69145

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОНИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Этапы и направления развития электроники. Классификация и области применения устройств компьютерной электроники. Значительные изменения во многих отраслях науки и техники обусловлены развитием электроники.

Русский

2014-09-30

84 KB

9 чел.

Тема 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОНИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Лекция 1. Вступление. Этапы и направления развития электроники. Классификация и области применения устройств компьютерной электроники.

Вступление.

В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства автоматики, измерительной и вычислительной техники.

Значительные изменения во многих отраслях науки и техники обусловлены развитием электроники. Компьютерная электроника является частью общего понятия ”Электроника”.

Электроника – отрасль науки и техники, изучающая:

  •  физические явления в электровакуумных, ионных и полупроводниковых приборах;
  •  электрические характеристики и параметры этих приборов;
  •  свойства устройств и систем, основанных на работе электронных приборов.

Компьютерная электроника является одним из направлений технической электроники, которая связана с применением электронных приборов и устройств в различных отраслях промышленности и быта.

Этапы и направления развития электроники.

Зарождение электроники было положено в конце XIX – начале XX века. К этому времени электрическая энергия стала проникать во все сферы человеческой деятельности. В 1872 г. русский электротехник А. Н. Лодыгин создал первую электрическую лампу накаливания. Открытие американским ученым Т. А. Эдисоном явление термоионной эмиссии в 1883 г. и исследование фотоэлектронной эмиссии в 1988 г. профессором Московского университета А. Г. Столетовым послужили началом изучения электронных явлений, которые вскоре были использованы и в технике. На становление и дальнейшее развитие электроники решающее влияние оказало изобретение А. С. Поповым в 1889 г. радио. В 1895 г. он построил первый в мире радиоприемник.

Следующим толчком послужило изобретение в 1904 г. английским ученым Дж. Я. Флемингом вакуумного диода (ламповый детектор). Через три года после этого американский ученный Ли Форест ввел в лампу Флеминга управляющий электрод – сетку и создал триод, обладающий способностью генерировать и усиливать электрические сигналы. В России первую электронную лампу изготовил в 1914г. Н.Д. Папалекси.

Бурное развитие электроники в нашей стране началось после Великой Октябрьской социалистической революции. В 1922 г. В СССР была построена самая мощная в мире, для того времени радиостанция  “ им. Коминтерна “ ( 400кВт ).

В 30 – 40е годы в устройствах стали широко применять электронные лампы. Однако их громоздкость и недолговечность заставили специалистов искать другие принципы построения электронных приборов. Ими оказались полупроводниковые приборы.

Начало развитию полупроводниковой электроники в нашей стране было положено еще в 20х годах инженером О. В. Лосевым, который занимался исследованиями кристаллических диодов.

Большой вклад в изучение полупроводниковых материалов с целью их использования в электронике внесли теоретические работы советских физиков, возглавляемых академиком А.Ф. Иоффе.

Крупным событием в развитии полупроводниковой техники было открытие в конце 1948 г. американскими учеными У. Браттейном, Дж. Бардином и У. Шокли транзисторного эффекта. Первые промышленные образцы транзисторов появились в 1949 – 1950 гг.

Применение полупроводниковых приборов практически вытеснило вакуумные лампы. Однако непрерывное усложнение электронной аппаратуры, повышение требований к надежности экономичности и массогабаритным показателям привело к появлению интегральной микроэлектроники.

Начало микроэлектроники было положено в Англии во второй половине 40х годов, а первые интегральные схемы были созданы в США в 1958 г. Это событие способствовало бурному прогрессу в развитии информационной электроники и микроминиатюризации электронных средств. Эти тенденции получили еще большее развитие с появлением больших (БИС), а затем и сверхбольших (СБИС) интегральных схем, которые позволили разработать и внедрить во все сферы деятельности человека микроЭВМ.

В настоящее время СБИС, наряду с БИС, ИС и отдельными типами дискретных полупроводниковых приборов, стали основной элементной базой современных электронных средств. Этот этап развития электронных устройств характеризуется не только резким уменьшением габаритов, массы и энергопотребления, но и резким повышением их надежности, в том числе и за счет сведения к минимуму ручного труда при изготовлении электронных устройств.

В последние годы прогресс в области обработки и передачи информации связан, в основном, с применением вычислительной техники. Сегодня трудно назвать отрасль промышленности и быта где бы не использовалась вычислительная техника. Компьютеры стали одним из массовых радиоэлектронных устройств. С их помощью решаются сложные задачи по обработке звуковых, телевизионных, цифровых и других сигналов. В состав современных компьютеров входят разнообразные схемы усилительной, преобразовательной, радиоприемной, и цифровой техники.

Электроника как отрасль техники развивается исключительно быстрыми темпами. Непрерывное совершенствование полупроводниковой базы, а вместе с ней и технических средств электроники приводит к тому, что информация о конкретных видах электронных приборов и схем (за исключением базовых) оказывается малоустойчивой. Поэтому попытка рассмотреть все виды схем, применяющихся в современной электронной аппаратуре или имеющих перспективы в будущем, будет заведомо безуспешной. Для этого имеются соответствующие стандарты, служебные и производственные инструкции, справочники. Гораздо важнее понять и осмыслить идеи, заложенные в основу работы электронных приборов и устройств, динамику и логику их развития, принципиальные особенности и возможности их практического применения.

Классификация и области применения устройств компьютерной электроники.

Электронные устройства (ЭУ) компьютерной электроники, по способу формирования и передачи сигналов управления подразделяются на два класса: аналоговые (непрерывные) и дискретные (прерывистые).

Аналоговые электронные устройства предназначены для приема, преобразования, усиления и передачи электрического сигнала, изменяющегося во времени по закону непрерывной (аналоговой) функции.

В аналоговом электронном устройстве (АЭУ) каждому конкретному значению реальной физической величины на входе датчика соответствует однозначное, вполне определенное значение выбранного электрического параметра постоянного или переменного тока. Это может быть напряжение или ток на участке электрической цепи, его частота, фаза и т. п. Допустим, отклонение маятника l от положения равновесия характеризуется зависимостью, показанной на рис. 1.1, а. Тогда в АЭУ, например, напряжение, поставленное в соответствие этому отклонению, в общем случае будет изменяться так, как показано на рис. 1.1,6.

Очевидно, что как сама физическая величина, в данном случае отклонение маятника, так и ее электрический эквивалент, принимая бесконечное число значений, могут быть определены в любой произвольный момент времени и изменяются в одном и том же масштабе времени. Важно подчеркнуть, что электрический эквивалент несет в себе полную информацию о реальном процессе, хотя в общем случае моменты, когда реальная величина принимает некоторое значение и когда появляется ее электрический эквивалент, могут не совпадать, т. е. между этими моментами может существовать некоторая задержка t3.

Рис.   1.1.   Пример   соответствия  физической  величины аналоговому электрическому сигналу. Зависимость отклонения l маятника от положения равновесия во времени (а) и электрический сигнал и(l), поставленный в соответствие этому отклонению (б).

Достоинствами АЭУ являются: теоретически максимально достижимые точность и быстродействие; простота устройства.

Недостатками АЭУ являются: низкая помехоустойчивость и нестабильность параметров, обусловленные сильной зависимостью свойств устройства от внешних дестабилизирующих воздействий, например температуры, времени (старение элементов), действия внешних полей и т.п.; большие искажения при передаче на значительные расстояния; трудность долговременного хранения результата; низкая энергетическая эффективность.

Дискретные электронные устройства (ДЭУ) предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, полученных путем квантования1 по времени и/или уровню исходной аналоговой функции х(t). Поэтому действующие в них сигналы пропорциональны конечному числу выбранных по определенному закону значений реальной физической величины, отображаемой   в   виде   различных    параметров    импульсов2  или    перепадов1 напряжения или тока. Поскольку обычно интересуются не только конкретными значениями X(t), но и ее изменением, для передачи информации используют последовательности импульсов или перепадов. Основные параметры импульсных последовательностей, используемых в ДЭУ для отображения информации, определим на примере импульсов и перепадов напряжения, показанных на рис. 1.2, а, б:

Um – амплитуда импульса или перепада: наибольшее отклонение напряжения от исходного, установившегося значения U0;

tф, tсn  длительности фронта и спада импульса — временной интервал между моментами, в которые мгновенное напряжение U удовлетворяет условию 0.1Um < U < 0,9Um.

__________________________________

1   Квантованием  называется процесс замены непрерывного сигнала его значениями в отдельных точках.

2  Электрическим импульсом называют кратковременное отклонение напряжения u(t)  или тока i(t)  от некоторого установившегося значения Uo и i0, соответственно (см. рис. 1.2,а).

Рис.  1.2 – Основные параметры импульсов  (а)  и перепадов  (б)  напряжения.

Для перепадов аналогичные параметры называют длительностью фронта положительной tф+ и отрицательной tф-;

tи – длительность импульса – временной интервал между моментами на соседних интервалах tф и tСП, для которых u = 0,5Um;

Т – период следования импульсов – временной интервал между  моментами  на  соседних  интервалах tф или  tСП, Для  которых u = 0,5Um.

Величина f = 1/T называется  частотой  следования  импульсов;

tп = Ttидлительность паузы между импульсами;

К3 = tп /T – коэффициент заполнения импульсов;

γ = T/ tи – скважность импульсов.

Отметим, что периодически повторяющиеся перепады напряжения с производными du/dt различных знаков (положительные du/dt>0 и отрицательные Du/dt<0 перепады) образуют импульсы прямоугольной формы. В частном случае, когда положительные и отрицательные перепады следуют через равные промежутки времени, напряжение прямоугольной формы называют меандром.

В ДЭУ хотя каждому значению реальной физической величины и ставится в -соответствие вполне определенный параметр импульсного сигнала, но так как информация о ее изменении может быть получена только при сравнении двух импульсов, получение такой информации растягивается во времени. Следовательно, строго говоря, для получения полной информации о конечном во времени физическом процессе необходимо бесконечное число импульсов, т. е. временные масштабы протекания физического процесса и его отображения при помощи импульсов не совпадают. Поэтому в ДЭУ используется только часть информации о реальной физической величине, т. е. процесс представления информации сопряжен с частичной ее потерей.

К достоинствам ДЭУ следует отнести следующее.

1.  В дискретных устройствах импульсная РИ и средняя РСР мощности связаны соотношением:

РИ = γ РСР

Как видно, при большой скважности можно получить существенное превышение мощности в импульсе над средним ее значением. Это (по сравнению с аналоговыми устройствами) способствует улучшению массогабаритных показателей отдельных элементов ДЭУ.

2.  В ДЭУ усилительные приборы  (транзисторы)  используют в специфическом  режиме ключа   (включено — выключено), при котором мощность, рассеиваемая в них, минимальна. Это повышает коэффициент использования усилительного прибора

где Ph = IhUh — полезная мощность нагрузочного устройства; — мощность, рассеиваемая в выходной цепи усилительного прибора.

3.  Свойства дискретных устройств в меньшей степени зависят от нестабильности параметров используемых элементов. Это объясняется  как меньшим  тепловыделением,  что,  снижая  перегрев, сужает реальный диапазон рабочих температур, так и работой полупроводниковых приборов в режиме ключа.

4.  Помехоустойчивость ДЭУ выше чем АЭУ, так как при передаче импульсов сокращается  время,  в течение которого помеха может повлиять на передаваемый сигнал.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72446. Общая теория статистики 2.05 MB
  Все показатели социально-экономической статистики и методология их исчисления рассматриваются в свете теории и практики применения системы национальных счетов в условиях рыночной экономики. В результате изучения общей теории статистики социально-экономической статистики и статистики финансов...
72447. Правление Ивана I Калиты. Именно при нём начинается возвышение Москвы 28.5 KB
  Тверской князь поддержал это восстание. Этим тут же воспользовался Иван Калита, поехал в Золотую Орду, нажаловался на Тверского князя. Его поставили во главе монгольского отряда для подавления восcтания. Тверь была захвачена и полностью разграблена.
72448. ИСТОРИЯ ПЕДАГОГИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ КАК ОТРАСЛЬ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ 928 KB
  В настоящем пособии на основе ведущих концептуальных подходов к осмыслению историко-педагогического процесса предлагается целостное изложение основных явлений теории и практики образования начиная с рассмотрения предмета истории педагогики и образования и заканчивая...
72449. Послевоенное мирное урегулирование. Начало «холодной войны». Послевоенное мирное урегулирование в Европе 664.5 KB
  В Европе в 1945 г. вся политическая атмосфера была отмечена общим сдвигом влево. Самые широкие и с политической точки зрения активные народные массы, которые в эпоху первого мирового конфликта демонстрировали всевозрастающее отвращение к войне, в это время были вовлечены в борьбу...
72450. Эпоха «великих реформ» в России 753 KB
  «Эпоха Великих реформ», подготовка и проведение, которых растянулись на несколько десятилетий, была временем, когда правительство предприняло одну из наиболее последовательных попыток модернизировать весь уклад жизни огромной империи.
72451. ИСТОРИЯ И ТЕОРИЯ МАССОВЫХ ПРАЗДНИКОВ 1.38 MB
  Изучение истории и теории возникновения и эволюции праздников предполагает исследование как духовных, так и зрелищных составляющих празднично-обрядовой культуры разных народов. Их роль в деле рекреации человека, восстановлении его физических и духовных сил необычайно велика...
72452. ИСТОРИЯ ПСИХОЛОГИИ 606.5 KB
  Конспект лекций курса «История психологии» содержит информацию об основных этапах развития психологии как науки, о базовых идеях и понятиях, их появлении, усложнении и преем-ственности. В курсе освещены вопросы, касающиеся изменения в различные исторические периоды собственно предмета...
72454. ИСТОРИЯ ОТЕЧЕСТВА 498.5 KB
  В середине XVI века население России составило 5 млн. В течение года он опустошал казну истратив 05 млн. Император ограничил привилегии дворян заключил в 1800 году союз с Наполеоном вступил в переговоры с Папой Римским и договорился об объединении Православной и Католической Церквей предписал...