, используемые при вычислениях, очевидны. В противном случае они помещены в квадратные скобки. Иногда они показаны как деленные или умноженные одна на другую.
оТВеТЫ К ВоПросаМ дЛЯ саМоПроВерКи 568 19 Пример: На стр. 127 указано R1 = 14,3/2,63 [V/µA] = 5,44 МОм. Здесь измеренное в вольтах напряжение делится на измеренный в микроамперах ток. Математически это уравнение можно записать в следующей форме: R1 = 14,3/(2,63 · 10–6) = 5,44 · 106. Так как в этой форме уравнение трудно воспринять, мы и используем производные единицы взамен множителя 10 в той или иной степени. Когда вычисления осуществляются с применением калькулятора, легче всего вводить числа 14,3 и 2,63, а затем команду ‘EXP–6’ или другую степень, если это требуется. В этом случае результат и в инженерном, и в научном форматах высвечивается на дисплее в форме 5,43726235706. Округляя его до трех значащих цифр, мы получаем 5,44, а показатель степени 06 указывает на то, что это мегомы. Вспомогательный сайт URL вспомогательного сайта: http://www.elsevierdirect.com/companions/9780080966342
СТРАНИЦА ЧАСТЬ I II Системы 352 III Микроэлектронные цифровые системы 471 Электрические схемы и цепи 24 Глава 1. Диоды 32 Глава 2. Транзисторные ключи 54 Глава 3. Делители напряжения 62 Глава 4. Конденсаторы 78 Глава 5. Применение конденсаторов 95 Глава 6. Поля 102 Глава 7. Катушки индуктивности 112 Глава 8. Усилители на МОП-транзисторах 125 Глава 9. Усилители на биполярных транзисторах 146 Глава 10. Усилители на полевых транзисторах с p-n-переходом 151 Глава 11. Операционные усилители 166 Глава 12. Применение операционных усилителей 187 Глава 13. Активные фильтры 198 Глава 14. Генераторы 202 Глава 15. Мощные усилители 214 Глава 16. Тиристоры и триаки 229 Глава 17. Источники питания 241 Глава 18. Логические микросхемы 254 Глава 19. Логические операции 271 Глава 20. Комбинационные устройства 289 Глава 21. Последовательностные логические схемы 303 Глава 22. Счетчики и регистры 323 Глава 23. Дисплеи 332 Глава 24. Преобразователи сигналов 346 Глава 25. Интегральные схемы
ВВедение 21 Введение Электрические цепи являются путями протекания электрического тока. В цепях постоянного тока он протекает в одном направлении, от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом. Электрическая схема может состоять из одной простой цепи (как показано на рис. 0.1) или содержать две или больше цепей (ветвей). На рис. 0.2 показано, какую функцию выполняют элементы этой схемы. В1 – батарея из двух элементов, ЭДС = 3 В; S1 – переключатель; D1 – светодиод; R1 – резистор номиналом 56 Ом рис. 0.1 Батарея является источником электродвижущей силы (ЭДС), создающей ток в цепи Положительный полюс батареи Отрицательный полюс батареи («земля»), используемый при измерениях в качестве опорной точки Когда переключатель замкнут, ток течет от положительного полюса батареи через электрическую цепь к отрицательному полюсу Резистор создает сопротивление протеканию тока. В этой схеме он ограничивает ток, чтобы не сжечь светодиод Переключатель показан в разомкнутом положении Направление протекания тока Две стрелки около светодиода показывают, что это светодиод Ток может течь через светодиод только в одном направлении, от анода (а) к катоду (к). Треугольник показывает направление протекания тока а к рис. 0.2 Проводник – это материал, через который может течь электрический ток. Все металлы являются проводниками. Изолятор (не проводник) – это материал, через который ток течь не может.
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти