Материал: А27402 Афанасьева НА Булат ЛП Электротехника и электроника Учебн пособие

Функция F = 0, когда хотя бы один из ее аргументов равен нулю и F = 1 при всех аргументах, равных единице.

Логический элемент И является схемой совпадения: сигнал «1» на выходе появляется при совпадении сигналов «1» на всех входах. Отличие схемы И (рис. 68, б) от схемы ИЛИ (рис. 67, б) заключается в изменении полярности включения диодов и наличии резистора R₁, подключенного к шине «+» источника питания. При всех входных сигналах, равных единице, на катодах диодов имеется положительный потенциал относительно общей точки и все диоды закрыты. На выходе схемы создается напряжение ER₂ / (R₁+R₂), определяющее F = 1. При нулевом значении сигнала хотя бы на одном из входов соответствующий диод будет проводить ток и шунтировать резистор R_2, выполняющий роль нагрузки. Напряжение на выходе при этом определяется падением напряжения на открытом диоде и близко к нулю (F = 0). На рис. 68, б показан вариант, когда x₁ = 0 и ток проводит диод VD₁. Увеличение числа входов с нулевым значением сигнала приводит только к увеличению числа проводящих диодов, а функция F остается равной нулю.

Логический элемент НЕ – имеет один вход и один выход. Элемент НЕ выполняет операцию отрицания (инверсии), в связи с чем его часто называют логическим инвертором. Им реализуется функция

.

Сигнал x = 0 на входе соответствует F = 1 и, наоборот, при x = 1 F = 0. Логический элемент НЕ представляет собой ключевую схему на транзисторе (рис 69, б), его условное обозначение показано на рис. 69, а.

При x = 0 (U_ВХ = 0) транзистор закрыт, напряжение U_кэ  E_к, т. е. F = 1. При x = 1 (U_вх = U_вх.отп) транзистор открыт, напряжение U_кэ = = U_{кэ.откр}  0, т. е. F = 0. Открытое состояние транзистора обеспечивается заданием тока базы, вводящего транзистор в режим насыщения.

На практике часто используется расширенный набор логических элементов.

К ним относятся логические элементы:

ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса), реализующий функцию

;

И-НЕ (штрих Шеффера), реализующий функцию:

.

Рабочие свойства логических элементов определяет ряд параметров:

– быстродействие – время задержки между сменой состояний входного и выходного сигналов;

– нагрузочная способность или коэффициент разветвления – число входов, которые можно подключить к одному выходу;

– помехоустойчивость – максимально допустимый уровень напряжения помехи, не вызывающий ложного переключения;

– степень генерирования помех – интенсивность колебаний тока при переключении элементов;

– мощность рассеяния – мощность потерь энергии в элементах.

8.2. Микропроцессоры

Микропроцессор (МП) – это информационное устройство, которое по программе, задаваемой управляющими сигналами, обрабатывает информацию, т. е. реализует операции: арифметические, логические, ввода, вывода и т. д.

Микропроцессор реализуется в виде одной или нескольких микросхем высокой степени интеграции и обладает меньшими функциональными возможностями, чем процессор ЭВМ.

Микропроцессор применяется совместно с микроэлектронными элементами:

– запоминающим устройством программы (ЗУП);

– запоминающим устройством данных (ЗУД);

– устройством ввода – вывода (УВВ).

Система, состоящая из микропроцессора и указанных устройств, называется микропроцессорной системой (микроЭВМ).

Общая функциональная схема системы с микропроцессором показана на рис. 70.

Эта система содержит следующие функциональные элементы:

ЗУП – осуществляет хранение команд, составляющих программу микропроцессора, причём информация, записанная в нём не теряется при перерывах в напряжении питания.

ЗУД – осуществляет хранение данных, предназначенных для обработки микропроцессором.

УВВ – обеспечивает ввод данных в ЗУД и их вывод к внешним приборам и устройствам.

Генератор тактов осуществляет функционирование всех узлов и блоков микропроцессорной системы. Устойство управления при помощи генератора тактовых сигналов обеспечивает требуемую последовательность работы элементов для выполнения команды.

Блоки микропроцессорной системы связаны трактом передачи адресов для выборки микропроцессором команд из ЗУП и данных из ЗУД или УВВ, а также трактом передачи команд из ЗУП в микропроцессор и данных из ЗУД или УВВ в микропроцессор и от него.

Оба тракта передачи информации состоят из некоторого количества проводников, каждый из которых может подключаться к соответствующим приемникам и источникам микропроцессорной системы, осуществляя многократное использование каждого проводника для создания связи между узлами блоков всей системы.

Это достигается устройством управления микропроцессора, осуществляющим разделение во времени соответствующих связей (мультиплексирование). Тракт передачи информации можно сравнить с двусторонней транспортной магистралью, предназначенной для доставки пассажиров в требуемые пункты назначения.

Система с микропроцессором оперирует информацией в двоичной системе исчисления (1–0). Каждый разряд двоичного числа называется битом. Например число 1110 – четырёхбитовое двоичное число, а число 110 – трёхбитовое. Крайний слева бит имеет наибольший вес, крайний справа – наименьший (соответственно старший бит и младший).

Информация, которую обрабатывает микропроцессор, представляется группой битов, составляющих слово. Количество битов в слове зависит от типа микропроцессора.

Наиболее распространённые слова составляют длину 4, 8, 12, 16 бит. Количеством битов в слове определяется число разрядов приемных регистров, входящих в сверхоперативную память микропроцессора.

Биты, образующие слово, подразделяются на группы; группа из 8 бит называется байтом.

Деление слова на байты позволяет упростить представление двоичного слова, применив шестнадцатиричную форму записи (шестнадцатиричный код).

Представление двоичного слова в шестнадцатиричном коде позволяет уменьшить вероятность появления ошибок при составлении программы работы микропроцессора, а также упростить технику ее трансляции.

Микропроцессор – сложное цифровое устройство, состоящее из множества функциональных узлов.

Независимо от типа микропроцессора можно выделить отдельные функциональные узлы, составляющие основу его построения:

– счётчик команд – содержит адрес команды из ЗУП в текущий момент времени;

– регистр команд – осуществляет хранение в микропроцессоре команды, считанной с ЗУП на период её выполнения;

– формирователь адресов операндов – один или несколько регистров, в которых составляется адрес данных (операнда) перед обращением в ЗУД;

– АЛУ(арифметическо-логическое устройство) – осуществляет операции сложения, вычитания, сравнения, операции И, ИЛИ, над двумя числами (операндами) с выдачей результата по одному выходу;

– аккумулятор – основной регистр служит для ввода данных в микропроцессор и вывода их от него. В аккумулятор поступает операнд из ЗУД перед проведением соответствующей операции в АЛУ. В аккумулятор вводится результат проведённой в АЛУ операции;

– регистры сверхоперативной памяти – служат для временного хранения данных перед проведением операций в АЛУ.

Если, например, требуется провести операцию сложения двух чисел, то одно число предварительно хранится в аккумуляторе, а второе – в одном из регистров сверхоперативной памяти.

У большинства микропроцессоров количество регистров сверхоперативной памяти равно 6.

К началу выполнения программы микропроцессор должен находиться в исходном состоянии – для этого подаётся сигнал «установка нуля», которым все регистры микропроцессора, в том числе счетчик команд, устанавливаются в исходное нулевое состояние.

9. Элементы теории магнитного поля

9.1. Электромагнетизм и магнитные цепи

9.1.1. Основные величины, характеризующие магнитное поле

Многие источники и приемники электрической энергии представляют собой сложные электромагнитные устройства, разнообразные по конструкции, устройству и назначению. Однако, в общем случае их работа основана на использовании магнитного поля, так как при движении электрических зарядов кроме электрических полей возникают и магнитные поля.

Электрические и магнитные поля – поля одной природы, так как магнитные поля создаются упорядоченно движущимися зарядами, т. е. электрическим током.

Явления, связанные с магнитным полем, могут быть описаны с помощью следующих величин:

– напряженность магнитного поля. Это векторная величина, выраженная через силу, действующую на единичные объекты в магнитном поле. Напряженность магнитного поля в системе СИ измеряются в единицах – ампер на метр (А/м);

 – магнитная проницаемость среды;

– магнитная индукция – силовая характеристика магнитного поля, учитывающая свойства среды, связанная с напряженностью магнитного поля формулой . В вакууме индукция и напряженность магнитного поля связаны соотношением , где  ₀ = 4 10^–7 Гн/м – магнитная постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума. Единицей магнитной индукции в системе СИ является тесла (Тл). Для ферромагнитных материалов зависимость индукции от напряженности магнитного поля в общем случае нелинейная;

Ф – магнитный поток. При однородном магнитном поле ( = const) и перпендикулярном направлении поля к площадке S, магнитный поток через площадку S равен Ф = BS. В системе СИ единицей магнитного потока является вебер (Вб); 1Вб = 1Тл  м².

9.1.2. Свойства ферромагнитных материалов

Свойства ферромагнитных материалов, находящихся под воздействием магнитного поля, описывают кривой намагничивания, т. е. зависимостью B =  ₀ H. Эта зависимость устанавливается опытным путем с помощью специальных кольцевых образцов, в которых магнитное поле однородное. Таким образцом может быть тороид, изготовленный из исследуемого ферромагнитного материала, длина магнитных линий в котором много больше его поперечных размеров (тонкостенный тороид). На тороиде находится равномерно навитая обмотка с числом витков w.

При расчете напряженности и индукции магнитного поля в тонкостенном тороиде можно считать, что все магнитные силовые линии имеют одинаковую длину, равную длине средней линии.

Если предположить, что ферромагнитный материал такого тороида полностью размагничен, и тока в его обмотке нет (B = 0 и H = 0), то при плавном нарастании тока получим нелинейную зависимость B(H), которая называется кривой первоначального намагничивания или основной кривой намагничивания (рис. 71, штриховая линия).

Начиная с некоторых значений напряженности H магнитного поля, индукция B практически перестает увеличиваться и остается равной B_max (рис. 71).Эта область называется областью технического насыщения.

Если, достигнув насыщения, начать плавно уменьшать ток в обмотке тороида, т. е. уменьшать напряженность магнитного поля, то индукция также начнет уменьшаться. Однако зависимость B(H) уже не совпадет с кривой первоначального намагничивания. Изменяя направление тока в обмотке и увеличивая его значение, получим новый участок зависимости.