Shpory gosy


Полупроводниковые приборы. Классификация. Область применения.
- Полупроводниковые диоды;
- Полупроводниковые транзисторы;
- Полупроводниковые резисторы;
- Приборы с зарядной связью;
- Полупроводниковые лазеры;
- Оптоэлектронные приборы;
- Микросхемы;
Принцип работы П/П приборов определяется электронно-дырочным переходом.
Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выводами и одним p-n переходом. Принцип работы полупроводникового диода основан на использовании односторонней проводимости, электрического пробоя и других свойств p-n перехода. Диоды различают по назначению, материалу, конструктивному исполнению, мощности и другим признакам.
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами. Биполярные транзисторы различаются по структуре. В зависимости от чередования областей различают биполярные транзисторы типа “p-n-p” и “n-p-n”.
Полевые транзисторы. Полевым транзистором называется транзистор, в котором между двумя электродами образуется проводящий канал, по которому протекает ток. Управление этим током осуществляется электрическим полем, создаваемым третьим электродом. Электрод, с которого начинается движение носителей заряда, называется истоком, а электрод, к которому они движутся, стоком. Электрод, создающий управляющее электрическое поле, называется затвором. Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы). По типу электропроводности полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналами "p" и "n" типов.
Полупроводниковые резисторы нашли широкое применение в электронных приборах. К ним относятся терморезисторы, магниторезисторы, варисторы, фоторезисторы. Принцип действия таких приборов основан на изменении свойств полупроводниковых материалов при воздействии на них температуры, магнитного и электрического полей, электромагнитного излучения.
Все п/п приборы делятся:
1.по технологии изготовления (из кремния, германия, арсенида галлия);
2.по принципу действия:
п/п диоды: выпрямительные, СВЧ, импульсные, смесительные, стабилитроны, стабисторы. Фотодиоды, светодиоды, тиристоры, денисторы.
транзисторы: биполярные, полевые
п/п резисторы: терморезисторы, магниторезисторы, варисторы, фоторезисторы.
Полупроводниковые диоды. Классификация. Область применения.
Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выводами и одним p-n переходом. Принцип работы полупроводникового диода основан на использовании односторонней проводимости, электрического пробоя и других свойств p-n-перехода.
В зависимости от технологии изготовления различают точечные диоды, сплавные, микросплавные, эпитаксиальные и другие.
По функциональному назначению диоды делятся на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, СВЧ, стабилитроны, стабисторы, варикапы, динисторы, тиристоры, симисторы, фотодиоды, светодиоды и т.д.
По конструктивному исполнению диоды бывают плоскостные и точечные.
По используемому материалу - кремниевые, германиевые, арсенидгаллиевые. Диоды обладают односторонней проводимостью и служат: для выпрямления переменного тока, стабилизации тока и напряжения, формирования импульсов, для регулирования мощностей и т.д.
Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный. Они делятся: на маломощные (до 0,3А), средней мощности (до 10А), мощные (более 1000А), низкочастотные (до 1кГц) и высокочастотные (до 100кГц).
Свойства выпрямительных диодов характеризуются вольтамперной характеристикой и параметрами, которые приводятся в справочной литературе.
Основные параметры диодов (рис.4.):
средний выпрямленный ток Jср,
прямое падение напряжения Uпр
обратный ток диода при заданной температуре Jобр.,
напряжение отсечки Uотс.,
мощность рассеивания Ррас.,
рабочая частота fр. и др.

Рисунок 4 – ВАХ выпрямительного диода
Диоды обладают односторонней проводимостью и служат: для выпрямления переменного тока, стабилизации тока и напряжения, формирования импульсов, для регулирования мощностей и т.д.
Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный. Они делятся: на маломощные (до 0,3А), средней мощности (до 10А), мощные (более 1000А), низкочастотные (до 1кГц) и высокочастотные (до 100кГц).
Свойства выпрямительных диодов характеризуются вольтамперной характеристикой и параметрами, которые приводятся в справочной литературе.
Основные параметры диодов средний выпрямленный ток Jср ,прямое падение напряжения Uпр ,обратный ток диода при заданной температуре Jобр., напряжение отсечки Uотс., мощность рассеивания Ррас., рабочая частота fр. и др.
-18415822325Стабилитроны – это разновидность диодов, предназначенных для стабилизации напряжения. Вольт – амперная характеристика стабилитрона имеет вид. Рабочий участок характеристики АВ лежит в области электрического пробоя диода и характеризуется малым изменением напряжения Uст при значительных изменениях тока.
Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Однако, в отличие от последних, рабочим участком у них является прямая ветвь вольт–амперной характеристики. Стабисторы работают при прямом напряжении и позволяют стабилизировать малые напряжения (0,351,9)В.
Варикапы – это полупроводниковые диоды, емкость которых меняется при изменении обратного напряжения.
На рис.13 приведена вольт – амперная и емкостная характеристика варикапа.
Емкость варикапа увеличивается с уменьшением обратного напряжения.
Основными параметрами варикапа являются:
— емкость варикапа при заданном обратном напряжении Св ,
— коэффициент перекрытия по емкости Кв=Св.мак/Свмин.
— сопротивление потерь rп ,
— добротность Qв ,
— температурный коэффициент емкости.
Варикапы применяются в резонансных схемах для изменения резонансной частоты генераторов, усилителей и т.д.


Полупроводниковые транзисторы. Классификация. Область применения.
Все полупроводниковые транзисторы делятся на две группы: биполярные и униполярные (полевые) транзисторы. Основное отличие заключается в том, что биполярные транзисторы управляются током, а полевые – напряжением (электрическим полем).
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами. Биполярные транзисторы различаются по структуре. В зависимости от чередования областей различают биполярные транзисторы типа “p-n-p” и “n-p-n” (рис.14). Транзисторы имеют три вывода: эмиттер (Э), базу (Б) и коллектор (К). В биполярных транзисторах типа “n-p-n” положительная полярность источника питания ЕК подключается к коллектору, а в транзисторах типа “p-n-p” – к эмиттеру.

Транзисторы также подразделяются по мощности, частоте и другим признакам.
Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных носителей электрических зарядов из эмиттерной области в коллекторную через базу.,
где IЭ, IК, Iб – токи соответственно в цепи эмиттера, коллектора, базы. Важнейшими параметрами, характеризующими качество транзистора, являются дифференциальный коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор - и дифференциальный коэффициент передачи тока из базы в коллектор - .
, при UКЭ- const. >>1
Современные транзисторы имеют =(0,90,99) и β=(410000).
Биполярные транзисторы классифицируются по двум параметрам: по мощности и по частотным свойствам. По мощности они подразделяются на маломощные (PВЫХ<0,3Вт), средней мощности (0,3Вт<РВЫХ<1,5Вт) и мощные (РВЫХ >1,5Вт); по частотным свойствам - на низкочастотные (fα<0,3МГц), средней частоты (0,3МГц< fα<3МГц), высокой частоты (3МГц<fα<30МГц) и сверхвысокой частоты (fα>30МГц).
Основное различие в том:
1) В биполярного транзисторе управление происходит токами, а в полевом электрическим полем;
2) В биполярных используются 2 типа зарядов, в полевых один тип заряда (их еще называют униполярными);
Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных носителей электрических зарядов из эмиттерной области в коллекторную через базу.
, где Iэ, Iк, Iб – токи соответственно в цепи эмиттера, коллектора, базы.
Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (рис. 15), являются:
коэффициент усиления по току ,
коэффициент усиления по напряжению ,
коэффициент усиления по мощности ,
входное сопротивление ,
выходное сопротивление .

Рис.15 - Четырехполюсник
Обычно транзисторы включаются в электрическую схему таким образом, чтобы один из его электродов был входным, второй выходным, а третий общим для входа и выхода. В зависимости от этого различают три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).
Схему с общим эмиттером часто называют эмиттерным повторителем, т.к. нагрузка включена в цепь эмиттера. Схема обеспечивает усиление по току, мощности, имеет коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (Кv0,9÷0,99), отличается большим входным сопротивлением и малым выходным RВХ>>RВЫХ и широко используется в качестве согласующего каскада.
Полевым транзистором называется транзистор, в котором между двумя электродами образуется проводящий канал, по которому протекает ток. Управление этим током осуществляется электрическим полем, создаваемым третьим электродом. Электрод, с которого начинается движение носителей заряда, называется истоком, а электрод, к которому они движутся, стоком. Электрод, создающий управляющее электрическое поле, называется затвором.

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы). По типу электропроводности полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналами "p" и "n" типов.
Транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, на концах которой сделаны два вывода - исток и сток. Вдоль пластины сделан p-n-переход, от которого идет третий вывод - затвор.
Если к электродам подключить напряжение питания, то между стоком и истоком будет протекать ток. Сопротивление канала, а следовательно, и ток, проходящий через канал, зависят от напряжения на затворе. Напряжение на затворе, при котором ток истока минимален, называется напряжением отсечки Uзи.отс. Если на затвор подать переменный сигнал, то ток стока IС также будет изменяться по тому же закону.
Полевые транзисторы характеризуются следующими параметрами:
крутизной характеристики при UСИ-const,
коэффициентом усиления по напряжению
при Jс-сonst,
выходным сопротивлением при UЗИ-const,
входным сопротивлением ,
напряжением отсечки UЗИ.ОТС.,
максимальным током стока Jс.max.,
коэффициентом шума,
входной емкостью,
максимальной мощностью рассеивания.
Входное сопротивление RВХ полевого транзистора очень велико (мегаомы), поскольку значение тока затвора IЗ очень мало.
Транзисторы с изолированным затвором (МДП -транзисторы) в отличие от рассмотренных выше имеют затвор, изолированный от канала слоем диэлектрика. Поэтому они имеют очень большое входное сопротивление - до 1012÷1014 Ом.
Принцип действия МДП -транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля.
МДП -транзисторы делятся на транзисторы с встроенным каналом и на транзисторы с индуцированным каналом. Транзисторы имеют четвертый электрод, называемый подложкой, который выполняет вспомогательную роль. МДП -транзисторы могут быть с каналами n или p-типа.
На рис.24 приведена конструкция МДП – транзистора со встроенным каналом.

В МДП –транзисторах токопроводящий канал создается технологическим путем в виде тонкого слаболегированного полупроводникового слоя. Поэтому при Uзи=0 канал существует.
МДП –транзисторы с индуцированным каналом отличаются тем, что проводящий канал здесь не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины при приложении к затвору напряжения положительной (отрицательной) пов)
г)
лярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое возникает токопроводящий канал, соединяющий области стока и истока. При изменении напряжения на затворе изменяется сопротивление канала. На рис.25 приведена конструкция и статические характеристики МДП –транзистора с индуцированным каналом.
Особенностью данного транзистора является то, что управляющий сигнал UЗИ совпадает по полярности с напряжением UСИ .

Рис.25. Конструкция(а), условные обозначения(б),
Полевые транзисторы, так же как и биполярные, могут быть включены в цепь по схеме с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС).
Отличительным свойством полевых транзисторов является то, что управляющим сигналом является не ток, а напряжение. Это делает их похожими на электровакуумные лампы.
Полевые транзисторы успешно применяются в различных усилительных и переключающих устройствах, они часто используются в сочетании с биполярными транзисторами. На базе полевых транзисторов построены многие интегральные микросхемы.
Статические характеристики транзисторов.
Статические характеристики транзисторов представляют собой графические зависимости между токами, протекающими в цепях транзистора, и напряжениями на его входах и выходах. Эти характеристики приводятся в справочной литературе и используются при анализе и расчете электронных схем. Различают входные и выходные статические характеристики транзисторов.
Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном напряжении на коллекторе. Выходные характеристики показывают зависимость выходного тока от напряжения на коллекторе при постоянном входном токе или напряжении. На рис.32 приведены статические характеристики для схемы с ОЭ.
На выходной характеристике можно выделить три зоны, свойственные трем режимам работы транзисторов.
Область I - режим отсечки; область II - режим усиления и область III - режим насыщения.
Динамические характеристики транзисторов.
а)
б)
Рис.32. Статические входные (а) и выходные (б) характеристики транзистора
с ОЭ
\sДинамические характеристики транзистора определяют режим работы транзистора, в выходной цепи которого имеется нагрузка, а на вход подается усиливаемый сигнал.
В этой схеме увеличение тока базы вызывает возрастание тока в цепи коллектора и уменьшение напряжения на коллекторе. Ток и напряжение на коллекторе связаны между собой уравнением .

Полупроводниковые резисторы. Классификация. Область применения.
Полупроводниковые резисторы нашли широкое применение в электронных приборах. К ним относятся терморезисторы, магниторезисторы, варисторы, фоторезисторы. Принцип действия таких приборов основан на изменении свойств полупроводниковых материалов при воздействии на них температуры, магнитного и электрического полей, электромагнитного излучения.
Полупроводниковый терморезистор представляет собой прибор, сопротивление которого изменяется при изменении температуры. Зависимость сопротивления от температуры имеет вид:
RT=A exp (B/T), где А, В – постоянные, определяемые свойствами полупроводникового материала и конструкцией терморезистора, Т–температура.
С увеличением температуры сопротивление терморезистора уменьшается. Температурный коэффициент сопротивления терморезистора лежит в пределах от 2 до 8,5% на градус. Недостатком полупроводниковых терморезисторов является нелинейная зависимость сопротивления от температуры и значительный разброс параметров.
Терморезисторы применяются в качестве первичных преобразователей температуры для контроля и регулирования температуры, а также в схемах температурной компенсации.
Магниторезистор представляет собой полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого зависит от воздействия на него магнитного поля. Магниторезисторы позволяют обеспечить хорошую гальваническую развязку. Для формирования магнитного поля можно использовать постоянный магнит или электромагнит. Зависимость сопротивления магниторезистора от величины магнитного поля нелинейна. С увеличением величины магнитного поля сопротивление возрастает.
Основными параметрами магниторезистора являются:
Номин. сопротивление при отсутствии магнитного поля;
мощность рассеивания;
ТКR (температурный коэффициент сопротивления);
зависимость RB= f (H).
1333526670При увеличении магнитной индукции от 0 до 1Тл сопротивление магниторезистора увеличивается в 1015 раз. Магниторезисторы нашли применение в коммутационной технике: бесконтактных выключателях, реле, контактах управления. В настоящее время в приборостроении нашли широкое применение магнитодиоды, магнитотранзисторы, магнитотиристоры, которые представляют собой полупроводниковые приборы с p-n-переходами, параметры которых чувствительны к магнитному полю.
Варисторы представляют собой полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения. Зависимость сопротивления от напряжения нелинейная. Сопротивление RВ уменьшается при увеличении приложенного напряжения. Варисторы применяются для защиты от перенапряжений, защиты от помех, для искрогашения в электрических машинах. Они ограничивают возникающее напряжение, особенно при коммутации индуктивной или емкостной нагрузки и тем самым позволяют значительно повысить срок службы контактов реле и т.д.
Фоторезисторы представляют собой полупроводн.приборы, сопротивление которых зависит от электромагнит. излучения.

Фотоэлектрические приборы. Классификация. Область применения.
Фотоэлектрические приборы строятся на принципах фотопроводимости. Фотопроводимость – это свойство веществ изменять свою электропроводность под воздействием электромагнитного излучения.
Фотоэлектрические приборы делятся на две группы:
с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом.
К приборам с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ). К приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. В качестве излучателей используется солнечный свет, лампочки накаливания и другие источники света.
Фотоэлемент (ФЭ) – это электровакуумный или газоразрядный диод, в стеклянном баллоне которого установлены фотокатод и фотоанод. Фотокатод представляет собой слой, покрывающий внутреннюю поверхность колбы, выполненный из полупроводникового материала, чувствительного к внешнему излучению. Анод выполнен в виде кольца или рамки и размещен внутри колбы. ФЭ разделяются на вакуумные и газоразрядные.
При отсутствии излучения анодный ток равен нулю. При освещении фотокатода возникает фотоэмиссия, и в цепи анода протекает ток.
Фотоэлементы используются в первичных преобразователях информации.
Фотоэлектронный умножитель представляет собой электровакуумный прибор, преобразующий энергию электромагнитного излучения в электрические сигналы с использованием вторичной электронной эмиссии. Состоит из стеклянного баллона, внутри которого расположены ускоряющие электроды, умножительные электроды и анод. При освещении фотокатода возникает электронный поток, который фокусируется и направляется на умножительные электроды, где за счет вторичной эмиссии он усиливается и попадает на анод.
Фоторезистор представляет собой полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от освещенности.
Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с n-p переходом. Принцип работы фотодиода заключается в том, что при его освещении возрастает обратный ток, и он не зависит от обратного напряжения. На границе перехода “n-p” возникает ЭДС, величина которой зависит от освещенности и может достигать 0,51В. При этом обратное сопротивление фотодиода уменьшается.
Они относятся к быстродействующим приборам и реагируют на сигналы до 1МГц. Фотодиоды могут также использоваться в качестве источников питания, например, в солнечных батареях.
Фототранзистор в отличие от фотодиода является активным преобразователем, в нем происходит не только преобразование энергии излучения, но и усиление.
Внутренний фотоэффект в полупроводнике может быть использован для построения других приборов, например, фототиристоров, однопереходных фототранзисторов и др.

Аналоговые усилители. Классификация. Основные характеристики и параметры.
Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом Uвх, источник питания Uп и нагрузочное устройство с сопротивлением Zн.
Входной сигнал Uвх управляет параметрами нелинейного элемента. В качестве нелинейного элемента используются электровакуумные приборы, транзисторы и другие элементы.
Усилитель может иметь один или два входа и один или два выхода. Один из входов обычно является прямым, а второй – инверсным.
Классификация усилителей производится по многим признакам:
по виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов;
по типу усиливаемого сигнала усилители подразделяют на усилители напряжения, тока и мощности;
по диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока. В свою очередь усилители переменного тока в зависимости от диапазона усиливаемых частот делятся на усилители низкой частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные и избирательные усилители. Последние обеспечивают усиление в узком диапазоне частот;
по виду нагрузки различают усилители с активной, активно-индуктивной и емкостной нагрузкой.
Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными с гальванической, емкостной и индуктивной связью.
В зависимости от режима работы можно выделить два класса усилителей: усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом работы.
Основными характеристиками любого усилителя являются:
амплитудная характеристика, которая представляет собой зависимость Для линейных усилителей это прямая, проходящая через начало координат;
амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) отражает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты. Реально в усилителях из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей различные частоты усиливаются неодинаково;
фазо-частотная характеристика отражает зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала;
переходная характеристика – отражает реакцию усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика определяется по ее изображению на экране осциллографа при подаче на вход усилителя входного сигнала прямоугольной формы. Процесс изменения выходного сигнала может быть колебательным (кривая 1) либо апериодичным (кривая 2).
Важнейшими параметрами усилителя являются:
коэффициенты усиления по току KI, напряжению KU и мощности KP :

где Iвх, Iвых, Uвх, Uвых, Pвх, Pвых – действующие значения токов, напряжений и мощностей на входах и выходах усилителя;
полоса пропускания усилителя характеризует частотные свойства усилителя. Измеряется на уровне 0,707 от Kmax,
Для наглядности в ряде случаев АЧХ строится в относительных единицах усиления.

где К(f) - коэффициент усиления на частоте f, Kmax – максимальный коэффициент усиления.
Входное и выходное сопротивление необходимо учитывать при согласовании с источником входного сигнала и с нагрузкой. В общем случае значение входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией от частоты: ;
Выходная мощность усилителя – это мощность, которая выделяется на нагрузке.
Искажения сигналов в усилителе – это отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Различают два вида искажений: статические (нелинейные) и динамические (линейные).
Нелинейные искажения возникают в усилителе за счет работы его на нелинейном участке ВАХ. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений
где Аn – амплитуда n-й гармоники;
А1 – амплитуда основной гармоники выходного сигнала.
Линейные искажения определяются амплитудно-частотной характеристикой усилителя и количественно оцениваются коэффициентами частотных искажений на низких и высоких частотах.
Для получения высоких коэффициентов усиления в состав усилителя входит обычно несколько каскадов. Первым каскадом, как правило, является предварительный усилитель, затем идут промежуточный усилитель и усилитель мощности. Предварительный усилитель обеспечивает связь источника сигнала с усилителем. Он должен иметь большое входное сопротивление для того, чтобы не ослаблять входной сигнал. Промежуточный усилитель обеспечивает основное усиление, а усилитель мощности обеспечивает заданную выходную мощность.
При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, включенных с ОЭ (OU) или с ОК (OC).

Избирательные усилители. Усилители постоянного тока. Усилители мощности. Область применения.
Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в узкой полосе частот. По принципу действия различают избирательные усилители: резонансные и усилители с обратной связью.
В резонансных усилителях в качестве нагрузки применяется колебательный контур, имеющий большое сопротивление на резонансной частоте f0 и малое для других частот. Избирательные свойства усилителя оцениваются добротностью Q: Q=f/(2f), где f0-резонансная частота контура, 2f – полоса пропускания контура.

Резонансные усилители обладают высокой помехозащищенностью и используются часто в измерительных и приемопередающих устройствах на высоких и средних частотах. На более низких частотах избирательные усилители с резонансными контурами становятся слишком громоздкими. Поэтому на низких частотах обычно используют избирательные усилители с обратными связями с использованием частотно-избирательных фильтров RC-типа в цепях обратной связи. На рис.98. приведена структурная схема такого усилителя с двойным T-образным мостом, включенным в цепь обратной связи усилителя.

Резонансная частота такого усилителя определяется по формуле: f0=1/(2RC). На частоте f0 сопротивление T-образного моста максимально, а отрицательная обратная связь минимальна. Следовательно, усиление будет максимальным. На частотах, отличающихся от f0, сопротивление моста уменьшается и за счет отрицательной обратной связи усиление усилителя уменьшается.
Усилители постоянного тока.
Усилители постоянного тока усиливают не только переменную составляющую сигнала, но и его постоянную составляющую. Поэтому их АЧХ имеет вид (рис. 66 б). Усилители постоянного тока должны иметь большой коэффициент усиления, небольшое напряжение смещения и малый дрейф. Обычно УПТ состоит из нескольких каскадов с непосредственными связями.

По принципу действия УПТ подразделяются на два основных типа: УПТ прямого усиления и УПТ с преобразованием сигнала.
УПТ прямого усиления представляют собой многокаскадный усилитель с непосредственными связями. Для уменьшения дрейфа в качестве первого каскада применяется дифференциальный усилитель. Для питания УПТ используются, как правило, два разнополярных источника напряжения. В УПТ с преобразованием сигнала входной сигнал вначале преобразуется в сигнал переменного тока, который далее усиливается УНЧ и демодулируется. Ввиду того, что усиление сигналов происходят в УНЧ по переменному току, дрейф практически отсутствует.
Блок-схема УПТ с преобразованием сигнала и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 66.

Недостатками таких УПТ являются наличие в выходном сигнале переменной составляющей, которую можно снизить установкой дополнительного фильтра, и недостаточно широкая полоса пропускания.
К УПТ относятся и операционные усилители, которые являются основной элементной базой современной аналоговой электроники.
В настоящее время УПТ выполняются в виде интегральных схем. УПТ широко используются в электронных вычислительных устройствах, стабилизаторах, системах автоматического управления.
Усилители мощности являются выходными каскадами многокаскадных усилителей и предназначены для получения в нагрузке большой мощности. В связи с этим такие усилители должны иметь высокий КПД и минимальные нелинейные искажения. Усилители мощности выполняются на мощных биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме с ОЭ или с ОК.
-15049529210По способу включения нагрузки усилители мощности могут быть трансформаторными и бестрансформаторными, а также однотактными и двухтактными. Однотактные усилители работают обычно в режиме А, а двухтактные – в режиме В или АВ. Схема однотактного усилителя мощности с трансформаторным выходом, работающего в режиме А, приведена на рис.69.
Однотактный усилитель имеет низкий КПД и используется редко. Расчет такого каскада производят графоаналитическим методом с использованием динамических характеристик.
Схема двухтактного трансформаторного усилителя мощности приведена на рис.67.
Усилитель выполнен на двух транзисторах: VT1 и VT2. В коллекторные цепи транзисторов подключен выходной трансформатор Тр2. Трансформатор Тр1 обеспечивает подачу входного сигнала Uвх на базы транзисторов. Каскад работает в режиме В. Следовательно, при отсутствии сигнала, токи в транзисторах отсутствуют и к коллекторам транзисторов прикладывается напряжение Un.
При поступлении на вход усилителя сигнала Uвх каждая полуволна открывает поочередно один из транзисторов, и через первичную обмотку трансформатора Тр2 протекает ток полуволны. Таким образом, процесс усиления входного сигнала происходит в два такта. КПД двухтактного трансформаторного усилителя по сравнению с однотактным увеличивается примерно в 1,5 раза и достигает максимального значения 0,785. Из-за нелинейности начального участка входной характеристики возникают нелинейные искажения (рис.б). Если подать на базу транзисторов небольшое напряжение смещения Uсм, то нелинейные искажения можно свести к минимуму (рис.67в).
Бестрансформаторные усилители мощности позволяют упростить схемы усилителей мощности за счет исключения крупногабаритных трансформаторов. Наибольшее распространение получили две схемы бестрансформаторных усилителей мощности: на транзисторах разного типа проводимости и на транзисторах одного типа проводимости (рис. 71).
В каждый полупериод входного напряжения ток формируется одним из транзисторов. Усилитель (б) используется, как правило, в интегральных схемах.

Наибольшее распространение получили две схемы бес трансформаторных усилителей мощности: на транзисторах разного типа проводимости и на транзисторах одного типа проводимости (рис. 68).
В каждый полупериод входного напряжения ток формируется одним из транзисторов. Усилитель (б) используется, как правило, в импульсных схемах.


8. Операционные усилители. Классификация. Область применения. Балансировка ОУ. 133351012825Операционный усилитель – это многокаскадный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Для идеального операционного усилителя KU , Rвх , Rвых 0, f . ОУ имеет два или три каскада. Первым каскадом является дифференциальный усилитель, вторым – усилитель напряжения и последним – усилитель мощности.
Питание ОУ производится от двух разнополярных источников питания. ОУ имеет два входа (прямой и инверсный) и один выход, а также ряд дополнительных выводов для балансировки и для коррекции АЧХ. Условное графическое изображение ОУ приведено на рис. 69. Выходное напряжение связано с входным напряжением Uвх1 и Uвх2 соотношением: где КU0 – коэффициент усиления ОУ по напряжению.
Операционные усилители в настоящее время выполняются в виде интегральных схем.
Операционный усилитель характеризуют следующие параметры:
1333550800коэффициент усиления по напряжению (Uвых/Uвх) 105-107;
амплитудно-частотная характеристика:
частота единичного усиления fед – это частота, на которой коэффициент усиления КU0=1;
входное сопротивление Rвх. Для повышения входного сопротивления в первом каскаде могут использоваться полевые транзисторы;
выходное сопротивление Rвых обычно составляет сотни Ом;
разность входных токов 26834063450. Входные токи могут отличаться друг от друга на (10-20)%;
входные токи Iвх(-) и Iвх(+) - это токи, протекающие по входным шинам;
выходной ток Iвых - максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется его работоспособность;
скорость нарастания выходного сигнала V – характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах. Измеряется в вольтах/микросекунду;
напряжение смещения Uсм. Численно напряжение смещения определяется как напряжение, которое необходимо приложить ко входу усилителя для того, чтобы его выходное напряжение было равно “0”. Обычно Uсм бывает от единиц микровольт до десятков милливольт;
мощность (или ток) потребления;
дрейф напряжения смещения Uсм/градус;
дрейф разности входных токов Iвх/градус;
коэффициент подавления синфазных помех.
Кроме перечисленных выше параметров ОУ характеризуются целым рядом предельно-допустимых основных эксплуатационных параметров.
Применение и классификация ОУ.
Операционный усилитель, по существу, является идеальным усилительным элементом и составляет основу всей аналоговой электроники. Поэтому ОУ можно рассматривать в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п.
Все ОУ делятся на следующие группы по совокупности их параметров и назначению:
Универсальные или ОУ общего применения используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1%. Характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смещения Uсм – единицы милливольт, температурный дрейф Uсм/T – десятки микровольт/0С, коэффициент усиления Kv0 – десятки тысяч, скорость нарастания Vuвых – от десятых долей до единиц вольт/микро-секунд).
Прецизионные (высокоточные) ОУ используются для усиления малых сигналов и характеризуются малыми значениями напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Их основные параметры: напряжения смещения Uсм 250 мкв; температурный дрейф Uсм/T5 мкв/0C; коэффициент усиления Кv0200 тыс. Прецизионные ОУ строятся обычно на принципе модуляции – демодуляции. Например, ОУ К140УД21, К140У24 и др.
Мощные и высоковольтные ОУ – усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высовольтных элементах. Выходной ток Iвых100 мА, выходное напряжение Uвых15в. К таким ОУ относятся К157УД1, К1408УД1, К1422УД1 и др.
Быстродействующие ОУ используются для преобразования высокочастотных сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления fед.
Быстродействующие усилители склонны к самовозбуждению, поэтому для предотвращения генерации в схеме необходимо уменьшить паразитную емкость между выходом ОУ и его входами. Для уменьшения указанной паразитной емкости применяют специальные внешние цепи коррекции, состав которых зависит от задачи, которую решают ОУ. К быстродействующим ОУ относятся ИС: К140УД10, К140УД11, К544УД2, К574УД2.
Микромощные ОУ отличаются минимальными потребляемыми мощностями. Потребляемый ток иногда можно регулировать с помощью внешнего резистора, поэтому такие ОУ иногда называются программируемыми. Микромощные ОУ широко используются в автономной аппаратуре, где важнейшим параметром является минимальная потребляемая мощность. К таким ОУ относятся ИС: К140УД12, К153УД4, К1401УД3.
Многоканальные ОУ представляют собой несколько ОУ (обычно 2 или 4), размещенных в одном корпусе. Применяются для снижения массогабаритных показателей. Например, К140УД20, К1401УД1, К1401УД2.
Особую группу операционных усилителей составляют ОУ с большим входным сопротивлением. Их входное сопротивление превышает десятки мегом, а входной ток Jвх не превышает 100нА. У таких ОУ в первом каскаде используются полевые транзисторы, например, ОУ К140УД8, К544УД2 и др. Для получения малого значения входного тока могут использоваться так называемые супер-бета транзисторы, у которых коэффициент усиления по току превышает 5000.
Операционные усилители в настоящее время являются основными элементами для построения аналоговых и импульсных схем.
Балансировка ОУ представляет собой операцию по компенсации напряжения смещения в ОУ. Балансировка производится с помощью многооборотного потенциометра Rб , начало и конец которого подключены на входы R ОУ, а средний вывод - на источник питания Un (-Un). Для балансировки входы ОУ заземляются, и с помощью потенциометра Rб устанавливается напряжение Uвых=0. Балансировка позволяет компенсировать напряжение смещения ОУ в данный момент при действующих дестабилизирующих факторах. При изменении параметров питающих напряжений и внешних факторов, таких как температура и влажность окружающей среды, балансировка нарушается. Поэтому в ряде случаев применяется автоматическая установка нулей ОУ

Рис. 80. Схема автоматической установки нулей ОУ (а), временная
диаграмма работы (б).

Стабилизаторы напряжения. Классификация. Параметры. Область применения.
Стабилизатор напряжения – это электронное устройство, которое обеспечивает постоянство выходного напряжения или тока нагрузки. Стабилизаторы напряжения подразделяются на параметрические, компенсационные и ключевые. Основными параметрами стабилизаторов являются:
выходное напряжение Uвых;
выходной ток Iвых;
пределы изменения входного напряжения Δ Uвх;
пределы изменения выходного тока Δ Iвых;
рассеиваемая мощность Pрас;
коэффициент нестабильности по напряжению KHV и току K HI :
;;
температурный коэффициент напряжения и др.
Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе стабилитронов или стабисторов (рис.101).
Схема состоит из балластного резистора Rб и стабилитрона VD. При изменении входного напряжения Uвх напряжение на выходе стабилизатора будет изменятся незначительно, т.к. оно определяется малоизменяющимся обратным напряжением стабилитрона Uстаб.. При этом будет только изменятся ток через стабилитрон Iстаб.. Расчет стабилизатора сводится к тому, чтобы выбрать величину сопротивления Rб, при котором ток через стабилитрон лежит в пределах: Iст.min<Iст<Iст.max при изменении напряжения Uвх в заданных пределах.
Рассмотренная выше схема параметрического стабилизатора напряжения отличается низким КПД и небольшими нагрузочными токами. Нагрузочной ток можно повысить, если на выходе поставить эмиттерный повторитель (рис.102).
Транзистор VT выбирается исходя из заданного тока нагрузки.
Компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой устройство автоматического регулирования. Он включает в себя усилитель и регулирующий элемент, в качестве которого применяются транзисторы (рис.103).
Принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения заключается в том, что при изменении входного напряжения Uвх или тока нагрузки Iн изменяется выходное напряжение Uвых. Это изменение Uвых поступает на вход усилителя, усиливается и изменяет напряжение на регулирующем элементе Uр таким образом, чтобы стабилизировать выходное напряжение Uвых.
Для схемы стабилизатора Uвх=Up+Uвых. При изменении входного напряжения на величину Uвх имеем: . Необходимо, чтобы UpUвх, а Uвых0. В качестве усилителя могут использоваться транзисторные каскады, ОУ и т.д. В настоящее время в качестве стабилизаторов напряжения широко используются интегральные схемы серии К142. Они построены на принципе компенсационных стабилизаторов напряжения и подразделяются на универсальные стабилизаторы и стабилизаторы с фиксированным напряжением.
Универсальные стабилизаторы напряжения имеют внешний делитель напряжения, с помощью которого выходное напряжение можно регулировать в широких пределах. К ним относятся микросхемы К142ЕН1, К142ЕН2, К142ЕН3, К142ЕН10.
Микросхемы с фиксированным напряжением имеют внутренний делитель напряжения и настроены на определенное выходное напряжение. К таким ИС относятся 142 ЕН5, ЕН6, ЕН8 и др. Схемы имеют защиту от короткого замыкания. Выходное напряжение определяется буквой в конце маркировки
Ключевые стабилизаторы напряжения обеспечивают значительно больший КПД за счет того, что транзисторный ключ работает в ключевом режиме. При этом снижаются массогабаритные характеристики стабилизатора. Однако в ряде случаев такие стабилизаторы являются источником импульсных помех, что снижает информационную надежность электронной аппаратуры.
Ключевые стабилизаторы содержат накопительную индуктивность (дроссель) L, включенную последовательно с нагрузкой Rн. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно ей включен конденсатор Сф. Ключевой транзистор VT включен между источником питания Uвх и накопительной индуктивностью L. Устройство управления включает и выключает транзистор VT в зависимости от значения напряжения на нагрузке Uн
При открытом состоянии транзистора напряжение поступает на выход, и одновременно энергия запасается в дросселе. При отключении транзистора в нагрузке течет ток за счет емкости Сф и самоиндукции дросселя L.
По виду управления ключевые стабилизаторы подразделяются на импульсные и релейные. В первых частота управляющих сигналов постоянна, задается внешним генератором, однако в процессе работы изменяется скважность.
В релейных стабилизаторах напряжения управляющие сигналы формируются с помощью компаратора и зависят от выходного напряжения

Рис 2. Схема релейного стабилизатора напряжения (а) и временная диаграмма его работы (б)

Логические операции. Схемная реализация.
Для описания алгоритмов работы цифровых устройств разработан соответствующий математический аппарат, который получил название булевой алгебры, или алгебры логики. Алгебра логики занимается изучением логических операций и оперирует с двумя понятиями: высказывание истинно или ложно. При этом истинное высказывание принимается за логическую единицу, а ложное – за логический ноль. В алгебре логики высказывания могут быть простыми и сложными. Высказывание, значение истинности которого не зависит от значения истинности других высказываний, называется простым. При анализе и синтезе логических схем простое высказывание рассматривается как независимая переменная Х, принимающая два значения: "0" или "1". Сложное высказывание зависит от простых высказываний и также может принимать два значения: "0" или "1". Зависимость сложного высказывания от простых носит название логической, или переключательной, функции У:
У = f(x1,x2…xn).
В теории логических функций особое значение имеют функции одной и двух переменных. Для одной переменной Х существуют четыре логические функции:0, 1, переменная Х и ее инверсия (операция "НЕ"). Первая и вторая функции – это константы "0" и "1".
Для реализации операции "НЕ" обычно используют усилительный каскад с ОЭ.
Для двух переменных Х1, Х2 существуют 16 логических функций, причем шесть операций зависят только от одной переменной: 0, 1, Х1, Х2, , и десять зависят от двух переменных.
Наиболее важными логическими операциями двух переменных являются:
логическое умножение. Эту операцию в математике называют конъюнкцией, а в схемотехнике – операцией "И". Обозначается значком «» или «» (рис.113);

логическое сложение. Операция носит название дизъюнкция, а в схемотехнике – операция "ИЛИ"




Количество входных сигналов, поступающих на элемент, может быть любым. На рис.114(в) изображена схема реализации операции "ИЛИ" на диодах. В математических выражениях операция обозначается знаками "V" или "+";
равнозначность (операция сравнения) (рис.115,а);
неравнозначность (рис.115,б);
операция Шеффера или операция "И-НЕ" (рис.116);
операция Пирса или операция "ИЛИ-НЕ" (рис.117).

Цифровые устройства. Классификация. Комбинационные ЦУ. Дешифраторы. Шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры.
Цифровые схемы: 1) Логические элементы; 2) Триггеры; 3) Счётчики; 4) Регистры; 5) Буферные преобразователи; 6) Модули памяти; 7) Шифраторы; 8) Дешифраторы; 9) Цифровой компаратор; 10) Мультиплексоры; 11) Демультиплексоры; 12) Полусумматоры; 13) Сумматоры; 14) АЛУ; 15) Микроконтроллеры; 16) (Микро)процессоры ; 17) Однокристальные микрокомпьютеры; 18) ПЛИС— программируемые логические интегральные схемы.
Цифровые устройства могут быть классифицированы по различным признакам:
В зависимости от способа ввода и вывода информации:
- Последовательные – в котором входные сигналы поступают на вход, а выходные сигналы снимаются с выхода последовательно, разряд за разрядом;
- Параллельные – входные сигналы подаются на вход, а выходные снимаются с выхода одновременно;
- Последовательно-параллельные – входные и выходные сигналы представлены в разных формах: либо на вход сигналы поступают последовательно сигнал за сигналом, а с выхода они снимаются одновременно, и наоборот.
По принципу действия:
- КЦУ (комбинационные цифровые устройства) – выходные сигналы которых определяются только действующими в данный момент входными сигналами и не зависят от внутреннего состояния устройства.
- Последовательными – выходные сигналы которых зависят не только от входных сигналов, но и от внутреннего состояния устройства. Этот тип называют цифровыми автоматами.
Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:
Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что мало вероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.
Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.
Комбинационные цифровые устройства:
К комбинационным ЦУ относятся: дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, комбинационные сумматоры и АЛУ.
Дешифратором называется комбинационная цифровая схема с несколькими входами и выходами, преобразующая код, подаваемый на входы, в сигнал на одном из выходов. Если дешифратор, имеющий n входов, имеет 2n выходов, то такой дешифратор называется полным. Если количество выходов меньше, то дешифратор называется неполным.

Рис.134. Схема дешифратора (а), условное обозначение (б), таблица истинности (в)
Шифратором называется устройство, предназначенное для преобразования чисел из десятичной системы в двоичную. Логическая схема шифратора на два выхода приведена на рис. 165. Нетрудно видеть, что в шифраторе сигнал, подаваемый на вход х0, не используется. Основное применение шифраторов - это введение первичной информации с клавиатуры (преобразование десятичного в двоичный), например, ИС К555ИВЗ.

Мультиплексором называется комбинационное цифровое устройство, предназначенное для управляемой передачи информации с нескольких источников в один выходной канал. Мультиплексор можно реализовать, используя логические элементы "И" и дешифратор. Мультиплексор имеет один выход, информационные входы и адресные или управляющие входы (рис. 166). В зависимости от кода, подаваемого на адресные шины Х0, Х1 один из информационных входов подключается к выходному каналу.

Демультиплексором называется комбинационное логическое устройство, предназначенное для управляемой передачи данных от одного источника информации в несколько выходных каналов. Демультиплексор имеет один информационный вход, n адресных шин и 2n -выходов. Для данной схемы: ; ; ; .
Для микросхем, выполненных на МДП-транзисторах, одни и те же схемы могут выполнять функции мультиплексора и демультиплексора.


Комбинационные сумматоры.
Комбинационный сумматор – это цифровое устройство, предназначенное для арифметического сложения чисел, представленных в виде двоичных кодов.
298451022350Обычно сумматор представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров. При сложении двух чисел в каждом разряде производится сложение трех цифр: цифры первого слагаемого ai, цифры второго слагаемого bi и цифры переноса из младшего разряда Pi. В результате суммирования на выходных шинах получается сумма Si и перенос в старший разряд Pi+1. На рис. 139,б приведена таблица истинности одноразрядного сумматора.
-18097501854835Сумматоры с поразрядным переносом выпускаются в виде микросхем на 2 и 4 разряда. Например, К561ИМ1 – сумматор на 4 разряда. Для увеличения разрядности до 8 необходимо взять две микросхемы и соединить их последовательно по цепи переноса. Сумматор с поразрядным последовательным переносом наиболее прост с точки зрения схемной реализации, однако имеет низкое быстродействие. Время выполнения операции Топ зависит от разрядности. Tоп1n,где 1 – время распространения переноса в одноразрядном сумматоре; n – количество разрядов.
Используя карты Вейча, можно записать ФАЛ, описывающие работу сумматора, и построить схему сумматора.
Параллельный (многоразрядный) сумматор может быть составлен из одноразрядных сумматоров путем их соединения по сигналам переноса Pi.

Для повышения быстродействия используются сумматоры с параллельным переносом.
При построении арифметико-логических устройств (АЛУ) необходимо наряду с операцией суммирования выполнять ряд логических операций. Для этого можно использовать ИС К561ИП3, которая представляет собой четырехразрядное АЛУ, выполняющее 16 логических и арифметико-логических операций.

Триггера. Классификация. Область применения.
Триггером называется цифровое устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний и переходит из одного состояния в другое под действием входных сигналов. Триггеры можно классифицировать по способу приема информации, принципу построения, функциональным возможностям. По способу приема информации триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные. Асинхронный триггер изменяет свое состояние в момент прихода сигнала на его информационные входы. Синхронные триггеры изменяют свое состояние под воздействием входных сигналов только в момент прихода активного сигнала на его синхронизирующий вход С.По виду активного сигнала, действующего на информационных входах, триггеры подразделяются на статические и динамические. Первые переключаются потенциалом (уровнем напряжения), а вторые – перепадом (передним или задним фронтом импульса). Входные информационные сигналы могут быть прямыми и инверсными.

По принципу построения триггеры со статическим управлением можно подразделить на одноступенчатые и двухступенчатые. В одноступенчатых триггерах имеется одна ступень запоминания. В двухступенчатых триггерах имеются две ступени запоминания. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе.
По функциональным возможностям триггеры делятся на: RS-триггеры, D-триггеры, T-триггеры, JK-триггеры, VD и VT-триггеры.
Триггеры характеризуются быстродействием, чувствительностью, потребляемой мощностью, помехоустойчивостью, функциональными возможностями.
Асинхронный RS-триггер имеет две входные информационные шины R и S и две выходные шины Q и . Под действием входного сигнала S триггер устанавливается в состояние 1 (Q=1, =0), а под действием сигнала R – переходит в состояние "0" (Q=1, =0).
Таблица истинности для R-S триггера имеет вид:
Здесь одновременная подача входных сигналов R и S запрещена. Из диаграммы Вейча следует:

RS-триггеры строятся на базе логических элементов ИЛИ-НЕ или И-НЕ.

Синхронный RS-триггер имеет дополнительный синхронизирующий вход C. Таблица истинности и карта Вейча имеют вид (рис.141):

Триггер может быть построен на логических элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. На рис.142 приведена схема синхронного RS-триггера на логическом элементе И-НЕ. Работа триггера описывается уравнением

D-триггер имеет только один информационный вход D, с которого информация записывается и выдается на выходные шины по сигналу синхронизации. Это означает, что D-триггеры могут быть только синхронными. Таблица истинности и карта Вейча приведены на рис.143. Работа триггера из карты Вейча описывается выражением .
D-триггеры могут быть однотактными и двухтактными.

Работа триггеров поясняется временной диаграммой работы.
Разновидностью D-триггера является VD-триггер, который дополнительно снабжен входом разрешения работы V. При V=1 триггер функционирует как обычный D-триггер, при V=0 работает в режиме хранения информации.
Триггеры выпускаются в виде ИС. В одном корпусе может быть 2, 4, 8, 16 триггеров.
Т-триггеры имеют один информационный вход Т и изменяют свое состояние на противоположное при поступлении на этот вход сигнала Т.
Функционирование Т-триггера описывается уравнением

Т-триггер можно построить на базе D – триггера.

Более надежны двухступенчатые Т-триггеры, выполненные в виде двух последовательно соединенных триггеров – ведущего и ведомого. При этом новая информация вначале записывается в первый триггер, а затем переписывается во второй. На принципиальных схемах двухступенчатые триггеры обозначаются сдвоенной буквой ТТ.
JK-триггер в отличие от RS-триггера не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов. При поступлении сигналов на оба входа J и K триггер изменяет свое состояние на противоположное. Уравнение работы асинхронного и синхронного JK-триггеров имеет вид:

- для асинхронного;
- для синхронного.

На рис.147 приведена схема JK-триггера, построенная на базе двухступенчатого RS-триггера с запрещенными связями.
JK-триггер является универсальным триггером. На его основе можно построить RS, D, T-триггеры.
Триггеры с динамическим управлением. в них переключение триггера происходит в течение короткого времени вблизи фронта или среза импульса синхронизации. Если триггер переключается передним фронтом синхроимпульса, то он имеет прямой динамический вход, если переключается задним фронтом – снабжен инверсным динамическим входом.
Таким образом, триггер с динамическим управлением не чувствителен к изменению информационных сигналов при действии сигналов С=1 и С=0. Переключение триггера происходит по переднему или заднему фронту синхроимпульса.
Среди триггеров с динамическим управлением широкое распространение получила так называемая схема трех триггеров. Триггеры выпускаются в виде интегральных схем.
Триггеры входят в состав многих функциональных последовательных цифровых устройств, таких как регистры, счетчики, накапливающие сумматоры и т.д.


Регистры и счетчики. Классификация. Схемы. Область применения.
Регистром называется последовательностное цифровое устройство, предназначенное для записи, хранения, выдачи или сдвига информации. В ряде случаев в регистре могут выполняться логические операции или операции преобразования кодов, например, из параллельного кода в последовательный и обратно. Регистр представляет собой совокупность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове, и вспомогательных схем для выполнения операций.
По способу приема информации регистры подразделяются на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные.
В параллельных регистрах запись информации производится параллельным кодом одновременно по всем разрядам. Параллельные регистры применяются для хранения информации и поэтому называются регистрами памяти. Параллельный регистр может быть выполнен на RS или D-триггерах.

Прием информации производится по переднему фронту тактового импульса. На входах и выходах триггеров регистра могут стоять логические схемы для преобразования кодов в прямые или инверсные коды.
В сдвигающих регистрах выполняется сдвиг информации влево или вправо. Информация на регистр может поступать в последовательном или параллельном коде и выдаваться с выходных шин в последовательном или параллельном коде. Следовательно, в сдвигающих регистрах можно преобразовывать коды из последовательного в параллельный и обратно. Сдвигающие регистры могут строиться на D-триггерах (рис.139,а).

Если сдвиг в регистре в зависимости от управляющего сигнала может быть и влево и вправо, то такие регистры называются реверсивными. В сдвигающих регистрах используются только двухступенчатые
триггеры или триггеры с динамическим управлением. Это гарантирует сдвиг информации на один разряд по каждому импульсу синхронизации. В настоящее время выпускаются ИС параллельных, сдвигающих и универсальных регистров.
На рис.141 а изображена микросхема К555ИР23, представляющая собой 8-разрядный параллельный регистр с динамическим управлением.

На рис.141 б приведена микросхема К155ИР13. В зависимости от сигналов, подаваемых на управляющие шины S0 и S1, микросхема может работать как параллельный регистр и как сдвигающий со сдвигом влево или вправо.
Счетчиком называется последовательностное цифровое устройство, предназначенное для подсчета входных импульсов. Счетчики строятся на триггерах T-типа и некоторых логических схемах для формирования управляющих сигналов.

Основными параметрами счетчика являются коэффициент пересчета и быстродействие. В зависимости от коэффициента пересчета (M) счетчики подразделяются на двоичные (коэффициент пересчета M=2n) и с произвольным коэффициентом пересчета (M2n). Разновидностью последних являются двоично-десятичные счетчики (M=10).
В зависимости от направления счета счетчики бывают: суммирующие, вычитающие и реверсивные. Последние в зависимости от управляющего сигнала работают как суммирующие или как вычитающие.
По способу организации межразрядных связей счетчики делятся на счетчики с последовательным переносом, с параллельным переносом и с параллельно-последовательным переносом. Самые простые и вместе с тем самые медленные – это счетчики с последовательным переносом. Наибольшим быстродействием обладают счетчики с параллельным переносом. Двоичные счетчики обеспечивают коэффициент пересчета M=2n.
Схемы четырёхразрядного счётчика с параллельным (а) и сквозным (б) переносом
Для получения суммирующего двоичного счетчика T-триггеры должны иметь инверсные динамические входы (должны переключаться по срезу тактового импульса C). Для получения вычитающего счетчика T-триггеры должны иметь прямые динамические входы. Таким образом, направление счета можно изменять путем изменения межразрядных связей. На этом принципе строятся реверсивные счетчики.
Рассмотренный выше счетчик является счетчиком с последовательным переносом. Его быстродействие tК max зависит от количества разрядов:
tК max = n•tK.тр., где tK.тр – время переключения одного счетчика.
Для увеличения быстродействия используются счетчики с параллельным или сквозным переносом. С этой целью необходимо использовать синхронные T-триггеры. Здесь триггеры устанавливаются в соответствующие состояния одновременно по переднему фронту синхроимпульса. Легко видеть, что быстродействие схемы (а) равно времени переключения одного триггера. В схеме 157(б) быстродействие равно:
tK max = tK.тр + n tз.л. , где tз.л – время задержки логического элемента.
Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета строятся на основе двоичных счетчиков с организацией обратной связи с выходных шин через схему И на вход R счетчика.
На рис.158 приведена схема и временная диаграмма работы двоично-десятичного счетчика. Здесь при поступлении десятого импульса (код 1010) на выходах схемы И формируется сигнал, который переводит счетчик в ноль (код 0000). Если на входы микросхемы DD2 подать сигналы Q3 и Q4, то получится счетчик с коэффициентом пересчета M=12 и т.д.

Существует много ИС, в которых счетчик совмещен с другими комбинационными схемами, например счетчик-дешифратор К176ИЕ8, К176ИЕ9, счетчик-преобразователь в семисегментный код К176ИЕ3, К176ИЕ4. Имеются реверсивные счетчики К561ИЕ11(М=16), К561ИЕ14(М=10); программируемые счетчики К561ИЕ15; К561ИЕ19; таймерные счетчики К176ИЕ12, К176ИЕ13, К176ИЕ17, К176ИЕ18 и др.
На рис.159,а приведена схема делителя на 100, построенная на микросхемах ДД1,ДД2 К176ИЕ4(М=10). Выходы счетчиков нагружены на семисегментные индикаторы АЛС314А. На рис. 159,б приведена схема и временная диаграмма работы распределителя импульсов, построенная на ИС 176ИЕ8
Комбинированные счетчики позволяют значительно упростить аппаратно реализацию проектируемых электронных устройств.

Цифро-аналоговые преобразователи. Назначение. Принцип работы. Матрица R-2R. Область применения.
ЦАП предназначен для преобразования входной величины, представленной числовым кодом, в эквивалентную аналоговую величину. Эти преобразователи широко используются в системах автоматического управления, в цифровых системах обработки информации, в вычислительной технике. В ЦАП в качестве входного сигнала используются цифровые коды, а выходным сигналом является , как правило, напряжение.
Принцип работы ЦАП состоит в суммировании эталонных значений напряжений (токов), соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании участвуют только те эталоны, для которых в соответствующих разрядах стоит "1". В этом случае входное напряжение определяется следующим образом:
гдеU0 — опорное (эталонное) напряжение;
k — коэффициенты двоичных разрядов, принимающие значение 0 или 1;
n — разрядность входного кода.
Основные характеристики ЦАП подразделяются на статические и динамические.
К статическим параметрам относятся:
разрядность (n);
273050334645абсолютная разрешающая способность ЦАП, т.е. минимальное значение изменения сигнала на выходе, обусловленное изменением входного кода на единицу (цена младшего разряда), определяется как U0/2n;
абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы δшк представляет собой отклонение значения выходной напряженности от номинального расчетного, соответствующего конечной точке характеристики преобразования;
нелинейность преобразования δL -это отклонение реальной характеристики преобразования от линейной;
напряжение смещения нуля, определяется выходным напряжением при входном коде, соответствующем нулевому значению;
диапазон значений выходного сигнала, измеряется при измерении входного кода от нуля до максимального значения;
характеристики цифрового кода.
Из динамических характеристик:
время установления выходного сигнала tуст – это интервал времени от подачи входного сигнала в заданные пределы, определяемые погрешностью;
максимальная частота преобразования – наибольшая частота дискретизации, при которой все параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.
По совокупности параметров ЦАП принято делить на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. Быстродействующие ЦАП имеют время установления меньше 100 нс. К прецизионным относятся ЦАП, имеющие погрешность нелинейности менее 0,1%.
2730501905
При построении ЦАП в качестве эталонов используются токи или напряжения. Принцип построения ЦАП, реализующих метод суммирования токов, показан на рис.163.
Данное устройство (рис. 163,а) содержит n источников тока, которые подключаются с помощью ключей S к общей нагрузке Rн. На общей нагрузке Rн будут протекать только токи тех разрядов, в которых значение цифры - единица. Если нагрузка Rн постоянна, то выходное напряжение Uвых пропорционально входному коду. На практике для получения выходного напряжения, пропорционального входному коду, в качестве нагрузки используется операционный усилитель, играющий роль преобразователя тока в напряжение. Действительно в ОУ напряжение между входами равно нулю.
Выходное напряжение в ОУ прямо пропорционально входному току ЦАП и не зависит от сопротивления выходной нагрузки.
-68580500380Недостатком рассмотренной выше схемы ЦАП является широкий диапазон величин сопротивлений в резистивной матрице для формирования разрядных токов.К тому же эти резисторы должны иметь прецизионную точность изготовления.
Поэтому в современных ЦАП используются резистивные матрицы типа R-2R. Эти матрицы включают в себя резисторы двух номиналов: R и 2R (рис.164).
Отклонение номиналов резисторов друг от друга не превышает 0,001%. Важным свойством матрицы R-2R является то, что ее входное сопротивление, а следовательно, и входной ток постоянны и не зависят от состояния ключей Si. Это позволяет устанавливать на входе матрицы многооборотный потенциометр и плавно изменять опорное напряжение Uоп.
В резистивной матрице происходит последовательное деление тока на два. В результате на выходе матрицы формируется суммарный ток, пропорциональный входному цифровому коду. Операционный усилитель ДА1 преобразует суммарный ток в суммарное напряжение, пропорциональное цифровому коду.
, где Kv=Rоос/R – коэффициент усиления масштабного усилителя ДА1.
Для максимального входного кода N=1111…1 выходное напряжение равно:
,
т.е. максимальное входное напряжение меньше опорного Uоп на величину младшего разряда.
Точность и стабильность параметров ЦАП, в основном, зависят от стабильности источника Uоп и точности изготовления резисторов R в матрице. В качестве материала для резисторов используют пленку поликремния, обладающую высокой стабильностью собственного сопротивления.
Для уменьшения погрешностей, возникающих из-за транзисторов токовых ключей, площади транзисторов выполняются пропорциональными протекающему через них току. ЦАП выпускаются в виде ИС, обычно с внешним источником Uоп и ОУ.

Аналого-цифровые преобразователи. Классификация. Область применения. Параллельные АЦП. АЦП поразрядного взвешивания.
-95885821690АЦП – это устройство, предназначенное для преобразования непрерывно изменяющейся во времени физической величины в эквивалентные ей значения цифровых кодов. В качестве аналоговой величины может быть напряжение, ток, угловое перемещение, давление газа и т.д.
Процесс АЦП предполагает последовательное выполнение следующих операций:
выборку значений исходной аналоговой величины в некоторые заданные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала во времени;
квантование (округление до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины по уровню;
кодирование – замена найденных квантовых значений некоторыми числовыми кодами.
Операция квантования по уровню функции U(t) заключается в замене бесконечного множества её значений на некоторое конечное множество значений, называемых уровнями квантования. Для выполнения этой операции весь диапазон изменения функции D=U(t)max-U(t)min разбивают на некоторое число уровней N и производят округление каждого значения функции U(t) до ближайшего уровня квантования Un(t).
Величина h=D/N носит название шага квантования. В результате процесса аналого-цифрового преобразования аналоговая функция U(t) заменяется дискретной функцией Un(t). В аналитической форме процесс аналого-цифрового преобразования может быть представлен выражением
,где U(t)i - значение функции U(t) в i-м шаге;h - шаг квантования; ki - погрешность преобразования на i-м шаге.
Процесс квантования по уровню связан с внесением некоторой погрешности i , значение которой определяется неравенством
. Погрешность зависит от разрядности.
Основные параметры АЦП делятся на статистические и динамические.
К статистическим относятся:
вид преобразуемой величины: напряжение, ток, угловое перемещение и т.д.;
диапазон изменения входных величин;
разрядность;
абсолютная разрешающая способность;
абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы шк ;
нелинейность преобразования L.
К динамическим параметрам относятся:
время преобразования Tпр, обычно определяется как интервал времени от начала преобразования до появления на выходе АЦП устойчивого цифрового кода;
максимальная частота дискретизации, при которой погрешность преобразования не выходит за заданные пределы.
В зависимости от принципа действия АЦП делятся на АЦП параллельного преобразования, АЦП поразрядного взвешивания, следящие АЦП и интегрирующие АЦП. АЦП параллельного преобразования реализуют метод непосредственного считывания и являются самыми быстродействующими.
1333562230В качестве примера рассмотрим принцип работы микросхемы К1107ПВ1.
Микросхема имеет 6 разрядов и обеспечивает быстродействие до 20 МГц.
Устройство содержит делитель R1R64, 64 компаратора, преобразователь кода и регистр. На входы компараторов поступают входной сигнал Ux и напряжение с делителя. При этом на выходах компараторов формируется 64-разрядный единичный код. Число единиц в нем равно числу уровней квантования. Полученный единичный код поступает на вход преобразователя кода, в котором он преобразуется в 6 - разрядный двоичный код. Полученный двоичный код записывается в регистр и выдается на выходные шины.В данном АЦП время преобразования занимает один такт.
-68580230505АЦП поразрядного взвешивания (или поразрядного кодирования) выполняет одно преобразование за n тактов.
Основой АЦП является регистр последовательных приближений. Он представляет собой сдвигающий регистр, в котором последовательно, начиная со старшего разряда, формируется логическая единица. В зависимости от сигнала Uупр, поступающего на его вход, эта единица или остается, или заменяется логическим “0”. Резистивная матрица формирует аналоговое напряжение, эквивалентное “весу” цифрового кода, поступающего на матрицу с регистра приближений. Схема сравнения сравнивает напряжения Ux и Uм, и в зависимости от их величин формирует сигнал Uупр. на уровне лог."0" или лог."1" .
Рассмотрим пример:
Пусть Ux=7в, а U0=10в, тогда в первом такте в старшем n разряде регистра формируется лог."1" и Uм=5в, Uм< Ux; Uупр.=1. Следовательно, в старшем разряде остается лог."1".
Во втором такте, в следующем n-1 разряде формируется лог."1" и Uм=5в+2,5в=7,5в; Uм> Ux; Uупр.=0. Следовательно, единица в n-1 разряде заменяется на лог."0" и Uм=5в.
В третьем такте в разряд n-2 регистра записывается лог."1" и Uм=5в+1,25в=6,25в, Uм< Ux; Uупр.=1. Следовательно, лог."1" в n-2 разряда остается.
В четвертом такте в разряд n-3 регистра записывается лог."1" и Uм=5+1,25+0,625=6,875в, Uм< Ux; Uупр.=1. Следовательно, лог."1" остается в разряде n-3.
Процесс преобразования повторяется n тактов, в результате с регистра приближений снимается код преобразованной аналоговой величины.
АЦП поразрядного взвешивания нашли широкое применение при разработке ИС ввиду своей простоты и достаточно хорошего быстродействия. Такие ИС могут иметь в своем составе генератор тактовых импульсов и источник эталонного напряжения или не иметь их.
-12319019685В качестве примера рассмотрим АЦП, выполненное на ИС К1113ПВ1.
ИС предназначена для преобразования однополярного или биполярного аналогового напряжения (Uвх=0 10в или Uвх= -5в +5в) в десятиразрядный двоичный код. Нелинейность преобразования 0,1%, время преобразования 30мкс. Для работы ИС требуется два источника питания +5в и –15в.
В микросхему встроен внутренний источник опорного напряжения и генератор тактовых импульсов.
Запуск АЦП производится лог."0". Цифровая информация с выходных шин снимается через 30мкс после поступления сигнала “Гашение-преобразование”. Tпреобр.=30 мкс. Работа АЦП поясняется временной диаграммой его работы (рис. 168, б)
Следящие АЦП в отличие от АЦП поразрядного взвешивания имеют в своем составе вместо регистра последовательных приближений реверсивный счетчик.
109220367030Работа АЦП поясняется временной диаграммой работы (Рис.169). Управление реверсивным счетчиком производится по управляющей шине “” в зависимости от соотношения сигналов Ux и Uм. При изменении входного сигнала Ux изменяется код реверсивного счетчика и напряжение с матрицы Uм “следит” за Ux.

Интегрирующие АЦП. АЦП двойного интегрирования
Интегрирующие АЦП относятся к медленнодействующим преобразователям. Принцип их действия основан на преобразовании аналоговой величины во временной интервал tX и формировании число-импульсного (единичного) кода путем заполнения этого интервала импульсами опорной частоты f0. Значение единичного кода определяется соотношением:
N(1)=tX · f0.
Число-импульсный код поступает на счетчик, на выходе которого формируется цифровой код. Структурная схема такого АЦП приведена на рис.175, а.
Максимальное время преобразования зависит от разрядности АЦП и определяется следующим образом: Тпр.мак=f0 · 2n, где f0 – период частоты кварцевого генератора.
Погрешность интегрирующего АЦП определяется, в основном, изменением наклона пилообразного напряжения, которое определяется постоянной времени RC интегратора (генератора пилообразного напряжения). Под воздействием внешних дестабилизирующих факторов, особенно температуры, постоянная времени, а следовательно, и наклон пилообразного напряжения меняется, что приводит к значительным погрешностям преобразования. Поэтому в настоящее время для построения интегрирующих АЦП используют принцип двойного интегрирования.
13847-7013Принцип работы АЦП двойного интегрирования заключается в том, что сначала в течение некоторого фиксированного временного интервала Т1 интегрируется аналоговая преобразуемая величина UX, а затем интегрируется эталонное (опорное) напряжение противоположной полярности UОП. Временной интервал Т2 пропорционален преобразуемой величине UX, (рис.176).
Действительно, в течение интервала времени Т1 напряжение на выходе интегратора изменяется по линейному закону:
, при UX – const.

-41275944245В течение интервала времени Т2 выходное напряжение на выходе интегратора изменяется от UВЫХ.ИНТ.МАХ до 0, т.е. , при UОП – const
Следовательно, ;.
Таким образом, интервал времени Т2 зависит от постоянной величины Т1/UОП и переменной UХ и не зависит от параметров интегратора. В этом можно убедиться на графике (рис.177).
Действительно, если изменяется постоянная времени интегратора то, соответственно, изменяется как скорость возрастания так и скорость уменьшения напряжения на его выходе, при этом временной интервал Т2 не изменяется.
АЦП двойного интегрирования обеспечивает высокую точность преобразования в условиях промышленных помех в широком интервале температур и широко используется в измерительной технике и автоматизированных системах управления. Например, основу всех мультиметров составляет АЦП двойного интегрирования, выполненный на микросхеме К572ПВ2 или К572ПВ5. ИС практически одинаковые, но первая работает на светодиодные индикаторы, а вторая – на жидкокристаллические индикаторы.
Микросхема К572ПВ2 совместно с источником опорного напряжения, несколькими резисторами и конденсаторами выполняет функции АЦП двойного интегрирования с автоматической установкой нуля ОУ и определением полярности входного сигнала.
Основные технические параметры ИС:
разрядность – 3,5 десятичных разряда;
входное сопротивление – 50Мом;
входное напряжение - 1,999Uоп(в);
быстродействие – (2-9)Гц;
потребляемый ток – 1,8 мА;
напряжение питания – 9в.
Таймеры. Классификация. Область применения.
Таймером называется устройство, предназначенное для формирования импульсных сигналов с регулируемой длительностью и скважностью. Таймеры делятся на две группы: однотактные и многотактные.
Однотактные таймеры применяются для формирования импульсов длительностью от 1мксек до минут и более. Многотактные таймеры включают в себя однотактный таймер и счетчик и предназначены для формирования временных интервалов длительностью в десятки часов.
Наиболее распространенным типом однотактного таймера является ИС К1006ВИ1 (NE555). Функциональная схема таймера приведена на рис.110.

Таймер состоит из четырех функциональных устройств: двух компараторов DA1 и DA2, RS-триггера DD1, усилителя мощности DA3. Внутренний резистивный делитель задает пороговые напряжения, равные, 2Uп/3 для компаратора DA1 и Uп/3 для компаратора DA2. Напряжение питания Uп=5…16,5в, потребляемый ток Iп=0,7Uп. Входные токи таймера не превышают 0,5мкА. Максимальная частота 10МГц. Таймер имеет второй высокоомный выход (к.7).
Таймеры широко используются во многих импульсных устройствах.
На основе таймеров могут быть построены мультивибраторы, одновибраторы, преобразователи напряжения. Таймеры могут входить в состав аппаратуры систем автоматического управления. Особенностью таймеров является высокая стабильность их работы в широком интервале температур.
На рис приведена схема одновибратора, выполненная на таймере К1006ВИ1.

Для работы таймера в режиме одновибратора на объединенные входы к.7 и 6 подключается цепочка RC. При поступлении на вход 2 запускающего импульса амплитудой, меньше Uп/3, триггер DD1 переворачивается, и на выходе 1 формируется прямоугольный импульс. Одновременно запирается транзистор VT1, и конденсатор С начинает заряжаться через резистор R. Напряжение Uс на входах 6,7 возрастает по экспоненте и в момент времени t2 достигает уровня 2Uп/3.
При этом срабатывает компаратор DA1, триггер DD1 возвращается в первоначальное состояние, открывается транзистор VT1, конденсатор С разряжается, и формируется задний фронт импульса на выходе 1. Длительность импульса Ти зависит от постоянной времени RC. Длительность импульса Ти 1,1RC.
Схема мультивибратора на базе таймера приведена на рис.112.

Здесь входы к2 и к6 объединены и подключены на интегрирующую цепочку RC. Напряжение на емкости С UС меняется по экспоненциальному закону между уровнями Uп/3 и 2Uп/3. Период импульсов мультивибратора равен Т1,4RC. Скважность равна 2.
Существует большое количество других схем, построенных на базе таймера К1006ВИ1.

Источники вторичного напряжения. Структурные схемы. Выпрямители и фильтры.
Источники вторичного электропитания – это электронные устройства, предназначенные преобразования энергии первичного источника электропитания в электрическую энергию с заданными техническими характеристиками. Первичными источниками электропитания могут быть: промышленная сеть переменного тока, автономные источники переменного или постоянного тока, аккумуляторы, химические батареи и т.д. К источникам вторичного напряжения относят, как правило, источники постоянного тока для питания электронной аппаратуры.
В общем случае ИВП состоят из нескольких функционально законченных блоков, а именно: трансформатора для согласования напряжений, выпрямителя, сглаживающего фильтра, стабилизатора напряжения. Стабилизатор в ряде случаев может отсутствовать.
На рисунке 179 приведены структурные схемы ИВП.
Наиболее распространена схема (а), которая включает в себя трансформатор, выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения. Схема отличается простотой и надёжностью, однако имеет большие массогабориты из-за размеров силового трансформатора.
Этот недостаток отсутствует у схемы, изображенной на рисунке (б), в которой первичное напряжение (сеть) сначала выпрямляется и

Рис. 179 структурные схемы ИВП
поступает на генератор высокой частоты (30÷100)кГц. Генератор нагружен на трансформатор и далее, как и в схеме (а), идут выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения. Благодаря высокой частоте размеры и вес трансформатора и фильтров будут значительно меньше.
Существуют другие структурные схемы ИВП.
К основным параметрам ИВП относятся:
номинальные уровни входного Uвх.ном. и выходного Uвых.ном. напряжений;
предельные отклонения входного и выходного напряжений от номинальных значений;
коэффициенты нестабильности выходного напряжения и тока:
; ,
где – изменение входного напряжения, – изменение выходного напряжения, –изменение выходного тока;
выходная мощность (или выходной ток);
коэффициент пульсации ,
где – амплитуда основной гармоники выпрямительного тока.
Выпрямители предназначены для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.
В зависимости от источника первичного электропитания источники бывают однофазные и трёхфазные. Кроме того выпрямители могут быть однополупериодные и двухполупериодные.
Схема однофазного однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 180. На вход выпрямителя поступает синусоидальное напряжение. В интервале времени от 0 до Т/2 диод открыт, и ток в нагрузке повторяет форму входного сигнала. В интервале времени от Т/2 до Т диод VD закрыт.
Среднее выпрямительное напряжение на выходе выпрямителя
,
где – максимальное значение напряжения.
Учитывая, что , имеем Uн.ср=0,45Uдест.
Аналогично получим Iн.ср=0,318 Iмак=0,45 Iдейст
Спектральный состав выпрямительного напряжения имеет вид:

При этом коэффициент пульсации выходного напряжения равен:,
где Uмакi – амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения.
Однополупериодные выпрямители отличаются простотой, но имеют низкую эффективность и высокий коэффициент пульсации. Частота пульсаций равна частоте выпрямляемого напряжения, т.е. 50 Гц.

Рис.180. Схема однополупериодного выпрямителя (а) и временная диаграмма его работы (б)
Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя приведена на рис. 181. Здесь диоды работают попеременно в каждом полупериоде. Среднее выпрямительное напряжение нагрузке равно:

или.
Частота пульсации здесь в два раза выше, а коэффициент пульсации в два раза меньше =0,67.
Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рис.181 а) имеет два диода, однако требует двух обмоток трансформатора. Кроме того, обратное напряжение на диодах равно удвоенному максимальному входному напряжению Uобр.диода=2Uмак.
Эти недостатки отсутствуют у мостовой схемы (рис.181 б), но здесь четыре диода и КПД такого выпрямителя ниже.
2731543677
Рис.181. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (а) и мостового(б) и диаграмма его работы (в)
Фильтры применяются для уменьшения напряжения пульсации на выходе выпрямителя. В настоящее время наиболее распространёнными являются: емкостный, индуктивный и П-образный фильтры.
Емкостный фильтр состоит из конденсатора, подключаемого параллельно нагрузке. Для фильтра необходимо выполнить условие:
<<, где Хс – сопротивление емкости.
Индуктивный фильтр представляет собой дроссель низкой частоты, включенный между выпрямителем и нагрузкой. Для обеспечения большого коэффициента сглаживания необходимо, чтобы >>Rн.
Индуктивность дросселя можно определить по формуле ,
где q – коэффициент сглаживания, f1– частота первой гармоники.
Недостатком индуктивного фильтра являются большие габариты и вес дросселя.
Г-образный фильтр сочетает в себе свойства индуктивного и емкостного фильтров. Его можно рассматривать как делитель напряжения с частотнозависимым коэффициентом передачи. Для фильтра необходимо, чтобы L>>Rн>>. Г-образные фильтры применяются в выпрямителях большой и средней мощности.
П-образные фильтры применяются в выпрямителях с большим внутренним сопротивлением. Они сложные, дорогие, но обеспечивают высокий коэффициент сглаживания.

Рис.182.Варианты сглаживающих фильтров: емкостный (а), индуктивный (б), Г-образный (в), П-образный (г)
Источники вторичного электропитания в значительной степени определяют качество, надежность и технические характеристики электронной аппаратуры. Поэтому к их проектированию следует относиться с большой ответственностью.

Транзисторный усилительный каскад с общим эммитером
Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером может выполнятся как на транзисторах типа p-n-p, так и на транзисторах типа n-p-n. В качестве нагрузочного элемента каскада используется резистор Rk, включенный в коллекторную цепь транзистора, либо дополнительный нагрузочный элемент Rн, включаемый параллельно выходам коллектора и эмиттера транзистора. В последнем случае усилительный каскад является инвертируемым.
Основными элементами схемы являются транзистор VT и резистор в цели коллектора Rk. Остальные элементы играют вспомогательную роль. Резисторы R1 и R2 создают напряжение смещения Uсм на базе транзистора и тем самым обеспечивают заданный режим работы усилителя. Конденсаторы Cg разделяют переменную и постоянную составляющие входного и выходного сигналов.

При отсутствии входного сигнала выходной ток и выходное напряжение постоянны: и .
При поступлении на вход сигнала Uвх он усиливается в KU раз и снимается с выхода в противофазе по отношению к входному сигналу.
Для усилителя с ОЭ где Обычно , где Rвх э не превышает 13 кОм.
коэффициент усиления по току
Таким образом, каскад с ОЭ имеет большой коэффициент усиления по току, который при Rk>>Rн стремится к .
Коэффициент усиления по напряжению .
Коэффициент усиления KU возрастает с увеличением и RH. Обычно и выше.
Коэффициент усиления по мощности составляет (0,2 – 5)·103.
Выходное сопротивление каскада с ОЭ Обычно rкэ>>RK и RвыхRK.
Усилительный каскад с ОЭ осуществляет поворот по фазе на 1800 выходного напряжения относительно входного.
Основные режимы работы усилителя. В зависимости от величины смещения на базе транзистора Uсм различают следующие режимы работы усилителя: A, B, AB, C, D.
Режим A характеризуется выбором рабочей точки на линейном участке входной характеристики (рис. 55). В исходном состоянии транзистор открыт напряжением смещения Uсм и в цепи коллектора протекает ток Iко. При поступлении входного сигнала на выходе усилителя появляется выходной сигнал в противофазе по отношению ко входному.
Режим А характерен тем, что форма выходного сигнала Uвых(t) повторяет форму входного сигнала Uвх(t) за счет работы транзистора в активной зоне без захода в область насыщения и отсечки. Режим характеризуется минимальными нелинейными искажениями.
В то же время работа усилителя в режиме А характеризуется низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током Iко вне зависимости от наличия или отсутствия входного сигнала. Поэтому такой режим используется только в маломощных каскадах, в которых необходимо иметь минимальные нелинейные искажения.
-150495134620На основе характеристик (рис.55) можно пояснить графоаналитический метод расчета усилителя. По графикам можно определить:
коэффициент усиления по току ;
коэффициент усиления по напряжению ;
коэффициент усиления по мощности .
Режим В характеризуется тем, что напряжение смещения Uсм=0, а следовательно, рабочая точка выбирается в самом начале входной характеристики. Особенностью режима В является то, что при отсутствии входного сигнала отсутствуют базовые и коллекторные токи.
При поступлении входного сигнала ток в коллекторе имеет пульсирующий характер и протекает в течение половины периода. Режим В характеризуется высоким КПД, который может достигать 70%, однако выходной сигнал сильно искажается. Поэтому такой режим применяется только в двухтактных усилителях.
-685801905
Режим АВ занимает промежуточное положение между режимами А и В. Он характеризуется небольшим напряжением смещения Uсм и меньшими нелинейными искажениями по сравнению с режимом В. Режим АВ используется в высококачественных двухтактных усилителях мощности.
Режим С характеризуется тем, что рабочая точка на входной характеристике сдвинута влево от начала координат. Следовательно, более половины периода транзистор находится в закрытом состоянии. Режим С характеризуется высоким КПД, большими нелинейными искажениями и применяется в генераторах частоты.
Режим D характеризуется тем, что усилительный элемент может находиться в открытом (режим насыщения) либо в закрытом (режим отсечки) состояниях. В режиме насыщения базовый ток , где γ – коэффициент насыщения транзистора, который принимается равным 1,5 – 2.
Таким образом, ток в выходной цепи может принимать только два значения: IK.max=Iнас. и IK.min0. Скорость перехода из одного состояния в другое характеризует быстродействие усилительного элемента. Обычно Uнас.<1B, поэтому КПД такого усилительного каскада близок к 1.
Режим работы D, который называют еще ключевым режимом, применяется в импульсных схемах.


Дискретные цифровые САР: математическое описание, Z передаточные функции.
-68580166370Математическое описание дискретных систем
x(t) – непрерывный сигнал x(k) (k=0, 1, 2, …) – дискретный сигнал Разность первого порядка (1-я разность)
Разность 2-го порядка
Приближенное дифференцирование: .
Число является выходом в момент k.
Числа y(k-n+i) и x(k-m+j) характеризуют предыдущие значения выхода и входа ЦВМ, запоминаемые в памяти.
Это уравнение называют рекурсивным или разностным.
Часто применяется другая форма математического описания дискретных систем
, где w(m) – весовая временная последовательность. Это соотношение – аналог интеграла свертки.
Z-передаточные функции дискретных и цифровых САУ.
Z-преобразование получается из дискретного преобразования Лапласа заменой переменной. Z-преобразование содержит информацию о соответствующей непрерывной функции времени только в дискретные моменты, поэтому оно определяет не непрерывную функцию, а ряд ее последовательных дискретных значений. Введение новой независимой переменной Z=esτ позволяет перейти к рациональной функции

Обратное Z-преобразование определяют формулой

где r – некоторый замкнутый контур.
Сигнал на выходе дискретных систем

где w(k) – весовая временная последовательной системы.
Отсюда,
Z-передаточная функция дискретной системы
Для непрерывной части дискретной системы Z-передаточная функция определяется на основе соотношения

Здесь W(t)=L-1[w(s)]

Анализ дискретных САР
Если в Z – передаточной функции, дискретной САР с ЭВМ в контуре управления заменить
W(z)=WВ(z)Z[WЭW0WОС]], то можно записать
, при WО=1.
Характеристическое уравнение имеет вид 1+W(z)=0.
Корни этого уравнения определяют устойчивость системы.
В плоскости комплексной переменной s для обеспечения устойчивости требуется, чтобы все корни характеристического уравнения находились в левой полуплоскости. В плоскости комплексной переменной cудить об устойчивости можно, если отобразить левую полуплоскость в соответствующую область плоскости Z. Мнимой оси соответствует единичная окружность.

Комплексные корни соответствуют

Отрицательная вещественная часть корня

следовательно, левая полуплоскость полуплоскости s отображается во внутреннюю часть единичной окружности.
Таким образом, дискретная система устойчива, если все корни характеристического уравнения располагаются внутри единичной окружности.

23. Логарифмические частотные характеристики САР.
Решение неоднородных дифференциальных уравнений одномерной САР состоит из двух составляющих:
- общего решения однородного дифференциального уравнения Xcв(t), характеризующего свободное движение или переходный процесс;
- частного решения неоднородного дифференциального уравнения Xв(t), характеризующего вынужденное движение.
Таким образом
Переходной процесс.Интеграл уравнения D(s) Xвых (s) = 0 ищем в следующем виде:
где si – вещественные и комплексно-сопряженные корни уравнения. D(s) = 0;C1 , C2 , …. Cn - постоянные, зависящие от начальных условий.
Линейная САР, у которой переходной процесс затухает называется устойчивой, то есть
При этом вещественные части корней si должны быть отрицательны.Вынужденное движение.
Если на вход САР подается гармонический сигнал , то его можно разложить по формуле Эйлера:
Представим Тогда
-27305107950A() - АЧХ. () - ФЧХ. W(i) – AФЧХ.
При анализе САР широко применяется графический метод.
1. При 0 < < c А()А(0) и диапазон частот от 0 до с называется полосой пропускания,
где с – частота среза по уровню или ;
2. При = m A() принимает максимальное значение и m называется резонансной частотой.
Очень удобны с практической точки зрения логарифмические частотные характеристики, которые получаются путем логарифмирования W(j): ; L(),дб=20lgA()–называется логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ).()-логарифмической фазочастотной характеристикой (ЛФЧХ) (*)
Октава – диапазон частот между и 2 lg 2 - lg = lg 2
Декада – диапазон частот между и 10 lg 10 - lg = 1
273154-15088
Рис. График логарифмических характеристик

24. Переходные функции и переходные характеристики САР. Реакция САР на произвольный входной сигнал
Выходной сигнал САР можно определить с помощью обратного преобразования Лапласа:

Если (-t) - - функция, то F(s)=1 и
=-называется переходной функцией – функцией веса.

Если и , то называют переходной характеристикой.
Поскольку W(s) – дробно – рациональная функция , w(t) и h(t) , могут быть найдены по формулам обратного преобразования Лапласа

или по теореме Хевисайда, или формуле вычетов.

где 1-ая сумма распространяется на простые вещественные корни, а 2-ая на простые комплексные
При наличии кратных корней необходимо применять дополнительные слагаемые.
Реакция САР на произвольный входной сигнал может быть определена с помощью интеграла свертки.
Любое производное воздействие можно представить ступенчатой линией или совокупностью дискретных значений.
* - по оси абсцисс (рис.28) на графике логарифмических характеристик откладывается десятичный логарифм частоты, т.е. lgω, но обычно около отложенных значений lgω пишется значение самой частоты ω. В этом случае масштаб получается логарифмическим. За единицы длины по оси абсцисс принимают октаву или декаду.
273154218Рис. 30 совокупность дискретных значений
ti - среднее значение времени в промежутке t,
f(ti) – значение функции при t=ti

25.Типовые звенья САР и их частотные и временные характеристики
Апериодическое звено

1) .
2) .
1) h(t) =.
2)
Определим уравнение амплитудно–фазочастотной характеристики (АФЧХ).

Определим логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ)

6794557785Фазочастотная характеристика звена .
Рис. ЛАЧХ и фазовая характеристика

Колебательное звено

в операторной форме:

Корни характеристического уравнения

Если: 1 – звено колебательное, 0 – консервативное, 1 – апериодическое 2-го порядка.
Рис. АФХ колебательного звена
Интегрирующее звено


Рис. . Переходная характеристика интегрируемого звена

Рис. Логарифмические характеристики интегрируемого звена
Дифференцирующее звено 1-го порядка

Рис. Переходная характеристика дифференциального звена 1-го порядка

Дифференцирующее звено 2-го порядка


Рис. Переходная характеристика дифзвена 2-го порядка
Запаздывающее звено

26. Устойчивость линейных САР: определение, теоремы Ляпунова, алгебраический критерий устойчивости Гурвица.
Система считается устойчивой, если отклонение выходной величины, возникшей в результате внешнего возмущения, по истечении некоторого времени становится меньше заданного.
Lim|xвых(t)|≤t→∞.
Таким образом, если САР выведена из состояния равновесия, а затем предоставлена самой себе, то она должна возвратится в состояние равновесия.
Ляпунов доказал 2 теоремы:
Если вещественные части всех корней характеристического уравнения 1-го приближения отрицательные, то собственное движение асимптотически устойчиво независимо от членов разложения выше 1-го порядка малости
Если среди корней характеристического уравнения 1-го приближения найдется по меньшей мере один с положительной вещественной частью, то собственное движение неустойчиво независимо от членов разложения выше 1-го порядка малости.
Критические случаи имеют место, когда среди корней имеются корни с нулевой вещественной частью. Тогда вопрос об устойчивости необходимо решать исследованием полного нелинейного дифференциального уравнения.
Алгебраический критерий устойчивости Гурвица.
Устойчивость замкнутой динамической системы, имеющей характеристическое уравнениеопределяется выполнением следующих условий:
коэффициенты характеристических уравнений положительны (необходимое условие);
определители - диагональные миноры, образованные последовательным выделением по строкам и столбцам из главного определителя.

начиная с 1=an-1 > 0 (достаточное условие)
Определитель n составляется следующим образом: главная диагональ состоит из коэффициентов характеристического уравнения. Начиная со второго коэффициента в порядке убывания индексов, заполняются строки: слева - в порядке убывания индексов, справа - в порядке вырастания.

27. Частотные критерии устойчивости линейных САР
Случай 1
Корни вещественные.
Если si=-αi, то будем считать поворот положительным (+π/2), при рi>0 - (-π/2).

Случай 2.
Корни комплексно сопряженные.

Если αi<0, то . Если αi>0, то
Амплитудно-фазовый критерий устойчивости ( критерий Найквиста-Михайлова).
Критерий получил наибольшее распространение в инженерной практике так как позволяет определить устойчивость замкнутой системы по её поведению в разомкнутом состоянии.
Характеристическое уравнение замкнутой системы может быть представлено в следующем виде: W(s)+1=.
Результирующий вектор

Критерий D-разбиения
Метод позволяет построением одной кривой выявить сразу все значения интересующего параметра, при котором САР остается устойчивой.
Параметры САР могут быть разбиты на 3 группы:
заданные, которые обеспечиваются конструкцией системы;
конструктивные, которые могут быть изменены в определенных пределах;
настроечные.
D-разбиение по одному параметру
Характеристическое уравнение всегда может быть представлено в следующем виде , где μ- искомый параметр.

Задаваясь ω от -∞ до +∞, строят на комплексной плоскости S=jωкривую D-разбиения. При движении от -∞ до +∞ область корней с отрицательными вещественными частями остается слева, левую сторону кривой заштриховывают.
Поскольку μ - действительные параметры САР, рассматриваются только точки действительной оси А(ω), расположенные по левую сторону D-кривой. Выбранные значения μ проверяем по какому-либо критерию устойчивости.

28. Анализ качества линейных САР.
Задача анализа качества процесса регулирования заключается в нахождении ряда показателей, характеризующих переходную характеристику системы и названных первичными показателями качества.
Методы анализа качества:
-частотный. Основан на рассмотренном преобразовании Лапласа х-вых (s) при s=jω, а также на связи между частотными характеристиками замкнутых (разомкнутых) систем и переходными характеристиками.
-корневого годографа. Метод не требует определения корней характеристического уравнения, является графоаналитическим.
-логарифмического корневого годографа
-интегральных оценок.
Косвенный. Основан на вычислении определенных интегралов по времени. Эффективен при использовании ЭВМ.
Частотный метод
Показатели качества представлены на рисунке.
2731546388
1. Установившееся значение
Хуст. = Х(∞) определяет статическую точность системы.
Еуст =Хbx -Хуст
2. Время перехода процесса Т.п.п. определяется как наименьшее значение интервала времени, в течение которого [X(t)-Xуст] ≤Δ, где Δ заданная постоянная малая величина (обычно Δ = 0,05Хуст)
3. Положительное перерегулирование

4. Число колебаний N величины X(t) в течение времени Т.п.п.
Определение переходных процессов
Аналитический метод.
Если P3(ω) и Q3(ω) заданы аналитически, то удобно h(t) определять численными методами с использованием ЭВМ
Удобно использовать метод Филона интегрирования осциллирующих функций f(ω)sin ωt.
Графоаналитический метод (метод трапецеидальных частотных характеристик).
Для построения Р3(ω) и Q3(ω) применяются номограммы.
Кривая Р(ω) может быть представлена в виде совокупности из некоторого числа трапецеидальных частотных характеристик.

Этой сумме соответствует h(t), являющееся линейной комбинацией функции hi(t)

hi(t) определяется по типовой вещественной частотной характеристике.
29. Синтез корректирующих устройств линейных САР.
В автоматике применяют следующие способы коррекции динамических характеристик:
1). Последовательная коррекция (последовательно в прямой цепи)
2). Параллельная коррекция (параллельно прямой цепи).
3). С помощью корректирующей обратной связи (КОС)
4). Комбинированная
Корректирующие обратные связи уменьшают зависимость динамических свойств от изменения параметров элементов, уменьшают влияние помех но имеют высокую стоимость и громоздкость (тахогенераторы, вращающие трансформаторы)
Проектирование САР сводится к следующим этапам: проектирование нескорректированной САР из условий физической осуществимости; проектирование идеальной модели системы (желаемая характеристика); компенсирование различий этих систем с помощью корректирующих цепей.
Синтез корректирующей цепи заключается в выборе ее вида, определении передаточной функции, расчете параметров цепи.
Построение желаемой ЛАХ
Порядок определения желаемой ЛАХ:
Низкочастотная асимптота проходит под наклоном -20 ν дб/дек, где ν - порядок астатизма, а при частоте имеет ординату 20 lg K (дб)
По заданному значению σ max = f(Pmax)определяет значение Pmax/
Значение [Pmin)≈Pmax-1.
Определяют частоту среза
,
где ,
wmax- заданное максимальное ускорение объекта регулирования.
находят по кривой при значении Pmax из п.2.
Через точку ωср проводят среднечастотную асимптоту с наклоном -20дб/дек.
Производят сопряжение среднечастотной асимптоты с низкочастотной:
а) если в ТЗ задана точность и порядок астатизма, то ω1≈0,15 ωn.
б) если требования точности не определены, то сопряжение начинают с L2ω=+16 дб.
Проверяют запасы устойчивости по модулю и фазе.
Строят высокочастотную асимптоту так, чтобы она мало отличалась от нескорректированную САР, желательно L3≈-L2. Вид желаемой ЛАЧХ показан на рисунке.

Синтез КОС может осуществляться отрицательной жесткой ОС или гибкой ОС(связью по производным).
Жесткие ООС уменьшают статический коэффициент усиления охватываемых участков,
увеличивают устойчивость и ошибки в установившемся состоянии.
Охват инерционных звеньев ЖОС приводит к снижению инерционности .
Гибкие ОС (связи по производным) не оказывает влияние на статический коэффициент усиления охватываемых участков и эффективно воздействуют на форму переходных процессов и устойчивость.
Для определения Z(s)применяются следующие способы:
эквивалентной последовательной коррекции
Из условия эквивалентности
, поэтому при таком подходе может получится , физически не реализуемая передаточная функция.
2. В заданном интервале частот [ω1 ,ω2] обеспечивают ( Wохв Z ) >> 1, тогда и для выполнения условия (Wохв Z) >> 1 вводят последовательное усилительное звено.

30. Анализ нелинейных САР.
Для анализа нелинейных систем применяются методы: фазовых траекторий, припасовывания, гармонической линеаризации, фазовой границы устойчивости и др.
Метод фазовых траекторий
Фазовой плоскостью называется плоскость на которой по двум координатам X и Y откладываются какие-либо две переменные, характеризующие динамику САР, например отклонение регулируемой величины Х и скорость Х=Y=dx/dt.
Уравнение второго порядка удобно свести к системе двух уравнений первого порядка.

Для изображения на фазовой плоскости исключается время t, для чего второе делят на первое.

Получаем нелинейное дифференциальное уравнение, решение которогоY=F(x)-называется фазовой траекторией.
Для САР, линейная часть которой имеет порядок >2, применяются многолистные фазовые плоскости.
Изображения процессов регулирования на фазовой плоскости.
1.Периодический незатухающий колебательный процесс.
x(t)= a Sin(ωt) Sin2 (ωt) =x2 /a2
y(t)= aω Cos (ωt) Cos2 (ωt) =y2 /a2 ω2


2.Затухающий колебательный процесс:


3. Расходящийся колебательный процесс.


затухающие апериодические процессы

5. расходящиеся апериодические процессы.


31. Показатели качества ЭС
ЭС характеризуется большим количеством и многообразием показателей качества, которые делятся на два основных класса:
количественные показатели (физические, электрические, механические, химические величины);
качественные показатели, оцениваемые не конкретными значениями величин, а с помощью чувственных органов человека (зрительными органами, например восприятие цвета; обоняние - восприятие запахов и т.д.).
В целях уменьшения количества рассматриваемых показателей качества на практике применяется теория относительного качества. Она заключается в том, что оценка качества на том или ином этапе жизненного цикла изделия дается в зависимости от назначения этого этапа.
На этапе проектирования рассматривается соответствие разрабатываемого изделия ТЗ, согласованному заказчиком.
На этапе производства рассматривается соответствие изделия технологической документации для отдельной операции его изготовления.
На этапе эксплуатации рассматривается соответствие изделия ТУ.
Качество продукции – совокупность свойств, обуславливающих пригодность продукции удовлетворять определенным потребностям в соответствии с ее назначением. Свойство продукции – объективная особенность продукции. Свойства продукции закладываются при ее разработке, обеспечиваются при производстве и реализуются при ее эксплуатации.
Показатель качества продукции – количественная характеристика определенного свойства продукции на определенном этапе жизненного цикла.
Показатели качества продукции делятся на следующие группы:
1.назначения 2 надежности 3 технологичности 4 эргономические 5 эстетические 6 стандартизации и унификации 7 патентно-правовые 8 экономические
Единичный показатель качества – показатель качества продукции, относящийся только к одному из ее свойств.
Комплексный показатель качества – показатель качества продукции, относящийся к нескольким ее свойствам.
Электронное средство (ЭС) – изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы электроники. ЭС выполнены с использованием: микроэлектронных функциональных узлов; микросхем; сверхбольших интегральных схем (СБИС), содержащих десятки и сотни тысяч элементов на кристалле (пластине площадью несколько квадратных миллиметров).
Если в основе функционирования ЭС используются дополнительно принципы радиотехники, то такое электронное средство называют радиоэлектронным средством (РЭС), а если принципы вычислительной техники – электронно-вычислительным средством (ЭВС).
В зависимости от функциональной сложности ЭС различают следующие уровни их разукрупнения: электронная система; электронный комплекс; электронное устройство; электронный функциональный узел.

32. Управление качеством ЭС.
Под управлением качеством понимают совокупность квалифицированного персонала, программных и аппаратных средств, обеспечивающих такое функционирование подсистемы обеспечения качества, которое гарантировало бы выпуск продукции с требуемыми параметрами качества. Подсистема обеспечения качества является основной в системе управления качеством.
Структурная схема системы управления качеством может быть применена в различных областях человеческой деятельности, в том числе и в управлении качеством производства ЭС. Управление осуществляется только по входу и для этого должна быть известна связь между выходными и входными параметрами.
Рис. 7. Упрощенная структурная схема системы управления качеством
На рис. 8 приведена структурная схема для простых в изготовлении изделий.

Рис. 8. Структурная схема управления простым технологическим процессом
Управление качеством возможно только в том случае, если возможно управление факторами, воздействующими на рассматриваемый параметр качества. Если исследуемый объект рассматривать в виде "черного ящика" (рис.6), то все разнообразие факторов, воздействующих на параметр качества (Y) объекта, можно условно разбить на 3 самостоятельных группы:

Рис. 6. Схема процесса в виде “черного ящика”
входные управляемые параметры, которые можно измерять и целенаправленно изменять, поддерживая при этом заданные значения показателя качества .
Вектор называется вектором факторов; область его возможных значений факторным пространством; составляющие факторами.
контролируемые, но не управляемые параметры (состояние исходных материалов, полуфабрикатов и т.д. , например чистота исходного кремния при изготовлении микросхем).
неконтролируемые и неуправляемые параметры.
Это параметры, оказывающие случайные возмущающие воздействия на качество объекта.
показатели качества объекта , имеющие разную степень важности.
Система управления качеством рассматривает только контролируемые и управляемые факторы, оказывающие влияние на параметры качества объекта управления.

33. Себестоимость и уровень качества ЭС
Зависимость себестоимости и уровня качества продукции можно в общем виде представить в виде следующего графика (рис.3)
СП – затраты на материалы, комплектующие изделия, оборудование, заработную плату, контроль и испытания и т.д.

При повышении уровня качества от низкого до оптимального затраты растут медленно (х), поскольку производство легко справляется с заданными требованиями на уровень качества. По мере повышения УКП затраты (у) существенно возрастают. При дальнейшем повышении требований к УКП в конце концов достигается такой предел, когда ни оборудование, ни ТП, ни НТП и т.д. не в состоянии обеспечить требуемого (недостижимо высокого) качества. Затраты при этом устремляются в бесконечность.
273860-2014
Затраты на продукцию складываются из 1- затрат на изготовление (проектирование и производство) и на 2 - эксплуатацию продукции (рис. 4). 3 - суммарные
Оптимальный уровень качества продукции - это такой уровень, выше или ниже которого производить продукцию экономически нецелесообразно.
При низком уровне качества продукции в сфере эксплуатации потребитель вынужден выделять дополнительные средства на ремонт, доработку и обслуживание продукции.
Высокий уровень качества продукции обуславливается ее высокой себестоимостью.

34. Корреляционная связь показателей ЭC
Диаграмма разброса (поле корреляции)
Диаграмма разброса применяется для исследования зависимости (корреляции) между двумя видами данных. Поэтому ее часто называют полем корреляции.
С помощью диаграммы разброса удобно наблюдать процесс изменения параметра качества во времени при воздействии тех или иных факторов.
Пример:
Требуется выяснить влияние термообработки ИС при Т=1200С в течение t=24 ч на уменьшение обратного тока р-n перехода. Взято 25 ИС и замерены значения Iобр (табл.2).
x (Iобр при t=0 ч)
y (Iобр при t=24 ч)
Таблица 2
Значение обратного тока до и после обработки интегральных микросхем
¹ ÈÑ X Y ¹ ÈÑ X Y ¹ ÈÑ X Y
1 68 61 11 78 68 21 68 70
2 71 67 12 92 88 22 79 69
3 65 63 13 60 57 23 78 71
4 78 70 14 75 71 24 78 71
5 75 74 15 73 70 25 73 69
6 85 76 16 69 68 7 86 82 17 73 73 8 84 70 18 73 69 9 74 68 19 83 76 10 65 60 20 70 73 Из таблицы имеем:
Xmax=92;Ymax=88
Xmin=60;Ymin=57
Наносим на график по оси абсцисс значения Х, по оси ординат - значения Y. При этом длину осей делают почти равной разности между их max и min значениями. На вид график приближается к квадрату. В нашем случае Xmax- Xmin=32; Ymax- Ymin=31; поэтому промежутки между делениями шкалы можно делать одинаковыми.
На график наносим данные в порядке измерений и получаем точки диаграммы рассеяния (рис.10).

Рис. 10. Диаграмма разброса
Совокупность точек на графике - диаграмма рассеяния.
Если разброс значений изучаемого параметра качества составляет несколько порядков, то удобно применять логарифмический масштаб по осям.
Если на одну и ту же точку графика попадает несколько значений параметра, то они обозначаются как точка в круге и возле точки проставляется число данных.
С помощью диаграммы разброса можно выяснить, имеется ли корреляционная связь между параметрами, и МНК определить вид этой связи.
Примеры:

Прямая корреляцияЛегкая прямая корреляция

Обратная (отрицательная) Легкая обратная корреляциякорреляция


Отсутствие корреляцииКриволинейная корреляция
Рис.11. Виды корреляционных связей
Криволинейную корреляцию можно разделить на участки, имеющие прямолинейный характер, и исследовать каждый участок в отдельности как прямолинейную корреляцию.
Степень корреляционной связи X и Y может быть оценена:
коэффициентом корреляции (прямолинейная)
корреляционным отношением (криволинейная).
Связь прямолинейную между Y и X можно найти, используя формулу
,
где r - коэффициент парной корреляции,
;
;,
n - число пар наблюдений.
-1 r 1
При r=1 - связь функциональная. Зависимость между X и Y в виде формулы (например, закон Ома, все точные законы механики, физики, химии, астрономии).
При r<1 - связь статистическая. Каждому фиксированному значению X соответствует ряд изменяющихся вместе с X значений Y и наоборот. Параметры X и Y считаются статистически зависимыми, если
.
При r=0 X и Y не связаны между собой и не зависят друг от друга.
Знак r говорит о следующем:
“-” X Y и наоборот X Y
“+” X Y и наоборот X Y

35. Метод расслаивания ЧМ.
Простой и эффективный статистический метод, широко используемый в системе УК, - метод расслаивания
В основе метода – расслаивание статистических данных (т.е. группировка данных) в зависимости от условия их получения и обработка каждой группы в отдельности. Данные, разделённые на группы в соответствии с их особенностями, называют слоями (стратами), а сам процесс разделения на слои – расслаиванием (стратификацией). Существуют различные методы расслаивания, применение которых зависит от конечных задач. В производственных условиях обычно используется метод 4М, учитывающий факторы, зависящие от человека, машины, материала, метода. Расслаивание осуществляется:
1. по исполнителям – квалификации, полу, стажу работы и т.п.;
2. по оборудованию – году выпуска, марке, типу конструкции и т.п.;
3. по материалу – месту производства, фирме-производителю и т.п.;
4. по способу производства - технологии производства, масштабу производства и т.п.
В результате расслаивания обязательно должны соблюдаться два условия:
различия между значениями СВ внутри слоя должны быть как можно меньше по сравнению с различием её значений в нерасслоенной исходной совокупности;
различие между слоями должно быть как можно больше.
Пример:
Рассмотрим гистограмму результатов измерений пробивного напряжения полупроводниковых структур, изготовленных исполнителем А (левая часть n=75) и B (правая часть n=85) (данные из табл. 1).

Рис. 12. Гистограмма результатов измерений пробивного напряжения полупроводниковых структур
МОП-структуры, изготовленные исполнителем B, более качественные, т.к. имеют большее пробивное U. Результаты исполнителей A и B заметно отличаются друг от друга.
Вычислив среднее значение и дисперсию, имеем:
mA=189,4S2A=13,2Общее среднее m=194,95
mB=199,8S2B=14,7Общая дисперсия S2=41,2
Результаты показывают, что проведенное расслаивание резко уменьшает дисперсию внутри слоев.
При контроле качества изготовления изделий на практике возникает задача предполагаемого источника ухудшения качества продукции, когда разброс значений параметра качества около среднего значения возрастает. В случае НЗР контролируемого параметра качества такую информацию возможно получить путём расслаивания дисперсии с помощью дисперсионного анализа.

36. Метод «АВС-анализ»
Для контроля важнейших факторов наиболее распространенным методом анализа является АВС-анализ (анализ трех основных групп).
АВС-анализ широко применяется для контроля за производительностью труда, контроля денежных сумм, связанных со сбытом и т.д.
Сущность АВС-анализа рассмотрим на примере.
Пример:
На складе скопилось большое количество готовой продукции. Реализация задерживается из-за длительного времени выходного контроля готовых изделий. В результате изготовитель несет большие потери в связи с задержкой поставок.
Анализ показал, что изготовитель проводит выходной контроль всех изделий одинаково, без всякого различия в их стоимости.
Разделим все изделия, хранящиеся на складе, по группам в зависимости от их стоимости (табл.3).
Таблица 3
Складские запасы изделий
Стои, тыс. ð. 90-100 80-90 70-80 60-70 50-60 40-50 30-40 20-30 10-20 0-10 Итого
Число, тыс шт. 0,2 0,3 0,5 0,5 0,8 1,2 1,5 2,5 5,0 12,5 25
Для проведения АВС-анализа построим таблицу с накоплением до 100% (табл.4).
-4191081915Имея табл.4, строим диаграмму Парето (рис.15)
Рис. 15. Диаграмма Парето
Кривая Парето получилась сравнительно плавной из-за наличия большого числа групп.
Согласно табл.4 и рис.15:
на долю наиболее дорогих изделий (стоимость от 30 тыс. до 100 тыс. р. за одно изделие) первые 7 строк таблицы , составляющих 20% общего числа изделий, приходится 56,7% общей стоимости всей готовой продукции;
на долю самых дешевых изделий последняя строка таблицы , составляющих 50% от всего количества изделий на складе, приходится 13,3% от общей стоимости.
Назовем группу изделий стоимостью от 30 тыс.р. до 100 тыс.р. группой А; группу самых дешевых изделий до 10 тыс.р. (последняя строка табл.4) группой С; промежуточную группу, стоимость которой 30% (86,7-56,7) (восьмая и девятая строка) группой В.
Данные сведем в табл. 5.
Таблица 5
Таблица АВС-анализа складского запаса изделий
Группа Относ частот кол изд в гр, % Относит.стоим изд в группе, %
À 20 56,7
 30 30
Ñ 50 13,3
Теперь ясно, что контроль изделий на складе будет эффективнее в том случае, если контроль изделий группы А будет самым жестким, а контроль изделий группы С упрощенным.
АВС-анализ широко применяется для контроля за производительностью труда, контроля денежных сумм, связанных со сбытом и т.д.
Если, например, АВС-анализ применить для случая, изображенного на рис.13, получим: А сборочные операции; В фотолитография; С прочие технологические операции изготовления ИС.

37. Виды статистического контроля ЭС
Статистический контроль - это процесс установления соответствия между состоянием объекта и заданными на него нормами.
Контролем охватываются все этапы производства ЭС. В зависимости от стадии “жизни” изделия различают производственный и эксплуатационный контроль.
Производственный контроль, т.е. статистический контроль на стадии производства, охватывает все вспомогательные, подготовительные и технологические операции. В зависимости от места в цепи ТП производственный контроль подразделяют на входной, операционный и приемочный.
Входной контроль - контроль продукции поставщика, поступившей к заказчику и предназначенной для использования при изготовлении, ремонте или эксплуатации ЭС. Материалы, полуфабрикаты, комплектующие изделия подвергаются входному контролю на соответствие требованиям НТД.
Операционный контроль - контроль продукции после завершения определенной операции.
Приемочный контроль - контроль готовой продукции по окончании всех технологических операций.
Эксплуатационный контроль - контроль, осуществляемый на стадии эксплуатации ЭС.
Статистический контроль в основном базируется на контроле фактических значений параметров качества и сравнении их значений с запланированными по НТД. Поэтому он называется часто параметрическим контролем.
Перечисленные виды контроля могут быть сплошными (100%) и выборочными.
Контроль по количественному признаку - регистрация точных числовых значений измеряемых параметров качества.
Контроль по качественному признаку - выделяются категории, к которым принадлежат контролируемые изделия. Частным случаем контроля по качественному признаку является контроль по альтернативному признаку - когда производится разбиение продукции на годную и негодную.
Летучий контроль - выборки для контроля изымаются из потока изделий в случайное время. Внезапность.

38. Количественные показатели надежности ЭС
Рассматриваемое для расчета надежности ЭС может быть самым разнообразным: от простейшего (состоять из пассивных элементов) до сложнейшего (объединяющего в себе тысячи и более компонентов).
Следует различать следующие виды изделий:
1) по способу применения (изделия однократного и многократного действия);
2) по способу обслуживания (восстанавливаемые и невосстанавливаемые изделия).
Восстанавливаемое ЭС - изделие, отказы которого устраняются путем ремонта (замены отказавшего элемента работоспособным). При этом само изделие состоит из невосстанавливаемых ЭРЭ (резисторов, конденсаторов, интегральных микросхем и т.п.) и узлов (собранных на гибридных и твердых схемах, микромодулях, микропроцессорах и т.п.). Отказавшие ЭРЭ и узлы изымаются из изделия и заменяются на работоспособные.
Невосстанавливаемым является изделие, не подлежащее ремонту в процессе эксплуатации. Обычно это - изделия специального назначения (ЭС, устанавливаемые на борту космических кораблей, ракет и т.п.). Невосстанавливаемые ЭС обычно относятся к категории изделий однократного действия.
При рассмотрении количественных показателей надежности ЭС необходимо отметить следующее:
а) показатели надежности являются случайными величинами, т.к. все отказы - случайные события;
б) показатели надежности - функции времени.
Вероятность безотказной работы p(t) - вероятность того, что в заданном интервале времени (обычно от 0 до t ч.) в изделии не произойдет отказа.
,
где T - время безотказной работы;
t - заданное время работы изделия.
Статистически (*) значение р(t) равно
,
где N0 -общее число однотипных изделий, поставленных на испытание;
n(t) -число изделий, отказавших за время t; ;
N(t) - число изделий, продолжающих безотказно работать после истечения времени t.
Значение p*(t) находится в пределах от 0 до 1:

Вероятность безотказной работы может быть определена и для произвольного интервала времени (t1, t2). В этом случае говорят об условной вероятности безотказной работы P(t1, t2), которая равна
.(1)
Вероятность отказа q(t) - вероятность того, что изделие откажет в течение заданного интервала времени (обычно от 0 до t ч.).
,
q(t) - вероятность события, противоположного событию вероятности безотказной работы, т.е.
.
Статистически значение q(t) равно
,

Частота отказов - представляет безусловную плотность вероятности безотказной работы изделия.
- производная по времени от функции вероятности отказа, т.е.
.
Из данного выражения следует, что частота отказов характеризует скорость изменения надежности (по вероятности безотказной работы) во времени, причем изменение происходит в сторону снижения надежности (знак "-" в формуле для ).
Статистически равна
,
где - число изделий, отказавших за время .
- отношение числа отказавших изделий в единицу времени к общему числу изделий, поставленных на испытания . На практике .
Интенсивность отказов - представляет условную плотность вероятности безотказной работы.
.(2)
Статистически равна
.
Графическая зависимость интенсивности отказов от времени для большинства ЭС имеет следующий вид (рис.24)

Рис. 24. Зависимость интенсивности отказов ЭС от времени: I –0-t1- период приработки изделия; II – t1-t2 – период эксплуатации изделия; III - t2- период старения и износа изделия
В I периоде отказы ЭРЭ, узлов и т.п. происходят из-за: некачественного монтажа, сборки; низкой надежности элементов, контактов, проводников и т.д.
Во II периоде число отказов стабилизируется, но оно не равно нулю.
В III периоде отказы изделия происходят из-за физико-химических процессов старения и износа в материалах, ЭРЭ и т.п., имеющих необратимый характер.
Временные интервалы , , имеют разные значения в зависимости от типа и вида ЭС.
На практике важной является зависимость . Для нахождения ее проинтегрируем выражение (2) в пределах от 0 до t. Имеем:
, или

Окончательно: .(3)
Выражение (3) - одно из важнейших в теории надежности ЭС.
Аналогично может быть найдена условная вероятность безотказной работы (1) за интервал времени (t1, t2):
.
Итак, рассмотрены четыре количественных показателя надежности ЭС: р(t); q(t); f(t); (t).
Необходимо отметить, что, зная один из этих показателей, можно вычислить все остальные. На практике предпочтение отдают нахождению значения (t), а остальные показатели надежности ЭС вычисляют по формулам, приведенным выше.
5) Средняя наработка до отказа - время работы изделия до первого отказа.
.
Статистически равно
,
где - время работы до отказа i -го однотипного изделия.
Рассмотрим расчет показателей надежности ЭС для II периода (см. рис. 23), когда
Тогда из выражения (3) получим:
;(4)
.(5)
Если рассматривать достаточно малый интервал времени t, на котором , то из выражения (4) имеем:
.
39. Последовательная модель надежности

Рис. 25. Схема последовательного соединения элементов ЭС
при ,
.

40. Параллельная модель надежности ЭС
-81915821055Резервирование - введение в изделие дополнительного числа элементов и связей между ними по сравнению с минимально необходимым для его нормального функционирования с целью повышения надежности. Сущность резервирования показана на рис.26.
ОЭ - основной элемент принципиальной схемы изделия (конденсатор, резистор, транзиотор, микросхема и т.д.); РЭ - резервный элемент (аналогичный основному элементу) ОЭ и РЭ составляют в совокупности резервную группу. Изделие нормально функционирует до момента отказа ОЭ. После отказа ОЭ с помощью переключающего устройства включается в схему РЭ. Отказом изделия является событие, когда откажет РЭ.
Для замены ОЭ при его отказе требуется переключающее устройство.
Переключающее устройство - совокупность деталей, элементов и т.п., введенная в схему изделия для индикации отказа ОЭ, отключения отказавшего элемента и подключения РЭ. Показатели безотказности переключающего устройства должны быть выше показателей безотказности резервной группы.
Недостатки резервирования - увеличение габаритов, веса и стоимости ЭС.
На практике резервируют ЭС, отказы которых недопустимы по условиям работы (изделия специального назначения).
Виды резервных схем:
Различают общее, поэлементное и смешанное резервирование.
При общем резервировании резервируется все изделие в целом, т.е. в случае отказа оно заменяется аналогичным. При поэлементном - резервируются отдельные электрорадиоэлементы. При смешанном - некоторые подсистемы изделия имеют общее резервирование, а некоторые электрорадиоэлементы - поэлементное резервирование.
Резервирование в зависимости от режимов работы электрорадиоэлементов подразделяется:
на нагруженное, когда РЭ полностью подключен к источникам питания и только не включен в цепь прохождения сигнала;
облегченное, когда на РЭ электрическое питание подается частично;
3)ненагруженное, когда электрическое питание неподается на РЭ.
Резервные схемы ЭС могут быть с целой или дробной кратностью. Кратность резервирования k вычисляется по формуле ,
где х - общее число элементов резервной группы; (х-у) - общее число РЭ; у - число ОЭ. Например, если число резервных элементов равно m-1, то
и целую кратность.
при
: ,

41. Основные этапы автоматизации: их характеристики и особенности.
Этапы развития автоматизации
Первый этап - автоматизация цикла обработки с целью получения заданной формы, размеров и качества обрабатываемой поверхности, цикла сборки для фиксации сборочного соединения.
Средства автоматизации - ЧПУ обеспечивающие эффективное использование технологического оборудования только в крупносерийном и массовом производстве.
Второй этап - наряду с автоматизацией цикла обработки (сборки) обеспечивается автоматизация загрузки и разгрузки основного технологического оборудования. Такое оборудование оснащено магазинами заготовок и готовых деталей в виде комплектов под сборку и загрузочными устройствами, приспособленными в обслуживанию определенной номенклатуре деталей, функции загрузки-разгрузки может выполнять ПР, установленный совместно с ЧПУ, который обеспечивает возможность использования оборудования в серийном производстве.
Третий этап - предусматривает автоматизацию контроля за ходом выполнения техпроцесса и его оптимизацию. При этом выделяется 2 вида контроля:
а) проверки соответствия заготовок (комплектующих деталей при сборке), инструмента, состояния технологического оборудования установленным характеристикам с целью внесения коррекции настройкой оборудования или удаления из потока некондиционных деталей.
б) проверка текущего состояния инструмента и оборудования путем измерения силовых, температурных деформаций и сравнения текущих параметров с эталонными.
Таким образом, учитывается влияние случайных и систематических факторов на характер тех. процесса.
Четвертый этап - обеспечивается автоматизация переналадки оборудования на обработку (сборку) объектов производства другого назначения. Это возможно при использовании, к примеру, обрабатывающих и сборочных центров, оснащенными ПР с наборами сменных инструментов, захватных устройств, системы накопителей под номенклатуру обрабатываемых или собираемых узлов (деталей) и оснастки. В этом случае размер изготовляемой партии изделий не имеет значения, ограничивающего гибкость робототехнического производства, классификация (признаки классификации).

42. Назначение, классификация и области применения роботов
Можно разделить на 3 класса:
манипуляционные или роботы манипуляторы;
информационные;
шагающие
а) роботы-экзаскелетоны (медицинские, роботы-усилители);
б) шагающие аппараты.
Манипуляционные:
промышленные (универсальные, специальные, специализированные);
погрузочные манипуляторы;
для экстремальных сред (космические, подводные, для радиоактивных сред, для токсичных сред, взрывобезопасные);
медицинские;
бытовые;
Наиболее обширен класс роботов-манипуляторов.
Класс информационных роботов включает в себя аппараты для исследования космического пространства,подводного дна и т.п. Они предназначены для автоматического получения и передачи информации об исследуемых объектах.
Класс шагающих роботов включает в себя а), ктр предназначены для восстановления двигательных функций человека или для технического усиления мощности двигательных конечностей здорового человека (б).

43. Манипуляционные роботы: типы, характеристики, применение
Они представляют собой техническую систему, заменяющую труд человека, в состав ктр-го входят орган воздействия на окр. среду, т.е манипуляц. устр-ва или манипулятор-это исполнит. Орган, имитиирующий действие человеческой руки достаточно в широком диапазоне масштабов увеличения или уменьшения ее геометрических размеров и мощности.
Человек-оператор
Органы управл.
Устр. отображ. И
Обобщенная функц. сх. манипуц. робота имеет след. вид:
ЭВМ

Устр. общен.опер. и ЭВМ

Прогр.устр.


Ср-ва передачи
Манипулятор

Внеш.среда
Датчики
Преобраз.И


Различные группы манипуляц. роботов включают в себя ту или иную часть блоков и связей, составляющих обобщенную схему.
Манипуляц. робот м. иметь 1 или несколько манипуляторов. Движения манип-ров м. отличаться от движения руки ч/а. В суставах, звеньях манип-ров м. не только вращаться, но и перемещаться поступательно. М. изменяться длина некоторых звеньев. Кисть руки имитируется с пом. захвата (м.б. 2-хполый, 3-хпалый или более). На захвате м.б. установлены различные датчики.
Средства передвижения м.б. колесными, гусеничными, шагающими, плавающими и т.д.
Устанавливаемые датчики И. позволяют роботу ориентироваться во внешней среде.
По способу упр-я манипуляц. роботов разделяют на 3 группы: автоматич.,биотехнические, комбинированным управлением.
Автоматическими манипуляц. роботами называют устройства, ктр. действуют без непосредственного участия ч/а в упр-ии. Они прим-ся в тех случаях, когда манипуляц. устр-во удалено на значит. расст. от органов упр-я, либо когда очень высокий темп работ, опасны внешняя среда или объект действия, а ручное упр-е нецелесообразно.
Выделяют: I покол.(программн, интеллектуальные, адаптивные).
Биотехнич. манипуляц. роботы – робот, в систему упр-я ктр-х включен человек-оператор. М.б.: командные – упр-ся оператором дистанционно с командного устр-ва с нажатием кнопок или с помощью упр-щей рукоятки.
Копирующие манипуляц. роботы имеют задающий орган, геометрически подобный манипуляц-ому устр-ву. При этом способе упр-я привод каждого звена вместе с соответствующим датчиком образует дистанционно следящую систему. Если положения задающего органа и манипуляц. устр-ва совпадают, то последнее стремится к 0 ошибке по положению.

44. Структура механизмов манипуляц-х роботов и характеристики их геом. свойств
Механизмом называют механич. систему, предназначенную для получения требуемого движения 1-го или нескольких тел.
Основными элементами являются: звенья и кинематич. пары.
Звено-1 или неск жестко соединенных твердых тел, входящих в состав механизмов.
Звенья:
1) простые состоят из 1-го твердого тела;
2) составные – из нескольких твердых дел.
Кинематич. пара – соединение двух смежных звеньев, допусккающие их относит. движение. Звенья м. соприкасаться пов-тями, линиями и точками.
Кинематич. пара м.б. плоской, если относит. движение сочлененных звеньев возможно лишь в параллельных плоскостях или в пространстве, если относительное движение сочлененных звеньев возможно в любом направлении.
С целью уменьшения потерь и увеличения износостойкости между звеньями вводят промежуточные элементы (ролики или шарикоподшипники). Такие совокупности образуют кинематич. соединение.
Кинематич. пары классифицируются по числу условий связи на относительное движение двух смежных тел или по числу степеней свободы. Каждое условие связи кинематич. пары не только устраняет относительную подвижность, но и позволяет передавать от звеньев к звеньям силовое воздействие.
Свободное тело в пространстве имеет 6 степеней своб:3 поступательные движения в направлении оси x,y,z, 3 вращательных движения относительно этих осей.
Если 1 звено превратить в стойку, то для 2-го звена в соответствии с конструкцией кинематич. пары: W=G-U, U-число связей, налагаемых кинематич. парой на относительно движения ее звеньев. При U=0 пара отсутствует, т.к. отсутствуют связи между звеньями. При U=6 относительного движения звеньев нет, т.к. они образуют 1 звено. Поэтому число условий связи кинематич. пар м. находиться в пределах от 1 до 5. Соответственно этому все кинематич. пары делят на 5 классов или на 5 родов по числу степеней свободы.
-163830241935Кинематич. пары 1 и 2 классов в манипуляц-х роботах не применяются. Примеры кинематич. пар манипуляц. устр-в:
Класс 3, род 3 – 3 степени свободы, класс 4, род 2 – 2 степени свободы.
Кинематич. пара 3 класса 3 рода предст. собой шаровой шарнир , имеющий 3 степени свободы-вращение относительно каждой из осей. Кинем. пара 4 класса 2 рода м.б. реализована либо вращением одной из осей, указанных в системе коорд. и поступат. движ. Вдоль 1 оси, либо вращениие относит. двух взаимоперпендикулярных осей.
Кин. пара 5 класса 1 рода позволяет иметь лишь одно относит. движение-либо вращение, либо поступат. движение вдоль 1 оси.
Кинемат. цепью называют связанную систему звеньев, образующих кинематич. пару. Они бывают замкнутыми и открытыми. Замкнутая кинемат.цепь – такая цепь, в ктр.звенья входят не менее, чем в 2 кинемат. пары. Открытая кинем. цепь – цепь, в ктр. имеются отдельные звенья, входящие только в 1 кинем. пару.
Механизм манипуляц. робота представляет собой сложную открытую кинем. цепь, у ктр-х 1 звено обращено в стойку, а движение вых-х звеньев вполне опр-ся заданным движением входных звеньев.
Манипуляц. устр-ва предст. собой открытую кинематич. цепь, в ктр. число n подвижных звеньев всегда = числу кинематич. пар. Тогда число степеней свободы для механизма манипуляц-го устр-ва опр-ся как: W=3p3+2p4+p5
n=p3+p4+p5
Пространств. исполнит. механизмы м. иметь большое число степеней свободы во многих отношениях они аналогичны руке человека. Однако число звеньев чел. руки достаточно велико (n=19) и число степеней свободы W=27. В наст. время ни один механизм не обладает такими возм-тями . Однако при существующем уровне техники-это не так уже важно.
Характеристики геом-х св-в манип-х устр-в:
1 Зона обслуживания
У манипуляц-х устр-в выделяют базовую плоскость, плоскость ктр образована плечом и предплечием мнипулятора и в ктр м. располагаться одновременно оси всех его звеньев.
Зоной обслуживания манипуляц-го робота называют сов-ть точек базовой плоскости, ктр. м. достигать захват манипуляц-го устр-ва. Преимущественное распространение получили манипуляторы с упорядоч-м расположением звеньев кинематич-х пар , т.е. такие, когда имеется 1 пара смежных кинематически связанных звеньев, ктр обеспечивает перенос кисти в базовой плоскости в любую точку зоны обслуживания.
2 Рабочий объем или рабочие зоны манипуляц-го устр-ва называют пространство , ограниченное поверхностью, огибающей все возможные положения захвата. Для обеспечения наиболее полного обслуживания любой точки необходим механизм манип-ра, исп-щий не менее 6 степеней свободы, из ктр-х 3-для перемещения кисти, 3-для ориентации захвата кисти. Тогда в зависимости от сочетания кинем. пар, обеспечивающих перемещения кисти различают 3 осн.формы рабочего объема:
прямоугольный, когда кисть пеермещается в пространстве с пом. Механизма с 3-мя поступат-ми кинем-ми парами 5 класса;
цилиндрич., когда исп-ся механизм с двумя поступательными и 1 вращательной кинем.парой;
сферический, когда исп-ся 2 вращат. и 1 поступат., либо 3 вращат. кинематич. пары.
3 Движение манипуляц. робота и его манипуляц-го устр-ва. Для манипуляц-х роботов вводят понятие глобальных, региональных и локальных движений.
К глобальным движениям робота относят его перемещ-я в пространстве с пом. средств передвижения.
Регион.движения робота-это движения по переносу кисти его манипуляц-го устр-ва в любую точку рабочего объема.
Локальные движения робота связаны с ориентацией кисти в пространстве и движение по захвату объектов действий, движение манипулятора в его рабочем объеме м. классифицировать:
Движение манипуляц-го устр-ва, несущего своб. объект и совершаемые в своб. объеме
Целенаправленное движение манипуляц-го устр-ва по перемещению своб-го объекта, совершаемые в несвободном рабочем объеме
Движение манипуляц-го устр-ва в своб. объеме, согласованные с движением объекта действия
Движения манипуляц-х устр-в в несвоб.объеме, согласованные с перемещением объекта действий
4 Маневренность
Ключевой А и запястный кистевой механизм С имеют каждый 3 степени свободы. Они позволяют ориентировать кисть 3 на нектр. Участки поверхности сферы с радиусом, равным пределе сумм длин плеча 1 и 2.
Кинематич.пара 5 класса в локтевом суставе В позволяет менять радиус сферы и доставлять захват в любую точку сферического рабочего объема.
Если зафиксировать захват 4 неподвижные точки. Манип. устр-во будет иметь возможность совершать круговое движение плечами 1 и 2. Т.о. св-ва манип-го устр-ва м. иметь подвижность при фиксированном захвате называется маневренностью. В рассм-вом случае механизм сохраняет 1 степень свободы, что оперделяет степень маневренности манип. устр-ва.
Повышение числа степеней маневренности позволяет выполнять движения более сложных классов, сужает мертвые зоны манип-го устр-ва и увеличивает свободу действий оператора.
Перестановка кинем. пар в данном устр-ве, н-р, А вместо В не меняет число степеней свободы, но при фиксированном захвате превращение манипуляц. устр-во в ферму и механиизм теряет свою маневренность.

45. Приводы манипуляторов и роботов: классификация, особенности применения
В зависимости от используемого вида энергии приводы подразделяют на гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные (например, электрогидравлические, гидропневматические и др.) Часто их применяют в комбинации, например, в звеньях манипулятора большой грузоподъемности используют гидравлический привод, а в его захватном устройстве — более простой и маломощный пневматический.
Пневматические приводы применяются в 20…30% (по другим оценкам в 40-50%) серийно выпускаемых ПР. Их используют для легких и средних (по грузоподъемности до 20 кг) ПР при числе степеней подвижности 2…3. Погрешность позиционирования в этих приводах не превышает ± 0,1 мм. Скорость ведомого звена привода при линейном перемещении составляет до 1000 мм/с, при угловом – до 60 об/мин. Они имеют простую конструкцию, низкую стоимость и достаточно надежны в работе.
Вследствие низкой регулировочной способности их мало используют в позиционных и контурных режимах работы, и они имеют цикловое управление, как простейший вариант позиционного (задается две точки – начало и конец перемещения).
Гидравлические приводы применяются в 30% серийно выпускаемых средних и тяжелых ПР при числе степеней подвижности 3…4. Погрешность позиционирования в этих приводах не превышает ± 0,5 мм при скорости линейного перемещения до 0,8…1200 мм/с. Эти приводы имеют сложную конструкцию, высокую стоимость изготовления и эксплуатации. Гидравлический привод имеет хорошую регулировочную способность, и его используют в ПР с позиционным и контурным режимом работы.
Электрические приводы используются в 40…50% серийно выпускаемых ПР со средней грузоподъемностью и числом степеней подвижности 3…6. Точность позиционирования электрического привода достигает значений до ± 0,05 мм. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.
Преимуществами электроприводов являются более высокая экономичность, КПД, удобство сборки и хорошие регулировочные свойства.
Как правило, в электроприводах используют синхронные, шаговые и двигатели постоянного тока. Асинхронные двигатели применяются реже, что связано с трудоемкостью управления частотой вращения.
Комбинированные приводы позволяют максимально использовать достоинства отдельных типов приводов. Чаще всего в промышленных роботах применяют комбинацию пневматического и гидравлического приводов (пневмогидравлические и гидропневматические), а также электрического и гидравлического (электрогидравлические). В конструкциях ПР пневмогидравлические приводы имеют ограниченное применение. В них в качестве исполнительного органа используется пневмоцилиндр, а стабилизация его скорости и гидравлическая фиксация осуществляется гидросистемой.
В гидропневматическом приводе в качестве исполнительных двигателей применяют гидродвигатели, а пневмосистема применяется для создания необходимого давления в гидросистеме, что позволяет отказаться от гидронасосных станций.

46. Конструкции схватов промышленных роботов(ПР), особенности применения
Движение манипуляц-го устр-ва, несущего своб. объект и совершаемые в своб. объеме
Целенаправленное движение манипуляц-го устр-ва по перемещению своб-го объекта, совершаемые в несвободном рабочем объеме
Движение манипуляц-го устр-ва в своб. объеме, согласованные с движением объекта действия
Движения манипуляц-х устр-в в несвоб.объеме, согласованные с перемещением объекта действий

47. Проектирование архитектуры интегрированной компьютерной системы управления (ИКСУ)
Целью ИКСУ является обеспечение условий для взаимосвязанного согласованного управления конструкторско-технологической подготовки произ-ва и упр-я производственными и технол-ми процессами. Методология проектирования таких систем –разделение объекта автоматизации на части, позволяющей осущ-ть эффективную автоматизацию ккаждой из них.
Применительно к иерархически организованных СУ различают горизонт. и вертик. интеграцию. В общем случае, горизонт. интеграция предполагает объединение АС 1-го уровня.Н-р, АС проектных работ производственного процесса.
Вертикальное-объединение разных уровней, в частности, вертик. Интеграция предполагает объединение САПР, автоматизации тех. процесса, а также корпоративных систем(экон-х, финансовых упр-ий персоналом) в единую интегрированную инф. Сеть, что обеспечивает обмен данными между всеми подразделениями упр-ческого уровня.
В наст. время вертик. интеграция формируется путем организации потоков И. от нижнего уровня (датчики, контроллеры АСУТП), от КД САПР во внутр. выч. сети участков и цехов(MES) и далее выч.сети предпр. в целом(ERP)/
Сущность технологии открытых систем состоит в формировании среды, вкл-щей ПО, аппар.ср-ва, службы связи интерфейса, форматы данных и протоколы, обеспечивающие переносимость, масштабируемость и взаимосвязь приложений и данных. Сов-ть этих качеств достигается исп-ем общепризнанных стандартов на ИТ. Основным приемом построения служит национ.стандартизация или построение профиля.
Профиль-согласов. набор базовых стандартов, предназначенные для решения какой-либо задачи или класса задач.
В основе современных архитектур лежат 2 группы моделей: 1) модель объектов данных с описанием И.,циркулирующей в ИКСУ; 2) операц.модели, опр-щие процессы преобраз.И.
Для любых из таких моделей выделяют 4 общие группы стандартов:
1 стандарт на уровни; 2 стандарт на инф.потоки; 3 стандарт на интерфейсы; 4 стандарт на операции и функции
S-88, MES, S-95, OPC,ODBC, SQL, CALS, PLM.
S-88 этот стандарт направлен на увелич.гибкости и прозрачности оборудования и ПО. Он обслуживает batch-процессы и устанавливает рекомендации по реш.задач, связанных с упр-ем обор-я, безоп-тью, произв.рисками и контролем производственных операций. Batch-процесс опр-ся как процесс выпуска конечного кол-ва продукции на основе обработки конечного кол-ва входных материалов в соответствии с указанной рецептурой на одной или более единицах оборудования, т.е. в отличие от непрерывного производства эти процессы основаны на использовании ограниченного кол-ва материала. Такие процессы характерны для гибких производственных систем.
В соответствии с требов-ми стандарта ISA S88.01-1995 при проектировании ИКСУ д.б. разработана модель состояний гибкой произв. системы и ТП в целом. Поведение оборудования планируется в виде диагарммы состояний. Т.о., в любой момент времени оборудование м. находиться в 1-м из предполагаемых состояний-остановка, сброс, пуск, работа, подготовка, авария и др.При исп-ии рекомендации данного стандарта контроллер будет исп-ть виртуальную машину состояний для опр-я состояния оборудования в любой момент времени.
ISA S-95 отвечает за решение задач операц-го менеджмента ср-вами инф-х систем. Он опр-ет интерфейсы между бизнес-функциями и произв-ми операциями и служит для интеграции соврем-х систем упр-я. Стандарт описывает модель производственных операций, получившую развитие в системах для исполнения произв. деятельности и содержит примеры док-та отчетности аналитических зависимостей, исп-мых для оценки эфф-ти произ-ва
Иерархическая модель упр-я согласно ISA-95
ресурсы Ур.4 Бизнес-планирование и логистика(станд.форматы обмена данными
технология (1 и 2 ч), задание, доступные ресурсы)
анализ эффективности произ-ва
Ур.3 Оперативное упр-е произв-вом (функц.модель произ-ва)
парам.обор. и ТП сост.обор-я, операций
команды упр-я состав обор. ISA 95.00.03(3-ья ч.)
Ур.2 АСУТП интерфейсы МЭК
Ур.1 Произв. проектир-е OPC
Ур.0 Датчики, использование устройств ISA-88
В 1 части ISA95.00.01 рассм-ся многоуровневая модель обмена И. и связи между ур.4 и 3 (производств.подразделения). 2 часть станд.определяет форматы обмена данными через эти связи в соответствии со схемой взаимодействия . Здесь определены форматы документов для обмена И.по оборудованиям, материалам, персоналам, технологии изготовления, эффективности ТП. 3 часть стандарта ISA95 описывает модели и действия, хар-ные для упр-я произв-вом(ур.3), ктр. обычно поддерживаются след-щими системами: исполнение произв. деят-ти (MES). контроля качества (LIMS) и автоматизированного упр-я активами предприятия (EAM).
Модель произв-ва приводится в действие плановым производством , по ктр-м составл-ся детальные графики, содержащие рабочие задания, действия и события.
Модели деят-ти при упр-ии произ-ми процессами рассмотрены в 4 части стандарта. 5 раздел стандарта посвящен обмену между бизнес-приложениями и производством. В упр-ии произв-ми процессами входят функции упр-я персоналом, обор-ем и материалами. Имеются функции для упр-я рецептурой и технологией произв-ва.
MES-исполнит.система произв-ва.Эти системы решают задачи синхронизации, координируют, анализируют и оптимизируют выпуск продукции.
OPC-стандарт подключаемости компонентов в компь.СУ. Они разработаны с целью сокращения затрат на создание и сопровождение приложений промышленной автоматизации. Их применение решает вопрос обмена данными с устр-вами разных производителей ИМС разными протоколами обмена данными. OPC-это программная технология на базе W-s технологии, представляющей единый интерфейс для упр-я объектами автоматизации. OPC DA описывает набор функций обмена данными в реальном времени с прогр.логическими контроллерами, ЧПУ и др. OPC AE- функции уведомления по требованию о различных событиях(ававрийные ситуации).
Применение OPC предоставляет разработчикам универс.фиксированный интерфейс обмена данными с любыми устр-вами. Разработчики устр-в ввода-вывода дополняют их спец.программой, реализующей интрефейс.
Достоинства OPC:1.Если заменяется какой-л компонент СУ, то нет нужды корректировать др.ПО, т.к.при замене драйвера поверх нее б.функционировать инсталлирование OPC. При включении нового компонента необходимо правильно сконфигурировать его на программном уровне. Если в систему добавить новую программу, необходима только конфигурация OPC-клиента.
CALS-архит.поддержка сбора данных в течении жизненного цикла продукции. Она обеспечивает единообразные способы упр-я процессами и взаимодействия всех участников этого цикла:заказчиков продукции, поставщиков и производителей экспл-ции и ремонтного персонала.
На предприятии с CAL-технологией реализуется в соответствии с требованиями системы международного стандарта, регламентирующих правила указанного вз-я преимущественно посредством электронного обмена данными.
Применение CALS-технологии позволяет существенно сократить объем проектных работ, т.к. описание составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее хранится в унифицированных форматах данных, доступных любому пользователю технологии CALS. Главная задачарешения-обеспечения единообразного описания и интерации результатов независимо от места и времени их получения в общей системе. При этом структура проектной технологич. и экспл. док-ции, языки ее представления д.б.стандартизованы, тогда становится реализумой успешная работа над общим проектов разных коллективов, разделенных во времени и в пространстве и использующих разные системы. 1 и та же КД м.б.использована в разных продуктах, а технологическая документация адаптирована к разным производственным условиям.
Для обеспечения инф.интеграции в качестве форматов данных используют стандарты ГОСТ ИСО 10303. В CALS входят также стандарты электронного обмена данными, электронные ТД и руководства для совершенствования процесса.
ODBC-это программный интерфейс доступа к БД, он позволяет единообразно оперировать с разными источниками данных, не учитывая особенности взаимодействия в каждом конкретном случае.Это достигается благодаря тому, что поставщики различных БД создают драйверы, реализующие конкретные дополнения функций ODBC с учетом особенностей их продукта.
SQL-язык структурированных запросов, универс.компь.язык для создания, модификации и упр-я данными в реляционных БД.Это язык манипулиров-я данными , ктр. позволяет описывать условия поиска И., не задавая для этого последовательность действий.
PROFINET предназначендля коммуникационной части систем промышленной автоматизации.Он обеспечивает доступ к устр-вам полевого уровня (датчики) со всех уровней упр-я предприятием. Стандарт позволяет выполнять широкий обмен данными и использует стандарты вплоть до полевого уровня: практически все стандарты Ethernet, промышленный протокол CAL.Все они м.б. интегрированы в профильную единую сеть без модификации установленной аппаратуры.
PROFINET использует стандарт TCP/IP для выполнения операций настройки параметров, конфигурирования и диагностики.Обмен данными в реальном масштабе времени выполняется через стандартные каналы связи Ethernet параллельно со стандартными вариантами обмена данными.

48. Описание технологического процесса как объекта автоматизированного управления
Любое производство состоит из множества технологических операций, каждая из ктр-х служит для решения общей задачи выпуска продукции. Даже если большинство технологических операций упр-ся АС(РТК,АСУТП), то это оказывается недостаточной для решения задач упр-я производством, т.к. эти автоматизированные участки обладают собственной логикой работы и оперируют собственным набором данных.
Структурная схема и КСУ производства
КИС ERR
Сист.диспетчерского упр гот продукции
Сист.упр. ТП Сист.оперативного наблюдения
Материалы
На рис. показаны типовые каналы упр-я и наблюдения за ТП. Фактически каналы упр-я и наблюдения в реальных технологических модулях, представляющих собой их различную комбинацию.
По функциональному назначению в СУ м. выделить 5 каналов упр-я,ктр. осуществляют разные по характеру воздействия на технологическую систему. Канал С1 связан с осуществлением разнообразных дискретных операций (вкл.,выкл. приводов). Число подобных операций м. достигать нескольких сотен и упр-я осущ-ся от спец-го машинного контроллера. Канал С2 осущ-ет упр-е движ-ми рабочих органов. В зависимости от геометрии изделия на этом уровне м. осущ-ся линейные и круговые перемещения рабочих органов. С3 отвечает за авоматич. коррекцию формообразующих движений. На этом уровне по результатам измерения обработанных деталей вводятся дополнит. корректирующие возд-вия с целью обеспечения заданной точности.
Каналы С4 и С5 применяются с целью обеспеч-я качества обработки.
Канал С4 связан с активным контролем деталей в процессе обработки, по результатам измерения, отклонений размеров деталей в следствии износа инструментов или деформации осущ-ся под наладкой.
Канал С5 соответствует уровню адаптирования упр-я, осущ-го по результатам измерения силы моментов, деформации с целью изменения параметров процесса обработки.
Для формирования упр-я м. использоваться спец.каналы наблюдения. Различают след.уровни наблюдения:
01 соответствует обнаружению событий об исполнении той или иной команды (осведомит.сигналы, поступающие в систему упр-я для выполнения след.команды).
02-уровень измерения линейных и круговых перемещений. Измерение перемещения и их производных осуществляется измерительными преобразователями различной физической природы.
03-диагностика состояния оборудования, т.е. формирование упр-щих возд-вий м.участвовать и дополнит.измерит.И.,н-р, о параметрах деталей до и после обработки, от состоянии самого технологического модуля, его узлов и т.д.
04-06 контролирование состояний материального потока на входе ТП,н-р,геом. параметры заготовки и инструменты. Ур.07 и 08 контролируют состояние энергетического процесса. Число уравнений наблюдения м.б.значительно больше уравнения упр-я. Чем более ответственный и качественный ТП, тем больше уровней наблюдения требуется для упр-я технологическим процессом

49. Описание производственного процесса как объекта автоматизированного управления: реализации АРМ различных уровней
Описание ПП в целом м.б.представлено в виде карты основных бизне-процессов, на каждый из ктр-х составляется спецификация. Функциональная модель бизнес-процессов представляет собой многоуровневую систему взаимосвязанных диаграмм, содержащую полное описание процессов жизненного цикла произв-ва продукции
При этом вход I представляет собой то, что перерабатывается процессом, выход О-результат переработки, упр-е С-И., необходимая для выполнения процессов и механизм М –обеспечение выполнения процессов с использованием его оборудования(построение функциональных моделей регламентируется Р50.1.028-01).Стандартами MES и S95 установлены 8 базовых бизне-процессов
1 2 3 4
Назначение ресурсов Управление персоналом Данные о продукции
Управление качеством Диспетчеризация закаазов Анализ показателей
Управление процессом Сбор данных
Технологический уровень
1-Данные о продукции, 2-возможности производства, 3-расписание произв-ва,4-производственные показатели
Из перечня задач, ктр.д.решаться в рамках выполнения этих базовых бизнес-процессов м.б.выделены те, ктр.д.б.решены системой интегрированного компь-го упр-я с использованием АРМ различного назначения.
АРМ SCADA-мастера в общем случае д.решать следующие задачи:
1) диагностирование состояний технологического оборудования;
2) упр-е оборудованием посредством экранных форм (в режимах пуска, останова работы и т.п.);
3) подключение и визуализация заявок на производство продукции;
4) контроль над процессом автоматического изготовления;
5) архивирование технологических и расчетных параметров;
6) представление оперативной И.о выполнении сменных заданий;
7) подготовка отчетов о фактическом использовании оборудования.
АРМ SCADA в диспетчеризации производства:
отслеживание выполнения операции технол. требований;
отслеживание выполнения заказов, объема и партий;
контроль в реальном времени выполнения работ в соответствии с планом;
анализ производительности;
формирование отчетной документации;
контроль состояния и распределения ресурсов;
отслеживание занятости оборудования.
АРМ SCADA технолога д.вып-ть след.функции:
1 управление качеством продукции:представление данных измерений о качестве продукции, собранных с технологических линий;
2 мониторинг И.о ходе ТП;
3 отслеживание предупредительной и аварийной сигнализации;
4 оповещение оператора об аварийных и внештатных событиях;
5 представление действий об исправлении ситуаций на основе зависимости и статистических данных;
6 контроль состояния и распределения ресурсов:отслеживание занятости оборудования и коррекция настроечных параметров и задач, сбор и хранение данных, отслеживание историй продукта (где и в каком порядке велась работа с данной продукцией)
АРМ диспетчера по обслуживанию оборудования:
отображение состояния технологического оборудования и всего комплекса аппаратных средств;
отображение графика ремонтов, формирование заданий и контроль выполнения ремонтных работ;
отслеживание аварийной ситуации в ТП;
отслеживание наработки оборудования.
АРМ менеджера или руководителя:
отслеживание графика изготовления продукции по каждому контракту;
контроль номенклатуры и объемов полуфабрикатной продукции в незавершенном производстве;
контроль планирования и отслеживания выполнения планов по производству
отслеживание решений оперативного планирования.

50. Выбор датчиков ТП:типы измерительных устройств, подключение
При их выборе в ПЗ необходимо провести следующие расчеты исследования:
1-тип датчика,2-точность или погрешность измерения,3-диапазон измерения,4-единицы измерений,5-диапазон выходного сигнала датчика,6-условие эксплуатации(защищенность ВГП,различные требов.к источникам питания, помехозащищенность и т.д.), 7-интерфейсы связи с компь.средой,8-стоимость(в т.ч.затраты на экспл-цию).
Интерфейсы выходных сигналов измерительных приборов:
1-по типу вых.сигнала:1) аналоговые(электросигнал,емкость,частота,ток:0-20мА,4-20мА,0-5мА;напряжение,сопротивление),2)цифровые(двоично-десятичный код, RS232,RS485,HART-протокол,промышленные сети);
2-вторичные измерительные преобразователи(измерит.мосты, самописцы, программируемые логич.контроллеры и др.)
Первичный измерит.преобразователь (ПИП) с токовым аналоговым выходом имеет встроенный источник тока с некоторым внутренним сопротивлением.Источник тока упр-ся функцией f(x) измерения параметров ч:
Ток поступает в линию связи и на входном нагрузочном резисторе ВИП создает соот ветствующее падение напряжения,ктр.далее преобразуется в цифровое значение измеряемого параметра ч. ИП данного вида имеют унифицированные вых.сигналы постоянного тока в различных диапазонах (0-20мА,4-20мА,0-5мА). При этом минимальному значению тока соответствует миним.значение измеряемого параметра. Чаще всего при токовом сигнале 4-20мА применяют двухпроводную схему подключения. При сигнале 0-20мА-4-хпроводные.
Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТ 26.011-80. ПИП с цифровым вых.сигналом имеет, как правило, гальванически развязанный выход с открытым коллектором транзистора или параллельным «сухим» контактом, питание ктр-го производится со стороны источника тока, встроенного в ИП. При этом, в зависимости от того,закрыт или открыт выход ПИП величина тока в линии связи имеет либо мах, либо миним.значение тока. Последовательность «замыканий/размыканий» вых.цепи ПИП порождает последовательность токовых двоичных импульсов определенной частоты и длительности, ктр.исп-ся либо для цифрового представления измеряемого параметра, либо для дискретного (вкл/выкл)
Цифровой ИП м.иметь след.вых.сигналы:
1)выход с токовой петлей (соединение),2)выход по интерфейсу RS232 и подключение по RS485,3)ПИП с HART-выходом,4)ИП с полевой шиной.

51. Теорема Котельникова (теорема отсчетов). Квазидетерминированные сигналы.
В теории и технике сигналов широко используется теорема Котельникова (теорема отсчетов): если наивысшая частота в спектре функции s(t) меньше чем fm , то функция s(t) полностью определяется последовательностью значений в моменты, отстоящие друг от друга не более чем на 1/2fm секунд.
В соответствии с этой теоремой сигнал s(t), ограниченный по спектру наивысшей частотой ωm=2πfm, можно представить рядом

где 1/2fm=t— обозначает интервал между двумя отсчетными точками на оси времени;
а s(n/2fm)=s(nt)— выборки функции s(t) в момент времени t=nt.
В реальных условиях fд2fmax*k*n*m
Где k – коэф. запаса
n – количество разрядов.
m – количество каналов.
Квазидетерминированные сигналы.
Квазидетерминироанные модели – модели, в которых значение одного или нескольких параметров априорно неизвестно
При описании квазидетерминированных сигналов широко используют понятие элементарного сигнала.
К элементарным относятся: постоянный сигнал, единичный импульс и синусоидальный сигнал.
1) Постоянный сигнал представляется соотношением х = А, где А = const. Единственным параметром постоянного сигнала является значение А.
2) Единичный импульс описывается математической моделью вида x=d(t-tu),
где d(t-tu)- дельта-функция, принимающая значение 0 при t≠tи и бесконечность -при t=tи .
3) Гармонический сигнал описывается моделью вида:

и имеет три параметра: амплитуду А, частоту ω (или период Т) и начальную фазу φ.
Периодические сигналы могут быть представлены путём разложения их в ряд Фурье:
,
т.е. ряд представлен элементарными гармоническими сигналами.
4) Последовательность прямоугольных импульсов


T
T
X(t)
t

Для периодических импульсных сигналов определяют производный параметр - скважность импульсов q: q=T/tи.
Характеристики периодических сигналов.
Среднее значение (постоянная составляющая):

средневыпрямленное значение:

действующее или среднеквадратическое значение:


52. Преобразование измерительных сигналов. Виды модуляций
Передача информации с помощью тех или иных физических процессов осуществляется путем определенного изменения значений их параметров. Подобные операции называются модуляцией. При модуляции мгновенное значение первичного измерительного сигнала управляет одним или несколькими (сложная модуляция) параметрами вспомогательного сигнала, называемого несущим. В качестве несущего сигнала в измерительной технике используют:
1.постоянный сигнал z(t) ~ xm ,
2.гармонический сигнал z(t) = xm cos (ωt + у),
3.периодическую последовательность импульсов.
В соответствии с выбором носителя и информативного параметра различают следующие виды модуляции:
ПМ — прямая модуляция, обеспечиваемая изменением значения постоянного сигнала; AM — амплитудная; a(t)=A(t)cos(0t+0); ЧМ — частотная, a(t)=AMcos((t)t+0) ФМ - фазовая модуляции, обеспечиваемые воздействием на соответствующий параметр гармонического несущего сигнала; a(t)=A(t)cos(0t+(t)) АИМ — амплитудно-импульсная, ЧИМ — частотно-импульсная, ВИМ — время-импульсная, ШИМ - широтно-импульсная, ФИМ - фазоимпульсная, СИМ — счетно-импульсная, КИМ — кодоимпульсная модуляции, обеспечиваемые воздействием на соответствующий параметр периодической последовательности импульсных сигналов, используемых в качестве несущих.
Модулированное колебание имеет спектр, структура которого зависит как от спектра передаваемого сообщения, так и от вида модуляции.
Основным параметром амплитудно-модулированного колебания является глубина модуляции.
Отношение M=Am/A0 называется коэффициентом модуляции.


Прямая модуляция
Информативный параметр (амплитуда) несущего сигнала содержит модулирующий сигнал с постоянной составляющей A0 x(t) = А0 + Ахт cosΩt
Амплитудная модуляция
QUOTE ,
где Δx(t) - модулирующая функция.
Частотная и фазовая модуляция при изменении частоты всегда изменяется фаза колебаний, а при изменении фазы меняется частота, поэтому ЧМ и ФМ имеют общий характер, иногда их объединяют под общим названием угловой модуляцией.
Импульсная модуляция при ИМ используются несущие сигналы, в в идее периодической последовательности импульсов.

53. Цифровые частотомеры
Цифровые частотомеры являются многофункциональными приборами, в зависимости от режима их работы можно проводить измерение не только частоты, но и интервалов времени (периода следования периодических сигналов)
Принцип измерения частоты гармонического сигнала цифровым методом поясняет рис.8, где приведены структурная схема цифрового частотомера в режиме измерения частоты и временные диаграммы к его работе.
ВУ
Ф1
ВС
СЧ
ЦОУ
ГОЧ
Ф2
УФУ
u2
u3
u4
Вход

u1

Исследуемый гармонический сигнал, имеющий частоту fX , подается на входное устройство (ВУ), усиливающее или ослабляющее его до значения, требуемого для работы последующего устройства частотомера.
Формирователь Ф1 состоит из усилителя-ограничителя и компаратора (триггера Шмитта).
Счетные импульсы поступают на один из входов временного селектора (ВС), на второй вход которого от устройства формирования и управления (УФУ) подаётся строб-импульс прямоугольной формы и калиброванной длительности. Временной селектор открывается строб-импульсом и в течение его длительности пропускает группу (пакет) импульсов на вход счетчика (СЧ). В результате на счетчик поступает пакет из NX импульсов.
Для формирования строб-импульса на устройство УФУ поступают короткие импульсы с периодом To от схемы, включающей генератор образцовой частоты (ГОЧ) и второй формирователь импульсов (Ф2), аналогичный формирователю Ф1. В составе ГОЧ имеется кварцевый генератор образцовой частоты и декадный делитель частоты с коэффициентом деления. Период импульсов на выходе формирователя Ф2 и длительность строб-импульсов равны периоду сигнала на выходе делителя частоты.
Счетчик подсчитывает NX импульсов и выдает соответствующий (двоичный) код в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).
Циклический режим работы частотомера задаётся УФУ, при этом перед началом каждого измерения УФУ сбрасывает показания счетчика в ноль.

54. Цифровые фазометры
Цифровые фазометры предназначены для измерений углов поворота, снятия фазочастотных характеристик различных звеньев. Цифровые фазометры можно разделить на две группы: для измерения мгновенного значения сдвига фаз и для измерения среднего значения сдвига фаз. Сдвиг по фазе φx между двумя напряжениями u1(t) и u2(t) легко преобразуется во временной интервал τx.
Поэтому схема цифрового фазометра отличается от схемы ЦИП для измерения временных интервалов двумя формирователями Ф1 и Ф2, формирующими старт- и стоп-мпульсы в момент перехода кривых напряжений u1(t) и u2(t) через нуль, и блоком выделения временного интервала БВВИ (рис. а, б).
2731544909
Uf2
Uf1
ГИ
СЧ
К
БВВИ
Ф2
Ф1
UT
Рис.12.6. Цифровой фазометр: а - структурная схема; б - временная диаграмма; (БВВИ - блок выделения временных интервалов; Ф - формирователь; К - ключ; ГИ - генератор импульсов; Сч - счетчик; УИ - устройство индикации).
N



Фазовый сдвиг гармонических колебаний

где Тх = 1/fx - период колебаний; тх - временной сдвиг между колебаниями.
Таким образом, в соответствии со структурной схемой на рис. 12.6, а количество импульсов сигнала uN(t) образцовой частоты f0 с ГИ, поступившее за время τx в счетчик Сч, будет равно QUOTE Отсюда
При измерении фазового сдвига необходимо обеспечить условия:
Либо обеспечить постоянство частоты измеряемого сигнала f1 и f2.
Либо обеспечить постоянство отношения fx/f0.
Либо изменить значение периода Tx.
Значение сдвига τx, а затем вычислить QUOTE
Максимальная погрешность квантования при измерении фазы пропорциональна частоте входного сигнала.

55. Цифровые вольтметры (ЦВ) временного преобразования
Рассмотрим некоторые структуры вольтметров. Цифровые вольтметры (ЦВ) временного преобразования реализуются по методу развертывающего преобразования и могут быть неинтегрирующими и интегрирующими (ИЦВ).

Upm
Ux
UT
N
ГИ
ДЧ
ГПН
К
Неинтегрирующие ЦВ предназначены для измерения мгновенных значений входного напряжения. Эти вольтметры не защищены от действия помех и не обеспечивают высокой чувствительности и разрешающей способности. Здесь значение измеряемого напряжения их предварительно преобразуется в интервал времени Тx, который кодируется методом последовательного счета. На рис. 12.7, а, б представлены структурная схема и временная диаграмма работы цифрового вольтметра развертывающего временного преобразования (ЦВР). В ЦБР преобразование их в Tх производится посредством сравнения их с линейно изменяющимся напряжением иp , формируемым генератором пилоообразного напряжения ГПН.

Импульсы из запуска, вырабатываемые генератором импульса ГИ и делителем частоты ДЧ, устанавливают триггер Т в единичное состояние и запускают ГПН, который формирует напряжение развертки иp=vpt, где vp =Upm/T — скорость нарастания пилообразного напряжения; Upm — максимальное значение NX
UT2
U3

UT1
напряжения развертки; Т — время развертки. Обычно ГПН представляет собой интегратор, подключаемый на заданное время к источнику постоянного опорного напряжения. В момент равенства иx и иp устройство сравнения УС вырабатывает импульс, возвращающий триггер Т в нулевое состояние. Триггер Т формирует импульс иT длительностью Tх=иx/иp в течение которой открыт ключ К и импульсы образцовой частоты f0 поступают в счетчик Сч. Количество импульсов, накапливаемых в Сч, QUOTE
Интегрирующие цифровые вольтметры получили наибольшее распространение среди цифровых вольтметров. Главное достоинство их — высокая помехозащищенность.
Как известно, самой распространенной помехой является переменное напряжение с частотой промышленной сети.
УИ
Интегрирование входного напряжения, т. е. усреднение за некоторый фиксированный интервал времени, позволяет получить результат (теоретически) без влияния помехи.
2731542938Метод интегрирования нашел свое развитие в ИЦВ двухтактного интегрирования, в которых происходит сравнение интегралов измеряемого и образцового напряжений.
Работа ИЦВ инициируется поступлением импульса запуска Uз от устройства управления и триггер Т1 открывает ключ К2, разрешая тем самым прохождение на интегратор И измеряемого напряжения Uх.
Одновременно открывается ключ К3 и импульсы с частотой f0 с ГИ поступают на вход ДЧ. При выбранном коэффициенте деления К0 через время t0 = t2 – t1 на выходе ДЧ появляется импульс управления триггера Т2 и Т1, который инвертирует их состояния. Тем самым закрывается ключ К2, заканчивая интегрирование измеряемого напряжения Uх, и открывается ключ К1, подключающий на вход И опорное напряжение Uоп, полярность которого противоположна Uх.
К — ключ; Т — триггер; И — интегратор; УС — устройство сравнения; Сч — счетчик; ГИ — генератор импульсов; УИ — устройство индикации.
В момент времени t3, когда напряжение и Un(t3) =0, cрабатывает устройство сравнения УС, триггер Т2 возвращается в исходное состояние, ключ К1 закрывается и интегрирование заканчивается.
Tx*Ux = Ton*Uon
Импульс T2 с длительностью Тx открывает счетчик Сч. Количество импульсов при этом

пропорционально среднему значению измеряемого напряжения.
Результат измерения NX не зависит от значения постоянной времени интегрирования интегратора и частоты f0.
ИЦВ двухтактного имеют значительно погрешность измерения, чем ЦВ развертывающего временного преобразования.
Как правило, ИЦВ двухтактного интегрирования обеспечивают 10 —20 измерений в секунду. Интегрирующие ЦВ используются в ИИС вкачестве прецизионных АЦП.

56. Микропроцессорные цифровые измерительные приборы.
Появление первых микропроцессоров (МП) в интегральном исполнении и дальнейший быстрый их прогресс и удешевление коренным образом изменили подходы к разработке многофункциональных ЦИП.
Применение МП в измерительной технике позволяет резко повысить точность приборов, значительно расширить их возможности, повысить надежность, решать задачи, которые ранее вообще не рассматривались.
Основные функции, возлагаемые на МП в ЦИП:
измерение — управление АЦ-преобразованием: линеаризация функции преобразования; автоматический выбор пределов измерения; выбор каналов и типов измерения; компенсация помех; исключение систематических погрешностей;
обработка — накопление массивов измерительной информации; косвенное измерение; статистическая и другие виды обработки; сжатие данных; адаптация к входному сигналу;
управление — прием управляющих воздействий оператора; настройка прибора на режим работы; контроль за действиями оператора с возможностью коррекции его ошибок; выдача справочной информации; сигнализация в экстремальных ситуациях;
отображение — управление работой СОИ; хранение результатов предыдущих измерений; отображение текстовой информации большого объема; отображение графической информации; вспомогательная и сервисная информация (время, дата и т.п.);
интерфейсные функции — управление интерфейсом; работа в комплексе с другими ЦИП;
тестовые функции — самотестирование; калибровка измерительных каналов.
В ряде случаев для ЦИП создают многопроцессорную систему управления, в которой осуществляется специализация функций процессоров: процессор ввода-вывода, процессор управления, процессор обработки и т.д.
Применение в измерительной технике МП породило новый класс цифровых программируемых многоканальных измерительных приборов, получивших за рубежом наименование логгеров (регистраторы данных).
Типовой логгер построен на концепции шинной организации и по блочно-модульному типу. Здесь все элементы измерительной системы рассматриваются как внешние устройства (ВУ) для МП или микроЭВМ.
Логгеры могут содержать до 100 измерительных каналов, опрашиваемых синхронно или асинхронно, причем частота опроса может изменяться в широких пределах.
Встроенный МП управляет прибором согласно заданной программе. В большинстве современных логгеров программа управления хранится на дисках.
Обобщенная структурная схема регистратора данных.

БК — блок коммутатора; ЦСОИ — цифровая система отображения информации; ПО — пульт оператора; МС — модуль сопряжения.
ЦИП, построенные на базе персональных ЭВМ, вычислительные возможности которых и сама архитектура оказались достаточно приспособленными для этого. Появившаяся "избыточная" вычислительная мощность и наличие хорошо развитых структур персональных компьютеров позволили осуществить разумное сочетание аппаратных и программных средств.

57. Резистивные датчики (реостатные, тензорезисторы)
Измерительный параметр – омическое сопротивление. К резистивным датчикам с механическим перемещением относят реостатные, пьезорезисторы, тензорезисторы.
1) Реостатные датчики – преобразуют измеряемую величину в омическое сопротивление. Реостатные датчики - представляют собой переменное сопротивление специальной конструкции, движок которого под действием входной величины х меняет свое положение. Наиболее часто такие датчики применяются для измерения перемещений, для измерения уровня жидкости и пр. На первом этапе измеряемая величина преобразуется в перемещение движка переменного резистора. Изготавливаются из манганина, константана, вольфрама.
Требования к материалам: минимальный температурный коэффициент, устойчивость к механическим воздействиям. Движок должен обеспечивать хороший механический контакт. Движок – сплав платины и лития.
054610При этом R1+R2=R0.
Если обозначить Х- угловое или линейное перемещение движка тогда:  .
Резистивные преобразователи применяются в системах, где прилагаемое усилие ≥10-2 Н. Величина перемещения ≥ 2 мм. Частота питания ≤ 5 Гц.
2) Тензорезисторы – используют для исследования механических напряжений.
Тензорезистивные датчики. Они изготавливаются из проволоки, фольги и полупроводниковых пластинок. Их принцип действия основан на изменении электрического сопротивления под действием механической деформации.

1 - выводы транзистора; 2 - база; 3 - проволока; 4 - слой лака; 5- исследуемая поверхность.Q=- статическая нагрузка; Q~ - динамическая нагрузка;
Тензорезестивный преобразователь состоит из базы 2, на которую наклеена проволока 3 диаметром 0,02 — 0,03 мм зигзагообразной формы. К концам проволоки приварены выводные провода 1. Сверху провода нанесен слой лака 4. Датчик наклеен на исследуемую поверхность 5 и вместе с ней деформируется, преобразуя механическое напряжение в изменение омического сопротивления.
Для преобразования приращения сопротивления могут быть использованы как мостовые схемы, так и схемы с делителями напряжения.
58. Электромагнитные датчики (индуктивные, трансформаторные, магнитоупруние).
Принцип действия этих датчиков основан на взаимодействии магнитных потоков. О величине перемещения или деформации судят по изменению тока в катушке индуктора. 
199390868680Индуктивные датчики Принцип действия индуктивных датчиков основан на изменении индуктивности L (коэффициента самоиндукции) или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником вследствие изменения магнитного сопротивления RM магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник. Индуктивные датчики относятся к классу параметрических. Измеряемое механическое перемещение на входе датчика вызывает изменение параметров магнитной и электрической цепей его, что в свою очередь вызывает изменение выходной величины — электрического тока I. С помощью индуктивных датчиков можно контролировать механические перемещения, механические силы, температуру, свойства магнитных материалов. Индуктивные датчики используются на относительно низких частотах (до 3000—5000 Гц), так как на высоких частотах резко растут потери в стали на перемагничивание и вихревые токи.
-2784475444500Для практических применений наиболее удобны трансформаторные датчики, выходной параметр которых - ЭДС. Применяют для повышения точности измерений.
Одноэлементный датчик Дифференциальный датчик 1 — Сердечник 2 — Вторичные обмотки
При отсутствии перемещения сердечника 1 в обмотках 2 трансформатора индуцируются одинаковые ЭДС, сумма которых ввиду их встречного соединения равна нулю. При появлении перемещения в одной половине магнитной цепи за счет уменьшения воздушного зазора возрастает магнитный поток, увеличивается наводимая ЭДС во вторичной обмотке. Аналогично уменьшается ЭДС во второй половине датчика ввиду увеличения воздушного зазора. Возникающая результирующая (суммарная) ЭДС пропорциональна значению перемещения.
Среди датчиков индуктивного типа особое место занимают магнитоупругие, принцип действия которых основан на изменении магнитной проницаемости сердечника 1 под действием механической силы Q.
2731542445
1 — Магнитопровод 2,3 — Обмотки
Магнитоупругий датчик представляет собой магнитопровод 1 прямо-угольной формы с четырьмя симметрично расположенными отверстия-ми, в которых размещены две обмотки 2 и 3, причем плоскости этих обмоток взаимно перпендикулярны. Обмотка 3 питается током переменного напряжения, а обмотка 2 является измерительной. При полной симметрии магнитопровода и изотропности материала индуктивная связь между обмотками отсутствует, так как магнитный поток обмотки 3 не пересекает вторичную. Следовательно, ЭДС обмотки 2 при отсутствии механических напряжений в материале магнитопровода равна нулю.
При воздействии на магнитопровод механического усилия Q нарушается изотропность материала вследствие изменения магнитных свойств последнего под действием упругих напряжений и, как следствие этого, изменяется напряжение магнитного потока обмотки 3. При этом часть потока обмотки 3 пересекает витки обмотки 2, в результате чего в последней наводится ЭДС, возрастающая с увеличением действующего на магнитопровод усилия.
Достоинства: простота конструкции, высокая надежность, возможность измерения больших сил (105— 106 Н). Недостатки: невысокая точность, погрешность 1-4 %.

59. Пьезоэлектрические датчики
Некоторые диэлектрики при воздействии на них механического усилия подвергаются электрической поляризации, что представляет собой явление прямого пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект характеризуется тем, что диэлектрический материал под воздействием электрического поля подвергается механической деформации. При этом пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т. е. при изменении направления механического напряжения изменяется полярность электрических зарядов и при изменении полярности электрического поля меняется направление механической деформации диэлектрика.
К материалам, обладающим пьезоэффектом, можно отнести кварц, сегнетовую соль и другие кристаллические вещества, а также искусственные керамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.
Электрический заряд, возникающий на гранях пьезоэлектрической конструкции, определяется формулой q=dQ
16510117475где d — пьезоэлектрический модуль.
-30200602407920Пьезоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа (входная величина — силвыходная—количество электричества). Обычно для увеличения чувствительности пьезодатчика применяют две или несколько пластинок, соединенных параллельно; при этом заряды одноименно заряжающихся плоскостей должны складываться. Ha рис. приведена простейшая схема пьезоэлектрического датчика, состоящего из пластинок 1, и станиолевых прокладок 3, которые служат одним из выводов, а второй вывод имеет контакт с корпусом 2. Изоляционная прокладка 4 служит для уменьшения утечки зарядов.
Различают продольный и поперечный пьезоэффекты.
1 — Пьезокристалл
Следует отметить, что мощность, развиваемая пьезоэлементом, чрезвычайно мала, ввиду этого измерительная цепь датчика тщательно экранируется от помех и наводок.
При измерении статических сил возникающий электрический заряд утекает через сопротивление измерительной цепи, следовательно, исключается возможность их регистрации. Поэтому практически пьезоэлектрические датчики применяются для регистрации лишь динамических сил. Частотный диапазон измерений составляет 10-5 —10s Гц.
В измерительной цепи пьезодатчиков обычно используется усилитель выходным сопротивлением R > 1013 Ом с малой входной емкостью. Дифференцирующий характер пьезоэлектрических преобразователей позволяет на их базе построить датчики виброускорений — акселерометры.


60. Тепловые датчики (термопары, термометры сопротивления).
Принцип действия тепловых датчиков основан на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена). На этом принципе строятся датчики для измерения не только температуры, но и других физических параметров, таких, как тепловой поток, скорость потока в и жидкости, расход, химический состав, давление газов, влажность, уровень и др.
Для измерения температуры последняя преобразуется в промежуточную величину, например в ЭДС, электрическое сопротивление и другие величины. Отметим, что для регистрации весьма больших температур используется оптический метод.
Из всех существующих методов измерения температуры наиболее широко применяются термоэлектрические.
Термоэлектрическое явление заключается в том, что при соединении двух проводов А и В из разных материалов (термопара) и создании разности температур между точкой соединения T1 и точками свободных концов Т0 возникает ЭДС, пропорциональная разности функций температур: E(T1,T0)=f(Tl)-f(T0).
Значение термоЭДС зависит от материалов термопары и колеблется в пределах от долей до сотен милливольт на 100 °С Характеристика термоэлектрических преобразователей, как правило, нелинейная ив значительной степени зависит от наличия примесей, механической и термической обработки материалов термопары.

А, В — Провода T1 — Точка горячего спая T0 — Точка холодного спая
Каждая термопара снабжается градуировочной характеристикой. Градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов, равной нулю; при температуре, отличной от нуля, возникает дополнительная погрешность.
При градуировке термопар для исключения погрешности от непостоянства внутреннею сопротивления прибора (мВ) последний градуируется совместно сдатчиком.
Термометры сопротивления. (ГОСТ 6651-78) имеют две основные разновидности:
Термосопротивления с платиновым (ТСП) и медным (ТСМ) чувствительными элементами.
Современные платиновые терморезистивные датчики температуры имеют вид спирали, помещенной в канавках двух- или четырехканального керамического каркаса и уплотненной порошкообразной окисью алюминия. Такая конструкция позволяет использовать преобразователь как в защитной арматуре, так и без нее.
Медный терморезистивный чувствительный элемент представляет собой бескорпусную обмотку из медной изолированной проволоки, покрытую сверху фторопластовой пленкой. Для обеспечения необходимой прочности обмотку помещают в тонкостенную металлическую гильзу, которую засыпают керамическим порошком и герметизируют.
Наиболее близка к линейной – хар-ка терморезисторов.
61. Организация и этапы разработки конструкторских документов.
Существуют следующие стадии разработки КД.
1.ТЗ устанавливает основное назначение, технические и тактико-технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования предъявляемые к разрабатываемому изделию, выполнение необходимых стадий разработки КД и ее состав, а также специальные требования к изделию.
2.Техническое предложение – совокупность конструкторских документов, которые должны содержать техническое и технико-экономическое обоснование целесообразности разработки документации изделия на основании анализа технического задания заказчика и различных вариантов возможных решений изделия, сравнительной оценке решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий, а также патентных материалов.
3.Эскизный проект – совокупность КД, которые должны содержать принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие назначение, основные параметры, габаритные размеры разрабатываемого изделия,
4.Технический проект – совокупность конструкторских документов, которые должны содержать окончательные технические решения, дающее полное представление об устройстве разрабатываемого изделия и исходные данные для разработки рабочей документации.
5.Разработка рабочей документации опытного образца с литерами “О1” и “О2” и др., установочной серии с литерой “А”, установившегося серийного или массового производства с литерой “Б”.

62. Виды КД.
КД подразделяются: 1) на единичные; 2) групповые – изделия, обладающие общими конструктивными признаками и имеющие некоторые отличия друг от друга.
Графические: 1) чертеж детали – изготовление детали и данные необходимые для ее изготовления, контроля и испытаний; 2) сборочный чертеж (СБ) – изображение изделия и данные, необходимые для его сборки (изготовления) и контроля; 3) чертеж общего вида (ВО) – изображение конструкции изделия, дающее представление о взаимодействии его основных частей и принципе работы. Выполняется на этапе эскизного проектирования; 4) теоретический чертеж (ТЧ) – геометрическая форма изделия и координаты его основных частей; 5) габаритный чертеж (ГЧ) – контурное (упрощенное) изображение изделия с габаритными, установочными и присоединительными размерами; 6) монтажный чертеж (МЧ) - контурное (упрощенное) изображение изделия, содержащее данные для его установки(монтажа); 7) схема – условные изображения или обозначения составных частей изделия и связей между ними; 8) спецификация – состав сборочной единицы комплекса или комплекта.
Текстовые: 9) ведомость спецификации (ВС) – перечень всех спецификаций составных частей изделия с указанием из количества и входимости; 10) ведомость ссылочных документов (ВД) – перечень ссылочных документов, на которые имеются ссылки в КД; 11) ведомость покупных частей (ВП) – перечень покупных изделий, примененных в составе разрабатываемого изделия; 12) ведомость согласования применения покупных изделий (ВИ) – подтверждение согласования с соответствующими организациями применения определенных покупных изделий в разрабатываемом изделии; 13) ведомость держателей подлинников (ДП) – перечня предприятий, на которых хранятся подлинники документов, разработанных для данного изделия; 14) ведомость технического предложения (ПТ), эскизного (ЭП), технического (ТП) проекта – перечень документов, вошедших в техническое предложение (ЭП, ТП); 15) пояснительная записка (ПЗ) – описание устройства и принципа действия разработанного изделия, а также обоснование принятых при его разработке технико-экономических решений; 16) технические условия (ТУ) – потребительские (эксплутационные) показатели изделия и методы контроля его качества; 17) программа и методика испытаний (ПМ) – технические данные, подлежащие проверке при испытании изделия, а также порядок и методы их контроля; 18) таблица (ТБ) – номенклатура таблиц, содержащих данные; 19) документы прочие (Д) – все документы, которых нет в стандартах ЕСКД; 20) расчет (РР) – расчет параметров и величин, например, расчет размерных (РР) цепи, электрических режимов и т.д.; 21) эксплуатационные документы – предназначены для использования при эксплуатации, обслуживании, ремонте и в процессе эксплуатации; 22) ремонтные документы (РД) – служащие для проведения ремонтных работ на специализированных предприятиях; 23) инструкция (И) – указания и правила, используемые при изготовлении изделия (сборке, регулировке, контроле и т.п.); 24) патентный формуляр (ПФ) – содержит сведения о патентной чистоте объекта, а также о созданных и используемых при его разработке отечественных изобретениях; 25) карта технического уровня и качества изделия (КУ) – содержит данные, определяющие технический уровень качества изделий и соответствие его технических и экономических показателей достижениям науки и техники, а также потребностям народного хозяйства.
Наименование КД в зависимости от способа их выполнения: 1) оригиналы - документ, выполненный на любом материале и предназначенный для изготовления по ним подлинников; 2) подлинники – документ, оформленный подлинными установленными подписями и выполненные на любом материале, позволяющим многократное воспроизведение с них копий; 3) дубликаты – копии с подлинников; 4) копии – документы, выполненные способом, обеспечивающим их идентичность с подлинником.

63. Стандартизация и БНК.
Стандартизация – это установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области.
Задачи стандартизации: разработка требований к качеству готовых изделий на основе комплексной стандартизации их характеристик; установление требований и методов в области проектирования и производства РЭА; введение единых систем документации; установление единых требований и обозначений.
Составные части стандартизации: типизация; агрегатирование; унификация.
Типизация – это способ ликвидации излишнего многообразия изделий путем их обоснованного сведения к ограниченному числу избранных типов (типоразмеров), при котором размеры и параметры изменяются с определенным шагом.
Унификация подразумевает создание типовых (модульных) конструкций, размеры сторон которых изменяются по метрическому или ритмическому соотношениям, прилагаемых ко всем или некоторым габаритным размерам. При метрическом соотношении значения n-го размера составляют: an=a0+n*m. При ритмическом an=a0*Km, где a0 – начальное значение размера; n – целое или дробное число, лежащее в основе целого размерного параметрического ряда; m – величина приращения при метрическом соотношении; Km – коэффициент прогрессии ритмического соотношения.
БНК.
Несущая конструкция(НК) - это элемент или совокупность конструктивных элементов, предназначенных для размещения составных частей изделия, обеспечения их конструктивной целостности и неизменности в соответствии с конструкторской документацией. НК, имеющая стандартизированные размеры и конструктивное решение, обязательное при конструировании радиоэлектронных средств различного функционального значения, называется базовой несущей конструкцией (БНК). БНК имеют три структурных уровня:
- БНК1 (ячейка, кассета и др.) - для размещения электронных модулей нулевого уровня, изделий электронной техники и электротехнических изделий;
- БНК2 (блок, вставной блок, блочный каркас и др.) - для размещения радиоэлектронного средства, выполненного на основе БНК1;
- БНК3 (шкаф, стойка, стеллаж, рама, пульт оператора, приборный стол и др.) – для размещения радиоэлектронного средства, выполненного на основе БНК2 и (или) БНК1.Вся сложная ЭА в настоящее время строится на основе каких-либо БНК (принципы модульности, стандартизации, унификации, отсюда следует совместимость и взаимозаменяемость электронных модулей). При использовании БНК конструирование ЭА сводится к разработке новых печатных плат внутри- и меж- блочного монтажа и передних панелей.
Существуют каркасные и бескаркасные БНК, у первых стойкость, прочность, жесткость и устойчивость конструкции обеспечивается наличием каркаса, у вторых – совокупностью других составляющих его элементов.
Элементы несущих конструкций ЭС предназначены для размещения и крепления компонентов электрической части изделия, передачи и распределения температурных нагрузок, защиты от механических воздействий и др. факторов внешней среды.
Анализируя структурные уровни ЭС можно выделить соответствующие им структурные уровни базовых несущих конструкций (табл. 5.4).
Таблица 5.4
Обозначения
Структурного
уровня ЭС БНК
0
1
2
3
4 ЭРЭ, ИС, БИС (покупные изделия)
Объемные модули, микромодули, МСБ
Функциональные узлы
Блок
Конструктивно и функционально законченное изделие (собственно РЭА) Подложка, корпус
Плата
Плата в сборе
Каркас (корпус)
Стойка, шкаф, стеллаж, рама
Кроме указанных БНК, при конструировании ЭС всех структурных уровней применяют другие элементы несущих конструкций: профили, основания, направляющие, кожухи, обшивки, основания, рамки, панели, экраны, воздуховоды, радиаторы, элементы фиксации, элементы крепления и др.
Выбор материалов и правила конструирования печатных плат достаточно известны из литературы и частично были рассмотрены нами ранее. Остальные элементы несущих конструкций, как правило, выполняются из металлов и сплавов и выполняют роль элементов жесткости общей конструкции. В некоторых случаях они несут силовую нагрузку и поэтому должны быть рассчитаны согласно основным формулам теории прочности и упругих деформаций.
система «ЕС-902» - разработана на основе стандартов DIN и международной эл. технической комиссии (МЭК) и включает в себя два основных типоразмера ПП – «С» и «F» и два соответствующих им типоразмера комплексных корпусов; система «INTERMAS» - современная универсальная вариантная конструкторская система, отвечающая требованиям высокой плотности монтажа, рационального производства и автоматизированной сборки и эл. монтажа. Применяется как в серийном производстве, так и при индивидуальном. Более развита структура, чем у ES – 902. Для INTERMAS и ES – 902 2,54 мм единый размерный модуль;
“НАДЕЛ-85”- система, служащая для построения электронных измерительных приборов или соответствующих им по сложности РЭС, работающих как при стационарном размещении, так и в подвижном (закрытые кузова автомобилей, закрытые помещения судов).
Состав системы “Надел-85” показан на рис. 5.2. система «Надел - 82» - позволяет в короткие сроки формировать как подвижные, так и стационарные измерительные системы, системы с телеметрическими каналами связи. Система работает в технологических комплексах, специальных измерительных системах. По своим размерам и ТТ соответствует ГОСТу 26765.17 – 90.

Рис. 5.2 Конструкционная система электронных приборов:
1 – малогабаритный агрегатируемый корпус;
2 – настольно-стоечный корпус;
3- вставной блок;
4 – малогабаритный осциллографический корпус;
5 – малогабаритный неагрегатируемый корпус;
6 – настольно-переносной корпус;
7- агрегатирование настольно-переносных корпусов по вертикали;
8 – варианты конструкций настольных осциллографических блоков;
9 - агрегатирование по ширине;
10 – стоечное исполнение базового корпуса;
11 – установка вставных блоков и осциллографа;
12 – стоечный вариант конструкции с рамой;
13 – установка стоечных блоков в шкаф.

64. Виды и типы схем, обозначения по ЕСКД.
Виды схем: электрические (Э3); гидравлические (Г); пневматические (П); газовые (Х); кинематические (К); вакуумные (В); оптические (Л); энергетические (Р); деления (Е); комбинированные (С).
Типы схем: структурные (1) – отображает принцип работы изделия в общем виде. На схеме изображают все основные функциональные части изделия, а также основные взаимосвязи между ними. Действительное расположение составных частей изделия не учитывают и способ связи не раскрывают. Построение схемы должно давать наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии. Направление хода процессов, происходящих в изделии, обозначают стрелками на линиях взаимосвязи. Функциональные части на схеме изображают в виде прямоугольников или условных графических обозначений. При обозначении функциональных частей в виде прямоугольников их наименования, типы, и обозначения вписывают внутрь прямоугольников; функциональные (2) – на схеме изображают функциональные части изделия (элементы, устройства и функциональные группы) и связи между ними. Графическое построение схемы должно наглядно отражать последовательность функциональных процессов, иллюстрируемых схемой. Действительное расположение в изделии элементов и устройств может не учитываться. Функциональные части и связи между ними изображают в виде УГО. Отдельные функциональные части на схеме допускается изображать в виде прямоугольников; принципиальные (3) – является наиболее полной электрической схемой изделия, на которой изображают все электрические элементы устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все связи между ними, а также элементы подключения (разъемы, зажимы), которыми заканчиваются входные и выходные цепи. На схеме могут быть изображены соединительные и монтажные элементы, устанавливаемые в изделии по конструктивным соображениям; соединений (монтажные) (4) – определяет конструктивное выполнение электрических соединений элементов в изделии. На схеме изображают все устройства и элементы, входящие в состав изделия, их входные и выходные элементы (соединители, платы, зажимы и т.п.) и соединения между ними. Устройства изображают в виде прямоугольников или упрощенных внешних очертаний, элементы – в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах ЕСКД, прямоугольников или упрощенных внешних очертаний; подключения (5) – показывает внешние подключения изделия. На схеме должны быть изображены изделие, его входные и выходные элементы (соединители, зажимы и т.п.) и подводимые к ним концы проводов и кабелей внешнего монтажа, около которых помещают данные о подключении изделия (хар-ки внешних цепей, адреса) На схеме изделия и их составные части изображают в виде прямоугольников, а входные и выходные элементы (соединители) – в виде условных графических обозначений; общие (6) – на схеме изображают устройства и элементы, входящие в комплекс, а также соединяющие их провода, жгуты и кабели Устройства и элементы изображают в виде прямоугольников; расположения (7) – определяет относительное расположение составных частей изделия, а при необходимости, также жгутов, проводов, кабелей. На схеме изображают составные части изделия и при необходимости связи между ними, а также конструкцию, помещение или местность, на которых эти части расположены. Составные части изделия изображают в виде упрощенных внешних очертаний или УГО, которые располагают в соответствии с действительным размещением частей изделия в конструкции или на местности. Провода, жгуты и кабели изображают в виде отдельных линий или упрощенных внешних очертаний; объединенные (0).

65. Методы компоновки конструкции ЭВС.
Каждый из методов применяется на том или ином этапе разработки аппаратуры, имеет свои особенности выполнения и оформления компоновочных элементов, в зависимости от выбранной элементной базы, способа монтажа соединений и компоновочного уровня:
Аналитическая компоновка – проводится на ранних стадиях разработки ЭВА и представляет собой прикидочную оценку основных компоновочных характеристик РЭА, блока, узла. Для изделий малой сложности или малого блока производится расчёт: V=KV*Viуст; G=G’V; P0=KP*P0.Для изделий большой сложности, расчет компоновочных характеристик проводится по укрупнённым характеристикам.
Номографическая компоновка – является частным видом аналитической компоновки и для расчета основных показателей компоновки исполь-я номограммы оцифрованные в условных единицах установочных объёмов. Эта компоновка также исполь-я на этапе ТП, для из-й малой сложности
Преимущества: 1) повышенная точность расчёта (10…15%); 2) значительно ниже трудоёмкость (1 часа).
Аппликационная компоновка – в отличие от рассмотренных выше имеет наглядность. Сущность в том, что на тонком картоне, плотной бумаге вычерчивают необходимые проекции компонентов изделия. Вычерчивают в масштабе 2:1, 5:1 и более или 1:1, 1:2, 1:5. После вычерчивания аппликацию вырезают по контуру.
Модельная компоновка – при изготовлении объёмных моделей элементов, формы их выбирают такими, чтобы они имели простые но характерные обводы. Клееные модели из плотной бумаги или тонкого картона могут быть только простых форм (цилиндры, конусы, кубы и т.п.). Модели крепят с помощью профилированных отв-й, шпилек, гаек. Мелкие модели выполняют из пластилина.
Графическая компоновка – при этом используют упрощённые способы начертания элементов. Существуют чертежи элементов с различной степенью детализации их начертания: а) изображения дающие подробные сведения о геометрической форме деталей; б) контурные – дают полное представление о форме детали, в) условное изображение детали в виде прямоугольников. Большое удобство даёт использование специальных трафаретов из целлулоида или органического стекла, в котором выполнены контуры деталей. Удобно использовать цветное изображение. Соединительные линии выполняют наклейкой или вычерчиванием.
Натурная компоновка – при этом вместо моделей или аппликаций пользуются реальными элементами. Три способа натурной компоновки: 1) собирают все Эл-ы уст-ва, плотно укладывают их в коробку и задаваясь коэф заполнения объёма, пересчитывают полученное значение объёма; 2) элементы подготавливают к монтажу и раскладывают их в необходимом порядке на листе бумаги, затем место расположения элементов обозначают простым карандашом, а места пайки цветным. Наложив лист пергамента по цветным точкам выполняют монтажный эскиз; 3) используя элементы уст-ва, выполняют его макет.
Машинная компоновка – является одной из стадий машинного проектирования РЭА. Из-за высокого уровня унификации конструктивных элементов их машинное проектирование является наиболее распространённым.

66. Климатические зоны и категории исполнения.
Климат – характерная для данной области на поверхности Земли совокупность типичных изменений атмосферных процессов, обусловливаемых географическими координатами, уровнем солнечной радиации, строением земной поверхности и т.д.
Категории исполнения электротехнических изделий в зависимости от места размещения
Категория исполнения изделия Характеристика места размещения
1 На открытом воздухе
2 Под навесом или в открытых (с доступом наружного воздуха) помещениях
3 В закрытых помещениях с естественной вентиляций без искусственного регулирования климатических условий
4 В помещениях с искусственным регулированием климатических условий
5 В помещениях с повышенной влажностью (шахты, подвалы и т. п.)
Климатическое исполнение электротехнических изделий
Климатическое исполнение Характеристика климата
У Умеренный (t=-45…400C)
УХЛ Умеренный и холодный
ХЛ Холодный (- 450С)
ТВ Тропический влажный (t200C, вл 80%)
ТС Тропический сухой (t400C)
Т Тропический как сухой, так и влажный
О Любой климат на суше, кроме очень холодного климата
М Умеренно холодный морской
ТМ Тропический морской
ОМ Любой морской климат
В Любой климат, кроме очень холодного
Условия эксплуатации РЭА: Нормальные (t=25100С, г=45…80%, Р=630…800 мм.рт.ст.); Легкие (t=200C, г<80%, P760 мм.рт.ст.); нет воздействия пыли, песка, излучения и биологической среды. Характерно для закрытых, отапливаемых и вентилируемых помещений; С – среднее (t=-50…+700C, r<98%) воздействие пыли, песка, биологической среды. Характерно для наземной, полевой и передвижной аппаратуры. Ж – жесткие (t=-80…+1000C, r<90%, P<5*10-6 Па.) воздействие пыли, песка, фонового излучения среднего уровня. Характерно для авиационной РЭА. ОЖ – особо жесткие (t=-100…+2500C, r<90%, P<5*10-6 Па) воздействие сильных фоновых излучений, пыли.

67. Способы защиты ЭВС от влаги.
Частичная герметизация – ей подвергаются наименее стойкие к внешним воздействиям детали и узлы. При этом кожух не является герметизирующим элементом. Основной метод – изолирование жидкими диэлектриками.
Полная герметизация – достигается применением защитных корпусов из металла, керамики и др.
Комбинированная герметизация – используются защитные корпуса, компаунды, изолирующие плёнки, лаки и др.
Консервация – защита от коррозии наружных поверхностей с помощью пушечной смазки или технического вазелина.
Пропитка – заполнение пор, трещин, пустот в изоляционных материалах, а также промежутков между конструктивными элементами узлов электроизоляционными негигроскопическими материалами.
Заливка – заполнение диэлектриком свободного промежутка между заливаемым изделием и стенками кожуха.
Обволакивание – процесс покрытия изделия плёнкой. Применяют эмали и покровные лаки. Кроме этого применяют влагостойкие материалы (стёкла, керамика, слюда, кварц); высоколегированные нержавеющие сплавы (Х18Н9Т, Х18Н10Т, бронзы БрБ2 и титановые сплавы ВТ-0), легированные сплавы (Х13, 1Х13); применяют антикоррозионные покрытия (никелирование, цинкование, кадмирование). ПП покрывают двумя, тремя слоями лака (УР-231, Э-4100, СБ-1С). Для высокотемпературных узлов применяют кремнийорганические лаки (К-57, К-47). Изделия из металла для тропического исполнения покрывают эмалями (ЭП-51, ПФ-163).
Примеры конструкций средств защиты
Схемы герметичных соединений конструктивных элементов металлических корпусов:
а ) соединение пайкой

1-“наружная крышка”; 2-“внутренняя крышка”; 3-“соединение в фальц ”.
б ) соединение дуговой сваркой.

в ) соединения контактной сварки.

г) герметизация при помощи резиновых прокладок.

Уплотнение герметизированной РЭА с помощью фетрового и фторопластового сальника.

1- фетровый сальник; 2- валик; 3- накладная гайка; 4- корпус.

68. Защита ЭВС от механических воздействий.
При эксплуатации и транспортировке на МЭА, действуют вибрации, удары и линейные ускорения. Так, например, вибрации характеризуется перегрузками, достигающими 30g в диапазоне частот от 30 до 5000 Гц, а линейные ускорения и удары – перегрузками до 50g. Действие этих факторов может привести к поломке выводов, подложек микросхем, возникновению в них усталостных напряжений, разрушению контактов и герметизации блоков.
Защита ЭВС осуществляется следующими группами методов: Уменьшение интенсивности источников механического воздействия (путем их балансировки, уменьшение зазоров, виброизоляция самого источника механических воздействий); Уменьшение величины передаваемых ЭВС воздействий (путем его виброизоляции, демпфирования, устранения резонансов, активной виброзащиты с помощью эксцентриков, маятников, гироскопов); Используются наиболее прочные и жесткие компоненты и узлы.
Принцип виброизоляции заключается в размещение между объектом установки и ЭВС специальных устройств – амортизаторов, которые поглощают и отражают механическую энергию. Поглощение энергии колебаний происходит демпфированием за счет трения в материале амортизаторов или в демпферах с сухим или вязким трением между элементами конструкции. Эффективность виброизоляции () равным отношению амплитуды возмущающих колебаний к амплитуде вынужденных колебаний амортизирующего ЭВС.
Амортизаторы: 1) Металлорезиновая (АП, АКСС-М, АКСС-И, АО и др.); 2) Металлопружинные (АПН, ДК, АТ и др.).
Основные типы амортизаторов (нормализованные).
1. Амортизатор демпфированный АД.
001- подвижный шток, крепится к объекту;
2- корпус амортизатора жёстко соединённый с основанием амортизатора
6 и крепится к раме;
3 - резиновый баллон о калиброванным отверстием 5;
При вибрационных нагрузках баллон деформируется и через калиброванное отверстие проходит воздух внутрь и в баллон, следовательно происходит рассеивание энергии, т.о. осуществляется демпфирование.
4 - металлическая пружина - упругий элемент, определяющий статическую и динамическую жёсткость амортизатора.
Необходимо: перечислить и недостатки этого амортизатора:
наличие резиновой детали - старение, боится солнечной радиации.
невозможность эксплуатации при большой разреженности атмосферы (непригоден для самолётов, ракет, высокогорий...).
2. АФД - амортизатор фрикционного демпфирования.
00
шток, который крепится к блоку;
корпус, соединённый с основанием амортизатора 5;
фрикционная шайба;
пружины (верхняя и нижняя).
Этот амортизатор лишён недостатков амортизаторов 1-го типа,
3. АПН - амортизатор пространственного нагружения (это модификация АФД).
00Дополнительные диссипативные силы образуются за счёт трения шайбы о сухари, следовательно, возможны нагрузки не только в направлении W.
4. Плоскостные или чашечные амортизаторы АП (АЧ)
00Резиновая шайба определяет упругие силы и упругие свойства амортизатора.
Основные параметры этого амортизатора совпадают с параметрами амортизаторов типа АД, кроме требований разрежения.
Жесткость и прочность обеспечиваются ребрами жесткости, отбортовкой, заливкой, обволакиванием.
Рекомендации по защите РЭА от вибрационных воздействий
Уменьшение внешних вибрационных воздействий возможно только при амортизации блока. При этом параметры вибрации блока могут быть снижены на 1...2 порядка по сравнению с возмущающим воздействием.
Устанавливать блок без амортизаторов целесообразно при действии вибрации в течении 10…20% времени от общего времени эксплуатации устройства.
Пример:
Космическая РЭА
T - период эксплуатации РЭА
0.01Т - время вывода РЭА на орбиту (считанные минуты)
Амортизаторы целесообразно ставить в том случае, если РЭА регулярно подвергается вибрационным воздействиям (подвижная, бортовая, корабельная).

69. Способы обеспечения теплового режима ЭВС.
Имеется много систем охлаждения, и они характеризуются рядом факторов. По способу поглощения тепла различают системы на основе фазовых переходов (испарение, плавление) веществ, и термоэлектрического эффекта и термоаккумуляционные системы. Теплоносителями могут служить газы, жидкости, твердые тела. В системах применяют естественное и искусственное охлаждение.
К естественному охлаждению относятся системы, где охлаждение происходит наружной средой поверхности аппарата или естественно-испарительными фитильными устройствами (тепловыми трубками). Естественное воздушное охлаждение является наиболее простым, надежным и дешевым способом, однако он используется при небольших удельных мощностях. Естественное воздушное охлаждение широко используется не только для общего охлаждения, но и для охлаждения отдельных тепловыделяющих элементов. Повышение эффективности достигается путем увеличения теплопроводящей поверхности с помощью радиаторов.
Принудительное охлаждение осуществляется продувкой внутренней зоны прибора воздухом, наружным обдувом его поверхности, перемешиванием воздуха внутри аппарата, использованием микрохолодильных и термостатирующих устройств, жидких и воздушных испарительных систем и за счет термоаккумуляционных свойств материала. Принудительная вентиляция подразделяется на приточную, вытяжную и приточно-вытяжную. Наиболее эффективным является жидкостно-испарительные системы, где охлаждение производиться за счет циркуляции охлаждающей жидкости. Воздушно-испарительные устройства работают на основе испаряемых жидкостей с низкой температурой кипения.
При компоновке блоков МЭА с целью обеспечения нормального теплового режима существуют некоторые общие рекомендации, а именно:
-более нагретые ячейки и субблоки следует монтировать ближе к основанию-теплоотводу блока,
-для уменьшения локальных перегревов отдельные термочувствительные узлы необходимо выносить на корпус или в ниши блока, а более мощные ИС и транзисторы следует располагать по периферии ячейки, ближе к рамке,
-блоки питания желательно разбивать на несколько отдельных субблоеков (трансформаторных, стабилизаторных и т. п.) для увеличения суммарной поверхности теплоотдачи,
-при наличии внешнего обдува целесообразно оребрнение корпусов, причем ребра должны располагаться вдоль потока воздуха.

70. Электромагнитные воздействия. Виды экранов.
При прохождении мощных сигналов по цепям связи последние становятся источниками электромаг. полей, которые пересекают другие цепи связи. Могут наводить в них существенные дополнительные помехи. Источниками электромагнитных помех являются мощные промышленные установки, двигатели, различные коммуникации. Устройства чувствительные к электрическим, магнитным, статическим полям могут неустойчиво работать. Поэтому для устранения этого воздействия используют экранирование.
Экранирование – это локализация электромагнитной энергии в определенном пространстве конструкционными методами.
Составляющие экранирования: экраны, стаканы, промежуточные стенки корпуса, оплетка ПМЛ на проводах, кабель РК, фильтры.
Виды экранов
Металлический лист.

Физический смысл экранирующего эффекта, получаемого от металлического листа, соединенного с корпусом прибора, заключается в создании короткого замыкания на корпус для большей части паразитной емкости, имеющейся между экранируемыми друг друга точками.
Эффективность экранирования электрического поля Э=Uн/Uн/≈Спар/Спар/ определяется исключительно отношением паразитных емкостей между точками А и Б до и после установки экранирующего листа. Любые мероприятия, приводящие к снижению Спар/, увеличивают эффективность экранирования.

Экран из ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью (метод шунтирования экраном).
Метод шунтирования магнитного поля экраном применяется для защиты от постоянного и медленно изменяющего переменного магнитного поля. Экраны изготавливаются из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницательностью (сталь, пермаллой). При наличии экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам (рисунок 8.15), которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана. Качество экранирования зависит от магнитной проницаемости экрана и сопротивления магнитопровода, т.е. чем толще экран и чем меньше швов, стыков, идущих поперек направления линий магнитной индукции, эффективность экранирования будет выше.

Метод вытеснения магнитного поля экраном.
Метод вытеснения магнитного поля экраном применяется для экранирования переменных высокочастотных магнитных полей. При этом используются экраны из немагнитных металлов. Экранирование основано на явлении индукции. Здесь явление индукции полезно.
Поставим на пути равномерного переменного магнитного поля (рисунок 8.16, а) медный цилиндр. В нем возбудятся переменные ЭД, которые, в свою очередь, создадут переменные индукционные вихревые токи (токи Фуко). Магнитное поле этих токов (рисунок 8.16,б) будет замкнутым; внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами – в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле (рисунок 8.16, в) оказывается ослабленным у цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующее действие, которое будет тем эффективнее, чем меньше электрическое сопротивление цилиндра, т.е. чем больше протекающие по нему вихревые токи.


71. Виды линий связи.
Линии связи бывают электрически длинными, если время распространения сигнала больше фронта импульса: «длинные» соединения делают в виде согласованных экранированных линий связи.
Исключение: задержка сигнала, уменьшение амплитуды сигнала. Большинство соединений можно отнести к электрически «коротким». Линия связи считается электрически короткой, если длительность фронта импульса больше времени задержки распространения сигнала(4Тз).
Исключение: ухудшение фронтов, появление паразитных сигналов на плоской части импульса.
Основные искажающие факторы – эффект отражений и различного рода помехи.
Различные конструктивные виды линий связи.
В ЭС особенно старших конструктивных уровней (стойки) могут сочетаться различные типы линий (связь двух элементов, расположенных на различных несущих конструкциях) может включать следующие участки:
Микрополосковая линия – контакт – разъемы – витая пара – контакт - разъем – микрополосковая линия.
Степень искажения сигнала зависит от электрических параметров топологии и геометрические длины различных соединений.
Помехи, возникшие при конструктивной реализации межсхемных соединений не должны превышать допустимых, а задержки сигналов должны обеспечивать определенные в ТЗ быстродействие.
Электрические параметры линий связи

Схема взаимодействия цепей связи с распределенными параметрами
LвoСво – взаимные емкость и индуктивность на единицу длины линии;
Zo – волновое сопротивление линии.
Z0=R0+jωL0G0+jωC0Ro, Go – активное сопротивление линии и проводников изоляции на единицу длины линии;
Со, Lo – собственная емкость и индуктивность, т.к. Ro, Go малы Z0≈L0/C0Ниже приведем некоторые виды связи, применяемые в ЭС и формулы для расчета их основных электрических параметров

Рис.8.20.Схема проводника над проводящей поверхностью
Здесь и далее h и d –в мм; С0 – Ф/м; L0 – в Гн/м; Z0 – в Ом.
Витая пара.(Рис.8.21)


Рис.8.21.Схема витой пары.
D – диаметр изоляции проводника;
d – диаметр без изоляции.
Полосковая линия. (Рис.8.22)


Рис.8.22.Схема полосковой линии.
Микрополосковая линия. (Рис.8.23).

Рис.8.23.Схема микрополосковой линии.

Коаксиальный кабель. (Рис.8.24)
Это идеальная экранированная линия связи.


Рис.8.24.Схема коаксиального кабеля.
72. Особенности конструирования бортовых ЭВС.
Бортовые РЭС отличаются большим разнообразием применения по назначению: связь, радиолокационные станции, бортовые ЭВМ и т.д. Условия работы авиационной, ракетной и космической РЭА характеризуется пониженным значением атмосферного давления. В таблице 1 приведена зависимость рабочих значений атм.давления от высоты над уровнем моря.
H, км P, мм.рт.ст
1 674
2 22891753175596
3 526
4 462
6 354
8 267
10 199
12 145
18 57
26 16
31 7,7
Влияние пониженного давления на работоспособность РЭА проявляется через явления: 1) Уменьшается электрическая прочность воздушного пространства; 2) Ухудшается конвекция, что вызывает дополнительный перегрев изделий.
Зависимость коэффициента относительной электрической прочности (KZ) воздушных промежутков от высоты над уровнем моря таблица 2.
H, км 828675193040KZ
1 1
2 0,9
3 0,8
4 0,72
6 0,56
8 0,45
10 0,35
12 0,3
14 0,25
16 0,19
18 0,14
0,1
26 0,05
31 0,03
С дальнейшим уменьшением давления (ниже 6-7 мм.рт.ст.), т.е. с увеличением высоты (>30-40км) электрическая прочность возрастает и подчиняется закону Пашена. Уменьшение конвективной теплопередачи определяется из рис.1, гдк k – это отношение коэффициента теплопередачи при заданном и нормальных давлениях . Это уменьшение теплоотдачи приводит к уменьшению электрической прочности из-за увеличения t деталей и узлов и t окружающей их среды. Электрическая прочность зависит также и от функциональной f, где Uf – пробивное напряжение при f

73. Особенности конструкций персональных ЭВМ.
Основу конструкций любых ПЭВМ составляют печатные узлы с ИМС, ЭРЭ и другими элементами. В зависимости от количества используемых печатных узлов различают одноплатные и многоплатные конструкции. Одноплатные конструкции обычно содержат функционально всю схему компьютера. По такому варианту конструктивно реализуются, например, портативные и другие простейшие ПЭВМ.
В отличие от одноплатных, конструкции многоплатных ПЭВМ компонуются из нескольких печатных узлов, где центральная плата содержит схему минимальной конфигурации, остальные же функции системы реализуются на дополнительных платах. По такой схеме компонуются, например, профессиональные ПЭВМ.
Рассмотрим особенности конструкций настольных профессиональных ПЭВМ.
Обычно центральные и периферийные устройства профессиональных ПЭВМ, образующие конкретную вычислительную систему (системный блок, клавиатура, видеомонитор, печатающее устройство и др.), выполняются в виде самостоятельных независимых конструктивов — модулей, которые можно удобно располагать на рабочем месте пользователя и соединять друг с другом электрическими кабелями.
Как правило, все функциональные устройства системного блока (процессор, память, устройства ввода-вывода и др.) реализуют в виде конструктивно законченных сборочных единиц (узлов) — электронных модулей (ячеек), связь между которыми осуществляется по системной шине или с помощью кабелей.
Основу конструкции системного блока ПЭВМ составляет набор электронных модулей, механически и электрически соединенных между собой. Наиболее типичной является компоновка системного блока, когда он объединяет как электронные модули (процессора, оперативной памяти, адаптеров обязательных периферийных устройств), так и системы электропитания и охлаждения, громкоговоритель, а также разъемные соединители для подключения периферийных устройств. В большинстве современных ПЭВМ в системный блок встраиваются накопители на гибких и жестких магнитных или оптических дисках (дисководы), имеется также возможность установки некоторого количества дополнительных электронных модулей для расширения системы (например, дополнительной оперативной памяти, модулей профессиональной ориентации, коммуникационных адаптеров) или подключения специального блока расширения.
Электронные модули ПЭВМ конструктивно представляют собой монтажные печатные платы определенного типоразмера, обычно многослойные, на которых размещаются ИМС различной степени интеграции, в том числе микропроцессорные БИС и БИС системной поддержки, другие ЭРЭ, а также разъемные соединители. Эти элементы, размещаемые на плате, представляют собой электронное оборудование одной или нескольких функционально законченных частей ПЭВМ, например центрального процессора, оперативной памяти, адаптеров периферийных устройств и т. д.
Интегральные микросхемы высокой степени интеграции с большим числом выводов устанавливаются на печатные платы, как правило, с помощью специальных соединительных розеток, позволяющих обеспечить легкий съем корпусов БИС. В конструкции модуля обычно предусматривают также вспомогательные конструктивные элементы, например элементы крепления и фиксации: ручки, планки, съемники или рычаги для закрепления и вынимания модулей.
Интерфейс электронных модулей, их внешняя электрическая коммутация в систему осуществляется с помощью разъемных соединителей. Как правило, используются разъемные соединители прямого сочленения, но могут применяться также и разъемы косвенного сочленения.
По архитектурно-конструктивному исполнению различают «закрытые» и «открытые» ПЭВМ. «Закрытая» ПЭВМ представляет, собой вычислительную систему, функции которой жестко установлены с помощью аппаратных средств при сборке на заводе-изготовителе. Пользователь такой ПЭВМ практически не может заменить модули на более совершенные или добавить в вычислительную систему дополнительные модули, например, расширить оперативную памяти или подключить адаптеры новых периферийных устройств. По «закрытому» принципу реализуются в основном портативные и наиболее простые (игровые, домашние) ПЭВМ.
Современные модели ПЭВМ обычно реализуются в виде открытой, модульной (развиваемой в функциональном отношении), системы. Поэтому «открытые» ПЭВМ получили наибольшее распространение. Дополнительные функции в вычислительной системе (расширение системы) реализуются подключением к системной шине добавочных электронных модулей. В этом случае пользователь может приобретать и устанавливать в своей ПЭВМ различные дополнительные сменные модули, выполненные обычно в виде съемных плат, позволяющие расширять возможности ПЭВМ за счет применения новых периферийных устройств, подключения ПЭВМ к другим ЭВМ или сетям. Такие ПЭВМ легко модернизируются, морально устаревшие электронные модули заменяются новыми, выполненными по более совершенной технологии.
Для механического и электрического соединения электронных модулей в системном блоке обычно используется объединительная коммутационная плата (панель), часто называемая «материнской». Именно этот сборочный узел содержит ответные части разъемных соединителей электронных модулей, образующих системную шину. Каждый «дочерний» модуль вставляется в разъемный соединитель объединительной платы и обеспечивает выполнение одной или большего числа специфичных электронных функций, необходимых для функционирования всей ПЭВМ. От способа соединения модулей, используемых типов и количества разъемных соединителей зависят стоимость ПЭВМ, ее эффективность, гибкость и ремонтопригодность.
Для защиты от внешних воздействий и электромагнитных помех основные компоненты системного блока помещают в корпус. Корпуса системных блоков, как правило, содержат минимальное количество деталей, доступны для сборки и разборки простейшими инструментами и приспособлениями. Базовой несущей конструкцией обычно является металлическое основание (поддон), на котором размещаются блок электронных модулей, блок питания, кронштейны для закрепления дисководов, громкоговорителя и некоторые другие конструктивные элементы. В состав корпуса, кроме основания, входят также металлический кожух, передняя (лицевая) и задняя панели (стенки).

Рис 3. Вариант компоновки системного блока ПЭВМ:
1 — блок питания; 2— места установки (отсеки) накопителей);
3 — НГМД; 4 — НЖМД; 5 — системная плата; 6 — кожух.
На рис. 4, а, б показана конструкция системного блока, в которой использован корпус, состоящий из рамы, основания (поддона) и кожуха с декоративной лицевой панелью. Все электронное оборудование устанавливается на поворотной раме корпуса, соединенной шарнирно с основанием. Такая конструкция обеспечивает легкий и свободный доступ к основным частям системного блока, что повышает его ремонтопригодность. Для снижения трудоемкости сборки установка сборочных единиц осуществляется преимущественно без специального инструмента в определенные отверстия — ловители с самофиксацией.
В последние годы при конструктивной реализации системных блоков ПЭВМ часто используется принцип установки корпуса на ребро (типа «башня»), широко применяемый ранее в конструкциях мини-ЭВМ (рис. 5). Системная плата в этом случае размещается вертикально. Такой корпус позволяет размещать большее число дисководов (до 8 и более) и экономить место при размещении ПЭВМ на рабочем столе. Электрические соединения системного блока и периферийных устройств ПЭВМ осуществляются гибкими ленточными или специальными экранированными кабелями, которые заземляются на металлическом основании системного блока. Кабели от периферийных устройств сходятся в системный блок, где подключаются непосредственно к электронным модулям (адаптерам) через разъемные соединители косвенного сочленения. Широко используются также разъемы, в которых соединение с ленточными кабелями осуществляется прорезанием изоляции кабеля хвостовиками выводов и их контактированием с жилами кабелей.

Возможность реализации главной аппаратной части таких ЭВМ на одной объединительной (генмонтажной) плате;
Необходимость использования элементов различных размеров (корпуса БИС, процессорной части, СИС, электронного обрамления, резисторные и конденсаторные сборки в корпусах ИС);
Необходимость введения конструктивных элементов, обеспечивающих расширение возможностей аппаратуры.
1 – соединитель; 2,3,5 – керамические кристаллоносители; 4 – корпус генератора; 6 – печатная плата.
На рис показан одноплатный процессор, реализованный на ПП (6), которая имеет 96 контактных соединений (1). Процессорный модуль осуществляет конвейерную и параллельную обработку данных и построен на 3-х БИС.
Плата микро ЭВМ показана
1 – соединитель для дополнительных плат; 2 – объединительная плата; 3 – ИС; 4 – внешний соединитель.
На плате (2) установлены ИС (3) главной аппаратной части и соединители (1) для дополнительных плат, обеспечивающих расширение возможностей микро ЭВМ.
1 – генмонтажная плата; 2,3 – направляющие и скоба – фиксатор для дополнительных субблоков; 4 – дополнительные субблоки; 5 – каркас для винчестеров; 6 – блок питания; 7 – каркас для НГМД.
1 – МС; 2 – разъемы для интерфейсных и дополнительных субблоков; 3 – панели для МС; 4 – микропроцессор.
Шасси ПЭВМ и его генмонтажная плата показаны на рис 3 и рис 4. Монтаж МС невысокой и средней степени интеграции и микропроцессоров – неразъемный, а для БИС ЗУ и процессорной части используют панельки (3) рис 4.

74. Унификация. Разновидности стандартизации.
Унификация есть форма типизации конструкции, при которой размеры и параметры избранных типов, полученных путем деления или умножения на целые числа размеров и параметров одного исходного, базового.
Унификация подразумевает создание типовых (модульных) конструкций, размеры сторон которых могут изменяться по метрическому или ритмическому соотношениям, прилагаемым ко всем или только некоторым габаритным размерам.
При метрическом соотношении значения n-го размера составляют: an=a0+nm. При ритмическом an=a0*, где a0 – начальное значение размера; n – целое или дробное число, лежащее в основе целого размерного параметрического ряда; m – величина приращения при метрическом соотношении; Km – коэффициент прогрессии ритмического соотношения, обычно .
Так, например, для унифицированных корпусов самолётных РЭС при постоянстве высоты блоков, равной 194 мм и четырёх значений длины 250, 319, 420 и 497 мм размеры возможной ширины блоков вычисляется по формуле , где - единственная ширина блока, - зазор между соседними блоками. Откуда ряд этого размера получается равным 57; 90,5; 124; 157мм и т.д.
Разновидности стандартизации
Стандартизация – это установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области.
Задачи стандартизации: разработка требований к качеству готовых изделий на основе комплексной стандартизации их характеристик; установление требований и методов в области проектирования и производства РЭА; введение единых систем документации; установление единых требований и обозначений.
Современные методы конструирования РЭА невозможны без высокого уровня схемной и конструкторской унификации, регулярной и функциональной взаимозаменяемости. Базой взаимозаменяемости является стандартизация, основные цели которой установлены в ГОСТ 1.0 – 68 “Государственная система стандартизации. Основные положения”.
Разновидностями стандартизации являются: ограничения (симлификация), типизация, агрегатирование, унификация.
Ограничения повышают степень унификации, уменьшают номенклатуру используемых материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий и тем самым повышают эффективность производства.
Типизация получила широкое распространение в промышленности как для стандартизации типовых изделий общего назначения, так и для стандартизации типовых технологических процессов и испытаний. Типизация – это способ ликвидации излишнего многообразия изделий путем их обоснованного сведения к ограниченному числу избранных типов (типоразмеров), при котором размеры и параметры изменяются с определенным шагом.
Агрегатирование - является дальнейшим развитием метода унификации и состоит в том, что выделяются и конструктивно оформляются общие узлы, пригодные для использования в различных изделиях и устройствах в виде функционально самостоятельных узлов, производство которых может быть специализировано и централизовано.
В нашей стране агрегатирование нашло широкое применение не только в машиностроении, но и в радиопромышленности, где используется базовый метод конструирования ЭС. Унифицированные модули, микромодули, ИС, ФУ и блоки, применяемые при базовом методе, образуют унифицированные функциональнве устройства (УФУ).
Основные признаки методов стандартизации даны в табл. 6.2.
Название метода Направление стандартизации Результаты стандартизации
Ограничение
Типизация
Агрегатирование
Унификация Терминология, ограничение возможных размеров, сортаментов видов, параметров, размеров и т.п.
Типовые процессы и методы; рекомендуемые и предпочтительные ряды, базовые конструкции, требования по типизации объектов.
Общие технические условия (ОТУ) на группу взаимозаменяемых объектов и стандартизация этих объектов; стандартизация присоединенных и стыкованных параметров, а также составных частей, используемых в объектах изделий.
Технические условия (ТУ) на поставленную продукцию без указания объектов, в которых она должна использоватся, стандартизация общих норм, параметров, форм, систем классификации и кодирования Ограничение номеклатуры изделий, разрешённых для использования ограничительными стадартами.
Установление типовых объектов и требований к ним; стандарты на типовые технологические процессы (ТТП), руководящие технические материалы (РТМ), типы, правила, рекомендации, общие технические требования (ОТТ) и руководящие указания главного конструктора (РУК).
Разработка основных частей изделий и требований по их использованию; стандарты на присоединённые размеры; параметры и характеристики составных частей.
Создание изделия широкого универцального применения; стандарты и ТУ конструкций и размеров, основных параметров изделия.

75. Требования к трассировке ПП
1.Трассировку выполняют с сигнальных цепей от входных к выходным каскадам. Затем формируют цепи питания и в последнюю очередь заземляющие проводники, располагая их по возможности между входными и выходными цепями;
2.Если входные, выходные контакты платы заданы таблицей соединений или определены принципиальной схемой, то развод входных и выходных цепейвыполняется в первую очередь;
3.Следует избегать длинных проводников и проводников сложной формы;
4.При выполнении проводников длиной более 70 мм (при ширине менее 0,5 мм) необходимо предусмотреть переходные отверстия или местное расширение проводника типа контактной площадки размером не менее 1х1 мм;
5.Элементы проводящего рисунка располагают от края платы на расстоянии не менее толщины платы;
6.Сужать проводники до мин значения следует только в узких местах на возможно меньшей длине.
7.Проводники располагают равномерно по полной площади платы параллельно линиям координатной сетки или под углом, кратным 150 (предпочтительней является 45 и 90). Не следует выполнять перегибы под острым углом;
8.Рекомендуется выполнять все горизонтально расположенные фрагменты цепей на одной стороне ПП, а вертикальные на другой;
9.Экраны и проводники шириной более 5 мм следует выполнять с вырезами. Площадь вырезов д.б. не менее 50% общей площади экрана;
10.Цепи земляных шин, по которым текут суммарные токи, следует выполнять мах ширины;
11.Печатный проводник, проходящий между двумя контактными площадками, следует располагать так, чтобы его ось была перпендикулярна линии, соединяющей центры отверстий. В узких местах контактные площадки подрезаются по необходимости.
Виды соединений: 1) неразъёмное: а) пайка, б) сварка, в) клейка, г) напыление, д) печать; 2) ограниченно разъёмные: ф) накрутка, б) прижим; 3) разъёмные: а) НЧ соединители, б) ВЧ соединители
Требования к разъёмным контактным соединениям: 1) min переходное сопротивление и его нестабильность; 2) достаточная механич.просчность; 3) переходное сопротивление после заданного числа соединений/разъединений: 0,01(20…30)% для новых контактов; не более 0,02Ом после заданного числа соединений/разъединений; отсутствием гальванических пар при работе с микротоками; отсутствием перегрева при работе с большими токами (Тдоп=+10…150оС); min усилием соедин/разъедин контактов.
Требования к неразъёмным контактным соединениям: 1) min переходное сопротивление и его нестабильность; 2) достаточная механическая прочность; 3) прочность соединения д.б. не ниже прочности соединяемых элементов; 4) возможность соединения элементов из различных материалов и типоразмеров.

76. Электромонтажные провода. Припои и флюсы.
МГШВ монтажный гибкий шелковой полихлорвинил изоляция;
Провода МГШВ, МГШВ-1, МГШВ-2 применяются для внутри- и межблочного монтажа различной радиоэлектронной аппаратуры и приборов на номинальное напряжение до 600 В переменного тока частоты до 10000 Гц и до 1400В постоянного тока.

1 — жила из медной луженой проволоки; 15 — изоляция лентами из триацетатной пленки или пленки из полиэтилентерефталата; 8 — оплетка из медной посеребренной проволоки; 9 — изоляция из полихлорвинилового пластиката;
МГТФ монтажный термостойкий фторопластовая изоляция;
Провод МГТФ используется для монтажа радиоаппаратуры и других видов техники.Он широко применяется в судостроительстве, авиапромышленности.

3 — жила из медных проволок; 16 — изоляция лентами из фторопласта-4
Э –экранированный;
МГВ - многопроволочный изолированный полихлорвинилом;

1 — жила из медной луженой проволоки; 9 — изоляция из полихлорвинилового пластиката.
Применение: Для фиксированного монтажа схем слаботочной радиоаппаратуры и электроприборов. Лаковая пленка изоляции эластична, малогорюча и обеспечивает высокую стойкость к воздействию тепла, холода и влаги.
МГШ - многопроволочный изолированный оплеткой из шелка;

8 — оплетка из медной посеребренной проволоки; 25 — оплетка из полиамидного шелка.
Применение: Для фиксированного монтажа схем слаботочной радиоаппаратуры.
МГШДЛ -/-/-/- лакированный;
МПМ - многопроволочный изолированный полиэтиленом;
МШП - однопроволочный изолированный обмоткой из шелка и полиэтиленом;

2 — жила из медной луженой проволоки; 11 — изоляция из полиэтилена; 19 — обмотка из шелка лавсан.
Применение: Для фиксированного внутри- и межприборного монтажа.
ПМВ - однопроволочный изолированный.

2 — жила из медной луженой проволоки; 9 — изоляция из полихлорвинилового пластиката.
Применение: Для фиксированного монтажа слаботочной радиоаппаратуры.
ПВХ; ПМВГ - многопроволочный с обмоткой из х/б пряжи
БПВЛ - бортовой ПХВ изоляцией лакированный в х/б оплетке; ПВЛ - провод высоковольтный в резиновой изоляции в лакированной х/б обмотке
МСТП - монтажный в обмотке из стекловолокна теплостойкий с полиэтиленовой изоляцией.
На качество паяных соединений оказывают существенное влияние не только технологические условия проведения процесса пайки, но и правильный выбор материала. Флюсы образуют жидкую и газообразную защитные зоны, предохраняя поверхность пайки от окисления, растворяют и удаляют имеющийся пленки оксида и загрязнения с поверхностей улучшают смачивание металла припоем и растекание припоя за счет уменьшения силы поверхностного натяжения. Выбор флюса производится исходя из требований химической активности, которая должна быть наибольшей в диапазоне температур, определяемой температурой плавления и пайки. Он должен быстро и равномерно растекается по паяным материалам, хорошо приникать в зазоры и удалятся из них, резко вытесняется расплавленым припоем, быть термически стабильным, не выделять вредных газов, не вызывать коррозии паяных металлов и припоев. В зависимости от температурного интервала активные флюсы разделяются на низко- и высокотемпературные флюсы: канифоль марок А,С.
ФКСп- (сосновая канифольная). ФКЭт(этиловый спирт 90%)
ЛТИ120( сосновая канифольная 20 25%), *продолжение
Припои различают низко и высокотемпературные. Граница раздела 400 С. Высокотемпературные имеют высокую прочность и используются для пайки корпусных изделий, а также при использовании вторичной пайки. Используют: ПОС18(277 С- для неответственных паек) ПОС40(235 С), ПОС61 (190 С) для ответственных паек, ПОС90(231 С) пайка под гальванику, ПОСК50(145С) ответственные соединения керамики, серебра, стекла), сплав РОЗЕ (64 С).
Флюс образуют газовую и жидкую фазы. При нагревании образуется зона повышенного давления, в которой не поступает кислород. Жидкая фаза: разрушает окисные пленки, уменьшает силы поверхностного натяжения.
Существуют: кислотные флюсы, бескислотные, антикоррозионные и активированные

77. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Примеры использования.
ВОЛС находят всё большее применение в устройствах передачи изображений, для обмена информацией между различными устройствами ЭВМ или отдельными машинами в вычислительных сетях, иерархических системах обработки информации.
По мнению специалистов ВОЛС займут доминирующее положение. Это связано:
с малым поперечным сечением и малой массой волокон;
большой широкополостностью;
невосприимчивостью к внешним электромагнитным помехам- отсутствием внешних излучений;
отсутствием К.З.;
широким температурным диапазоном работы.
Основу ВОЛС составляет световод или оптическое волокно. Схема прохождения сигнала поясняется следующим рисунком.

отраженный луч света
выходящий луч света
сердцевина
оболочка
падающий луч света
Луч света падающий под углом на торец световода, проходит в его сердцевину и отражается под углом R от оболочки.
Отражение происходит вследствие разности коэффициента отражения оболочки n0 и сердцевины nc; После многократного отражения луч света выходит из противоположного конца световода практически неизменным.
Показатели преломления сердцевины и оболочки определяют эффективность ввода излучения в световод. Чем больше разница, тем эффективнее световод. Неоправданно большая разница между показателями преломления сердцевины и оболочки ведет к увеличению дисперсии (расширения импульса).
Затухание света в световод обусловлено поглощением и рассеиванием в материале сердцевины и потерям на излучение. Степень поглощения света материалом световода определяется его примесями, каждый вид которой обладает определенной полосой поглощения. Так в волоконных световодах на основе кварцевого стекла основной примесью является ионы ОН-, имеющие максимальные потери при длине волн 950 мм и слабые полосы поглощения на длинах волн 725, 825, 875 мм.
При концентрации ионов ОН- равной 10-6 – потери на длинных волнах вблизи 950 мм составляют~ 1дб/мм.
Уширение импульса в световодах происходит из- за наличия в них: дисперсии материала, межмодовой дисперсии.
Межмодовая дисперсия- следствие того, что свет введенный в световод под углом к оси, проходит более длинный путь, по сравнению со светом распространяющимся вдоль оси. Эта разница длин приводит к расплыванию входного импульса. В многомодовых световодах из кварцевого стекла с полимерной оболочкой уширение импульсов может быть 20 нс/км.
Дисперсия материала обуславливается нелинейной зависимостью показателя преломления материала от длины волны света. Для стеклянных световодов уширение импульса из- за дисперсии материала (длина волны 820 нм составляет 3,0 – 3,5 нс/км. Отсюда если принять критической длиной световода его длину, при которой уширение импульса равно длительности исходного импульса для определенной скорости передачи информации, то при V= 10 Мбит/с критическая длина световода равна 25 км при использовании в качестве источника света светоизлучающий диод (СИД) и 50 км при использовании лазерных источников света.
Изгибы световода приводят к потерям на излучение, которые сильно возрастают с уменьшением радиуса изгиба.
Наименьший допустимый радиус кривизны ограничен фактической прочностью световодов.
Относительная деформация определяется:
Gs=(((R+2r)/(R+r))-1)*100%
где r- радиус оболочки световода, м
R- радиус изгиба световода, м
Конструктивно световод состоит из сердцевины, покрытой несколькими слоями защитных материалов.
Первичное покрытие (5…10 мкм), лаковая плёнка из ацетата целлюлозы, эпоксидной смолы, силикона, уретана и др., защищает материал сердцевины от внешних воздействий и увеличивает механическую прочность.
Назначение последующих слоёв- устранение действующих поперечных сил и увеличение прочности на разрыв.
Группа световодов- оптический кабель, в который кроме световодов включают силовые элементы, наружные покрытия, демпфирующие элементы.
Отечественная промышленность выпускает большинство конструкций оптических кабелей, характеризующихся широким спектром параметров:
наружный 4- 8 мм
прочность на разрыв- 50- 250 Н
коэффициент затухания 5- 50 дб/км
погонная масса 10- 50 кг/км
температура -40…+70 оС
В качестве источника света – светодиоды, лазерные диоды.
Рассмотрим некоторые конструкции кабелей.
025400
gd 10 световодов
упрочняющий элемент
покрытие
полимерная демпфирующая прокладка
полимерная оболочка
-1826895130810Общий диаметр 7 мм.
б)
2- фидер
световод
3,7 - упрочняющие элементы
в)
-11430082550
световод
упрочняющий элемент
демпфирующий слой
защитный материал
г)
012700световод
упрочняющий элемент
демпфирующий слой
защитный материал
Схема волоконно-оптической линии связи.

I- передатчик 1- возбудитель 4- оптический кабель 7- усилитель
II- приёмник 2- светодиод 6- фотодиод
Потери энергии при вводе в светодиод зависит от числовой аппаратуры и ~ 14- 18 дб., лазерный светодиод ~ 3 дб.
В ВОЛС со скоростью передачи информации до 50 Мбит/с следует использовать светодиоды, при более высоких скоростей- лазерные диоды. В случае необходимости включают регенерирующие устройства, обеспечивающие промежуточное усиление ослабленных сигналов и передачу усиленных сигналов в последующие участки ВОЛС.
Одной из основных проблем является обеспечение надежности разъёмных соединений.
Применение оптических линий позволяет уменьшить в 60 раз объем блока, по плотности упаковки в 65 раз. Достоинства: скорость передачи, помехозащищенность, пропускная способность, гальваническая развязка. Недостатки: необходимы преобразователи (лазер, фотоприемник)

78. Эргономические требования к пультам и органам управления и сигнализации
Размещение органов управления должно подчиняться следующим общим правилам:
Количество и траектории рабочих движений должны быть сокращены до минимума,
Органы управления надо располагать так, чтобы правой рукой выполнять наиболее ответственные операции, например, установку частоты, фокуса и т. п.
Если орган управления находится рядом с индикатором, то ручка, управляемая правой рукой, должна находится правее и ниже, а ручка управляемая левой рукой, - левее и ниже индикатора,
Последовательно используемые органы управления надо располагать на одной высоте слева направо или сверху вниз в вертикальных столбцах,
Основные органы управления целесообразно размещать в оптимальной зоне, аварийные – в средней зоне досягаемости руки и второстепенные в зоне максимальной досягаемости.
Взаимодействие человека с ЭВС осуществляется в основном через лицевую панель или пульт управления, на котором выделяют: 1.средства отображения информации – индик., ЭЛТ. 2.органы управления – тумблеры , регуляторы… 3. элементы коммутации – ручки, фиксаторы. 4. поясняющие надписи.
При конструировании решают вопросы размещения на заданной площади всех составных частей, отвечающих требованиям эргономики, создание художественного образа изделия. Эргономические показатели можно разбить на группы: гигиенические, антропометрические, физиологические, психологические.
Органы управления разделяют на элементы регулировки и элементы управления.
Элементы регулировки – переменные резисторы должны соответствовать схеме. Оперативность работы обеспечивается с помощью переключателей. Клавиши переключателей могут иметь различную форму и цвет. Рекомендуется для надежной установки кольца рабочую поверхность делать выгнутой. Диаметр кнопок – не менее 12,5 мм. Перемещение кнопок – на глубину 3…12 мм. Помимо механических кнопок могут использоваться сенсорные переключатели - для них необходима визуальная индикация состояния.
Когда требуется четкое восприятие положения переключателя используют тумблеры. При переводе тумблера из одного положения в другое должен ощущается перепад сопротивлений упругости, а при переключении - щелчок.
Также применяют галетные переключатели- послед. Переключение, большое время переключения, высокий износ.
Конструкция переносного пульта управления должна удовлетворять следующим требованиям:
- при разработке переносного пульта управления должны учитываться требования эргономики;
- должна быть обеспечена невозможность включения автоматического режима работы при использовании пульта в огражденном пространстве;
- на переносном пульте управления должен быть орган аварийного отключения;
- переносной пульт управления, предназначенный для включения перемещения ПР обслуживающим персоналом, находящимся в огражденном пространстве, должен быть снабжен устройством(ами) толчкового управления;
- система управления ПР должна быть сконструирована так, чтобы при управлении ПР с пульта все движения ПР осуществлялись только с этого пульта;
- все перемещения ПР, которые выполняются с пульта, должны осуществляться на скорости, не превышающей пониженную скорость. Пониженная скорость должна выбираться в зависимости от грузоподъемности ПР и схемы его расположения, однако пониженная скорость, измеренная на фланце крепления инструмента или зажима, должна быть не более 250 мм/с.
В тех случаях, когда требуется скорость выше, чем пониженная, например для проверки правильности программы, оператор должен включать этот режим, находясь за пределами огражденного пространства. Пока оператор остается в огражденном пространстве, движение ПР должно осуществляться только с помощью устройства толчкового управления.

79. Эргономика конструирования лицевой панели прибора.
Предпочтительными бывают следующие формы: фронтальная, трапецеидальная, полукруглая. Для всех существуют единые требования:
1) Передняя панель должна находиться перпендикулярно плоскости взгляда;
2) Органы управления должны в поле доступа оператора
3) Предпочтительны ситуации, в которых доступ к органам управления осуществляется поворотом руки, кисти. Нежелательны ситуации, требующие поворота туловища.
4) Направление движения регулятора должно находиться в поле доступа человека-оператора.
Основой внешней конструкции любого устройства ЭВА является его ЛПУ.
Методика конструирования ЛПУ заключается в следующей последовательности проведения необходимых работ:
1. Анализ исходных данных для проектирования.
2. Набор комплектующих элементов.
3. Структурирование ЛПУ.
4. Эргономическое обеспечение ЛПУ.
5. Композиционная отработка ЛПУ.
6. Цветовая проработка и выбор варианта декоративного решения , т.е. по существу художественно-конструкторский анализ изделия ЭВА с ЛП.
Изложенная последовательность разработки ЛПУ обусловлена тем , что эстетический фактор не является превалирующим для большинства типов ЭВА.
Некоторое исключение составляет бытовая аппаратура , например калькуляторы. Поэтому эргономические требования занимают более высокое место по сравнению с эстетическими, так как они существенно влияют на быстродействие и безошибочность работы оператора , т.е. эксплуатационную надежность ЭВА. Поэтому порядок учета и приоритет требований должен быть однозначным.
Поскольку ТЗ обычно составляет сам разработчик ЭВА , то ему необходимо согласовать с заказчиком ЭВА характеристики внешних условий и особенности работы оператора, часто этот момент , к сожалению , забывается при составлении ТЗ как заказчиком , так и самими разработчиком. В последствии эта недоработка вскрывается на этапе эксплуатации ЭВА.
Эргономические требования считаются граничными условиями, при которых в дальнейшем должен производится поиск выразительного художественного решения ( формы , композиции , цвета ).
АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ КОМПОНОВКИ ЛПУ
В качестве исходных данных для разработки ЛПУ для инженера-конструктора ЭВА обычно выступают следующие:
1. Техническое задание на разработку устройства ЭВА с указанием
характеристик внешних условий и особенностей работы оператора.
2. Схема электрическая принципиальная , разработанная инженером-схемотехником с указанием на ней элементов индикации , управления и коммутации.
3. Описанию порядка работы с устройством (алгоритм подготовки устройства к работе и работа с устройством). Это описание должно составляется инженером конструктором совместно со схемотехником.
Компоновка лицевой панели начинается с формирования функциональных групп типа индикатор-регулятор-символ. Возможны три варианта их расположения: регулятор относительно индикатора слева, справа, снизу. Но при этом необходимо учитывать возможность работы оператора правой (в правой части панели) или левой рукой (в левой части панели). При воздействии на органы управления соответствующие индикаторы не должны перекрываться рукой. Надписи и символы располагаются над или между соответствующими регуляторами и индикаторами.
При работе человека с РЭС основное количество информации к нему поступает через зрение. Способность человека зрительно воспринимать информацию характеризуется полем зрения обоих глаз, остротой зрения, фокусировкой, способность изменять чувствительность глаза в зависимости от уровня освещенности – адаптацией, нацеливанием глаза в одну точку с помощью совместного действия глазных мышц и хрусталика, при переводе взгляда, цветным восприятием.
80. Защита ЭС от воздействия радиации.
Различают 4 вида ядерного излучения:
Мгновенные (γ-лучи);
Инициированное (нейтроны, γ-кванты);
Стационарное (α и β-частицы);
Остаточное (продукты расщепления атомов).
Наиболее опасными видами являются γ-излучения, обладают высокой проникающей способностью и нейтронное излучение, вызывают дефекты решетки и сильную ионизацию. При дозе облучения мощностью 107 рад/с РЭА может поглотить радиацию 106-107 рад. Поток нейтронов является причиной необратимых повреждений.
Наиболее стойкими к радиации являются металлы и сплавы, выдерживающие облучение 1010…1012 рад. При этом несколько увеличивается их прочность, теряется ковкость, вязкость, электрические характеристики не меняются.
Ионные материалы (керамика, кварц, стекло, ситаллы) выдерживают дозы 107-108 рад. Изменение механических и электрических свойств незначительные. Однако увеличивается склонность к пробою. Кварц и стекло начинают тускнеть, терять прозрачность.
Класс пластмасс и эластомеров более подвержены радиации и изменение их свойств начинает наблюдаться порядка 105-106 рад.
Большинство эластомеров при облучении становятся твердыми и хрупкими (неопрен), а бутиловый каучук клейким.
Органические пропитки и изоляционные масла увеличивают вязкость, образуя отстой, и выделяют газ.
Проволочные резисторы легко противостоят потокам плотностью более 1016нейр/см.
Наиболее стойкими являются германиевые, туннельные диоды, p-i-n-g диоды.
Если снизить напряжение питания до нижнего предельного значения ЭС более устойчива к радиации.
МС в металлостеклянных корпусах конкурируют с электронно-вакуумными приборами.
Методы конструирования, направленные на уменьшение влияния облучения на характеристики РЭА
При конструировании необходимо:
правильно подбирать и располагать элементы,
шире использовать керамические изоляторы в частях переключателей, разъемах, гнездах и т. д.,
применять стеклоткань и другие неорганические материалы для манжет, кабельной изоляции и др.,
применение элементов из неорганических материалов, слюдяных и керамических конденсаторов,
применять пленочные и металлопленочные сопротивления,
тщательно продумывать схему расположения, для уменьшения токов утечки и пробоя,
экранировать наиболее чувствительные элементы,
правильно выбирать материалы деталей конструкции,
правильно выбирать полупроводниковые приборы.
Для защиты от - лучей хорошо экранируют, защищают – свинец, уран, торий, висмут, вольфрам, золото, платина, ртуть и некоторые другие тяжелые материалы.
Для защиты от нейтронов применяют экраны из смеси легких и тяжелых элементов (бетон с повышенным содержанием воды), бороль (сплав карбида бора с алюминием), литий, бериллий, железо, медь, вольфрам, висмут.

81. Производственный и технологический процесс и их составляющие
Технология - это совокупность способов, процессов обработки и оборудование, используемых при изготовлении элементов конструкции и сборке аппаратуры (механическое и электрическое соединение), обеспечивающих получение заданной конструкции (или заданной пространственной структуры) с высокой производительностью, малыми затратами и при минимальном вредном воздействии на окружающую среду или рабочего. Технология формируется на этапе проектирования ЭВС и реализуется на этапе производства.
В изготовлении ЭВС различают:
производственный процесс;
технологический процесс;
технологические операции;
переходы.
Производственным процессом называется совокупность действий всего коллектива работающих, обеспечивающих превращение поступивших на предприятие материалов, полуфабрикатов в готовое изделие.
Производственный процесс включает в себя:
подготовку производства, получение, транспортирование, контроль и хранение материалов и комплектующих;
технологические процессы изготовления деталей и сборки;
изготовление технологической оснастки;
обслуживание технологического и энергетического оборудования;
управление технологическим процессом и производством
сбыт готовой продукции
Технологическим процессом называется часть производственного процесса, связанная с изготовлением, обработкой, сборкой, контролем изделия, т.е. с последовательной сменой состояния продукта производства (например, изготовление печатной платы)
Технологической операцией называется часть технологического процесса, представляющая совокупность производственных переходов и приемов, выполняемых непрерывно на одном рабочем месте одним рабочим (или группой рабочих) над определенной деталью или сборочной единицей (например, сверление отверстий в печатной плате, получение защитного рисунка, травление слоя фольги и т.д.).
Основными элементами технологических операций являются установ, технологический переход, вспомогательный переход, рабочий ход, вспомогательный ход и позиция.
Установ - часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемых заготовок или собираемой сборочной единицы.
Переход - законченная часть технологической операции, выполняемая одними и теми же средствами технологического оснащения при постоянных технологических режимах и установке.
Вспомогательный переход - законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека и (или) оборудования, которые не сопровождаются изменением свойств предметов труда, но необходимы для выполнения технологического перехода. Например, закрепление заготовки, смена инструмента.
Рабочий ход - законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров и качества поверхности или свойств заготовки.
Вспомогательный ход - законченная часть тех.перехода, состоящего из однократного перемещения инструмента относительно заготовки и необходимого для подготовки рабочего хода.
Позиция - фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой сборочной единицей совместно с приспособлением относительно инструмента или неподвижной части оборудования для выполнения определенной части операции (обраб.в поворотном приспособлении).

82. Исходные данные для разработки технологических процессов. Основные этапы разработки единичного технологического процесса.
Исходными данными для разработки технологических процессов являются:
конструкторская документация на изделие (сборочные чертежи, спецификации, рабочие чертежи, электрические схемы, перечни элементов, монтажные схемы и др.);
технические требования на изделие, где указываются дополнительные требования к изделию. Например, необходимость защиты, виды испытаний;
объем выпуска продукции;
сроки выпуска (еженедельно, ежемесячно, ежеквартально);
наличие технологического оборудования, оснастки;
наличие освоенных типовых технологических процессов;
справочная, нормативная литература, программы.
Единичный технологический процесс (ТП) разрабатывается для изготовления или ремонта изделия одного наименования, типоразмера и исполнения независимо от типа производства.
Разработка единичного ТП включает в себя следующие этапы:
1. Анализ исходных данных и выбор действующего типового
технологического процесса или аналога единичного процесса.
2. Выбор исходной заготовки и методов ее получения.
3. Определение содержания операций, выбор технологических баз и составление технологического маршрута (последовательности обработки).
4. Выбор технологического оборудования, оснастки, средств автоматизации и механизации технологического процесса.
5. Назначение и расчет режимов выполнения операций, нормирование переходов и операций технологического процесса, определение профессий и квалификации исполнителей, установление требований к технике безопасности.
6. Расчет точности, производительности и экономической эффективности процесса.
7. Оформление рабочей технологической документации (маршрутных и операционных карт, карт эскизов, ведомостей материалов, оборудования).
Необходимость каждого этапа, состава задач и последовательности решения устанавливается в зависимости от типа производства. Типизация технологических процессов позволяет устранить их многообразие с обоснованным сведением к ограниченному числу типов.

83. Требования к оформлению технологической документации. Примеры записи технологических операций.
Состав и правила оформления технологической документации определяются стандартами единой системы технологической документации (ЕСТД). К технологическим относят графические и текстовые документы, текстовые документы которые определяют технологический процесс изготовления или ремонта изделия и содержит необходимые данные для организации производства.
Состав документов зависит от стадии разработки технологического процесса, типа и характера производства. В условиях серийного и массового производства используются следующие документы по ГОСТ3.1102-81: Маршрутная карта (МК). Операционная карта (ОК). Карта эскизов (КЭ). Карта технологического процесса (КТП). Ведомость технологических документов (ВТД). Ведомость материалов (ВМ). Ведомость технологической оснастки (ВО). Комплектовочная карта (КК) и некоторые другие.
Маршрутная карта является основным технологическим документом, применяемым при разработке технологических процессов изготовления или ремонта изделия. Она предназначена для маршрутного, маршрутно-операционного или операционного описания технологического процесса или указания полного состава технологических операций при операционным описании изготовления изделия, включая контроль и перемещения по всем операциям различных технологических методов в технологической последовательности с указанием данных об оборудовании технологической оснастке, материальных нормативах и трудовых затратах.
Карта технологического процесса предназначена для операционного описания технологического процесса изготовления изделия в технологической последовательности по всем операциям одного вида формообразования, обработки, сборки или ремонта с указанием переходов технологических режимов и данных о средствах технологического оснащения, материальных и трудовых затратах.
Операционная карта содержит описание технологической операции с указанием переходов, режимов обработки и данных о средствах технологического оснащения. Она используется непосредственно на рабочем месте.
Карта эскизов представляет собой графический документ, содержащий эскизы, схемы и таблицы и предназначены для пояснения выполнения технологического процесса, операций или перехода изготовления изделия и его составных частей, включая контроль и перемещения.
Основным технологическим документом является маршрутная карта, при необходимости более подробного изложения операции используют операционные карты и карты техпроцесса.
Общие требования к технологическим документам изложены в ГОСТ 3.1104-82, правила оформления технологических документов – в ГОСТ 3.1105-82, формы и правила оформления маршрутных карт – в ГОСТ 3.1118-82, система обозначения технологических документов – в ГОСТ 3.1201-82.
Обозначение документа строится по следующей структуре:

В коде характеристики документа, состоящей из пяти цифр, первые два знака означают вид технологического документа, третья цифра – вид техпроцесса по его организации, последние две цифры – вид техпроцесса по его выполнению.
Виды технологического документа обозначаются следующим образом: 10 – маршрутная карта, 20 – карта эскизов, 30 – комплектовочная карта, 42 – ведомость оснастки, 43 - ведомость материалов, 50 – карта технологического процесса.
Виды технологического процесса: 0 – без указания; 1 – единичный процесс; 2 – типовой процесс, 3 – групповой процесс.
Обозначение техпроцесса по методу выполнения: 01 – технологический процесс изготовления изделия; 02 – ремонт; 03 – технический контроль; 40 – механическая обработка; 60 – изготовление деталей из пластмасс; 70 – нанесение защитного и защитно-декоративного покрытия; 80 – пайка; 88 – слесарные, слесарно-сборочные и электромонтажные работы.
Таким образом, пример обозначения маршрутной карты технологического процесса электромонтажных работ с первым порядковым номером будет выглядеть следующим образом: КНФУ.10088.00001
При описании технологического процесса операции следует нумеровать числами ряда арифметической прогрессии, кратными пяти (5, 10, 15 и т.д.). Переходы следует нумеровать числам натурального ряда (1, 2, 3 и т.д.) Содержание операции (перехода) включает наименование метода обработки, выраженного глаголом в повелительной форме (паять, установить, сверлить и т.д.), наименования обрабатываемой поверхности материала или детали, Содержание операций и переходов должно быть сформулировано кратко, но с предельной ясностью и без возможности других толкований текста. Построение фразы или формулировки перехода должно обращать внимание исполнителя в первую очередь на главный предмет и действие, а затем указываются предметы и действия, посредством которых достигается основная цель. Например: «Установить транзистор поз. 17 на радиатор поз. 3 через прокладку поз.4 и закрепить винтом поз. 8 с шайбой поз.10»
При оформлении карты эскизов для сборочных операций должны быть изображены:
- базовая деталь или ее часть в положении, удобном для работы;
- детали и узлы, устанавливаемые на данной операции, с указанием их схемных обозначений;
-выноски, указывающие позиции входящих деталей;
-контуры деталей, относительно которых размещаются провода, кабели, жгуты и навесные электрорадиоэлементы, монтируемые в данной операции.
Изображения устанавливаемых деталей и узлов с их креплениями или монтируемых проводов должны выполняться линиями толщиной 0,6-0,8 мм, а остальные элементы показываются тонкими линиями (0,1 –0,2 мм). На карте эскизов не показывают сборку деталей и узлов, выполненных предварительно.
84. Основные методы изготовления печатных плат и их особенности
Методы изготовления печатных плат подразделяются на:
субтрактивные, основанные на травлении фольгированного диэлектрика.
Аддитивные методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание химическими или химико-гальваническими методами. При аддитивных методах толщина формируемого слоя меди составляет 15 – 25 мкм, ширина проводников 0,10 – 0,15 мм. Достоинствами методов являются значительная экономия меди, снижение загрязнения окружающей среды, лучшая равномерность и однородность получаемых элементов печатного монтажа. Применение методов в массовом производстве печатных плат ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик.
полуаддитивные, основанные на селективном осаждении проводящего покрытия химическими и гальваническими методами.
В зависимости от способа создания защитного рисунка химические методы подразделяются на сеточнохимический и фотохимический. Сеточнохимический метод основан на получении защитного рисунка при помощи специальной кислотостойкой краски, наносимой на поверхность печатной платы через сетчатый трафарет.
При фотохимическом методе защитный рисунок получают при помощи специального светочувствительного материала - фоторезиста, наносимого на поверхность платы. В тех местах, где фоторезист был облучен через фотошаблон ультрафиолетовым светом, в результате фотополимеризации образуется защитная нерастворимая структура. Так как используемый при экспонировании фотошаблон является обратным по отношению к создаваемому слою проводников на печатной плате, метод получил название негативного. Разрешающая способность фотохимического метода примерно в два раза выше, чем у сеточнохимического.
Комбинированные методы сочетают в себе химическое травление фольги исходного материала печатной платы и химическое осаждение и гальваническое наращивание слоя меди в отверстиях и на поверхности проводников, т.е. методы пригодны для изготовления двухсторонних печатных плат.
В настоящее время находят применения несколько иные методы создания печатных плат на основе тентинг-процесса и на основе метода ПАФОС (Получение Аддитивным ФОрмированием Слоев).
Тентинг-метод. В двухсторонних слоях с межслойными переходами проводящий рисунок получают также путем травления медной фольги с гальваническим осажденным сплошным слоем меди по защитному рисунку схемы и с защитными завесками над металлизированными отверстиями в пленочном фоторезисте.
Односторонние ПП изготавливают субтрактивным химическим методом. Процесс изготовления не сложен, наименее трудоёмок и легко автоматизируется. Недостатком является эффект бокового подтравливания. Этого недостатка лишен аддитивный метод, основанный на избирательном осаждении химической меди на нефольгированный диэлектрик с нанесённым на поверхностный слой катализатором, инициирующим осаждение меди.
Двухсторонние ПП изготавливают позитивным комбинированным методом. Металлизацию отверстий производят электрохимическим методом, а проводящий рисунок получают травлением меди с пробельных мест. Такой метод обеспечивает хорошую адгезию элементов рисунка. Разрешающая способность ниже чем у химического метода. При полуаддитивном методе используется нефольгированный диэлектрик покрытый слоем полимерного материала. Малое боковое подтравливание и лучшая адгезия дают возможность получить высокую разрешающую способность.
Методы изготовления МПП по получению межслойных соединений делятся на 2 группы
1.Методы на основе химико-гальванических процессов (метод металлизации сквозных отверсти, метод попарного прессования, метод послойного нарашивания).
2.Методы, в которых межслойные соединения осуществляются посредством пайки, сварки и добавочных элементов (метод открытых контактных, площадок, метод выступающих выводов).

85. Конструктивно-технологические разновидности радиоэлектронных узлов и их сопоставительный анализ.
Проанализируем представленные в таблице 3.1 конструкции радиоэлектронных узлов и технологические особенности их изготовления.
Методами монтажа на поверхность изготавливают узлы исполнения 1 и 2. Несмотря на явные преимущества с точки зрения улучшения массогобаритных показателей данные конструкции недостаточно распространены из-за ряда ограничений по номенклатуре элементной базы (по мощности, величинам емкости электролитических конденсаторов, ограниченности типов активных компонентов и т.д.).
В узлах конструктивного исполнения 1 применяют только КМП, которые устанавливают с одной стороны печатной платы (КМП1).
Монтаж компонентов для данного исполнения состоит из следующих операций (рисунок 3.2):
нанесение припойной пасты через трафареты на контактные площадки печатной платы;
установка компонентов на контактные площадки;
оплавление припойной пасты;
промывка печатной платы от остатков флюса;
контроль паяных соединений;
устранение непропаев, закорачиваний.
Возможно также для данного исполнения использования пайки волной припоя по следующей схеме:
нанесение клея на поверхность платы между контактными площадками;
установка КМП на контактные площадки;
полимеризация клея под воздействием ультрафиолетового или инфракрасного излучения (в зависимости от типа используемого клея);
поворот платы на 180 ° ;
пайка волной припоя.
Недостатком данного варианта технологического процесса является необходимость применения только компонентов, устойчивых к действию расплавленного припоя (обычно это простые чип-компоненты типа резисторов и конденсаторов), а также введение дополнительных операций по нанесению клея и его полимеризации.

Рисунок 3.2 – Схема технологического процесса монтажа исполнения 1 (процесс типа I): а – нанесение паяльной пасты; б – установка КМП; в – оплавление пасты
Исполнение 2 обеспечивает наивысшую плотность компоновки печатных плат.
Изготовление проводят методами ТМП по следующей схеме (рисунок 3.3):
на контактные площадки обратной стороны печатной платы наносят через трафарет припойную пасту;
под компонент наносят микрокаплю клея (для компонентов простой формы и малых размеров данная операция может быть исключена, так как компонент способен удерживаться на плате при ее переворачивании за счет сил поверхностного натяжения);
производят установку КМП1;
осуществляют полимеризацию клея УФ или ИК излучением;
производят оплавление пасты припоя путем пайки в паровой фазе, инфракрасным нагревом, нагревом на плоских нагревателях, лазерным или световым лучом;
плату переворачивают и наносят пасту припоя на вторую сторону;
устанавливают компоненты КМП2;
проводят оплавление пасты припоя;
осуществляют промывку узла и его контроль.
При такой последовательности операций пайка осуществляется ИК излучением с односторонним нагревом.
При пайке в паровой фазе (ПФ), а также ИК излучением с верхним и нижним расположением излучателей операцию оплавления пасты после установки КМП1 не проводят, выполняя в этом случае пайку одновременно с двух сторон.
Конструктивное исполнение 3, 4 и 5 применяют при отсутствии ряда компонентов, предназначенных для поверхностного монтажа.
Радиоэлектронные узлы конструктивного исполнения 3 собирают по следующей схеме (рисунок 3.4):
наносят на контактные площадки для КМП припойную пасту;
устанавливают КМП1;
производят оплавление припойной пасты;
устанавливают в отверстия КМО1;
осуществляют пайку КМО1 волной припоя;
выполняют промывку узла и его контроль.
Конструктивное исполнение 4 включает КМП на нижней стороне платы, а КМО – на верхней стороне.
Сборку и монтаж проводят в следующей последовательности (рисунок 3.5):
на поверхность платы наносят дозатором клей;
устанавливают КМП1;
выполняют полимеризацию клея УФ или ИК излучением;
переворачивают плату и устанавливают КМО2;
выполняют одновременную пайку КМП1 иКМО2 волной припоя
промывают сборку и осуществляют контроль.
При пайке многовыводных КМП могут возникнуть трудности, связанные с непропаем в результате теневого эффекта или же с появлением закорачиваний выводов компонента. Для предотвращения появления таких дефектов применяют пайку двойной волной припоя.


86. Основные технологические операции при изготовлении радиоэлектронных узлов с монтажом на поверхность
Технология сборки узлов с монтажом на поверхность имеет ряд особенностей.
Во-первых, перед выполнением пайки компоненты должны быть зафиксированы на плате. Такое закрепление может быть получено при помощи паяльной пасты, наносимой на контактные площадки перед монтажом компонента, либо при помощи микрокапли клея, на которую ставится компонент.
Во-вторых, технология монтажа на поверхность в чистом виде применяется сравнительно редко. Обычно на печатную плату одновременно устанавливаются и КМП, и КМО. В результате используется 5 конструктивно-технологических разновидностей узлов с применением ТМП, представленных в таблице 3.1.
В-третьих, миниатюрность компонентов, отсутствие на многих из них маркировки предполагают только автоматизированный монтаж и пайку.
В–четвертых, существенное уменьшение как геометрических размеров компонентов, так и увеличение плотности расположения выводов и печатных проводников создает серьезные технологические трудности как в части уменьшения всех погрешностей при изготовлении печатных плат, так и при установке компонентов с высокой точностью позиционирования, обеспечения надежности процесса пайки (недопустимости закорачивания выводов и проводников при малом расстоянии между ними, изменения положения компонентов при пайке в результате действия сил поверхностного натяжения), согласованности температурных коэффициентов термического расширения компонентов и оснований печатных плат.
Схема технологического процесса монтажа исполнения 1
Монтаж компонентов для данного исполнения состоит из следующих операций (рисунок 1):
нанесение припойной пасты через трафареты на контактные площадки печатной платы;
установка компонентов на контактные площадки;
оплавление припойной пасты;
промывка печатной платы от остатков флюса;
контроль паяных соединений;
устранение непропаев, закорачиваний.
Возможно также для данного исполнения использования пайки волной припоя по следующей схеме:
нанесение клея на поверхность платы между контактными площадками;
установка КМП на контактные площадки;
полимеризация клея под воздействием ультрафиолетового или инфракрасного излучения (в зависимости от типа используемого клея);
поворот платы на 180 ° ;
пайка волной припоя.

Рисунок 1 – Схема технологического процесса монтажа исполнения 1 (процесс типа I): а – нанесение паяльной пасты; б – установка КМП; в – оплавление пасты
Исполнение 2 обеспечивает наивысшую плотность компоновки печатных плат.
Изготовление проводят методами ТМП по следующей схеме (рисунок 3.3):
на контактные площадки обратной стороны печатной платы наносят через трафарет припойную пасту;
под компонент наносят микрокаплю клея (для компонентов простой формы и малых размеров данная операция может быть исключена, так как компонент способен удерживаться на плате при ее переворачивании за счет сил поверхностного натяжения);
производят установку КМП1;
осуществляют полимеризацию клея УФ или ИК излучением;
производят оплавление пасты припоя путем пайки в паровой фазе, инфракрасным нагревом, нагревом на плоских нагревателях, лазерным или световым лучом;
плату переворачивают и наносят пасту припоя на вторую сторону;
устанавливают компоненты КМП2;
проводят оплавление пасты припоя;
осуществляют промывку узла и его контроль.

Рисунок 3.3
При такой последовательности операций пайка осуществляется
ИК излучением с односторонним нагревом.
При пайке в паровой фазе (ПФ), а также ИК излучением с верхним и нижним расположением излучателей операцию оплавления пасты после установки КМП1 не проводят, выполняя в этом случае пайку одновременно с двух сторон.

87. Нанесение паяльной пасты и клея и используемое при этом оборудование
Применяются два основных способа нанесения. Метод дозирования с применением пневматических дозаторов хорош тем, что он не привязан к трафарету, и оператор может работать с любой платой. Таким дозатором удобно пользоваться при большом количестве различных типов плат или на опытном участке, где при разработке плата меняется несколько раз. Слабая сторона этого метода в его низкой производительности, которая определяется мастерством оператора.
Второй метод — метод трафаретной печати, является групповым. Он основан на продавливании паяльной пасты через сетчатый или металлический трафарет. Для этого применяются устройства трафаретной печати различного уровня сложности и производительности.
Метод дозирования с применением пневматических дозаторов хорош тем, что он не привязан к трафарету, и оператор может работать с любой платой. Таким дозатором удобно пользоваться при большом количестве различных типов плат или на опытном участке, где при разработке плата меняется несколько раз. Слабая сторона этого метода в его низкой производительности, которая определяется мастерством оператора.
Для работы в сборочных линиях разработана широкая гамма оборудования, обеспечивающего нанесение от 1500 до 140000 доз в час с точностью позиционирования в 50 мкм. Высокая точность позиционирования достигается использованием системы технического зрения, осуществляющей автоматическую коррекцию по реперным знакам, и прецизионных высокоскоростных приводов по осям X, Y и Z. Наиболее совершенными приводами на сегодняшний день считаются шарико-винтовые пары (ШВП), работающие независимо или совместно.
Вращение ШВП в одинаковом направлении приводит к перемещению привода по оси Y, а вращение в противоположных направлениях - к перемещению привода по оси Х.
Автоматы трафаретной печати имеют, как правило, компьютерное управление в сочетании с программированием в среде Windows NT, что делает их удобными в управлении и позволяет оператору быстро обучаться. Наиболее совершенные автоматы трафаретной печати типа HORIZON и INFININY имеют время полного цикла 12,5 и 8 секунд, обеспечивают гибкое управление процессом нанесения паяльной пасты, имеют систему контроля загрязнения окон трафарета с автоматическим включением очистки трафарета.
273685207010Принцип трафаретной печати
Схема процесса нанесения клея через трафарет

88. Принципы организации работы сборочных автоматов
По производительности, т.е. по количеству устанавливаемых на плату компонентов в единицу времени автоматы подразделяют на машины малой (до 1 тыс/час), средней (до 10тыс/ч) и высокой (свыше 0 тыс/час) производительности.
В зависимости от способа установки различают линейные автоматы, автоматы последовательного, параллельного и последовательно-параллельного типов. Цикл работы любого сборочного автомата включает в себя следующие операции: выбор из магазина (накопителя) компонента конкретного типа и номинала, перемещение его к печатной плате, установка на печатную плату с заданной точностью.
В состав автомата сборки обычно входят следующие типовые блоки: накопитель (магазин с компонентами), монтажная головка или блок головок с захватами, двухкоординатный стол, устройство позиционирования, оптическая система контроля положения и обнару-жения пропущенных компонентов, устройство контроля электрических параметров чип-компонентов, система управления на базе микроконтроллеров или микроЭВМ.
Элементы для поверхностного монтажа поставляются:
на пластиковых лентах, смотанных в бобины;
в трубчатых магазинах (кассетах);
россыпью.
Наибольшее распространение получила подача элементов с бобины, а также из кассеты.
Монтажные головки осуществляют захват компонентов при помощи миниатюрных вакуумных присосок, что существенно снизило риск повреждения компонента по сравнению с механическими захватами.
Двухкоординатный стол перемещается на воздушной подушке под действием линейных двигателей. Стол должен обладать высоким быстродействием и высокой точностью позиционирования. Наилучшими характеристиками на сегодняшний день в этом отношении имеют приводы на основе шарико-винтовой пары.
Система позиционирования основана на использовании технического зрения для контроля положения платы перед монтажом и корректировки положения устанавливаемого компонента. Контроль осуществляется посредством реперных знаков. Некоторые системы способны также контролировать состояние выводов сложных компонентов (их наличие, отсутствие повреждений).
Сборочные автоматы должны обладать несколькими степенями свободы: обеспечивать взаимное перемещение монтажной головки, печатной платы и накопителя в трех направлениях, обеспечивать разворот монтируемого компонента на угол 90 или 45° (для компонентов в корпусах типа QFP и PLCC). Конструктивная реализация перемещения стола с печатной платой в вертикальном направлении (вдоль оси z), а также поворот ее вокруг этой оси (угол θ) достаточна сложна и приводит к снижению быстродействия.
В ряде случаев вместо линейного перемещения накопителя используют поворот кассет с элементами, т.е. применяют карусельную конструкцию. Используют также блок монтажных головок, которые последовательно перемещаются из одной рабочей позиции в другую (револьверная головка с несколькими захватами). Блок монтажных головок позволяет производить выборку нужного компонента из соответствующего магазина, а также осуществлять контроль электрических параметров и позиционирования компонента. Простейшая схема такого автомата приведена на рисунке 3.16. Автомат имеет револьверную головку с четырьмя захватами и четырьмя рабочими позициями через 90°.
Упакованные в ленту компоненты размещают на бобинах, которые устанавливают в карусель, поворачивающуюся вокруг вертикальной оси. Печатную плату располагают на двухкоординатном столе. При работе автомата нужный компонент подается в питатель за счет поворота карусели.
Вакуумный захват забирает компонент, револьверная головка поворачивает его на 90°. Компонент передается в устройство контроля электрических параметров. В следующей позиции КМП центрируется, т.е. его положение корректируется по отношению к установочному месту на плате. Затем головка поворачивается в следующую позицию, плата с помощью стола перемещается в рабочее положение и происходит установка компонента на плату, после чего цикл повторяется.
Схема Координаты Примечание
x y z θ 1 мг мг мг мг Автоматы последовательного действия
2 А Пп, м Мг мг мг Автоматы последовательно-параллельного действия
Б Мг, пп 3 А Мг Пп, мг мг мг Б Мг, пп 4 Пп, м Пп,м мг мг Линейные автоматы
МГ – монтажная головка, ПП – печатная плата; М – магазин с компонентами.?

89. Особенности выполнения пайки при изготовлении электронных модулей ( пайка оплавлением, волной припоя, селективная пайка).
Пайка оплавлением. Область применения
Пайка оплавлением припойной пасты применима только к технологии поверхностного монтажа печатных плат. В основном все существующие системы пайки оплавлением ориентированы на ИК нагрев, однако ранее использовались системы с "темными" нагревателями. Сегодня нагрев такие нагреватели используются как вспомогательные: прогрев платы на предварительных этапай пайки с целью избежания тепловых поводок. При этом необходимо учесть, что передача тепла излучением в ИК области требует прозрачности корпусов электронных компонентов (в случае подкорпусного расположения выводов). Большинство современных SMD компонентов удовлетворяют этому требованию.
Описание процесса пайки
Процесс пайки компонентов, собранных на плате, с помощью ИК нагрева аналогичен пайке в ПГФ, за исключением того, что нагрев платы с компонентами производится не парами жидкости, а ИК излучением.
Основным механизмом передачи тепла, используемым в установках пайки с ИК нагревом, является излучение. Передача тепла излучением имеет большое преимущество перед теплопередачей за счет теплопроводности и конвекции, так как это единственный из механизмов теплопередачи, обеспечивающий передачу тепловой энергии по всему объему монтируемого устройства. Остальные механизмы теплопередачи обеспечивают передачу тепловой энергии только поверхности монтируемого изделия. В отличие от пайки в ПГФ, в процессе пайки с ИК-излучением скорость нагрева регулируется изменением мощности каждого излучателя и скорости движения транспортера с платами. Поэтому термические напряжения в компонентах и платах могут быть снижены посредством постепенного нагрева микросборок. Основным недостатком пайки с ИК нагревом является то, что количество энергии излучения, поглощаемой компонентами и платами, зависит от поглощающей способности материалов, из которых они изготовлены. Поэтому нагрев осуществляется неравномерно в пределах монтируемого устройства. Пайка кристаллоносителей без выводов или с J-образными выводами может оказаться невозможной в установках с ИК-нагревом, если компонент непрозрачен для ИК-излучения.
В некоторых установках для пайки с ИК-нагревом вместо ламп ИК-излучения применяются панельные излучающие системы. В этом случае излучение имеет большую длину волны, чем излучение традиционных источников. Излучение такой системы не нагревает непосредственно микросборку, а поглощается технологической средой, которая в свою очередь передает тепло микросборке за счет конвекции. Этот способ пайки устраняет ряд недостатков, присущих традиционной пайке с ИК нагревом, таких, как неравномерный прогрев отдельных частей микросборки и невозможность пайки компонентов в корпусах, непрозрачных для ИК-излучения. Панельные излучатели имеют ограниченный срок службы и обеспечивают намного меньшую скорость нагрева, чем традиционные источники ИК излучения. Однако при их использовании может не потребоваться технологическая среда из инертного газа.
Пайка волной припоя
Она применяется для пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная технология DIP-монтажа). С ее помощью можно производить пайку поверхностно-монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон коммутационной платы.
Пайка осуществляется следующим образом. Платы, установленные на транспортере, проходят зону предварительного нагрева, что исключает тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки. Изменяя характеристики сопла, можно менять форму волны. В наиболее простых установках для пайки применяется симметричная волна, однако лучшее качество пайки получается при использовании несимметричной формы волны (в виде греческой буквы «омега», Z-образную, Т-образную и др.). Направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны. Угол наклона транспортера для плат тоже регулируется. Некоторые установки для пайки оборудуются дешунтирующим воздушным «ножом», который обеспечивает уменьшение количества перемычек припоя. «Нож» располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на коммутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя.
Селективная пайка
Системы селективной пайки миниволной припоя отличаются от обычных систем пайки одинарной или двойной волной припоя тем, что в установках пайки второго типа происходит групповая пайка компонентов, то есть вся плата проходит через волну припоя. Система селективной пайки паяет соединения выборочно, в соответствии с заданной программой. Это происходит следующим образом: в машину загружается рабочая программа, печатная плата устанавливается в паллету, и запускается программа пайки. Транспортная система установки доставляет паллету с платой к модулю спрей-флюсования, который наносит дозы флюса на заданные точки, и к модулю предварительного нагрева. Затем паллета перемещается к паяльной насадке, где происходит пайка соединений в соответствии с заданной программой. Паллета с платой опускается к паяльной насадке и погружает выводы паяемых компонентов в миниволну припоя. Пайка может быть точечной - отдельных выводов компонентов, и линией - ряда выводов компонента. После выполнения программы пайки готовая плата возвращается в окно загрузки.

90. Особенности выполнения ремонтных работ: демонтаж и монтаж компонентов.
Ручная пайка может применяться в случае выполнения необходимых ремонтных работ, установке отдельных видов КМО и КМП, при отладке конструкций узлов и при малой программе выпуска изделий. Для этих целей выпускается широкая гамма инструмента и оборудования, известных как паяльные станции. По сравнению с типичным паяльником подобные станции позволяют весьма точно выдерживать температуру пайки благодаря наличию термодатчиков и микропроцессорной системы управления, имеют широкий набор насадок для распайки и демонтажа различных корпусов. Наиболее совершенные паяльные станции обеспечивают также дозированную подачу паяльной пасты или клея, вакуумный отсос избытка припоя.
При ручной пайке обычным паяльником продолжительность операции определяется радиомонтажником, а обеспечение стабильности температуры – используемым инструментом. При этом температура жала паяльника при выполнении серии паек существенно изменяется (рисунок 4.35).
38100Рисунок 4.35 – Изменение температуры жала в процессе пайки
Перед началом пайки серии соединений температура его жала может находиться далеко за верхним пределом оптимальной рабочей зоны и достигать значения 350 – 400 °С, а после нескольких операций за короткий промежуток времени она опускается ниже оптимальной рабочей зоны. Время пайки постепенно увеличивается, а температура может снизиться вплоть до области холодной пайки.
Холодная пайка имеет место при температурах выше 183°С, но ниже 220°С, когда припой уже расплавился, но диффузия металлов с образованием достаточно интерметаллического слоя еще не произошла. Прочность такого соединения очень низка.
С другой стороны, завышенная температура пайки или избыточное время нахождения припоя в расплавленном состоянии тоже чреваты снижением прочности соединения. Причина заключается в том, что в результате химической реакции между медью и оловом образуется диффузионный слой Cu3Sn/ Cu6Sn5, называемый иногда как интерметаллический компаунд. Именно этот слой взаимопроникновения металлов выполняет роль механической связки в паяном соединении. Исследования показывают, что максимальная прочность паяного соединения имеет место при толщине данного слоя 0,5 мкм. При меньшей толщине слоя пайка является холодной, при большей – ухудшаются характеристики эластичности слоя, тогда как именно это свойство позволяет компенсировать напряжения, возникающие в паяном соединении из-за разницы температурных коэффициентов расширения материалов, из которых изготовлены печатная плата, проводники, контактные площадки, корпус и выводы электронных компонентов.
Оборудование для демонтажа компонентов по принципам теплового воздействия возможно подразделить на: контактное, конвекционно-воздушное (паяльно-ремонтные станции) и термо-воздушное (термофены).
Контактное оборудование для монтажа не требует значительных финансовых затрат, т.к. используется паяльная станция, укомплектованная специальной насадкой для демонтажа — термопинцетом. Сами жала имеют различные размеры для выпайки и захвата различых компонентов.
Для демонтажа компонентов с большим количеством выводов и большим корпусом, когда расстояние от паяного контакта до чипа достаточно велико, можно воспользоваться той же насадкой, что и для пайки, а также медной оплетки для выпайки. При проведении по выводам компонента кончиком оплетки, нагретым жалом паяльника, весь припой с контакта расплавляется и впитывается в оплетку. Загрязненный конец оплетки отрезается.
Для демонтажа компонентов со штырьковыми выводами используется оборудования с оловоотсосом. Данное оборудование представляет собой паяльник с вакуумом, насадки которого изготовлены в виде сопла различного диаметра — в зависимости от диаметры выпаеваемого вывода.
Конвекционные системы обеспечивают очень точное термоуправление. Это обусловлено наличием условно замкнутого пространства внутри сопла, накрывающего компонент, куда горячий воздух поступает в небольшом количестве, необходимом только для поддержания требуемой температуры. Область применения: компоненты с расположением выводов по периметру и с нижней стороны корпуса (QFP, BGA). Конвекционные системы комплектуются соплами различных размеров для монтажа/демонтажа компонентов соответствующего размера.
Наиболее удобными для целей демонтажа являются так называемые термоэкстракторы — индукционные паяльные системы с подключаемым вакуумом для захвата компонента. У таких систем в центре сопла встроена «присоска», в отверстие которой подается вакуум. В момент расплавления припоя присоска опускается до соприкосновения с корпусом компонента, после чего присоска уже вместе с компонентом поднимается вверх.
Фен, в отличие от конвекционной системы, создает открытый воздушный поток, сфокусированный с помощью сопла на выводы компонента. При движении по каналам сопла воздух частично остывает. В результате, его температура на выходе сопла, а особенно на небольшом удалении от него, становится непредсказуемой. Используя термофен можно монтировать и демонтировать небольшие компоненты поверхностного монтажа методом оплавления припоя горячим воздухом.
Для ремонта устройств, содержащих компоненты выводного монтажа, применяется термоотсос. При помощи термоотсоса можно либо последовательно удалять припой со всех выводов компонента, либо, используя специальные насадки, отпаивать сразу весь компонент без риска его повреждения. После того, как равномерно прогреются все выводы компонента, он аккуратно удаляется при помощи встроенного вакуумного пинцета. Таким способом легко выпаиваются микросхемы в корпусах QFP, PLCC, SO, SOJ. Для сбора припоя в термоотсосах Weller применяются стеклянные контейнеры для многоразового применения либо одноразовые фильтры-картриджи.
Вакуумный пинцет используется для бережной установки или подъема электронных компонентов без риска их повредить.
Существенной проблемой при выполнении ремонтных работ является демонтаж многовыводных микросхем в корпусах типа QFP, BGA. У последних выводы располагаются под корпусом и недоступны для воздействия паяльного инструмента.
На печатную плату устанавливается теплоотражающий экран соответствующих размеров из набора насадок таким образом, чтобы демонтируемый компонент оказался внутри этого экрана (рисунок 4.39а). Экран служит для защиты окружающих компонентов от нагрева. Одновременно к верхней поверхности подводится подпружиненный вакуумный захват со строго контролируемым усилием направленным на отрыв компонента от платы. Затем при помощи термофена внутрь экрана подается горячий воздух с контролируемыми параметрами температуры и скорости (рисунок 4.39 б). После расплавления припоя на всех контактных площадках вакуумная система производит отрыв компонента от поверхности платы без какого-либо повреждения выводов, контактных площадок и проводников (рисунок 4.39 в). На демонтаж микросхем в корпусах типа QFP, BGA с использованием этого оборудования тратится в среднем от 30 до 90 секунд.
91. Материалы, используемые в технологии монтажа на поверхность.
Для обеспечения качественных паяных соединений при изготовлении радиоэлектронных узлов применяются следующие виды материалов:
припои;паяльные пасты;флюсы;жидкости для отмывки узлов.
Припои. Для пайки узлов рекомендуется применять низкотемпературные оловянно-свинцовые припои. Наиболее технологичными являются эвтектические или околоэвтектические припои системы олово-свинец. Они отличаются низкой температурой начала плавления, отсутствием или малым (не более 5...10°С) интервалом плавления и кристаллизации, хорошим смачиванием многих металлов, затеканием в зазор между выводом компонента и монтажным отверстием.
В настоящее время применяют оловянно-свинцовые припои составов Sn61-Pb39, Sn63-Pb37, Sn60-Pb40, Sn40-Pb60, Sn95-Ag5, Sn62-Pb36-Ag2 и др., обозначаемые обычно как ПОС 61, ПОС 63 и т.д.Припои выпускаются в виде проволоки или заполненной флюсом одно или многоканальной трубки. В прессованной проволоке каждое зерно припоя окружено канифолью. Содержание канифоли в целом не превышает 0,8...1,2% от общей массы припоя. Разработан также композитный самофлюсующий припой ПОС-61 КП. Его расход на формирование соединений на 10...30% ниже по сравнению с обычным проволочным припоем.
Припойные пасты. Припойные пасты («паяльная паста») - это механическая смесь порошка припоя, связующего вещества (или смазки), флюса и некоторых других компонентов. Пасту можно нанести ровным, точно заданным слоем с помощью механизированных и автоматизированных средств. Основным компонентом припойной пасты является порошок припоя, которого может быть до 75...95% от массы припоя. Содержание металла определяет толщину оплавленного припоя, оседание и растекание порций пасты и другие свойства. В случае оловянно-свинцовых припоев при содержании по массе 90% объемное содержание металла и составляют около 60%. При содержании припоя по массе 75% его содержание по объему составляет всего около 35%.
Водосмываемые паяльные пасты «Трасса-9402» (ПОС-61ЛО) и «Трасса-9403» (ПОСВ-45ЛО), а также паяльная паста «Трасса-9401» (ПОС-61К) с неудаляемыми остатками флюсующей композиции. Предназначены для конструкционной и монтажной пайки различных материалов, узлов и конструктивов радиоэлектронной аппаратуры и изделий микроэлектроники. Водосмываемые паяльные пасты «Трасса-9402» (ПОС-61ЛО) и «Трасса-9403» (ПОСВ-45ЛО) относятся к классу абсолютно растворимых и экологически безопасных композиций 3-4 класса опасности.
В композиционный состав паяльных паст входят: - порошковый припой (ПОС-61 или ПОСВ-45) средней дисперсности 50 мкм, представляющий собой гранулы не чисто сферической формы. Допускается присутствие гранул удлиненной формы с сечением 30 мкм и длиной до 80...90 мкм (в количестве до 15%);
- флюсующая композиция на основе органических ингредиентов в количестве 10...17% (по весу); - специальные добавки (до 2%).
Материалы, используемые в качестве флюсов для пайки электронных изделий, могут относиться к смолосодержащим и смолонесодержащим. Все смолонесодержащие флюсы имеют ионогенные компоненты, от которых платы нужно очищать. Основу смолосодержащих флюсов, как правило, составляет канифоль, представляющая собой смесь органических кислот. Главный компонент этой смеси — абиетиновая кислота. Органические кислоты — такие как салициловая, молочная, стеариновая, лимонная, муравьиная и т. д. — также могут быть использованы для подготовки поверхности к пайке, однако, в силу их большей активности, они требуют более аккуратного обращения и тщательной промывки изделий после пайки. Эти кислоты, как и некоторые их соединения, чаще используются в качестве активаторов и добавок к флюсам на основе канифоли. Отмывку плат предпочтительно делать на промышленных установках с одновременным воздействием ультразвуком. До сегодняшнего дня наиболее распространенным растворителем в российской электронике является спирто-бензиновая смесь. Спирт смывает остатки канифоли, бензин — жиры и масла, в том числе жировой секрет отпечатков пальцев. Спирт образует с растворенными в нем загрязнениями азеотропную смесь, то есть испаряется вместе с ними. Бензин, испаряясь, оставляет на поверхности растворенные в нем компоненты. Но в сочетании со спиртом его моющие свойства улучшаются.
92 Виды соединительных операций при сборке.
Технологический процесс сборки радиоаппаратуры и приборов связан с выполнением значительного количества различного рода соединений.Все возможные виды соединений могут быть разделены па неподвижные и подвижные.Неподвижные соединения обеспечивают постоянство взаимного рас-положения соединяемых элементов конструкции, подвижные — перемещение одного элемента конструкции по отношению к другому в заданных пределах. Эти две группы соединений, в свою очередь, разделяются на разъемные и неразъемные. Неразъемные соединения не рассчитаны на разборку частей конструкции и не могут быть разобраны без разрушения хотя бы одной из соединенных деталей. Разъемные соединения могут быть разобраны без разрушения соединенных деталей.Таким образом, все соединения, применяемые в сборке, можно разделить на следующие группы: неподвижные неразъемные; неподвижные разъемные; подвижные разъемные; подвижные неразъемные.
Неподвижные неразъемные соединения выполняют сваркой, пайкой, клепкой, посадками в натяг, склеиванием, заливкой металлом, запрессовкой пластмассой.Неподвижные разъемные соединения выполняют винтами, болтами, шпильками, штифтами, шплинтами и прессовыми посадками.Подвижные разъемные и неразъемные соединения обеспечивают посадками по цилиндрическим, коническим, сферическим, винтовым и плоским поверхностям и др.Требования, предъявляемые к сборочным соединениям, в основном определяются их функциональным назначением и условиями эксплуатации.
93. Соединения сваркой: разновидности, области применения.
Технологический процесс образования неразъемного соединения деталей их плавлением или совместной деформацией называют сваркой. В результате сварки возникают прочные связи между атомами (молекулами) сваренных материалов, что обеспечивает высокую механическую прочность соединения. При сварке металл в месте соединения нагревают до пластичного или расплавленного состояния. В этом отличие сварки от пайки, при которой нагрев ведется только до температуры плавления припоя.
Для изготовления ЭС и приборов используют широкую номенклатуру материалов и их размерных сортаментов. Поэтому почти все методы сварки находят широкое применение в производстве ЭС и их составляющих.
При изготовлении корпусов приборов, различных деталей и монтаже широко используют контактную сварку, электродуговую,диффузионную, аргоновую и газовую сварку.
Контактная сварка разделяется на шовную и точечную. В первом случае осуществляют сварку соединяемых поверхностей по линии (например, роликовая контактная сварка коварового корпуса ГИС, а во втором — отдельными сварными точками (точечная сварка листовых материалов небольшой толщины). Контактная сварка (точечная и шовная) осуществляется методом сопротивления, при котором ток, используемый для нагревания, пропускается последовательно от одного свариваемого изделия к другому через поверхность их соприкосновения.
Точечную сварку применяют для соединения листовых материалов небольшой толщины.
Шовная сварка служит для получения плотных швов внахлестку. В этом случае электроды выполняют в виде роликов. При вращении сжатых роликов свариваемые детали протаскиваются между ними. Сварочные точки располагаются рядом, частично перекрывая друг друга, образуя непрерывный шов. Режим шовной сварки определяется шагом образующих шов точек, усилием, приложенным к роликам, диаметром роликов, скоростью сварки и силой сварочного тока. Электродуговая сварка. Эта сварка основана на плавлении металла под воздействием электрической дуги, образуемой при прохождении тока через воздушный промежуток между двумя проводниками.
Электродуговой сваркой успешно пользуются для соединения корпусов, кронштейнов, каркасов, рам из конструкционных сталей всех марок, а также при создании миниатюрных сварных узлов в приборостроении (толщина соединяемых деталей может быть от 0,1 до нескольких миллиметров) и выполнении электромонтажных работ. Электродуговой сваркой можно соединять детали из следующих сочетаний металлов: медь + медь; медь + никель; ковар + железо; медь + малоуглеродистая сталь; ковар + ковар; алюминий + алюминий и т. п. Она обеспечивает надежность соединения при тепловых перегрузках, высокую механическую прочность, надежный электрический контакт, хороший внешний вид соединения, возможность сварки материалов, не поддающихся пайке (нихром, константан и др.). Применение сварки монтажных соединений вместо пайки повышает производительность труда и снижает себестоимость изделия вследствие отсутствия дорогостоящих припоев и флюсов, а также более низких требований, предъявляемых к подготовке поверхностей. Основными недостатками сварки электромонтажных соединений Являются невозможность их разъединения в отличие от соединений, выполняемых припоем, и недостаточная стойкость против коррозии. При сварке химически активных металлов и их сплавов используют электродуговую сварку в струе защитных газов( аргона, гелия и др.).
Сварной шов при электродуговой сварке получается плотным и газонепроницаемым. Поскольку оксидную пленку при дуговой сварке электродами удаляют флюсом, после сварки шов тщательно промывают от шлака во избежание коррозии.
Для дуговой сварки с газовой защитой используют различные газы и газовые смеси, создающие инертную (аргонодуговая сварка), восстановительную или окислительную атмосферу. В производстве стальных конструкций наибольшее распространение получил метод механизированной сварки в среде углекислого газа, имеющий следующие преимущества: высокую производительность, низкую стоимость газовой защиты, простоту оборудования, возможность визуального наблюдения за формированием сварного шва при механизации процесса сварки коротких швов. Это особенно ценно для изделий радиоэлектронной и приборной промышленности.
Диффузионная сварка. Для материалов, сварка которых обычными методами затруднена (например, сталь с алюминием, вольфрамом, титаном и др.), применяется диффузионная сварка. Ее осуществляют при повышенных температурах с приложением сдавливающего усилия к месту сварки.
Холодная сварка, обеспечивающая соединение пластических металлов давлением, производится при комнатной температуре. В производстве ЭС ее применяют главным образом для соединения деталей малых толщин (до 1,5—2 мм) внахлест или встык. Холодная сварка осуществляется благодаря пластической деформации соединяемых деталей в месте сварки, которая устраняет оксидную пленку и приводит к образованию металлической связи между атомами на чистых поверхностях деталей. Основным условием качественной сварки является отсутствие на контактирующих поверхностях жировых пленок и грязи, а основным параметром — необходимая деформация металла, которая снижается с уменьшением толщины деталей. Место соединения при сварке получается чистым и не требует дальнейшей механической обработки.

94. Соединение пайкой: разновидности, области применения, примеры выполнения паяных соединений.
Технологический процесс образования неразъемного соединения металлических деталей нагревом (ниже температуры их автономного расплавления) и заполнения зазора между ними расплавленным припоем, образующим после кристаллизации (застывания) прочный механический спай (шов), называется пайкой.
По сравнению со сваркой пайка является наиболее скоростным и наименее трудоемким способом соединения. Поэтому при сборке монтаже ЭС и приборов пайка нашла широкое применение.
Нагрев соединяемых деталей и припоя производят разными способами: паяльником, токами высокой частоты, в печах, горелкой, в жидких средах, ультразвуком. Название способа пайки определяется инструментом (оборудованием) или средой, нагревающей место соединения. Кроме того, пайку различают по характеру окружающей среды: в вакууме, нейтральных газах, в восстановительной среде.
По способу введения припоя пайку разделяют на следующие разновидности: заливкой; с предварительной укладкой припоя к месту соединения (шва); с предварительным избыточным облуживанием поверхностей соединяемых деталей; с введением припоя паяльниками; с применением палочных или трубчатых припоев. С помощью пайки соединяют элементы деталей таких форм, которые трудно или невозможно соединить другими способами, ее применяют почти для всех металлов. Ценность паяного соединения, входящего в электрическую цепь аппарата или устройства РЭА, состоит в том, что оно обладает наименьшим электрическим сопротивлением. Правильно разработанная конструкция паяного соединения и качественное его выполнение обеспечивают надежную работу соединения в течение длительного времени.
Примеры выполнения Припой должен хорошо растворять основной металл, смачивать его, иметь хорошую жидкотекучесть и достаточную механическую прочность. Температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления основного металла.
В качестве припоев используют цветные металлы и их сплавы, которые в зависимости от температуры плавления подразделяют на низкотемпературные (мягкие) с температурой плавления до 450°С и высокотемпературные (твердые) с температурой плавления от 450 до 1850 С.В соответствии с ГОСТ 21930—76 и 21931—76 припои характеризуются температурой начала и конца плавления.
При монтажной пайке применяют оловянно-свинцовые и серебряные припои. Серебряные припои по сравнению с оловянно-свинцовыми обеспечивают высокую прочность соединения и их эксплуатационную надежность. Благодаря сравнительной легкоплавкости серебряных припоев процесс пайки является более экономичным, поэтому, несмотря на дефицитность серебра, для пайки ответственных конструкций применяют эти припои. Пайка волной припоя представляет собой процесс, при котором нагрев паяемых материалов, перемещаемых над ванной, и подача припоя к месту соединения осуществляются стоячей волной припоя, возбуждаемой в ванне. При пайке волной припоя устраняется возможность быстрого окисления припоя и температурных деформаций платы. В ванне находится припой, расплавленный нагревателем. Печатная плата проходит по гребню волны. которая создается подачей припоя через сопло определенной формы валом с крыльчаткой. Постоянный контакт платы с припоем обеспечивает быструю передачу теплоты, что сокращает время пайки.
3873510160

95. Разработка схемы сборки изделий.
Схема сборки (ГОСТ 23887-79) представляет собой графическое изображение в виде условных обозначений последовательности сборки изделия или его составной части. Каждый элемент (деталь, сборочная единица) изображается на схеме прямоугольником, разделенным на три части, где указываются наименование элемента, индекс и число, входящее в данное соединение. Схемы сборки строятся с максимальным расчленением изделия на сборочные единицы независимо от программы выпуска. Технологические схемы сборки облегчают разработку технологического процесса благодаря своей наглядности. В практике используют схемы сборки с базовой деталью и «веерного» типа.
Схема сборки с базовой деталью (рис. 22.1) отражает последовательность процесса сборки. Базовой деталью является плата, панель или другая деталь, с которой начинается сборка. Направления движения деталей и узлов показаны стрелками.
147320113030Рис.22.1 – Схема сборки с базовой деталью
Схема сборки «веерного» типа (рис. 22.2) показывает, из каких деталей образуется сборка. Достоинством такой схемы является ее простота и наглядность, но она не отражает последовательность сборки.
Схемами сборки пользуются при разработке технологического процесса наряду со сборочным чертежом и техническими условиями.
Различают стационарную и подвижную сборку.
Стационарная сборка выполняется на одном рабочем месте, к которому подаются все необходимые детали и сборочные единицы. Она является наиболее распространенным видом сборки в условиях единичного и серийного производства.
Рис.22.2 – Схема сборки «веерного типа»
-2263140761365Стационарная сборка может строиться по принципу концентрации и дифференциации. При концентрации весь сборочный процесс выполняется одним сборщиком, а при дифференциации разделяется на предварительную и окончательную. Предварительная сборка производится несколькими отдельными бригадами параллельно, а общая сборка - специальной бригадой или одним рабочим. Это обеспечивает специализацию рабочих и сокращает длительность сборки.
Подвижная сборка выполняется при перемещении собираемого изделия от одного сборочного места к другому. На каждом рабочем месте выполняется одна повторяющаяся операция.
Эта форма сборки применяется в условиях поточного производства. Она может осуществляться двумя способами:
а) со свободным движением собираемых объектов, перемещаемых от одного рабочего места к другому вручную или при помощи механического транспортера;
б) с принудительным движением собираемых объектов, которые перемещаются посредством конвейера при строго рассчитанном такте.
Процесс сборки осуществляется непосредственно на конвейере. Поточная сборка является основной формой, применяемой в серийном и массовом производстве. Переход на поточные методы повышает производительность труда за счет технических и организационных мероприятий, а также сокращает длительность производственного цикла и размер незавершенного производства.
Различия в организационных формах поточного производства сводятся к различиям в поточных линиях (по степени специализации, степени ритмичности, способу поддержания ритма работы, оснащенности транспортными устройствами и др.).
96. Нормирование затрат времени при проектировании технологических процессов (штучное и подготовительно-заключительное время, определение такта и ритма выпуска изделий).
Росту производительности труда в значительной степени способствует техническое нормирование - установление обоснованных норм расхода производственных ресурсов. Под производственными ресурсами понимаются энергия, сырье, материалы, инструмент, рабочее время и т. д.
Техническое нормирование позволяет целесообразно организовать технологический процесс, определить численный и квалификационный состав рабочих, рассчитать количество оборудования и др.
Норма времени - регламентированное время для выполнения некоторого объема работ в определенных производственных условиях одним или несколькими исполнителями соответствующей квалификации. Норма времени включает в себя штучное время Тш и подготовительно-заключительное время Тп.з.
Штучное время. Составными частями нормы штучного времени являются основное время Т0, вспомогательное время ТВ, время обслуживания рабочего места Тобсл, время необходимых перерывов в работе Тпер.
Основное время - часть штучного времени, затрачиваемая на изменение и (или) последующее определение состояния предмета труда. Основное время может быть машинным, машинно-ручным или ручным.
Вспомогательное время - часть штучного времени, затрачиваемая на выполнение приемов, необходимых для обеспечения изменения и последующего определения состояния предмета труда. Оно повторяется с каждым обрабатываемым изделием и является преимущественно ручным (установка и снятие обрабатываемых деталей, перестановка инструмента, измерение деталей, управление механизмами станка).
Время обслуживания рабочего места - часть штучного времени, затрачиваемая исполнителем на поддержание средств технического оснащения в работоспособном состоянии и уход за рабочим местом (подналадка оборудования, смена затупившегося инструмента, удаление стружки и др.).
Время необходимых перерывов в работе - часть штучного времени, затрачиваемая на личные потребности и дополнительный отдых (при тяжелых работах).

Норма штучного времени определяется как сумма его элементов:
Оперативное время - часть штучного времени, равная сумме основного и вспомогательного времени: . Это время затрачивается на осуществление работы, непосредственным результатом которой является выполнение заданной операции:

Подготовительно-заключительное время. Это время представляет собой интервал времени, затрачиваемый на подготовку исполнителя и средств технологического оснащения к выполнению технологической операции и приведению этих средств в порядок после окончания смены. Оно затрачивается рабочим один раз на выполнение определенной операции (работы) и не зависит от количества п деталей в партии.
Подготовительно-заключительное время входит в норму штучно-калькуляционного времени:

Нормы времени устанавливают для каждой операции и типа производства, так как на выполнение одинаковой работы в условиях единичного, серийного и массового производства затрачивается различное время. Основным методом установления норм является расчетно-аналитический. В условиях крупносерийного и массового производства этот метод дополняется исследованием операций непосредственно на рабочих местах, а в мелкосерийном и единичном - методом сравнения.
Для всех автоматизированных и механизированных операций, выполняемых на металлорежущих станках, аппаратах шовной сварки и другом оборудовании с автоматической подачей, основное время на каждый переход определяется по формуле
T0 = Li/S№,
где L - путь, проходимый инструментом или заготовкой в направлении подачи, мм; SM - скорость подачи, мм/мин; i - число проходов.
Вспомогательное время TВ определяется по нормативам, устанавливающим продолжительность отдельных приемов работы. Для сборочных, монтажных, регулировочных, формовочных и других ручных работ обычно определяется оперативное время.
Время обслуживания рабочего места для всех операций, кроме обработочных, исчисляется в процентах (1...7%) от оперативного времени. Время необходимых перерывов в работе предусматривается в размере 2% от оперативного времени.
Определение квалификации работы производится по тарифно-квалификационному справочнику. Разряд работы предопределяет наличие признаков, указывающих на подготовку, знания, навыки рабочего и степень его самостоятельности в выполнении работы.
Определяют такт сборки по формуле: Tв=60F/N (мин/шт),
где F – годовой фонд рабочего времени, час.;
N - годовая программа выпуска, шт.
Если такт значительно превосходит среднюю длительность операции, то сборку ведут по принципу серийного производства, если такт близок или меньше средней длительности операции, то сборку ведут по принципу массового производства.

97. Изготовление деталей ЭС методом литья
68580155575Литьем изготавливают отдельные детали несущих конструкций, направляющие, корпуса магнитных головок, приводы накопителей на магнитных дисках и др. Литье — наиболее простой и дешевый метод формообразования заготовок. Основным инструментом литейного производства является форма. От качества изготовления формы и материала, из которого она изготовлена, зависит качество заготовки (отливки). Формы делятся на разовые, полупостоянные и постоянные. Разовые — на одну отливку, полупостоянные — на несколько, постоянные позволяют получить до нескольких тысяч отливок.
На рис. 6.15 приведен общий вид формы для получения отливок. Две полуформы 1 и 2 образуют полость 3, в которой образуется отливка. Знак 4 служит для получения углубления в отливке. Штифт 5 центрирует две полуформы при сборке. Отверстие конической формы 6, называемое литником, служит для заливки расплавленного металла в форму. После застывания металла форму разбирают по плоскости разъема О-О, вынимают отливку, затем удаляют литник.
При конструировании литых деталей необходимо учитывать литейные свойства заливаемого металла (сплава): жидкотекучесть, кристаллизацию и усадку. От жидкотекучести во многом зависит минимальная толщина s стенок отливки. Кристаллизация (застывание) сплава происходит в направлении, перпендикулярном поверхности теплоотдачи. Скорость кристаллизации меняется от максимальной у поверхности до минимальной в центре отливки, при этом происходит рост кристаллов к центру.
Усадка — свойство металлов (и их сплавов) при охлаждении уменьшаться в объеме.
Это необходимо учитывать, обеспечивая отливке плавные переходы от од ной стенки к другой, радиусы скруглений, равностенность и т. п. Если этого не учесть, возможны появления трещин, раковин, перекосов стенок. В производстве ЭС широкое распространение получил способ литья под давлением.
Литье под давлением — самый производительный и экономичный способ изготовления тонкостенных деталей сложной конфигурации в серийном производстве. Формы изготавливают из металла высокой прочности, с точностью на 2—3 квалитета выше получаемого квалитета у отливки. Получаемая шероховатость отливок составляет 7—8 класс. Наиболее распространено литье под давлением сплавов на основе цинка, алюминия, магния и меди (латуни). В качестве основного оборудования используют литьевые машины, с горячей камерой прессования, с холодной вертикальной и горизонтальной камерой прессования. Тип машины характеризуется устройством прессующего механизма. В настоящее время используют машины с передачей давления на металл посредством поршня. Такие машины называют поршневыми, они бывают с горячей и с холодной камерой прессования.
Машины с горячей камерой прессования применяют для отливки деталей из цинковых сплавов. Камера прессования таких машин расположена непосредственно в расплавленном металле (рис. 6.16). Металл из раздаточной печи заливается в подогретый тигель 1. При работе прессующего цилиндра 3 поршень 4 опускается, перекрывает отверстие 8, через которое расплавленный металл поступает в полость камеры 2. Под давлением поршня металл поднимается по каналу 7 и через мундштук 6 заливается в форму 5. Машины с горячей камерой имеют гидравлический или пневматический привод, просты по устройству, высокопроизводительны и могут быть полностью автоматизированы.
Схема действия литьевой машины с вертикальной камерой прессования приведена на рис. 6.17. После заливки расплавленного металла в камеру прессования 2 поршень 1 опускается и, надавливая на основание 4, открывает литниковое отверстие. Металл заливается в форму 3. Когда он затвердеет, основание 4 поднимается и срезает остаток 5, освобождая выход отливки 6 вместе с литником.
В литьевых машинах с горизонтальной камерой прессования (рис. 6.18) литниковая система более короткая, в таких машинах меньше потери тепла и давления при подаче расплава из камеры прессования в полость формы. Расплавленный металл заливается в горизонтальную камеру через отверстие (рис 6.18, а) и под действием поршня запрессовывается в форму (рис. 6.18,б). При раскрытии формы остаток металла остается на плоскости разъема (pис. 6.18, в). После полного выхода поперечного стержня отливка вместе с литником и остатком выталкивается из подвижной половинки формы (рис. 6.18, г).

а б в
Рис. 6.17. Схема литьевой машины с холодной вертикальной камерой прессования: а — заливка; б — прессование; в — раскрытие формы

98. Разделительные и формообразующие операции холодной штамповки
Холодная штамповка — высокопроизводительный, малоотходный довольно точный метод формообразования деталей ЭС. Этим методом изготавливают каркасы, направляющие в каркасах, пластины магнитопроводов, клеммные зажимы и многие другие детали. Исходными материалами для холодной штамповки являются листы, полосы, ленты из черных и цветных металлов, неметаллических материалов (картон, резина, фибра, текстолит. Предварительно исходный материал раскраивают, размещая будущие детали с наименьшими отходами (рис. 6.19).

На технологичность конструкции штампованных деталей оказывают влияние три основных фактора: ограничения по деформируемости данного материала, допуск на размеры, требования к чистоте поверхности. Первый фактор особенно проявляется при изготовлении сложных полых деталей, требующих большой пластической деформации.
2546351233170Операции холодной штамповки можно разбить на две основные группы: разделительные и формообразующие. К разделительным операциям относятся: отрезка, вырубка, пробивка, надрезка, просечка, зачистка, калибровка (рис. 6.20); к формообразующим — операции, в результате которых происходит изменение формы и размеров заготовки: гибка, вытяжка, правка (рихтовка), формовка, холодное выдавливание (рис.6.21)..
Рис. 6.20 - Разделительные операции штамповки
Рис. 6.21. Формообразующие операции штамповки
273685168275

99. Общая характеристика методов формообразования материалов и деталей при производстве ЭС
В конструкции современных ЭС используется большое количество разнообразных металлических и неметаллических деталей, выполняющих различные функции: детали, образующие несущую конструкцию ЭС и обеспечивающие устойчивость их к механическим нагрузкам и климатическим воздействиям; элементы управления, без которых невозможна эксплуатация ЭС; корпусные детали, обеспечивающие эргономические и эстетические характеристики ЭС; детали электромеханических узлов — накопителей на магнитных дисках, датчиков, печатающих устройств, преобразователей, графопостроителей, сканеров и др. На рис. 6.1 приведен внешний вид вычислительно-управляющей системы с входящими в нее устройствами, встроенной в базовый несущий каркас. Из рисунка видно, что данная система состоит из металлических и неметаллических деталей, технологические методы изготовления которых различны и требуют разнообразного технологического оборудования, соответствующей оснастки и приспособлений. К таким методам относятся в первую очередь обработка материалов резанием (механообработка), литье, обработка давлением, электрохимические и электрофизические методы, обработка пластмасс.
Если трудоемкость изготовления ЭС принять за 100 %, то операции механической обработки могут составлять до 15 %, операции литья деталей — до 3 %, операции обработки давлением — до 18%, операции переработки пластмасс — до 12%, электрофизические и электрохимические операции — до 5 %, остальное — сборка и монтаж. Рассмотрим в общем виде эти методы обработки материалов и формообразования применительно к технологии производства ЭА.
Детали конструкций из металлов и их сплавов получают различными методами формообразования, причем исходный материал может находиться в расплавленном, горячем (раскаленном) или холодном состоянии. На рис. 6.2 представлена классификация основных методов металлообработки, используемых при изготовлении деталей электронных средств. В классификацию не вошли некоторые специальные, относительно редко применяющиеся виды обработки, такие как электроискровая, электрохимическая, специальные виды литья и т.д.
-101603810Использование того или иного вида обработки при изготовлении металлических деталей определяется назначением детали, ее конструкцией, применяемым материалом и другими факторами. Дополнительными факторами являются наличие соответствующего сортамента материала и оборудования на предприятии.. Прогрессивные методы формообразования, такие как штамповка, литье под давлением лишены этих недостатков, однако их применение оправдано лишь при массовом производстве. Это связано с необходимостью проектирования и изготовления дорогостоящей оснастки – пресс-форм, штампов и т.д.
При изготовлении металлических конструкций приведенные методы изготовления могут комбинироваться как между собой, так и с различными способами соединения деталей (сваркой, склепыванием, склеиванием и т.д.).
100. Изготовление электронных модулей по технологии внутреннего монтажа.
Одно из направлений развития электронных модулей, которое по праву относится к российским изобретениям и где мы являемся лидерами – это технология внутреннего монтажа. Технология внутреннего монтажа устраняет необходимость в корпусировании ИС и производстве многослойных печатных плат. Главное же то, что данная технология придает электронному блоку новые характеристики и устраняет недостатки, присущие технологии поверхностного монтажа. Суть данной технологии сводится к тому, что кристаллы ИС монтируются в специальных углублениях внутри керамических, металлических или полимерных плат с последующим монтажом пассивных и прочих элементов на поверхности печатных плат (рис. 7.4). Выгоды, которые дает данное направление, представлены в табл.
Сравнение технологий поверхностного монтажа и внутреннего монтажа
Сравниваемые
показатели Поверхностный монтаж СБИС в BGA-корпусах Внутренний монтаж ИС
Надежность контактов Шариковые выводы BGA-корпусов не способны многократно компенсировать разницу в расширениях корпуса и платы.
В условиях бессвинцовых контактов их пластичность уменьшается Разница в расширении подложки и кристалла отсутствует, либо выводы — дорожки — сформированы на пластичном материале
Электромагнитные паразитные явления Плотная выводная рамка СБИС и плотная разводка ПП под СБИС являются источником паразитных явлений индуктивной или конденсаторной природы Паразитные явления отсутствуют
Чувствит-ть к внеш несанкциониров-м электромагнитным воздействиям Плотная выводная рамка СБИС и многоуровневая разводка ПП явл-ся антеннами, принимающими внеш несанкциониров воздействия Электронный блок не чувствителен к внеш несанкциониров электромагнит возд-виям ввиду отсутствия выводов и многоуровневой разводки ПП
Тепловая нагруж-ть электронного блока Корпус СБИС и полимерные слои ПП препятствуют рассеиванию тепла, выделяемого компонентами Кристаллы ИС находятся внутри металлич платы, лишены корпуса, толстые слои полимерных материалов в блоке отсутствуют
Виброустойчивость Корпус СБИС массивен, механическая прочность безвыводных контактов не велика Вес кристалла минимален, кристалл находится внутри платы, соединяющие слои очень пластичны
Быстродействие Наличие выводов и многоуровневая разводка ПП, невозможность близкого размещения исполнительных элементов и СБИС приводят к утрате быстродействия Быстродействие электронных блоков, исполненных по технологии внутреннего монтажа, в несколько раз, а иногда и в несколько десятков раз выше поверхностномонтируемых аналогов в связи с уменьшением длины связей
Деградация токоведущих дорожек платы Соврем технологии произ-ва ПП не обеспечивают 100% удаления остатков травителя с поверхности проводников, что приводит со временем к деградации и разрушению проводника Напыление проводников шириной 50-70 мкм происходит через маску методом вакуумного напыления. Дальнейшая деградация проводника исключена
Экологич чистота технологического процесса Вред, наносимый природе производством корпусов ИС и печатных плат, хорошо известен Экологически чистая технология
Экономический эффект Затраты на производство растут год от года Стоимость кристаллов минимальна. Печатные платы отсутствуют. Надежность аппаратуры дает колоссальный экономический эффект
Массогабаритные характеристики Электронные блоки, исп-нные по технологии пов. монтажа, имеют габариты в 2-3 раза <, чем электрон. блоки, исп-нные по штырьковой технологии Электронные блоки, исполненные по технологии внутреннего монтажа, имеют габариты в 10-20 раз меньшие, чем электронные блоки, исполненные по технологии поверхностного монтажа

Рис. 7.4. Последовательность операций изготовления радиоэлектронного узла с внутренним монтажом:
а – основа печатной платы (металлическая, керамическая, поликоровая); б – пробивка отверстий для установки кристаллов бескорпусных микросхем; в – позиционирование кристаллов микросхем в отверстия.; г - фиксация кристаллов микросхем компаундом; д – нанесение защитного диэлектрического париленового (полипараксиленового ) покрытия; е – ионно-химическое травление через металлическую маску окон над контактными площадками кристалла ИС; ж – вакуумное осаждение многослойного (Ti-Cu-Ni) покрытия; з - повторение операций д, е, ж (до 30 слоев) и установка пассивных компонентов; и – окончательная электро- и влагозащита париленовым покрытием
Технология внутреннего монтажа реализуется следующим образом:
1) на подложке из алюминия штампом пробиваются прямоугольные отверстия соответствующие, с допустимым увеличением, размерам кристаллов ИС, монтируемых в данное отверстие;
2) методом анодирования на подложке формируется диэлектрический слой;
подложка укладывается на ровную поверхность монтажного столика, и кристаллы устанавливаются в отверстия активной стороной вниз. Манипулирование кристаллами производится вакуумным захватом, удерживающим кристалл за неактивную сторону кристалла;
4) заложенные в подложку и планоризированные с нижней стороны подложки кристаллы фиксируются в ней компаундом, наносимым в зазор между кристаллом и подложкой;
5) после полимеризации компаунда подложка с кристаллами помещается в установку нанесения париленового (полипараксилиленового) покрытия, где при температуре 28°С на поверхности подложки и лицевых сторонах кристаллов происходит формирование диэлектрического слоя – париленовой пленки;
6) через металлические маски в слое парилена ионно-химическим травлением вскрываются окна над контактными площадками ИС. Одновременно происходит очистка контактных площадок перед напылением проводников;
7) в установках вакуумного напыления через свободные технологические маски производится напыление проводников Ti – Cu – Ni. 
Указанные операции осаждения слоя парилена, вскрытия окон, вакуумной металлизации могут повторяться необходимое количество раз для формирования нужного количества слоев (до 30 слоев), причем переход со слоя на слой производится с помощью отверстий, диаметр которых не превышает ширину проводника;
8) пассивные элементы функционального электронного блока припаиваются к печатной плате традиционными способами, как элементы поверхностного или штырькового монтажа;
9) окончательная электро- и влагозащита обеспечивается внешним париленовым покрытием.
Приведенная технология применима как при корпусировании ИС, так и при непосредственном монтаже кристаллов внутри функционального электронного блока. Тепловая разгрузка кристаллов смонтированных вышеприведенным способом, обеспечивается как напылением слоя металла на заднюю поверхность кристалла и подложки в целом, так и напылением слоя металла на тонкий слой диэлектрика с лицевой стороны кристалла и печатной платы. Кроме того плата с кристаллами может быть плотно присоединена к дополнительным теплоотводящим основаниям – радиаторам. На поверхности теплоотвода могут быть сформированы дополнительные слои коммутации с использованием полимидных пленок с вакуумной металлизацией.
Для реализации метода необходимы в основном два вида оборудования:
- установки вакуумного напыления;
- установки ионного травления.
Помимо увеличения плотности монтажа в несколько раз благодаря отсутствию выводов микросхем, уменьшения ширины проводников до 50 - 70 мкм, снижению диаметра переходного отверстия до 25 – 30 мкм, также увеличивается надежность за счет следующего:
- отсутствие сварных и паяных контактов;
- проводник формируется сухим методом и состоит из чистых материалов, не содержит никаких остатков травления, являющихся фактором деградации тонких проводников обычных печатных плат;
- близость коэффициентов линейного расширения кристалла, оксидного защитного слоя подложки, керамических корпусов конденсаторов и ситалловых корпусов резисторов для поверхностного монтажа обеспечивает безотказную работу блоков при резких перепадах температуры;
- кристаллы ИС, уложенные в алюминиевую или керамическую подложку, находятся в условиях постоянной теплоразгрузки на тело подложки, что создает надежные условия эксплуатации ИС.
- подложка из алюминия естественным образом создает не только теплоразгрузку кристаллов, но и обеспечивает защиту схемы от постороннего электромагнитного воздействия.

101. Приведите структуру контроллера (микроЭВМ) с раздельными шинами адрес/данные и следующим составом:
ОЗУ – ХХ кб, ПЗУ – ХХ кб, индикация – 1, порты ввода/вывода – Х клавиатура – 1
Распределите адресное пространство для контроллера. Приведите таблицу распределения адресов.
На сегодня простейшие вычислители используют в качестве основного элемента МП или МК. Структура вычислителя с 2-мя шинами:

Вычислитель имеет 2 раздельных шины (ША и ШД). Это наиболее распространенный тип в организации шин. ША однонаправлена (источник адреса CPU). ШД двунаправленная. При этом на ШД обычно ставят буфер направления передачи, который управляется сигналом от CPU (запись/чтение). Кроме направления буфер увеличивает нагрузочную способность шины. Блоки памяти: ОЗУ, ПЗУ включаются к соответствующим разрядам адреса и данных. Порты в/в также подключены к ШД и младшие разряды к ША. Большинство портов использует 8-разрядную шину, поэтому передается младший байт если разрядность шины выше 8. Любые ВУ подключаются через порты (так рекомендуют), реже подключаются через регистры с 3-им состоянием. При проектировании всегда начинают с разделения адресного пространства между основными функциональными блоками. Составляют карту адресного пространства, где помечают (ОЗУ, ПЗУ, порты). В качестве адресного дешифратора рекомендуется использовать программируемые логические матрицы, поскольку они позволяют формировать адресные области с произвольным числом адресов. Число ВУ в таких схемах произвольное. А включение портов в/в однотипное. Как включили 1-ый порт так и последний. Только каждый порт должен иметь свою область в адресном пространстве, свою подпрограмму ввода/вывода. Вместо несложных МП в схемах на сегодня применяют МК, основное отличие которых в том, что организация шин выполняется через встроенные порты МК. В схеме на МП указаны типы шин, способы подключения к ним функциональных блоков, распределение адресного пространства.
-80010453390Главный ресурс в ЭВМ – объем памяти. Поэтому распределение адресного пространства определяет архитектуру вычислителя.
Принято все адресное пространство изображать прямоугольником. Нижний слой имеет 0000 адреса, верхний FFFF. Все адреса следует разделить, распределить между ПЗУ, ОЗУ, ВУ. Кроме того часто в адресном пространстве выделяют экранное ОЗУ, а также BIOS. Обращение к той или иной области через адресное пространство, наиболее часто для этой цели используют дешифратор.
Распределение ресурсов в ЭВМ
Поскольку сигналы данных передаются по магистрали, а к магистрали подключено одновременно несколько функциональных блоков. Возникает задача выбора нужного функционального блока, остальные блоки можно отключить. Принято включать/выключать блоки с помощью адресов, используя для этого дешифратор адреса. Все адресное пространство представляется как бы прямоугольником. Число ячеек памяти в нем – связано с max разрядностью ША, и если ША 16-разрядов, то у нас (64 К) ячеек памяти. Если ША 20-разрядная, то 1М ячеек памяти (имеется в виду). Каждому блоку в схеме следует отдать часть адресов из карты памяти. Число этих адресов зависит от внешних требований: объема ОЗУ, объема ПЗУ, кол-ва внешних устройств (портов, клавиатуры), но каждому ВУ необходимо отдать свою часть адресного пространства. Обычно ВУ достается адресное пространство по остаточному принципу. Расчет обычно начинают с ПЗУ. Память команд наиболее ответственна и ее располагаю ближе к началу адресного пространства. Затем выделяет под ОЗУ и ВУ. В реальных CPU адресное пространство начинать с «0» нельзя. Внутренние регистры, внутренняя встроенная память уже имеют свои адреса. Поэтому прежде чем делить адресное пространство следует выписать из описания микропроцессора его служебные адреса и начинать следует выше. Если ПЗУ встроенное, либо стартовый адрес не нулевой следует для ПЗУ выбрать соответствующее адресное пространство.
Расчет адресного пространства
Необходимо распределить адресное пространство:
ПЗУ-24 К
ОЗУ-48 К
2 порта ввода-вывода, 1 клавиатура, 1 индикатор
Определяем, какое пространство нам нужно:
24К+48К+4М=72К+4М,
М – это адресное пространство для внешних устройств. Зададим М=256(FF). Имеем 72К+1К.
Выбираем из ряда ближайшее большее значение:
32К 64К 128К 256К
128 К – это одна строка в памяти, для которой нам нужно 17 разрядов адреса: (217)=128К
Начинаем деление. Для этого распишем 17 разрядов:
219 216 215 212 211 28 27 2423 20
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Адресное пространство ПЗУ определяем следующим образом:
24К = 16К + 8К, т.е.
16К = 214 или 04000(в шестнадцатеричном коде)
8К = 213 или 02000 (в шестнадцатеричном коде)
04000
02000
06000
-1
05FFF
Определяем адресное пространство ОЗУ:
48К = 32К+16К, т.е.
32К = 215 или 08000(в шестнадцатеричном коде)
16К = 214 или 04000(в шестнадцатеричном коде)
08000
04000
0С000
-1
0ВFFF+06000=11FFF
Таблица 1 – Карта распределения адресного пространства вычислителя
Свободно 1FFFF
12300
Индикаторы 122FF
12200
Клавиатура 121FF
12100
Порт ввода-вывода 120FF
12000
ОЗУ 11FFF
06000
ПЗУ 05FFF
00000

102. Укажите место на структурной схеме ЭВМ различных интерфейсов. Как объединять ЭВМ в систему? Какие условия следует выполнить при передаче данных? Обоснуйте.
Параллельные интерфейсы ориентированы на высокую скорость передачи информации. В первую очередь это интерфейсы системные. Которые связывают CPU с функциональными блоками. Часто структура системных интерфейсов определяет построение системы в целом (магистрали) ША, ШД, ШУ. Некоторые авторы относят к системному интерфейсу орбитр шины – адресный дешифратор, который выбирает согласно адресного пространства соответствующие функциональные блоки. К параллельным интерфейсам также относят и межпроцессорные интерфейсы. Как правило, к нему относят линии связи и уровни передаваемых сигналов (1 и 0).Для повышения скорости передачи в межпроцессорных интерфейсах используют дифференциальный сигнал, уровни которого изменяются 0,7 и 1,4 В. Причина: чем больше размах уровня, тем выше задержка срабатывания узлов, но помехоустойчивость ниже. Поэтому такие линии обычно короткие. К параллельным интерфейсам относят также межсистемные интерфейсы при объединении вычислительных систем для решения параллельных задач. Это самые сложные интерфейсы т.к. кол-во объединяемых систем (ЭВМ) может достигать нескольких тысяч. Основу таких интерфейсов составляет электронный коммутатор. Наиболее простым примером параллельного интерфейса является периферийный параллельный интерфейс, первоначально разработанный для вывода информации на печать.
ИРПР – интерфейс радиальный параллельный.
ИРПР(LPT). Аналогом этого интерфейса является интерфейс Centronics. Интерфейс Centronics – приборный, разработан для вывода на печать результатов измерений цифровых приборов. И позднее этот интерфейс перекочевал в вычислительную технику. Интерфейс параллельный 25-контактный, разрядность данных (8) D0…D7, причем интерфейс настраивается на направление передачи данных: вывод, ввод. Поскольку периферийное ВУ могло меняться разработали общие правила передачи данных по такому интерфейсу:1 Интерфейс асинхронный
2 Для анализа состояния ВУ предусмотрены дополнительные сигналы индикации: конец бумаги, готовность ВУ, наличие бумаги.
3Программно направление передачи возможно менять. Однако большинство параллельных интерфейсов настраиваются изначально на однонаправленную передачу. Поэтому часто в ЭВМ присутствует 2 канала с параллельным интерфейсом, один на вывод, другой на ввод. В частности в ПЭВМ в BIOS имеется выбор режима работы порта: однонаправленный, двунаправленный и т.д.

Кластер – некий узел, блок, объединение устройств. В рамках одного кластера можно объединять от нескольких единиц (4-6) до нескольких десятков ПЭВМ. Задача – объединить ресурсы ПЭВМ для решения одной или нескольких задач. С этой точки зрения кластеры начинают дублировать сеть, когда используются ресурсы других рабочих станций.С другой стороны – имея несколько одинаковых ПЭВМ, можно соединить их между собой и распределить задачу (управляющие коды) между отдельными блоками.
Объединить отдельные ЭВМ можно через канал (внешний разъем), например через com-port. Однако скорость передачи данных низка и для решения задач в реальном времени такое объединения не подходит, поэтому кластер формируют путем объединения процессорных шин (PCI) с помощью коммутатора.
PCI
PCI
PCI
коммутатор
В отличие от многомашинного комплекса мы «влазим» в корпус ПЭВМ – подключаем разъем в слот системной платы. Коммутатор – с очень высокой производительностью пересылает файлы через свою буферную память из одной ПЭВМ в другую. Тип шины GIGABYTE. В качестве
коммутатора можно применить рабочую станцию с соответствующим п.о.
С точки зрения аппаратной части кластер можно построить без больших затрат, имея разъемы кабелей коммутатора. Иное с п.о. Под каждый кластер приходится разрабатывать свои программные связи, поэтому стоимость п.о. возрастает в десятки раз. Более того, программная часть до конца бывает не отлажена, поэтому очень часто возникают сбои и эффективность такой организации достигается лишь на отдельных задачах, для которых и было написано п.о. Специализация п.о. не позволяет кластерам тиражироваться. С точки зрения подхода к ресурсам кластеры разделяют:
Использующие совместную память ПЭВМ
Разделение задачи на параллельные ветви, решаемые на отдельных ПЭВМ.
Второй подход к построению кластеров – сосредоточение нескольких системных плат, объединенных в стойку, с добавлением коммутатора и линий связи между ними.
Кластеры появились как один из вариантов реализации параллельных систем без больших изменений. Однако полной универсальности они не дали в силу специфичности п.о. замечательным свойством кластера считается то, что ПЭВМ самостоятельны и можно в любой момент времени считать на каждой свою задачу.
Условия согласования в интерфейсах
Для обмена сигналом между источником и приемником необходимо выполнить 3 типа условий для обеспечения достоверного приема
Электрические: уровень логического «0» и логической «1» , время нарастания фронта сигнала и длительность обмена не должны отличаться.
Механические: распайка сигналов по контактам разъема, тип разъема и последовательность распайки контактов разъема.
Логические: последовательность формирования сигналов запрос-ответ, строб, подтверждение.
Помимо 3-х условий необходимо выполнить некие действия направленные на сохранение данных в каком-то интервале времени. Сохранять сигнал пока он не будет прочитан, выдерживать сигнал в течение времени, достаточного для его чтения и опознавания.

103.Расставьте по убыванию значимости параметры ЭВМ по критерию производительности. Охарактеризуйте эти параметры.
Основная характеристика у ЭВМ производительность. Стремятся любыми средствами повысить ее. Производительность – это функция быстродействия и организации ЭВМ. характеризует число, количество операций выполняемых системой за единицу времени. Это число будет зависеть от характера выполняемых команд. Короткие команды дадут большие значения, длинные наоборот. Поэтому для более объективного решения производительность оценивают на наборах команд (смесей). Часто используют смеси Гибсона. Два вычислителя по скорости можно сравнивать на производительность лишь на одной смеси.
Основной подход к повышению производительности на сегодня увеличение числа процессоров одновременно занятых над задачей. Для тестирования фиксируют время в течении которого пройдет программа на системе. Производительность оценивается либо же кол-вом команд целочисленной арифметики (MIPS), либо MFLOPS, GFLOPS.
Память оценивают по числу хранимых слов и разрядности ША.
Быстродействие – измеряется в единицах времени. Показывает интервал времени в течении которого выполняется одна короткая операция. Например, пересылка между регистрами, или сложение регистров.
Быстродействие определяется элементной базой и частотой тактового генератора. Как правило, это время берется несколько большим, чем задержка срабатывания операций в АЛУ процессора.
На эту характеристику не оказывает влияние ни адресация ни способы записи информации в память.
Относится к отдельным устройствам, а не к ВС в целом. Быстродействие определяется количеством операций в единицу времени и зависит от времени выполнения операции: V=1/t – чем меньше время выполнения операции t, тем выше быстродействие. Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которая может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти. Наименьшей структурной единицей информации является бит -одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения - байтах (байт равен восьми битам).
Адресная составляющая (разрядность адресуемой памяти). Разрядность адреса число адресных разрядов, показывающих максимальный объем памяти, к которой возможно адресоваться напрямую. При этом время доступа минимально. Объем памяти вычислителя в общем случае не ограничен сверху. Разделяют лишь ОЗУ – непосредственный доступ, и ВЗУ – данные, из которой считываются последовательно. По количеству адресов команды делятся на многоадресные, одноадресные и безадресные. В многоадресных командах Адресность может быть равномерной и неравномерной. Равномерная Адресность характеризуется одинаковой структурой и длиной всех адресов команды. При неравномерной Адресности в одной части команды содержатся полные (по всему объёму ОЗУ) и короткие (связанные с частью ОЗУ) адреса. В ряде случаев короткие адреса относятся к специальным сверхбыстродействующим ОЗУ ограниченного объёма. Различают постоянную Адресность, при которой количество адресов в команде устанавливается при разработке ЭВМ, и переменную Адресность предусматривающую оперативное изменение Адресности в процессе вычислений в зависимости от характера выполняемых процедур. Переменная Адресность существенно повышает производительность ЭВМ, однако её реализация сопряжена с конструктивными и схемными усложнениями. Наиболее легко переменная Адресность осуществляется при последовательном или параллельно-последовательном способе обработки информации. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. Разрядность шины данных микропроцессора определяет разрядность ЭВМ в целом. Разрядность шины адреса процессора задает его адресное пространство, то есть максимальное количество ячеек ОЗУ, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором. Разрядность шины - число проводов, по которым передаются двоичные сигналы. Разрядность шины данных обычно такая же, как у микропроцессора. Принято считать данные в байтах 1,2,4,8. Полная разрядность данных в вычислителях называется словом.
Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком (“машинном”) уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации:
Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое;
Арифметические операции. К основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание. Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным программам;
Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Простейшими примерами могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ. Кроме того к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка;
Сдвиги двоичного кода влево и вправо;
Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами;
Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом).
Сегодня преобладающими являются две системы 1) DEC – ориентация на промышленное оборудование, оборудование управления. 2) IBM. Специализированные вычислители могут иметь свою систему команд, более удобную для частных применений.

104. Преобразуйте десятичное число _____ в:
- двоичные целые коды без знака
- двоичные целые коды со знаком
- шестнадцатиричные коды
- двоично-десятичные коды
- в двоичный код, формат П3
В какой форме хранятся в памяти ЭВМ символы. Приведите два примера.

Пример 1. Перевести число 11(10) в двоичную систему счисления.

Ответ: 11(10)=1011(2).
Пример 3. Перевести число 500(10) в шестнадцатеричную систему счисления.

Ответ: 500(10)=1F4(16).
Двоично-десятичный код, binary-coded decimal, BCD, 8421-BCD — форма записи целых чисел, когда каждый десятичный разряд числа записывается в виде его четырёхбитного двоичного кода. Например, десятичное число 31110 будет записано в двоично-десятичном коде как 0011 0001 0001BCD.
Двоичные целые коды со знаком
Для числа -1101:
Прямой код 1,0001101
Обратный код 1,1110010
Дополнительный код 1,1110011
Преобразуем отрицательное число −5, записанное в прямом коде, в дополнительный. Прямой код числа −5, взятого по модулю: 101
Инвертируем все разряды числа, получая таким образом обратный код: 010
Добавим к результату 1: 011
Допишем слева знаковый единичный разряд 1011
Двоичный код с ПЗ
Пусть дано число: 113, преобразовать в формат с ПЗ
Выбираем из ряда ближайший больший 128, что равно 27, т.е. порядок=7(или 0111)
Приведем число 113 к виду: 2P*m, где р-порядок, а m-мантисса. Найдем мантиссу m=113/128=0,88. Тогда 113=27*0,88. Преобразуем мантиссу в двоичный код: 0,88/0,5=1 остаток 0,38,затем0,38/0,25=1 остаток 0,13,затем 0,13/0,125=1 остаток 0,005/0,0625=0,затем 0,005/0,03125=0,и еще раз 0,005/0,015625=0.Итак мы получим значение 0,88 в двоичном коде 0,111000.Запишем общий вид: 0111,111000
Представление текстовой информации.
В случае текстовой информации, каждому символу сопоставляется двоичное число, образуя таблицу кодировок символов. Существует различные стандарты кодировок: ASCII, UCS-2, UCS-4. Например, в таблице ASCII одним байтом кодируются 256 символов (включая управляющие символы). Согласно этой кодировке «-» соответствует 2D, 3-33,нулю-30

105. Сопоставьте принципы печати лазерного и струйного принтеров, опишите и сравните их.
Струйные принтеры
Разрабатывался как альтернатива механическим ( игольчатым) принтерам. Головка струйного принтера повторяет ту же идеологию, что и игольчатые принтеры ( матрица с отверстиями из которых выбрасывается красящий элемент. Кинематическая схема примерно та же: в горизонтальном ( продольном) направлении перемещается головка, лист бумаги протягивается по длине. Принцип печати в струйных принтерах – перенос красящего в-ва на бумагу при горизонтальном (по строке) движении головки. В отличии от печати на лазерном принтере нет необходимости в нагреве, поэтому бумага дольше сохраняет свои свойства , но соотношения бумага – чернила более чувствительны к характеристикам: при большой вязкости чернил, они могут не прилипнуть к бумаге. Если текучесть высока, каждая капелька образует вокруг себя на бумаге – ореол – расходящиеся ниточки , поэтому подбор бумаги к струйным принтером более критична. Если печать цветная – 3 отверстия ( сопло, 3 шт) формирует точку произвольного цвета. Параметры задаются хар-ми качества печати и полями на бумаге. Рабочий ход головки = размеру страницы с учётом полей.
Скорость печати невысока, потому что головка должна двигаться с одного края листа до другого , а это требует времени. Скорость подачи бумаги- сокрость печати.
Способы печати. А) непрерывная печать Б) импульсная печать В) твердотельная печать
А) подача краски производиться непрерывно и струей краски управляют электроды, наравляя е в нужную точку на бумаге

Из резервуара с чернилами через головку в направлении листа бумаги посылается точная струя чернил. Струя проходит управляющий электрод, который отклоняет если нужно луч вверх\вниз, если нужен пробел – направляющий электрод направляет струю вниз в принимающий резервуар. Оттуда чернила в исходную емкость. На практике при непрерывной струе получаются большие затраты чернил (не все чернила попадают вниз, часть на контакты, что загрязняют эти элементы). Чернила вернувшись в резервуар уже окислились – имеют другую вязкость и др. характеристики.
В результате при повышении скорости печати расход чернил большой, и кроме того , чтобы струя чернил лучше управлялась, их необходимо заправлять.
Лазерные принтеры
Принцип работы лазерного принтера :устройство выполняет большое количество операций таких как: зарядка фотовала, лазерное сканирование, наложение тонера, перенос тонера, закрепление тонера.
Зарядка фотовала
Данная операция происходит при помощи специального зарядного валика, который распространяет заряд по всей поверхности вращающегося фотобарабана.
Лазерное сканирование
После зарядки вращающегося фотобарабана его поверхность проходит под лазерным лучом, который впоследствии перенаправляется на линзу, тем самым снимает отрицательный заряд с тех областей, которые будут задействованы в печати, выражаясь понятным языком формирует изображение, которое должно получиться в конечном результате
Наложение тонера
Отрицательно заряженный ролик придает тонеру отрицательный заряд, а затем перенаправляет его на проявочный ролик. Далее магнитный вал притягивает тонер. находящийся в бункере, на свою поверхность. Во время вращения вала, тонер проходит через узкую щель, которая образовывается между дозирующим лезвием и магнитным валом. Затем они притягиваются к фотобарабану, только на те места, с которых был снят заряд в процессе лазерного сканирования..
Перенос тонера
Перенос тонера – это нанесение тонера в форме конечного изображение. Как это происходит? Дело в том, что под бумагой находится, так называемый, ролик переноса, на который подается положительный заряд. Отрицательно заряженные частички будут притягиваться на поверхность бумаги в форме конечного изображения.
Закрепление тонера
Является процессом закрепления тонера на бумаги за счет его нагрева и давления.

106. Приведите две схемы подключения клавиатуры к портам ввода\вывода. Приведите алгоритм опроса пассивной матричной клавиатуры
В основу ввода лежит принцип сканирования контактов, т.е. клавиатуры пассивны, имеют лишь контакты, поэтому для оживления матрицы кнопок нужен контроллер клавиатуры. Это самостоятельное устойство в стандартных системах либо тот же CPU в несложных контроллерах. Наиболее эффективный метод ввода – использования прерывания.

Буфер возбуждающего сигнал – циклический, выставляет на горизонтальные шины – строки низкий уровень сигнала. Выставив конкретную комбинацию через буфер чтения, информация со столбцов пересылается на CPU. Если не одна из клавиш не нажата, читается 3 единицы, и перемещаем возбуждающий сигнал (0) на вторую строку. Если нажата правая клавиша в этот момент с буффера появится код – 110. CPU по 2 адресам (101 и 110) поставит в соответсвие номер нажатой кнопки и из него через память – код символа. Если ни 1 из кнопок не нажата, то активного выходного сигнала нет, выводить нечего. Скорость опроса довольно высокая – до нескольких кГц и может меняться в зависимости от оператора. При увеличении скорости символы повторяются, если малая скорость – надо задерживать нажатие кнопки. Обычно максимальный размер матрицы – 8x8, но можно ввести кнопку “регистр” – при нажатии на 1одном из выходных разрядов появляется постоянная 1, показывает, что читаем символы с учетом регистра. Добавим еще разряд – и можно разделять алфавиты. Важная проблема в комутационных изделиях - дребезг контактов. Пока человек пальцем давит на кнопку, контролер клавиатуры несколько раз пробежит по этой строке. Большая скорость нужна, чтобы получить однозначность (защита от помех, дребезг при нажатии). В простейшем случае подобная матрица подключается к порту (ВВ55) и чтение буферов и сканирование делает сам CPU. Но он сканирует только если он выполняет эту процедуру, позтому все простые вычислители при включении питания переходят в режим сканирования. Только с приходом активного сигнала с клавиатуры, CPU переходит к другой активности. Такой подход считают не рациональным, сканированием занимается контроллер. В этом случае CPU не обращает внимания на клавиатуру, пока контроллер не пошлет специальное прерывание – клавиатурное, по которому CPU прочитает содержимое буфера контроллера. Преимущества контролерра в том, что контроллер преобразует № нажатой клавиши в соответствующий ASCII код. В первом случае задача CPU - после обнаружения нажатой кнопки преобразовать полученный код в ASCII. В ст. клавиатуре ролль контроллера играет схема ВЕ48. связь клавиатуры с ПЭВМ – по последовательному ИФ, т.е. ВЕ48 также формирует из ASCII кода – стандартный последовательный протокол обмена.


107. Выберите способ обмена данными между процессором и внешним устройством. Обоснуйте выбор. Напишите процедуру ввода или вывода данных в память ЭВМ в мнемонике команд (уровень ассемблера).
Принято условно процедуру передачи данных между CPU и ОЗУ называть пересылка, а обмен данными между ОЗУ и ВУ (ввод/вывод). Проблема ввод/вывод данных стоит при разработке любого вычислителя поскольку без ВУ вычислителей не бывает. Поэтому разделяют эту процедуру ввод/вывод на 3 способа:
Программный ввод/вывод. Сама процедура ввод/вывод выполняется в 2 этапа. 1-ый информация из ВУ пересылается в регистр CPU. В общем случае регистр произвольный, но без него нельзя. 2-ой этап содержимое Рг. CPU пересылается в ОЗУ. Для выполнения это процедуры следует выполнить 2 команды. Способ адресации прямой или косвенный. Поскольку ввод/вывод программный ВУ имеют адреса в интервале 1 байта, их адресное пространство не входит в общее адресное пространство т.е. распределение адресов имеет вид и нам нужно составлять 2 таблицы. Пересылать содержимое между ВУ и CPU возможно с использованием 2-х команд прямой адресации IN ADR и OUT ADR (адресная часть 1 байт). Устройство управления CPU получив команду IN вырабатывает сигнал блокировки памяти (ОЗУ и ПЗУ отключается) и по ША по младшему ее байту мы обращаемся к портам ввода/вывода для доступа к ВУ. Такой подход существовал в системе IBM360. Надежный и удобный. Вместе с тем для реализации программного ввода/вывода обязательно наличие в системе команд указанных 2-х операций. Если у CPU нет таких команд, способ не подходит. Поскольку с ВУ мы вводим/выводим не один байт данных, а чаще массив, вторая пересылка CPU ОЗУ чаще выполняется с косвенной адресацией. Для ввода одного слова нам понадобится 5 тактов (20 циклов). Команды IN и OUT имеются у CPU в системе команд IBM, но их нет у CPU с системой команд DEC.
Ввод/вывод с отображением в памяти. Более универсальный способ, когда адресное пространство ВУ внесено в общее адресное пространство. Например: процедура также требует 2-х команд, но первая операция – это команда прямой адресации к порту ввода/вывода c полным адресом. Вторая команда пересылка содержимого (А) в ячейку памяти (адресация косвенная).
1-46 циклов (1 слово за 6 циклов)
2-2
Когда CPU выставляет адрес ему все равно с какой ячейкой работать, с ячейкой ОЗУ, ПЗУ или портом ВУ. Процесс однотипный. Способ с отображением в памяти не требует специальных команд. Используются типовые пересылки. Вместе с тем адресное пространство отнимается под порты ввода/вывода. Поэтому иногда жаль памяти. В последнее время разрядность ША возросла, поэтому экономить память нет нужды и этот способ используют чаще.
Способ прямого доступа к памяти. Поскольку первые два способа предусматривали минимум 2 пересылки – это длинно, и время затрачиваемое на ввод/вывод оказывается значительным. Поэтому предложили обойтись без CPU. Поскольку информация храниться во ВУ, а мы должны положить ее в память. CPU с регистрами выступают в качестве промежуточного элемента хранения. Прямой доступ к памяти подразумевает прямую связь ВУ и ОЗУ.
Передача информации между внутренними РОН называется пересылка, между процессором и памятью чтение/запись, а между памятью и внешними устройствами ввод/вывод информации. Наиболее длинными во времени процедурами считают операции ввода/вывода, поскольку внешние устройства в большинстве случаев имеют меньшее быстродействие, чем процессор или память. Доступ к внешним устройствам в большинстве случаев адресный, т. е. по структуре ввод/вывод не должен отличаться от чтения/записи. Но объем памяти значителен, значительна и шина адреса (минимум 16 разрядов). В тоже время число внешних устройств не может быть физически большим.
Основное назначение ВМ в технике – обработка входной информации и формирование управляющих сигналов для исполнительных устройств. Кроме того, типовые ВУ: клавиатура, устройства печати, отображения информации, манипуляторы – также постоянно требуют выполнение операций ввода-вывода. Вместе с тем следует различать процедуру пересылки <Рг> ↔ <ЯП>.
Скорость обмена данными с ВУ значительно ниже скорости пересылок, поскольку ВУ обычно «медленные». В качестве связующего звена между ВУ и ЭВМ выступают порты ввода-вывода. Поэтому во всех процедурах эти узлы принимают участие. Различают 3 подхода к вводу/выводу информации из ЭВМ:
программный
с отображением в памяти
прямой доступ к памяти
Программный способ ориентирован на использование 2 команд процессора: IN ADR и OUT ADR.
ОЗУ
Процессор

ВУ
Порт

Процедура ввода/вывода выполняется за 2 команды:
<ЯП> → Рг проц. (содержимое ячейки памяти в регистр процессора MOV r,M)
Рг проц. → порт (содержимое регистра процессора по команде OUT адр. в порт)
Порт в простейшем случае – регистр , имеющий свой адрес доступа. Чаще всего порты это специальные схемы. Особенность этого способа – 2 шага (команды) для пересылки одного слова (байта) и необходимость иметь в системе команд процессора специальные команды IN и OUT. Не у всех процессоров они есть. При выполнении команд IN и OUT устройство управления процессором формирует сигнал, блокирующий доступ к памяти, поэтому адреса портов не входят в адресное пространство памяти ЭВМ, у них свое распределение адресов. На начальном этапе построения вычислителей этот подход экономил основную память и весьма продвигался фирмой IBM. Способ нашел применение в системе 360, в малых ЭВМ на основе первых интеловских процессоров.
Одновременно, другая фирма DEC предлагала второй способ ввода/вывода – с отображением в памяти. В отличие от программного адресного пространства портов ввода/вывода входит в карту распределения адресов в ЭВМ вместе с основной памятью.
Этот способ универсален, т.к. к любому порту мы обращаемся по команде обращения к памяти. DEC использовал этот подход, поскольку он позволял несколько упростить модульный подход при построении вычислителей (убавить, добавить количество ВУ по DEC – изменить с помощью перемычек деление общего пространства памяти). Вместе с тем скорость ввода/вывода оставалась такой же как и в первом способе, т.к. все равно слово из памяти пересылалось за 2 команды через регистр процессора. Сам процессор при выполнении этих команд простаивал. Он выступал как промежуточная память. На практике, особенно при проектировании небольших вычислителей чаще использовался более универсальный второй подход. Особенность обоих способов – медленно, неэффективно, но просто и надежно.
Для увеличения эффективности процедуры ввода/вывода в универсальных ЭВМ используют прямой доступ к памяти.
Необходимость получения нового способа ввода/вывода объясняется тем, что процессор хочется загрузить работой в то время, как выполняется процедура ввода/вывода. Поэтому ввод/вывод должен выполняться с помощью второй дополнительный схемы – контроллера ввода/вывода. В памяти примера это контроллер прямого доступа к памяти. Процессор всегда должен определить контроллеру задачу начала и окончания ее выполнения. ПДП на сегодня это обязательное состояние в любой универсальный ЭВМ.

ОЗУ

ШД ША
Процессор

ВУ
Порт
Контроллер ПДП


Процедура ввода/вывода программно оформляется как самостоятельная подпрограмма. Согласно алгоритму работы задачи, выполняется обращение к подпрограмме, процессор читает следующий файл из памяти, запоминает его в кэш, посылает контроллеру по ШД начальный и конечный адреса массива, что нужно переслать в порт. Контроллер ПДП, приняв эти адреса посылает на процессор сигнал требования прерывания, после которого процессор переводит ресурсы ША, ШД, управл. памяти в 3 состояние, т.е. процессор не может выставить адрес на шину и прочитать/передать данные из памяти. Поскольку в кэш процессора записаны след. файлы данных и команд, процессор их обрабатывает, читая коды операций и команд из кэша и кользуясь как данными. На освобожденные циклы адреса и данных контроллер ПДП выставляет последовательно адреса, начиная с первого и сигналы управления на ОЗУ и порт, открывает ячейки памяти и доступ к порту. Выходы данных ОЗУ подключаются к входам порта по ШД и содержимое ячеек ОЗУ оказывается в порту. Контроллер в каждом такте выставляет новый адрес для ОЗУ, пока не дойдет до последнего. После этого, контроллер снимает сигнал прерывания с процессора, и процессор переходит в обычный режим работы. Даже если процессор раньше закончит свою часть задачи и буферная память будет пройдена, режим ПДП гораздо быстрее пересылает ОЗУ – порт. Ему для одного слова достаточно одного такта, а процессору – 2 команды (по 7-8 тактов). Основной недостаток режима ПДП – необходимость в контроллере ПДП, в небольшом ПО для управления процессами. Контроллеры обычно интегрируют в порты.
reads proc near ; процедура ввода чисел до 2 знаков
mov ah,01h ; в процедуре происходит ввод символов
int 21h ; в ascii кодах и их преобразование в
sub al,48 ; 10 числа для отображения
mov c,al ; коррекция
mov ah,01h ; ввод символа
int 21h ; загадочное число 48 означает смещение
cmp al,13 ; в ascii таблице относительно начала
jz ev ; после нажатия enter манипуляции стоит
sub al,48 ; завершить
push ax
mov al,c
mov bh,10
mul bh
mov c,al
pop ax
add c,al
ent:
mov ah,00h ;ввод символа
int 16h
cmp ah,28
jnz ent
ev:
ret
endp
result proc near ; процедура вывода числа на экран (в с)
; сложность заключается в преобразовании
xor cx,cx ; из 16 системы счисления в 10
xor dx,dx ; все регистры очистим
xor ax,ax
inc cx ; запуск счетчика
mov al,c ; в регистр al поместим результат с
mov bh,10 ; в bh поместим основание 10
div bh ; разделим одно на другое )
add ah,48 ; скорректируем результат
mov a,ah ; и перезапишем переменную а
cmp al,0 ; сравним остаток от числа
jz resex ; если не нулевой, продолжим
inc cx ; увеличим счетчик
xor ah,ah ; снова обнулим регистр а
mov bh,10
div bh ; ...
add ah,48
mov b,ah
cmp al,0
jz resex
inc cx
xor ah,ah
mov bh,10
div bh
add ah,48
mov c,ah ; и будем повторять как минимум 3 раза
resex:
cmp cx,3 ; тут ограничитель на повторения
jnz c2 ; и своевременный выход из цикла
dec cx ; команда декремента (вычитания 1)
mov ah,02
mov dl,c ; вывод 3 разряда
int 21h
c2:
cmp cx,2
jnz c1
dec cx
mov ah,02
mov dl,b ; вывод 2 разряда
int 21h
c1:
dec cx
mov ah,02
mov dl,a ; вывод 1 разряда
int 21h
endp
108. Приведите основные архитектурные варианта построения операционных систем. Поясните понятие «виртуальная машина»
Монолитные системы.
В общем случае организация системы представляет собой простейшую структуру, когда компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной программы. Операционная система написана в виде набора процедур. При использовании такой техники каждая процедура системы имеет строго определенный интерфейс и возможность вызвать любую другую процедуру для выполнения поставленной задачи. Все процедуры работают в привилегированном режиме. Таким образом, монолитная система – это схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур.

Рис. 2.6. Простая модель монолитной системы
Моноли́тное ядро́ — классическая и, на сегодняшний день, наиболее распространённая архитектура ядер операционных систем. Монолитные ядра предоставляют богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве.
Монолитные ядра имеют долгую историю развития и усовершенствования и, на данный момент, являются наиболее архитектурно зрелыми и пригодными к эксплуатации. Вместе с тем, монолитность ядер усложняет их отладку, понимание кода ядра, добавление новых функций и возможностей, удаление «мёртвого», ненужного, унаследованного от предыдущих версий кода. «Разбухание» кода монолитных ядер также повышает требования к объёму оперативной памяти, требуемому для функционирования ядра ОС. Это делает монолитные ядерные архитектуры малопригодными к эксплуатации в системах, сильно ограниченных по объёму ОЗУ, например, встраиваемых системах, производственных микроконтроллерах и т. д.
Альтернативой монолитным ядрам считаются архитектуры, основанные на микроядрах.
Старые монолитные ядра требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер, такие как OpenVMS, Linux, FreeBSD, NetBSDи Solaris, позволяют во время работы динамически (по необходимости) подгружать и выгружать модули, выполняющие часть функций ядра. Модульность ядра осуществляется на уровне бинарного образа, а не на архитектурном уровне ядра, так как динамически подгружаемые модули загружаются в адресное пространство ядра и в дальнейшем работают как интегральная часть ядра. Модульные монолитные ядра не следует путать с архитектурным уровнем модульности, присущим микроядрам и гибридным ядрам. Практически, динамическая загрузка модулей - это просто более гибкий способ изменения образа ядра во время выполнения — в отличие от перезагрузки с другим ядром. Модули позволяют легко расширить возможности ядра по мере необходимости. Динамическая подгрузка модулей помогает сократить размер кода, работающего в пространстве ядра, до минимума, например, свести к минимуму отпечаток ядра для встраиваемых устройств с ограниченными аппаратными ресурсами.
Многоуровневые системы.
Обобщением подхода является организация операционных систем в виде иерархии уровней. Первой многоуровневой системой была система THE, созданная вTechnische Hogeschool Eindhoven (Нидерланды) Э. Дейкстроем (Е.W. Dijkstra) и его студентами в 1968 г. Она была простой пакетной системой для голландского компьютера Electrologica X8, память которого состояла из 32 Кб 27-разрядных слов. Система включала 6 уровней (рис. 2.7):
– уровень 0 занимался распределением времени процессора, переключая процессы при возникновении прерывания или при срабатывании таймера, т. е. обеспечивал базовую многозадачность процессора;
– уровень 1 управлял памятью, он выделял процессам пространство в оперативной памяти и на магнитном барабане объемом 512 Кб слов для тех частей процессов (страниц), которые не помещались в оперативной памяти;
– уровень 2 управлял связью между консолью оператора и процессами, процессы, расположенные выше этого уровня, имели свою собственную консоль оператора;
– уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизовал потоки информации к ним и от них, поэтому любой процесс выше уровня 3, вместо того чтобы работать с конкретными устройствами, мог обращаться к абстрактным устройствам ввода-вывода, обладающим удобными для пользователя характеристиками;
– уровень 4 был предназначен для работы пользовательских программ, которым не нужно было заботиться ни о процессах, ни о памяти, ни о консоли, ни об управлении устройствами ввода-вывода;
– уровень 5 предназначался для процесса системного оператора.

Уровни Функции
5
4
3
2
1
0 Оператор
Программы пользователя
Управление вводом-выводом
Связь оператор-процесс
Управление памятью и барабаном
Распределение процессора и многозадачность

Рис. 2.7. Структура операционной системы THE
Дальнейшее обобщение многоуровневой концепции было сделано в операционной системе MULTICS, где уровни представляли серию концентрических колец, причем внутренние кольца являлись более привилегированными, чем внешние. Когда процедура внешнего кольца «хотела» вызвать процедуру кольца, лежащего внутри, она должна была выполнить эквивалент системного вызова, т.е. команду TRAP, параметры которой тщательно проверяются перед вызовом. Хотя операционная система MULTICS являлась частью адресного пространства каждого пользовательского процесса, аппаратура обеспечивала защиту данных на уровне сегментов памяти, разрешая или запрещая доступ к индивидуальным процедурам (сегментам памяти) для записи, чтения или выполнения.
В системе THE многоуровневая схема представляла собой конструкционное решение, и все части системы были связаны в один объектный файл, а в MULTICS механизм разделения колец действовал во время исполнения на аппаратном уровне. Преимущество подхода MULTICS заключалось в том, что его можно было расширить и на структуру пользовательских подсистем.
Многослойная структура операционной системы.
Вычислительную систему, работающую под управлением операционной системы на основе ядра, можно рассматривать как систему, состоящую из трех иерархически расположенных слоев: нижний слой образует аппаратура, промежуточный – ядро, верхний – утилиты, обрабатывающие программы и приложения (рис. 2.12). При такой организации приложения не могут непосредственно взаимодействовать с аппаратурой, а только через слой ядра.

Рис. 2.12. Трехслойная схема вычислительной системы
Многослойный подход является универсальным и эффективным способом декомпозиции сложных систем любого типа. В соответствии с этим подходом система состоит из иерархии слоев, каждый слой обслуживает вышележащий, выполняя для него набор функций, которые образуют межслойный интерфейс. На основе функций нижележащего слоя вышележащий слой строит свои более сложные функции. Между слоями существуют строгие правила взаимодействия, а между модулями внутри слоя связи могут быть произвольными. Отдельный модуль может выполнить свою работу либо самостоятельно, либо обратиться к другому модулю своего слоя, либо обратиться за помощью к нижележащему слою через межслойный интерфейс.
2878811477Такая организация системы имеет много достоинств. Она существенно упрощает разработку системы, так как позволяет сначала определить «сверху вниз» функции слоев и межслойные интерфейсы, а затем при детальной реализации постепенно наращивать мощность функций слоев, двигаясь «снизу вверх». Кроме того, при модернизации системы можно изменять модули внутри слоя без необходимости производить какие-либо изменения в остальных слоях, если при этих внутренних изменениях межслойные интерфейсы остаются в силе. Поскольку ядро представляет собой сложный многофункциональный комплекс, то многослойный подход обычно распространяется и на структуру ядра. Ядро может состоять из следующих слоев (рис. 2.13).
● Средства аппаратной поддержки операционной системы – средства, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов: средства поддержки привилегированного режима, система прерываний, средства переключения контекстов процессов, средства защиты областей памяти и т. п.
● Машинно-зависимые компоненты операционной системы – образуются программными модулями, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера. В идеале этот слой полностью экранирует вышележащие слои ядра от особенностей аппаратуры, что позволяет разрабатывать вышележащие слои на основе машинно-независимых модулей, существующих в единственном экземпляре для всех типов аппаратных платформ, поддерживаемых данной операционной системой. Пример: экранирующий слой HAL операционной системы Windows NT
● Слой базовых механизмов ядра – выполняет самые примитивные операции ядра: программное переключение контекстов процессов; диспетчеризацию прерываний; перемещение страниц из памяти на диск и обратно и т. п. Модули слоя не принимают решений о распределении ресурсов, они только отрабатывают принятые «наверху» решения, поэтому их называют исполнительными механизмами для модулей верхних слоев. Например, решение о прерывании выполнения текущего процесса А и начале выполнения процесса В принимает менеджер процессов вышележащего слоя, а слой базовых механизмов получает директиву о том, что нужно выполнить переключение с контекста текущего процесса на контекст процесса В.
● Менеджеры ресурсов – слой состоит из мощных функциональных модулей, реализующих стратегические задачи по управлению основными ресурсами вычислительной системы. Обычно на данном слое работают менеджеры (диспетчеры) процессов, ввода-вывода, файловой системы и оперативной памяти. Каждый из менеджеров ведет учет свободных и используемых ресурсов определенного типа и планирует их распределение в соответствии с запросами приложений. Для исполнения принятых решений менеджер обращается к нижележащему слою базовых механизмов с конкретными запросами. Внутри слоя менеджеров существуют тесные взаимные связи, так как для выполнения процессу может потребоваться доступ одновременно к нескольким ресурсам: процессору, памяти, определенному файлу или устройству ввода-вывода и пр. Например, при создании процесса менеджер процессов обращается к менеджеру памяти, который должен выделить процессу определенную область памяти для его кодов и данных.
● Интерфейс системных вызовов – самый верхний слой ядра, который взаимодействует непосредственно с приложениями и системными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс операционной системы. Функции API, обслуживающие системные вызовы, предоставляют доступ к ресурсам системы в удобной и компактной форме, без указания деталей их физического расположения.
Приведенное разбиение ядра операционной системы на слои является условным. В реальной системе количество слоев и распределение функций между ними может быть и иным. В системах, предназначенных для аппаратных платформ одного типа, например операционной системе NetWare, слой машинно-зависимых модулей сливается со слоем базовых механизмов и частично со слоем менеджеров ресурсов. Не всегда оформляются в отдельный слой базовые механизмы, в этом случае менеджеры ресурсов не только планируют использование ресурсов, но и самостоятельно реализуют свои планы. В некоторых операционных системах ядро состоит из большего количества слоев, например, менеджеры ресурсов имеют многослойную структуру. Прежде всего, это относится к менеджеру ввода-вывода, нижний слой которого составляют драйверы устройств (драйвер жесткого диска, драйвер сетевого адаптера и пр.), а верхние слои – драйверы файловых систем или протоколов сетевых служб, имеющие дело с логической организацией информации.
Способ взаимодействия слоев в реальной операционной системе также может отклоняться от выше описанной схемы. В ряде операционных систем для ускорения работы ядра происходит обращение с верхнего слоя к функциям нижних слоев, минуя промежуточные. Например, на многих аппаратных платформах для реализации системного вызова используется инструкция программного прерывания. Приложение вызывает модуль первичной обработки прерываний из слоя базовых механизмов, который вызывает нужную функцию из слоя системных вызовов. Сами функции системных вызовов также иногда нарушают субординацию иерархических слоев, обращаясь прямо к базовым механизмам ядра.
При выборе количества слоев учитывается, что увеличение числа слоев приводит к некоторому замедлению работы ядра за счет дополнительного межслойного взаимодействия; уменьшение числа слоев ухудшает расширяемость и логичность системы. Обычно операционные системы, прошедшие долгий путь эволюционного развития, например, многие версии UNIX, имеют неупорядоченное ядро с небольшим числом четко выделенных слоев, а у операционных систем нового поколения, например Windows NT, ядро разделено на большее число слоев, взаимодействие которых формализовано в большей степени.
Микроядерная архитектура.
Микроядерная архитектура является альтернативой классическому многослойному способу построения операционных систем и состоит в перенесении значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизацией ядра. Подход, когда большинство составляющих операционной системы являются самостоятельными программами, называется микроядерной архитектурой (microkernel architecture). Взаимодействие между программами операционной системы обеспечивает специальный модуль ядра – микроядро. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью. Остальные компоненты системы взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений через микроядро (рис. 2.14).
Микроядро защищено от остальных частей операционной системы и приложений. В состав ядра входят машинно-зависимые модули и модули, выполняющие базовые функции ядра по управлению процессами, обработке прерываний, управлению виртуальной памятью, пересылке сообщений и управлению устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой или чтением регистров устройств. Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме (рис. 2.15). Основным назначением такого приложения является обслуживание запросов других приложений, например, создание процесса, выделение памяти, проверка прав доступа к ресурсу и т. п. Другими словами, многие менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра (файловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т. п.), становятся периферийными модулями, которые работают в пользовательском режиме и обслуживают запросы локальных приложений и других модулей операционной системы.

Рис. 2.14. Микроядерная архитектура операционной системы

Рис. 2.15. Перенос основного объема функций ядра в пользовательское пространство .
Смешанные системы.
Все рассмотренные подходы к построению операционных систем имеют свои достоинства и недостатки. В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации этих подходов. Ниже приведены три примера.
Ядро операционной системы Linux представляет собой монолитную систему с элементами микроядерной архитектуры. При компиляции ядра можно разрешить динамическую загрузку и выгрузку очень многих компонентов ядра – модулей. В момент загрузки модуля его код загружается на уровне системы и связывается с остальной частью ядра. Внутри модуля могут использоваться любые экспортируемые ядром функции.
Операционные системы 4.4BSD и MkLinux основаны на микроядре Mach. Микроядро обеспечивает управление виртуальной памятью и работу низкоуровневых драйверов. Все остальные функции, в том числе взаимодействие с прикладными программами, осуществляются монолитным ядром. Данный подход сформировался в результате попыток использования преимущества микроядерной архитектуры, сохраняя по возможности отлаженный код монолитного ядра.
Наиболее тесно элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра переплетены в ядре Windows NT. Микроядро Windows NT велико (более 1 Мб). Компоненты ядра Windows NTрасполагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как в микроядерных операционных системах. В то же время все компоненты работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных, что свойственно монолитным операционным системам.
Виртуальная машина.
Виртуальная машина – программная и/или аппаратная система, эмулирующая аппаратное обеспечение некоторой платформы,
или виртуализирующая некоторую платформу и создающая на ней среды, изолирующие друг от друга программы и даже операционные системы (песочница);
также, спецификация некоторой вычислительной среды.
Виртуальная машина исполняет некоторый машинно-независимый код или машинный код реального процессора. Помимо процессора, ВМ может эмулировать работу как отдельных компонентов аппаратного обеспечения, так и целого реального компьютера (включая BIOS , оперативную память, жёсткий диск и другиепериферийные устройства).
В последнем случае в ВМ, как и на реальный компьютер, можно устанавливать операционные системы. На одном компьютере может функционировать несколько виртуальных машин это может использоваться для имитации нескольких серверов на одном с целью оптимизации использования ресурсов.
Виртуальные машины могут использоваться для:
защиты информации и ограничения возможностей программ;
исследования производительности ПО или новой компьютерной архитектуры;
эмуляции различных архитектур;
оптимизации использования ресурсов мейнфреймов и прочих мощных компьютеров;
вредоносного кода для управления инфицированной системой;
Тестирования и отладки системного программного обеспечения;

109. Спроектировать устройство управления программного типа. Число микрокоманд в цикле – не более 7. Привести примеры циклов: выборка команды, чтение памяти и запись в память. Чем определяется период следования тактового сигнала
Распространены в CPU с командным управлением. С выхода регистра микрокоманд часть разрядов возвращается на дешифратор – это обратная связь. Цепь разделена регистром и соответственно изменяет состояние по тактовому сигналу «С». Поэтому если в обратной связи 2 разряда, то на двух разрядах вернувшихся на вход дешифратора возможны 4 комбинации. Т.е. из одного КОП мы можем сделать 4 комбинации микрокоманд. Основной блок устройства дешифратор имеет жесткие связи (пайка, металл на ИМС), поэтому изменить микрокоды возможно только если заменить схему на новую. Предлагалось сделать дешифратор на основе программируемой матрицы. Мы запрограммировали матрицу – получили свои микрокоды. Где-то эти микрокоды нас не устроили. Мы можем перепрограммировать этот дешифратор и получить новые микрокоды. Микрокоды считаются секретными, поскольку именно от них зависит время выполнения команды. На практике дешифраторы размещают на кристалле процессора и настраивают (программируют) металлом, выполняя соединение в матрице. В тех случаях, когда время выполнения команд должно быть строго фиксировано лучше применять микропрограммный способ управления.

Код операции читается из памяти команд и записывается в регистр команд. После этого устройство дешифратор преобразует код из регистра во множество управляющих сигналов (0 и 1)., которые подключаются к точкам управления в операционном устройстве. Точка управления – мультиплексор, сигнал разрешения регистра, адресный вход коммутатора.
Чем больше разрядов в микрокоманде, тем удобнее управлять операционным устройством. Вместе с тем это усложняет схему. Поэтому идут на компромисс. Кроме прямых микрокоманд имеются сигналы обратной связи, которые поступают на часть разрядов регистра команды и в каждом такте могут менять свои значения, тем самым давая возможность дешифратору поменять все выходы произвольно. Таким образом, при неизменном КОП, можно получить немало различных микрокоманд, которые будут зависеть от схемы дешифратора. Для гибкости вместо дешифратора применяют ПЛМ. В этом случае можно менять коды микрокоманд.
Из операционного устройства на дешифраторе, как обратная связь, поступают признаки (флаги), которые обеспечивают ветвления при поступлении кодов команд условных переходов.
Такт – это интервал времени между двумя соседними тактовыми сигналами (период). Величина такта строго постоянна для всей вычислительной системы и определяется из наибольшей задержки при выполнении микрокоманды. Наибольшая задержка определяется временем преобразования в АЛУ + запись в регистр хранения. Тактовый генератор, определяющий этот интервал, может иметь и меньшую частоту – процессор простаивает.
Рассмотрим выполнение команды прямой адресации LDA 1537 <78>
Команда выполняется за 4 цикла. Команда должна переслать содержимое ячейки памяти данных по адресу, приведенному за кодом операции.
Счетчик адреса процессора выставляется на ША. Адрес доходит в ПЗУ, открывает ячейку памяти, в которой лежит код операции.
Счетчик адреса → ША → ПЗУ → КОП → ШД → проц. → буферн. регистр.
Счетчик адреса + 1 →ША → ПЗУ → младший байт адреса →
→ ШД → проц. → буферный регистр адреса.
Младший байт адреса в буферном регистре. Можно переходить на 3 цикл.
Счетчик адреса + 1 → ША → ПЗУ → старший байт адреса →
→ ШД → проц. → буферный регистр.
Пока мы брали адреса со счетчика адреса – мы обращались к памяти команд. И теперь когда мы принесли нужный адрес в процессор, можно его поставить на ША и по нему обратиться в ОЗУ.
Цикл записи в аккумулятор. Запомненный в буферном регистре адрес выставляется на ША.
Буферный регистр → ША → ОЗУ → ШД → 78 → проц. → аккумулятор.

21590675005110. Спроектировать устройство микропрограммного управления автономного типа. Источник управляющих кодов – счетчик микрокоманд, число состояний счетчика – 32. Разрядность регистра микрокоманд – 24
Микропрограммное управление отличается тем, что пользователь сам формирует микрокоды. Задача – сформировать микрокоды – задача программиста.
Код операции записывается в регистр команд. После чего дешифратор начального адреса по принятому коду определяет начальный адрес подпрограммы из микрокоманд, которую следует выполнять по этому коду операции. Этот начальный адрес ретранслируется СУАМ на вход МПЗУ (микропрограммного запоминающего устройства) с выхода которого читаем микрокоманду. Микрокоманда фиксируется в регистре микрокоманд. Для работы по переходам имеются 2 цепи обратной связи. Внешняя цепь ОС – с выхода регистра микрокоманд определяет сигналы управления для перехода к следующему адресу. Внутренняя цепь – адрес перехода, если он нужен.Поскольку МК может включать большое число разрядов (100 и выше), аппаратные затраты на такое устройство значительны, что является главным недостатком этого подхода. С выхода регистра микрокоманд считываем инструкции (управляющие микрокоды) для процессора, а также сигналы управления системой (мультиплексором сдвига, памятью (ОЗУ, ПЗУ), внешними портами и т.д.) В зависимости от способов формирования микрокодов различают горизонтальное кодирование, вертикальное кодирование. Хотя на практике более распространен программный метод управления, микропрограммное управление незаменимо в специализированных вычислителях.
В отличие от управления с жесткими связями, в микропрограммных устройствах используют не дешифратор команд, а микропрограммную память с тем, чтобы просто из нее извлекать коды. На вход устройства подается код операции (управляющий код из ПЗУ). Однако из этого кода мы получаем начальный адрес подпрограммы которая выполнит нужную команду. Для чего схема управления адресом микрокоманд на всякий такт генератора формирует следующий адрес по которому из микропрограммной памяти мы читаем код микрокоманды. Обычно разбитый по полям (как 8 полей тренажера МТ 1804). Обратная связь из памяти и с выхода регистра позволяет выполнять переходы на следующий адрес (поле управляет видом перехода и адресом перехода если нужно). На схему управления могут подаваться сигналы признаков с выхода АЛУ CPU. Признаки позволяют выполнять условные переходы. Регистр микрокоманд включает не только сами коды управления посылаемые на микропроцессор, но и дополнительные сигналы которые могут управлять другими блоками схемы (мультиплекс. сдвига, чтение/запись из памяти, разрешение доступа в ОЗУ, ПЗУ и т.д.). Поскольку МПП можно сделать программируемой, то мы можем сами корректировать микрокоманды, делать сигналы управления такими какими они нам нужны в реальности. Основное достоинство микропрограммного способа – гибкость в написании кодов.
Недостаток: большие аппаратные затраты т.к. разрядность микрокоманды может быть большой до 100 и больше, что требует большого количества корпусов и регистров.

111. Привести примеры процедур с различными способами адресации для пересылки содержимого ячейки памяти команд в ячейку памяти данных в мнемонике команд, адресация в пределах одной страницы (64 кб). Пояснить необходимость модификации адресов для доступа к данным и возможные их способы
Принцип работы любого вычислителя основан на использовании содержимого памяти: по адресу читаем содержимое, модифицируем его и возвращаем назад в память. При этом в вычислителе выделяем два потока информации: 1) команды от ПЗУ до регистра команд, адрес выбирает команды устанавливаемые счетчиком адресов процессора. Последовательная выборка, переходы выполняются только с использованием этого счетчика. 2) данные. Объем памяти данных значительно больше памяти команд. К данным процессора обращается по адресу зачастую зависимому от алгоритма – пользователя. Поэтому чтение (запись) возможно с применением нескольких способов формирования адреса данных. Эти способы называют – адресацией. Переход от одного типа к другому объясняется стремлением пользователя упростить процедуру написания программы, сэкономить память команд. Основными типами адресации данных являются: 1) прямая адресация 2) косвенная 3) непосредственная.
Вопрос о том, каким образом в адресном поле команды может быть указано местоположение операндов, считается одним из центральных при разработке архитектуры ЭВМ. С точки зрения сокращения аппаратурных затрат очевидно стремление разработчиков уменьшить длину адресного ноля при сохранении возможностей доступа ко всему адресному пространству. С другом стороны, способ задания адресов должен способствовать максимальному сближению операторов языков программирования высокого уровня и машинных команд. Все это привело к тому, что в архитектуре системы команд любой ЭВМ предусмотрены различные способы адресации операндов.
Команда ЭВМ обычно состоит из двух частей – операционной и адресной. Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции – КОП) указывает, какое действие необходимо выполнить с информацией. Адресная часть описывает, где используемая информация хранится. У нескольких немногочисленных команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, например, в команде останова. Операционная часть (КОП) присутствует всегда.
Рассмотри основные способы адресации:
1) Непосредственная адресация
При непосредственной адресации (НА) в адресном поле команды вместо адреса содержится непосредственно сам операнд (т.е. операнд указывается во втором, или во втором и третьем байтах команды). Этот способ может применяться при выполнении арифметических операции, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры. Помимо того, что в адресном поле могут быть указаны только константы, еще одним недостатком данного способа адресации является то, что размер непосредственного операнда ограничен длиной адресного поля команды, которое в большинстве случаев меньше длины машинного слова. Непосредственная адресация сокращает время выполнения команды, так как не требуется обращение к памяти за операндом. Кроме того, экономится память, поскольку отпадает необходимость в ячейке для хранения операнда. В плане эффективности этот способ можно считать «идеальным» и его можно рекомендовать к использованию во всех ситуациях, когда тому не препятствуют вышеупомянутые ограничения.
Пример:
LXI H, 850H - Занесение двух байтов данных в пару регистров H.21H – код операции LXI
50H 2-й байт
80H 3-й байт
2) Прямая адресация
При прямой или абсолютной адресации (ПА) адресный код прямо указывает номер ячейки памяти, к которой производится обращение, т.е. в коде команды указывается номер РОН, содержащего операнд.
Последовательность выполнения команды:
1-ое ввод 1 байта начальных данных
- выборка Сч.А -> ША -> ПЗУ -> <КОП> -> ШД -> Рг.команд процессора
2-ое Сч.А+1 -> ША -> ПЗУ -> <начальн. данные> -> ШД -> Рг.процессора
При всей простоте использования способ имеет существенный недостаток – ограниченный размер адресного пространства, так как для адресации к памяти большой емкости нужно «длинное» адресное поле. 16-разрядов данных позволяет обращаться лишь к 64К адресов. Этот объем называется страницей. Однако более существенным несовершенством можно считать то, что адрес, указанный в команде, не может быть изменен в процессе вычислений. Это ограничивает возможности по произвольному размещению программы в памяти.
Пример:
ADD D - Сложение содержимого регистраD и А(аккумулятора), результат помещается в аккумулятор.
3) Косвенная адресация Адресный код команды указывает адрес ячейки памяти, в которой находится адрес операнда или команды (т.е. в коде команды указывается номер регистра РОН, содержащего номер ячейки ОЗУ, содержащей операнд).
Работает с массивами (малыми, большими), таблицами. Чтобы выполнить такую команду нужно предварительно заготовить в каких-либо регистрах CPU адрес, который эта команда привлечет для своего выполнения. В малых микропроцессорах для этих целей существуют регистровые пары HL, DE, BC. В 16-разрядных и выше CPU используются самостоятельные регистры (базовые, индексные).
Команда косвенной адресации выполняется в следующей последовательности:
0) подготовить адрес
1) выбираем КОП (Сч.А -> ША -> ПЗУ -> <КОП> ->ШД -> Рг.команд процессора)
2) <HL> -> ША -> ОЗУ -> <данные> -> ШД -> Рг.процессора
Пример: LDAX B - Занесение в А содержимого ячейки, косвенно адресуемой парой регистров B. Главным недостатком является то, что разрядность адреса здесь небольшая, что ограничивает объем адресуемой памяти одной страницей (64К). Поэтому в современных системах, где ОЗУ имеет большой объем применяют модификацию адресов – способ увеличить длину адреса и тем самым дать возможность увеличить объем памяти или сегодня получить возможность просто изменять адрес (прыгать по адресному пространству).
Первым способом модификации адресов считается страничная адресация. К типовой ША, например 16-разрядов добавляем еще 4 взятых с выхода регистра. Информацию в этот регистр мы можем записать с ШД, обратившись к нему как к любому внешнему устройству (16+4=20) и объем адресного пространства увеличивается до 1 Мбайта. Все поле памяти делим на страницы номера которых хранит 4-разрядный регистр. Пока его состояние неизменно мы находимся в пределах одной страницы (64К). Чтобы перейти на другую требуется поменять состояние регистра. Такое подключение использовали в системе сбора, когда применялся небольшой МП с 16-разрядной ША.
Использование сумматоров в адресных цепях CPU. Способ оказался более перспективен т.к. легко модифицируется, занимает мало времени. В CPU имеются 16-разрядные регистры. Поэтому напрямую чтение регистра не увеличивает разрядность. Тогда предложили объединить содержимое двух регистров на сумматоре по следующей схеме. 4 младших разряда одного регистра выводятся напрямую на ША, а оставшиеся 12 объединяются (складываются) в сумматоре с 16-разрядами другого регистра. Получаем 16-разрядов старших и в целом 20 разрядов по адресу. Объединение содержимого двух регистров позволило выполнить быстрые манипуляции с адресами.
С ростом разрядности внутренних регистров до 32 модификация адресов проводится с другой целью: возможность быстрого изменения адреса в текущей программе. С этой целью выбираем некий базовый регистр (BX) и регистр смещения. Счетчик адреса в такой манипуляции сохраняет свое старое состояние (+1), но диапазон адресов другой. В зависимости от того какой регистр мы используем в качестве базового (начального) и различают виды модификации: базовая – использует базовый регистр BX; индексная – использует индексный регистр; индексно – относительная адресация это совместное использование индексной и базовой относительной адресации. Использование комбинаций адресных регистров позволило относительно быстро менять физический адрес выставляемый на ША. При этом состояние счетчика адреса практически не меняется и мы контролируем через счетчик адреса начальные адреса. Стоит такая модификация дополнительных затрат оборудования: сумматор, дополнительный регистр, которые в устройстве управления явно не предусмотрены.

112. Прерывания как способ изменения адреса в управляющей команде. Привести пример системы прерывания. Описать процедуру опознавания запроса на прерывание с маскированием
Реальна ситуация когда возникает необходимость в вызове подпрограмм непредусмотренных алгоритмом работы решаемой задачи. Для учета возможных отвлечений, изменений алгоритмов в ЭВМ вводят системы прерываний программы. Причинами является: сохранить корректность результата, отреагировать (учесть) возможные внешние события (ввод данных), сохранить имеющиеся данные в случае возникновения проблем. В целом такие события происходят не по замыслу человека он же должен просто учесть возможность их появления. Как правило такие внешние события определяют, назначают специальными сигналами – сигналами прерываний. По причинам появления сигналы делятся на внутренние и внешние.
Внутренние: сигналы от схем контроля ошибок, сигналы о неисправности какого либо блока, сигналы порождаемые неправильным обращением к памяти (запрещенная область).
Внешними сигналами прерываний являются: сигналы от ВУ (периферия), сигналы от устройств ввода/вывода (показывают о необходимости ввода или вывода информации).
Программные прерывания – это простое обращение к подпрограмме. По каждому сигналу прерываний изменяется адрес в программе и вызывается подпрограмма обработки этого прерывания. Появление запроса на прерывание – событие случайное поэтому его нужно отследить.
Аппаратные - возникают как реакция микропроцессора на физический сигнал от некоторого устройства (клавиатура, системные часы, клавиатура, жесткий диск и т.д.), по времени возникновения эти прерывания асинхронны, т.е. происходят в случайные моменты времени;
В целом для ЭВМ сигналы прерывания могут иметь разный вес, разную причину появления и эти особенности также следует отследить в системе прерываний. Обработка любого прерывания – это вызов своей подпрограммы, поэтому прежде чем вызвать новую процедуру необходимо сохранить текущий контекст – состояние основных регистров CPU. Сохранение обычно производится в стек и только после того как текущие данные сохранены можно завершить на время – прервать текущую процедуру и обратиться по адресу где находится требуемая подпрограмма. Запрос на прерывание может появиться в любой момент времени асинхронно. Т.к. сигнал прерывания вызывается различными устройствами, может одновременно или почти одновременно появиться 2 или несколько сигналов запроса. Устройству управления нужно выбрать наиболее важный запрос, поэтому в системе прерываний устанавливаются приоритеты – последовательность важности сигналов. Наиболее важные события должны обрабатываться первыми, поэтому имеют высший приоритет. Если события имеют одинаковую значимость то и приоритеты их также равны. При равенстве приоритетов роль играет время поступления запроса. Чтобы как то регулировать приоритеты и последовательность запросов на прерывание вводят систему маскирования запросов (маску). Маска позволяет на время отменить, запретить действие других сигналов (запросов) имеющих меньший приоритет.
В зависимости от способов поиска устройств пославших запрос различают следующие структуры прерываний:
С линией запроса

Всякое ВУ способное послать запрос на прерывание имеет специальный сигнал – сигнал запроса на прерывание. Все эти линии объединены вместе и подключены к входу CPU, требования прерывания. Принцип работы следующий: в некий момент времени одно из ВУ послало запрос на прерывание – понизило уровень потенциала до 0. CPU получив сигнал запроса должен узнать которое из устройств послало запрос. Для чего CPU выставляет адрес ближайшего ВУ, меньший из всех и читает ШД. Если именно это устройство послало запрос, оно выставит по принятому адресу свой номер – код. Этот код назвали вектором прерывания. По вектору прерывания CPU определит начальный адрес подпрограмм обработки этого запроса. На практике далеко не первое устройство посылает запрос, поэтому CPU последовательно читает ШД и ищет вектор. Адрес выставили, читаем ШД. Если вектора нет изменяем адрес на следующий и вновь читаем ШД и т.д. до определения устройства. Время реакции на запрос будет различным: у первого ВУ min, у последнего ВУ max. Такое расположение ВУ можно принять за приоритеты и автоматически имеем, что опрашиваем первоначально устройство имеющее высший приоритет. Главный недостаток подхода время реакции на событие. В тоже время структура проста, требует min оборудования. Для обслуживания такой системы прерываний необходима подпрограмма анализа векторов прерывания.
Система с линией запроса прерываний и линией подтверждения прерываний. Впервые нашла применение в системе IBM для обслуживания ВУ. Особенность подключения ВУ в том, что каждое имело розетку на блоке канала и вилку у себя и линия подтверждения запроса проходила через все розетки канала к которым можно было бы подключить ВУ. Отличие от 1-ой структуры в том, что опознавание ВУ пославшего запрос выполняется не программно, а аппаратно. CPU по линии подтверждения посылает высокий уровень который проходит через все розетки ВУ. Если ВУ не послало запрос, оно ретранслирует – передает этот уровень дальше, если послало, ВУ выставляет на ШД вектор прерываний и CPU обращается к подпрограмме обработки по этому вектору. При отсутствии ВУ розетка свободна – обязательно ставили заглушку, ответную часть разъема с перемычкой по которой сигнал подтверждения передавался дальше. Время анализа устройства пославшего запрос небольшое, но само устройство инициирует вектор и соответственно CPU должен иметь подпрограмму анализа вектора прерываний. Что привело к появлению третьих структур: с контроллером прерываний. Последние функции CPU вынесены в дополнительную внешнюю схему называемую контроллером прерываний.
С контроллером прерываний. Как 1-ый так и 2-ой способы определения устройств пославших запрос требуют вмешательства CPU – программного опроса устройств. Структура с контроллером прерываний быстрее определят вектор прерываний и соответственно переход к подпрограмме обработки прерываний. Цена дополнительная схема которую необходимо ставить для нормальной работы. Контроллер прерываний – комбинационная схема формирующая 2 выходных сигнала: вектор прерываний и сигнал запроса на прерывание. Если контроллер рассчитан на 8 ВУ способных послать запрос, от имеет 8-входов и 4-выхода: один выход – запрос на прерывание и 3-разрядный код вектора, номера устройства пославшего запрос. У типовых контроллеров число входов ограничено (4, 8, 16). Поэтому для расширения кол-ва запросов на прерывание, такие схемы включают каскадно. Эти схемы имеют 8-входов. Хотя имеются типовые схемы контроллеров, для его реализации можно использовать и схему (РПЗУ, ППЗУ). Запросы на прерывание кроме того сто имеют приоритеты могут также разделяться на маскируемые и немаскируемые. Последние инициируют обращение к подпрограмме прерываний в любом случае. Без обслуживания этих подпрограмм ЭВМ не работает. Не смотря на то, что по фоннейману ЭВМ последовательно выбирает управляющие коды из памяти, имеется возможность изменения такой последовательности за счет механизма прерываний. При обслуживании прерываний CPU обращается к подпрограмме заранее занесенной в память команд.
-1365252540Прерывание с маскированием.В зависимости от возможности запрета внешние прерывания делятся на:
маскируемые — прерывания, которые можно запрещать установкой соответствующих битов в регистре маскирования прерываний (в x86-процессорах — сбросом флага IF в регистре флагов);
немаскируемые (англ. Non maskable interrupt, NMI) — обрабатываются всегда, независимо от запретов на другие прерывания. К примеру, такое прерывание может быть вызвано сбоем в микросхеме памяти.
Обработчики прерываний обычно пишутся таким образом, чтобы время их обработки было как можно меньшим, поскольку во время их работы могут не обрабатываться другие прерывания, а если их будет много (особенно от одного источника), то они могут теряться. Маскирование прерываний – это программный механизм запрета обработки некоторых прерываний. Он осуществляется двумя способами.
Первый запрещает некоторое конкретное прерывание. Обычно это производится путем изменения специального флага в периферийном устройстве, которые запрещает этому устройству выдавать прерывания.
Второй механизм – более общий. Он запрещает ЦП обрабатывать прерывания, приоритет которых ниже заданного.
Примеры прерываний.
Маскируемые:Прерывание от таймера.Прерывание по нажатию клавиши.Прерывание по движению мыши.
Немаскируемые:Прерывание по недопустимому коду операции.Переполнение стека.
Перезапуск процессора тоже является особым видом немаскируемого прерывания, которое называется RESET (сброс).Часто при выполнении критических участков программ приходится запрещать прерывания для того чтобы гарантировать непрерываемое выполнение определенной последовательности команд. Это можно сделать командой CLI (ассемблер). Ее нужно поместить в начало критической последовательности команд, а в конце расположить команду STI, разрешающую процессору воспринимать прерывания. Команда CLI запрещает только маскируемые прерывания, на обработку немаскируемого прерывания эта команда никакого влияния не оказывает. Если вы используете запрет прерываний с помощью команды CLI, следите за тем, чтобы прерывания не отключались на длительный период времени, так как это может привести к нежелательным последствиям. Например, к отставанию системных часов или неправильной работе периферийных устройств компьютера.
Если вам надо запретить не все прерывания, а только некоторые, например, от клавиатуры, то для этого надо воспользоваться услугами контроллера прерываний. Записывая в этот контроллер определенную управляющую информацию, можно замаскировать прерывания от отдельных устройств.

113. Системы памяти ЭВМ. Назначение каждого типа элементов памяти и место его в иерархии. Что дает для характеристик ЭВМ каждый тип элементов памяти
Иерархия устройств памяти.
Принято все элементы памяти используемые в вычислителях представлять про степени приближения к процессору. Непосредственно к АЛУ приближены схемы СОЗУ — РОН выполняются на одном кристалле с АЛУ. Связь CPU—АЛУ—СОЗУ по внутренней шине процессора. Адресация внутренняя в структуре КОП. Здесь же на кристалле может находиться буферная память (кэш) причем как данных, так и команд. БОЗУ в этом случае также обменивается с АЛУ через внутреннюю шину. БОЗУ может выполняться и вне кристалла, причем связь процессор – буфер через внешнюю шину данных. Такая ситуация возможна если цикл работы микропроцессора и ОЗУ отличаются незначительно. Роль ПЗУ синхронизировать во времени процедуры обмена ОЗУ—CPU. Основная память — ОЗУ. Объем ОЗУ может быть значительным, наращиваемым. Условие: в пределах физического адреса формируемого схемой можно наращивать ОЗУ. ПЗУ в вычислителе как правило выступает в роли системного. В нем хранятся процедуры базовой системы ввода\вывода, а также процедуры контроля, тестирования блоков вычислителя. В зависимости от назначения ПЗУ может быть от нескольких килобайт до сотен килобайт. В небольших вычислителях в нем хранятся не только системные программы, но и рабочие. Внешние ЗУ расширяют возможности вычислителя. При этом они могут хранить как данные, так и командные файлы. Процессор напрямую с ВЗУ не работает, отсюда приходится перегружать содержимое ВЗУ в ОЗУ с тем чтобы уменьшить время выполнения операций. Различные типы ВЗУ позволяют хранить информацию большого объема. На сегодня это устройства с магнитными и оптическими принципами хранения. Большинство ВЗУ имеет контролер — схему формирования хранимой информации в нужном формате.
Иерархическое устройство памяти

Иерархия рассматривается относительно самого важного эл-та проц-ра – АЛУ. По отношению к нему удаление блока памяти ведет к росту времени задержки в нем
Регистры общего назначения ( РОН) нужны для хр-я текущей информации по данным, адресам , признакам и тд. Это самый быстрый элемент памяти . Число регистров ( 8-16). кроме этой памяти на кристалле проц-ра размещают буферную память (КЭШ).
Назначение буферной памяти – хранить на кристалле файлы данных и команд необходимых для выполнения текущей процедуры. ( на подобии холодильника)
Не обращаясь за пределы процессора ( на выходную шину данных) мы можем брать необходимую информацию из КЭШ. Шина данных при этом свободна. Помимо внутреннего КЭШа буферная память может быть и внешней подключена к локальной шине процессора ( LB) . Функции ее те же только между локальной и системной шинами процессора необходимо ставить буфер.
К системной шине ближе к процессору подключают основную память – ОЗУ. Время W/R не большое но оно уступает буферной памяти , но и размеры памяти ОЗУ значительные.
ПЗУ нужно для хранения констант и небольших управляющих кодов необходимых для инициализации. Обычно обращение к зу происходит на начальном этапе работы ЭВМ. Сегмент данных и кодовые сегменты располагаются в основной памяти.
Медленные устройства памяти подключаемый к шинам расширении – это внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Номенклатура ВЗУ значительна, как и их емкость. Число ВЗУ ограничено количеством разъемов – интерфейсов подключения. Поэтому для значительного увеличения объема хранимой информации применяют специальные системы хранения данных – действующие внешние устройства емкостькоторых достигает неограниченной величины
Представленная иерархия показывает широкую номенклатуру ЗУ но вместе с тем всякий тип ЗУ должен находится на своем уровне ЭВМ.

114. Память программ. Виды носителей. Жесткие диски и их твердотельные аналоги
В МК используется три основных вида памяти. Память программ представляет собой постоянную память (ПЗУ), предназначенную для хранения программного кода (команд) и констант. Ее содержимое в ходе выполнения программы не изменяется. Память данных предназначена для хранения переменных в процессе выполнения программы и представляет собой ОЗУ. Регистры МК - этот вид памяти включает в себя внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами (регистры специальных функций).
Память программ. Основным свойством памяти программ является ее энергонезависимость, то есть возможность хранения программы при отсутствии питания. С точки зрения пользователей МК следует различать следующие типы энергонезависимой памяти программ:
ПЗУ масочного типа - mask-ROM. Содержимое ячеек ПЗУ этого типа заносится при ее изготовлении с помощью масок и не может быть впоследствии заменено или допрограммировано. Поэтому МК с таким типом памяти программ следует использовать только после достаточно длительной опытной эксплуатации. Основным недостатком данной памяти является необходимость значительных затрат на создание нового комплекта фотошаблонов и их внедрение в производство. Обычно такой процесс занимает 2-3 месяца и является экономически выгодным только при выпуске десятков тысяч приборов. ПЗУ масочного типа обеспечивают высокую надежность хранения информации по причине программирования в заводских условиях с последующим контролем результата.
ПЗУ, программируемые пользователем, с ультрафиолетовым стиранием - EPROM (Erasable Programmable ROM). ПЗУ данного типа программируются электрическими сигналами и стираются с помощью ультрафиолетового облучения. Ячейка памяти EPROM представляет собой МОП-транзистор с "плавающим" затвором, заряд на который переносится с управляющего затвора при подаче соответствующих электрических сигналов. Для стирания содержимого ячейки она облучается ультрафиолетовым светом, который сообщает заряду на плавающем затворе энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера и стекания на подложку. Этот процесс может занимать от нескольких секунд до нескольких минут. МК с EPROM допускают многократное программирование и выпускаются в керамическом корпусе с кварцевым окошком для доступа ультрафиолетового света. Такой корпус стоит довольно дорого, что значительно увеличивает стоимость МК. Для уменьшения стоимости МК с EPROM его заключают в корпус без окошка (версия EPROM с однократным программированием).
ПЗУ, однократно программируемые пользователем, - OTPROM (One-Time Programmable ROM). Представляют собой версию EPROM, выполненную в корпусе без окошка для уменьшения стоимости МК на его основе. Сокращение стоимости при использовании таких корпусов настолько значительно, что в последнее время эти версии EPROM часто используют вместо масочных ПЗУ.
ПЗУ, программируемые пользователем, с электрическим стиранием - EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). ПЗУ данного типа можно считать новым поколением EPROM, в которых стирание ячеек памяти производится также электрическими сигналами за счет использования туннельных механизмов. Применение EEPROM позволяет стирать и программировать МК, не снимая его с платы. Таким способом можно производить отладку и модернизацию программного обеспечения. Это дает огромный выигрыш на начальных стадиях разработки микроконтроллерных систем или в процессе их изучения, когда много времени уходит на поиск причин неработоспособности системы и выполнение циклов стирания-программирования памяти программ. По цене EEPROM занимают среднее положение между OTPROM и EPROM. Технология программирования памяти EEPROM допускает побайтовое стирание и программирование ячеек. Несмотря на очевидные преимущества EEPROM, только в редких моделях МК такая память используется для хранения программ. Связано это с тем, что, во-первых, EEPROM имеют ограниченный объем памяти. Во-вторых, почти одновременно с EEPROM появились Flash-ПЗУ, которые при сходных потребительских характеристиках имеют более низкую стоимость;
ПЗУ с электрическим стиранием типа Flash - Flash-ROM. Функционально Flash-память мало отличается от EEPROM. Основное различие состоит в способе стирания записанной информации. В памяти EEPROM стирание производится отдельно для каждой ячейки, а во Flash-памяти стирать можно только целыми блоками. Если необходимо изменить содержимое одной ячейки Flash-памяти, потребуется перепрограммировать весь блок. Упрощение декодирующих схем по сравнению с EEPROM привело к тому, что МК с Flash-памятью становятся конкурентоспособными по отношению не только к МК с однократно программируемыми ПЗУ, но и с масочными ПЗУ также.
Накопитель на жёстких магнитных ди́сках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винчестер» — запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.
Твердотельный накопитель (англ. SSD, solid-state drive) — компьютерное запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Не содержит движущихся механических частей,
Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и SSD на основе флеш-памяти.
NAND SSD Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились относительно недавно, но в связи с гораздо более низкой стоимостью начали уверенное завоевание рынка. До недавнего времени существенно уступали традиционным накопителям — жестким дискам — в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью поиска информации (начального позиционирования). Сейчас уже выпускаются твердотельные накопители Flash со скоростью чтения и записи, в разы превосходящие возможности жестких дисков. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.
RAM SSD Эти накопители, построенные на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ персонального компьютера) характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость. Используются, в основном, для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Такие накопители, как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели — системами резервного и/или оперативного копирования.
Преимущества и недостатки
Преимущества, по сравнению с жёсткими дисками (HDD):отсутствие движущихся частей; высокая скорость чтения/записи, нередко превосходящая пропускную способность интерфейса жесткого; низкое энергопотребление; полное отсутствие шума из-за отсутствия движущихся частей и охлаждающих вентиляторов; высокая механическая стойкость; широкий диапазон рабочих температур; стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации; малые габариты и вес; большой модернизационный потенциал как у самих накопителей так и у технологий их производства. намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям.
Главный недостаток SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз. Более дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) — более 100 000 раз Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования нагрузки. Контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались и при необходимости «меняет их местами»;
Подпроблема совместимости SSD накопителей с устаревшими и даже многими актуальными версиями ОС семейства Microsoft Windows, которые не учитывают специфику SSD накопителей и дополнительно изнашивают их. Использование операционными системами механизма свопинга (подкачки) на SSD также, с большой вероятностью, уменьшает срок эксплуатации накопителя;
Цена гигабайта SSD-накопителей существенно выше цены гигабайта HDD. К тому же, стоимость SSD прямо пропорциональна их ёмкости, в то время как стоимость традиционных жёстких дисков зависит от количества пластин и медленнее растёт при увеличении объёма накопителя.
115. Компиляторы. Назначение компиляторов, их виды. Последовательность процедуры компиляции
Компилятор – программа, которая преобразует в текстовый файл с написанной символикой программы .asm в управляющие коды, которые должны располагаться в сегменте команд памяти. В любой версии языка должен быть поставлен компилятор.
Любой компилятор как программа должен выполнять три обязательные процедуры:
Лексический анализ.
Синтаксический анализ.
Генерация машинных кодов.
Лексический анализ – поиск типовых сочетаний символов в текстовой строке. Лексема – набор символов однозначно обозначающих свою принадлежность к тому или иному полю данных, метке. Лексический анализ выполняется последовательно по каждой строке методом скользящего окна. В новой строке рассматривается код первого символа, сравнивается с типовым набором лексем. Если такого набора в таблице лексем нет окно увеличивается до двух символов и вновь производится поиск по таблице от 3 и т.д. пока не найдем типовой набор в таблице. В противном случае – выводится комментарий плохой переменной.
Команда директива может состоять из нескольких лексем, поэтому в таблицу записываем последовательно коды найденных лексем.
Лексический анализ – проверка на содержание команд, операндов, переменных с изменением языка или команды меняется таблица лексем, компилятор.
Вторая часть – синтаксический анализ – проверка на правильность компоновки лексем: какой код лексем следует за каким, все ли записи, лексемы, строки имеются и правильно ли они поставлены.
Синтаксический анализ основывается на структуре и правилах построения языка программирования. Язык же, в свою очередь – на принятой грамматике, в которой основную роль играют формы языка.
Для современных языков чаще всего применяют нормальные формы грамматик. На основании полученных таблиц с лексемами опять же по таблицам, находим соответствие строки лексем адресу, если нужно, команде.
Результат соответствия новая таблица с кодами операций – код + данные или адрес. Т.о. в компиляторе нужны заготовки двух таблиц, т.е. лексемами и с кодами команд и программа следования – какие лексемы после которых может быть результат работы компилятора – использует файл, который имеет расширение .obj.
В зависимости от времени работы последовательности различают программы-компиляторы. Непосредственно компилятор может быть одно-, двух-, трехпроходным. Проход – анализ исходного текста сверху вниз. Любой проход сопровождается появлением новых кодов, диапазон измен(р)ения.
Особенность компиляции в том, что 2 процедуры преобразования в машинные коды и счет выполняется с остановом последовательно. При этом время на компиляцию и на использование, конечно, возрастает, но в случае отладки программы вынуждены многократно повторять первую часть до .obj и только после его получения запустить на счет. Второй вариант: преобразовать в коды небольшой фрагмент исходного текста и его выполнить. Применен в интерпретаторах. Здесь коды переводятся не в весь текст, а часть исполняется программой последовательно перевод использование. Такой подход позволяет работать с малой памятью для кодов. Всякий раз, загружая ее новым фрагментом. Время на решение задачи по такому подходу больше, поскольку идет переключение с одного режима по фрагменту. Интерпретаторы были популярны тогда, когда памяти не хватало.
Другим вариантом компиляторов является компилятор кодов (псевдо): из исходного текстового файла получаем не исполненные на данной ЭВМ коды, а некую заготовку кодов, которую можно применить в различных системах команд была бы лишь таблица перевода из кодов в исполняемый файл.
Динамическое изменение вариантов языка заставило разрабатывать программы по автоматизации проектирования компиляторов. Объект – компилятор. Входные данные – перечень команд, лексемы. Синтаксис лексем. Ясно, что в основе такого подхода табличного преобразования по шагам от одной таблицы к другой.

116. Контроль информации при последовательной передаче двоичного кода. Методы контроля. Контроль передачи информации при обмене словами (байтами). Методы.
Различают контроль передачи информации и контроль преобразования информации. При передаче основная задача контроля – выявить верно ли принят код и если событие истинно мы принимаем следующий код. Если же при приеме информации выявлена ошибка, то передачу данного слова следует повторить. И повторять мы будем пока не будет ошибки. В ЭВМ чтобы исключить неопределенность использую отсчет числа повторов. Устанавливают порог например 9 или 11 раз. И если нам не удалось правильно передать за это число раз, выставляем сообщение о неготовности (невозможности передачи). При этом некоторые помехоустойчивые коды допускают восстановление принятых разрядов. Т.к. мы передаем двоичный код (1 и 0), то восстановление сводится к инверсии неправильного разряда. А для инверсии мы используем схему, сумма по модулю два. При контроле передачи используют различные подходы.
-32385599440Традиционно известный (сумма по модулю два). К передаваемому слову добавляется контрольный разряд (специальный разряд), так чтобы число единиц перед этим байтом вместе с кодом было нечетное. Принимается так и сравнивается. Если да – без ошибки, если нет – ошибка.
Поскольку процедура контроля сводится к сравнению в приемнике принятого кода с неким эталоном, то в данном случае мы сравниваем не принятый код, а признак принятого кода с признаком нечета. Главный недостаток – не ощущаем принятый код, мы смотрим лишь за признаком, а признак неоднозначен, любое четное число ошибок не меняет признак и мы благополучно принимаем неправильный код. При всей простоте этот метод позволяет выявить ошибки от помех малой интенсивности (в одном разряде). Помехи обычно считают распределенными равновероятно т.е. любой разряд передаваемого кода может кувыркнуться. Данный метод применяется при контроле передачи байта (слова). Издержки невысокие. Из старых систем передачи (телетайпов) пришел метод дублированной или повторной передачи кодов. Всякий код пересылается в приемник несколько раз. При этом помехи, случайно равновероятны по разряду. Результат приема определяется при сравнении накопленного числа единиц с порогом. Способ прост в решении, результат определяется как некое усредненное состояние разряда, но время передачи большое. Поэтому способ можно применять лишь в медленных вычислителях. И сам код передаваемый не кодируется. Верное решение получаем лишь при равномерных помехах низкого уровня.
-1035051710690Развитие этого метода – контрольная сумма. Но контрольная сумма применяется уже не для передачи одного слова, а для передачи файла содержащего 64 слова. Источник последовательно передает слова и приемник всякий раз приняв очередное слово, формирует текущую контрольную сумму. С приходом последнего слова файла формируется последняя контрольная сумма, которая должна сравниваться с последней посылкой в файле – это не код числа, а сама контрольная сумма отправляемая источником. Стоит измениться хотя бы одному разряду в передаваемом файле и контрольная сумма меняется. Получаем ошибку. На сегодня метод контрольной суммы модифицирован и уже применяется контрольная сумма в остатках. Такой метод называется с применением CRC-кода.
Передаваемая информация содержится в файле фиксированной длины, за которым следует небольшое число разрядов CRC – кода. CRC код – это остаток от деления в целых числах значения передаваемого файла на некий полином – число которое известно источнику и приемнику. Если разделить число передаваемого файла на полином получим целую часть и остаток. Целая часть отбрасывается, а остаток прицепляется к передаваемому файлу. Приемник получает файл, затем делит данное число на полином и выделяет остаток от деления. Сравнивает остаток с вновь полученным (восстановленным). При совпадении – верно, иначе – ошибка. Здесь на лицо повторная передача – передается файл информации и передается остаток. Но остаток это отражение самого файла. CRC – код на сегодня используется при обмене по USB интерфейсу, по шине PCI. В целом это коды которые выявляют ошибку, но ее не восстанавливают. В вычислительной технике используются и помехоустойчивые коды позволяющие восстанавливать принятую информацию. Самым распространенным примером является код Хэмминга. Код Хэмминга формируется для передаваемого слова. Например: нужно передать 4-разряда. К 4-разрядам при передаче добавляем еще 3-дополнительных бита полученных из передаваемых разрядов т.е. мы дублируем передаваемое слово. Если мы передаем вместо 4-разрядов, 7-разрядный код можно рассматривать его как самостоятельный двоичный код, но из всех возможных 127 комбинаций мы оставляем лишь 16. Это позволяет увеличить кодовое расстояние для оставшихся 16-комбинаций до 3 и более. И когда мы принимаем 7-разрядный код в котором какой-то из разрядов кувыркнулся, мы смотрим ближайшую комбинацию из разрешенных 16. В теории для характеристики возможной ошибки используется термин синдром. Это код – это признак ошибки. Для ошибки в каждом конкретном разряде имеется свой фиксированный синдром у кодов Хэмминга. Зная синдром можно восстановить прежний код т.е. сформировать уровень инвертирующий нужный принятый разряд. Суть кодов Хэмминга в том, что передаваемая информация дублируется неоднократно, за счет свертки по модулю два, что позволяет приемнику определить ошибку. Коды Хэмминга используются при параллельных пересылках между памятью и CPU. Повторов здесь нет, а исправления возможны.
Контроль преобразования информации. Цифровая вычислительная техника допускает и контроль преобразования информации.
Основной метод – дублирование. При этом можно использовать как программные методы так и аппаратные. Программный – это повторный счет в две – три руки. Однако чаще применяются аппаратные методы. Из аппаратных – метод дублирования горячего резерва. В вычислителях такой метод называют горячим резервом. Одну операцию над операндом проводят два одинаковых блока. Результат сравнивается. Недостаток: оборудование. Такой подход применяется в ситуациях, когда необходимо жестко отвечать за результат преобразования.
205270-25342
Метод обратного преобразования. Также идет дублирование. Но второй блок выполняет не прямое преобразование, а обратное. Восстанавливает исходный сигнал. Метод оправдан когда, обратное преобразование выполнить проще.
205270-24567
Также для контроля преобразования применяются вычисления в прямых и дополнительных кодах. Двоичная арифметика должна дать одинаковые результаты. Считают параллельно, на одном блоке прямые коды, на другом – дополнительные. Все методы применяют для параллельных кодов. При контроле последовательности в одном разряде используют специальные небольшие устройства, называемые сигнатурный анализатор. Который представляет из себя регистр сдвига с цепью обратной связи в которой стоят сумматоры по модулю два. К регистру подключены индикаторы. На индикаторе формируется сигнатура – код. Сменилась последовательность 0 и 1, то сменилась и сигнатура. Если знать эталон сигнатуры мы можем контролировать правильность цифровой последовательности.

117. Приведите основные структуры объединения процессоров в многопроцессорных системах. В чем суть ограничений архитектуры Фон-Неймана
Традиционно архитектура Фон Неймана имеет четыре основные характеристики:
Единое вычислительное устройство, включающее процессор, средства передачи информации и память;
Линейную структуру адресации памяти, включающую слова фиксированной длины (формат команд представляется байтами, сложные команды — несколько байт);
Низкий уровень машинного языка (команды процессора выполняют простые операции, т.е. сложные процедуры выполняются последовательно);
Централизованное последовательное управление (последовательно читаются команды, последовательно выполняются операции).
В гарвардской архитектуре память данных и память команд разделены, т.е. процессор читает команды из памяти команд по шине команд и читает данные из памяти данных по шине данных. Между ними (шинами) может быть связь через мультиплексор.
Как в традиционной, так и гарвардской структуре существует принципиальное явление, ограничивающее производительность процессора — канал связи. Если увеличивать быстродействие процессора, то скорость выполнения начинает ограничиваться задержкой в канале. Эта величина конечна, поэтому ее практически не преодолеть. Если увеличить число процессоров работающих параллельно с общей памятью, то при реальных характеристиках увеличение производительности, возможно, не более чем в 3…4 раза с большим числом процессоров. Основная причина падения производительности на один процессор (снижение эффективности) в мультипроцессорных системах — сама архитектура вычислителя, предусматривающая общую память и последовательный к ней доступ. Поэтому разрабатываются варианты увеличения производительности с применением параллельных процессоров.
Режим мультипрограммирования применяют не только для нескольких задач, но и для одной большой задачи, если возможно выполнение ее по частям, т.е. несколько подпрограмм одной задачи могут выполняться параллельно. Особенностью мультипрограммных режимов считается то, что задание разбивается на составляющие части — пункты или шаги задания. Каждый пункт задания может в результате работы вызывать другую программу. В этом режиме могут создаваться подзадачи, т.е. в целом режим мультипрограммирования предусматривает деление задания на составляющие, с которыми процессор работает как с самостоятельными задачами. Память разбивается на системную область где храниться ядро операционной системы и основные программы и динамическую область в которой располагаются сведения о всех заданиях. Приоритет — в сторону увеличения адресов, т.е. программа находящаяся в динамической памяти с большим адресом имеет больший приоритет.
Структуру такого режима можно представить в следующем виде.
30784803175С учетом мультипрограммного режима в пакетном режиме число одновременно находящихся в памяти задач также конечно. Рост числа задач требует увеличения памяти, поэтому с учетом стоимостных характеристик величина Мопт снижается до 4-5 задач. При рассмотрении обоих режимов следует учитывать, что выполнение процессором второго задания после первого требует небольшого времени на перезагрузку управляющих программ.

118. Сравните структуры двух МПК, имеющих организацию SMP и MPP. Приведите их структурные схемы
SMP (Симметричные многопроцессорные системы)
Параллельно с векторной организацией обработки была разработана другая структура – параллельные процессоры с общей памятью. Они получили название симметричных многопроцессорных систем.

Несколько процессоров через быстрый коммутатор подключены к памяти системы. У каждого процессора – магистраль шины адреса, данных и управления. Эти разряды и переключает коммутатор, когда подключает конкретный процессор к памяти.
Память - это и память данных и память команд (общая). В простейшем случае О.С. выделяет каждому процессору свой квант времени, в течении которого следует пересылать файл в память или прочитать его из памяти. После окончания интервала соседние процессоры получают доступ к памяти, а первый, сохранив данные в свой буфер памяти (КЭШ), обрабатывает их до той поры, пока не закончит весь объем КЭШ.
Если будет промах, процессор блокируется и ожидает своего цикла связи с памятью, затем быстро пересылает файл под управлением контроллера ПДП.
Такая организация не позволяет подключать параллельно большое число процессоров (оптимально 5-8), так как обработка выполняется за меньшее время, чем цикл обращения к памяти.
Такая организация с одинаковой элементной базой оказалась более производительна, чем векторно-конвейерный процессор.
Примером является комплекс Эльбрус, разработанный в СССР.
Основное достоинство симметричной структуры – простота наращивания (изменения числа процессоров), однако число процессоров невелико и производительность фактически ограничена задержками при чтении/записи и выполнении текущей команды.
МРР (Системы с массовым параллелизмом)
Третье направление в развитии структур – применение однотипных законченных микропроцессорных вычислительных блоков, включенных параллельно через быстрый коммутатор.

Структура объединяет множество одинаковых процессорных блоков, при этом количество процессоров может достигать нескольких тысяч.
В каждом блоке есть своя память данных и команд и к каждому блоку возможно подсоединить внешние устройства.
КЭШ в каждом процессоре позволяет обмениваться с памятью файлами, ограниченной длины. В то же время обмен данными между процессорными блоками выполняется между памятью одного блока и памятью другого – опять же в режиме прямого доступа к памяти. Основные ограничения при передаче – поиск процессорного блока источника или приемника файла данных, но фактически в начале передачи стоит коммутатор, который привносит основную задержку в процедуру передачи. Коммутатор электронный – число входов/выходов пропорционально количеству процессорных блоков.
Поэтому по сложности такой коммутатор более объемный (энергопотребление) чем весь процессорный блок.
Традиционный подход – применение электронных ключей, мультиплексоров уступает место процессорным коммутаторам: используется процессор с большим числом портов, что позволяет строить пирамиду из таких элементов.
Транспьютеры (содержат до 8 в/в)
Т.о. электронный коммутатор - уже микропрограммный блок, который не столько переключает в/в, но и ищет оптимальный путь для принятого сигнала.
Система с массовым параллелизмом имеет высокую степень масштабируемости, что не характерно для SMP, вместе с тем, они построены на однотипных блоках, поэтому стоимость должна быть невысокой. Основной вклад в стоимость П.О., которое должно обеспечить распараллеливание на параллельные процессоры решаемой задачи либо нескольких задач. Но проблема в том что необходимо в каждый блок процессоров загрузить свои управляющие коды – раздать задачу на параллельные ветви. Формально, этот вопрос не решен. Поэтому многое зависит от управляющей программы.
Поэтому стоимость МРР несмотря на однотипные серийные процессоры, высока.
Применение: в исследовании моделирования быстрых физических процессов.
Поскольку в природе нет промежутков, возможно решение-гибрид:
Структура называется NUMA, как бы 2 контура: внешний-симметричная организация (8-10 проц.). Но каждый процессор этой структуры – МРР-вычислитель, состоящий из приблиз. 100 проц. блоков.
По своим характеристикам в некий момент времени гибридная структура опередила всех(SMP,MPP). Но все это временно, пока не появится новый микропроцессор с меньшим тактом (с большим КЭШем). И та же SMP структура на нем может оказаться производительнее МРР.

119. Сравните характеристики двух последовательных интерфейсов RS-232С и USB. Приведите структурную организацию интерфейсов и формат передаваемых данных
Последовательные интерфейсы относятся к периферийным (интерфейсы внешних устройств).
С увеличением интенсивности применения средств выч. техники в различных областях промышленности значимость последовательной передачи данных возрастает. Поэтому последовательные интерфейсы можно разделить на:
Интерфейсы ЭВМ – те, что применяют непосредственно для типовых внешних устройств ЭВМ.
Интерфейсы информационных систем для сбора информации в различных системах контроля управления (например пожарная безопасность).
Для ЭВМ характерны 2 типа послед. инт.
СОМ-порт (RS-232)
USB
RS-232
-байт-последовательный интерфейс традиционно исп. в ЭВМ для подключения типовых внешних устройств, разработано немало разл. систем , формирующ. информацию, которые подкл. к ЭВМ по этому интерфейсу (приборы учета т.э.п., медицинская аппаратура, блоки ввода аналоговой информации и т.д.)
Байт- последоват. инт. RS-232Спредназначен для передачи данных между памятью ЭВМ и внешним устройством побайтно: 1 байт передали, пауза. Передаем следующий байт. На сегодня это его недостаток.
Максимальная скорость передачи битов по интерфейсам- 115кбит/сек = 115кбд
Формат передаваемого файла имеет следующий вид:

Контроллер последоват. интерфейса формирует посл. сигналов(0-5В) ТТЛ-совместимый вначале посылки стартовый сигнал длительностью 1,5-2 такта, который идет после нулевого уровня, следом 8 бит данных (1-0) в зависимости от кода от младшего -9 бит (контрольный разряд, значение которого зависит от четности/нечетности байта), за ним стоповый бит(1), завершает кадр нулевой уровень(пустое место). Но эти сигналы преобразуются в уровни ±9В прежде чем попасть на разъем и на нем / новом сигнале пустое место легко определить. Передача сигнала выполняется потенциалом, поэтому помехи могут испортить сигнал, и чем длиннее кабель, тем меньше помехозащищенность, поэтому в технических характеристиках указывают длину кабеля 1,4 метра. С увеличением длины кабеля передача возможна, но возрастают помехи, контрольный разряд показывает ошибку, возникает необходимость повторной передачи данных и скорость падает.

Концы на типовом разъеме СОМ-порта кувыркнуты.
Функция контроллера выполняет последовательный порт, например ВВ51
В современных микропроцессорах уже имеются ноги с именами RxD и TxD
(Transmit data, Read data), сам контроллер интегрирован в кристалл, но эти ноги прямо к разъему подключать нельзя, т.к. необходимо изменить уровень сигналов с ТТЛ-логики на ±9В
Через разъем (9 контакт) могут подключаться типовые В.У. В полном разъеме RS-232 должны присутствовать сигналы подтверждения передачи/приема.
Величина такта (интервал времени для передачи 1 бита) – стандартная частота генератора берется из ряда
2400
4800
9600
14400
19200
38400
Конечно помимо аппаратной части интерфейс должен иметь и программную-
драйверы. Универсальный драйвер типового СОМ-порта часто избыточен и требует наличия разнообразных проверок. При вводе/выводе на внешние устройства нам часто этого не требуется, поэтому приходится писать свой драйвер (проще).
USB
Пример второго типа последовательных интерфейсов. Файл-последовательный интерфейс. Требования увеличить скорость передачи данных заставило отказаться от передачи байтами. Мы перешли на передачу файла фиксированной длины, например 512, 1024 бит.
Последовательность передачи:
Старт, адрес приемника, файл данных, контрольный код, конец передачи.
По сути, интерфейс является цепочечным – передает информацию по цепочке.

Помимо того, что USB передаёт данные файлом, характер сигнала другой. В разъеме USB 4 контакта , 2 из которых сигнальных, 1 - 5В, 4 – общий (земля).
5-вольтовое питание позволяет В.У. с малым потреблением обходятся без собственного источника питания, ограничение по току потребления до 0,5А.
Скорость передачи битов по интерфейсу зависит от типа USB – интерфейса (спецификация) : 1.0, 2.0, 3.0 есть 4 разработка. По двум сигнальным линиям А В (D+,D-) пересылаются сигналы в двух направлениях дифференциальные. Встав осциллографом на D+, землю, мы не увидим сигнала, но если оба щупа осциллографа поставить на D+,D- увидим сам передаваемый сигнал, при этом осциллограф отвязать от земли!
Размах сигнала от 3,3 до 5 В, скорость передачи сигнала 16, 30, 66 МГц
Высокая скорость передачи сигнала по USB достигнута за счет элементов согласования и приемника. Делители из резисторов, в кабеле-витая пара.
Программное поддержка USB использует контроллер USB , который переписываем из памяти ЭВМ в пересылаемый файл, после этого контроллер самостоятельно пересылает в линию эти биты, завершая передачу CRC-кодом, код остатках, который служит индикатором для контроля принятого сообщения.
Конечно же обращение к контроллеру USB из памяти процессора желательно выполнять в режиме прямого доступа к памяти.

120. Какие принципы программного управления характерны для командного и микро-командного способов управления. В чем сходство и различие этих способов. Покажите на примере структурной схемы устройств управления
Сформулированы Фон-Нейманом не как догма, а как рекомендация для работы.
С той поры они во многом модифицированы, но основа остается:
Вся информация (команды, данные, константы) представляется двоичным кодом. Коды двоичные группируются в слова. Размер слова зависит от системы команд, но принято в системе IBM слова делить на 2 самостоятельных байта, в системе DEC – 16 разрядов.
Все слова размещаются (хранятся) в ячейках памяти соответствующей длины. Чтобы определить принадлежность слова нужно узнать место где оно хранится команды в ПЗУ, данные в ОЗУ.
Чтобы различать слова между собою их размещают в ячейках памяти имеющих номера. Номер - адрес 1. Других таких нет. Поэтому все адресное пространство разделяют на ПЗУ, ОЗУ, ячейки портов ввода/вывода которые также имеют адреса.
Команды в виде двоичных кодов размещаются в памяти команд последовательно, то есть согласно алгоритму выполнения задачи команды в виде кодов размещают в памяти одна за другой при этом всякая команда включает столько байт (слов) сколько нужно для ее выполнения. Помимо кода операции в ячейки последовательно пишут адреса (младший , старший байт), константы (младший , старший байт), смещение если нужно. Отсюда команды имеют разную длину, но все равно стоят в очередности.
Алгоритм задачи представленный в мнемонике команд называется программой.
Со времени опубликования этих предложений многое изменилось в организации ЭВМ, но последовательное расположение в сегментах памяти команд (кодовый сегмент) является главным.
В зависимости от способа управления различают программные управления ( с жесткими связями) и микрокомандные управление на уровне микрокоманд.
Программное устройство в первом случае расположено на кристалле процессора по близости от его операционного устройства, чем ближе это устройство к операционному тем быстрее можно менять коды.
Микропрограммное управление отличается тем, что пользователь сам формирует микрокоды. Задача сформировать микрокоды - задача программиста.


121. Основные понятия процесса проектирования систем управления. Цель процесса проектирования.
Цель процесса проектирования состоит в том, чтобы на основе априорной информации и апостериорной информации получаемой в процессе проектирования, разработать техническую документацию, требуемую для изготовления объекта.
Процесс проектирования – это процесс создания объекта, прототипа или прообраза необходимого для его изготовления.
Проектирование средств управления по существу представляет собой процесс управления с обратной связью.

Техническое задание формирует входные данные или установки, которые сравниваются с результатами проектирования и если они не совпадают, то цикл проектирования повторяется пока ошибка не будет в допустимых пределах.
Кроме этого процесс проектирования можно представить в виде графа.

Принимая точку 0 за формулировку проблемного варианта ее решение можно представить отрезками а1, а2, а3, каждому варианту соответствует несколько проблем Wi.
Выбор вариантов аi является творческим, трудно формализуемым процессом.
В настоящее время, автоматизированное проектирование средств управления связано с новым этапом развития – это САПР САУ, предназначенных для решения задач научно-исследовательского, эскизного и частично технического проектирования.
Согласно определению, рекомендуемым ГОСТом АП – это комплекс программно-технических взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации.
С точки зрения управления САПР АСУТП сама является АСУТП.
122. Системный подход к проектированию.
Основным общим принципом системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложения системы с учетом их взаимодействия.
Системный подход включает в себя выявление структуры системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды.
Интерпретация и конкретизация системного подхода имеет место в ряде других подходов, которые рассматриваются как компоненты системотехники.
1) Структурный подход – при нем требуется синтезировать варианты системы из компонентов или блоков и оценивать варианты при их частичном
переборе с предварительным прогнозом характеристик;
2) Блочно-иерархический. Используются идеи декомпозиции сложных описаний объектов и соответственно средств их создания на иерархическом условии взаимосвязи между собой;
3) Объектно-ориентированный, состоит из структурных принципов, используемых при разработке информационных систем. Прежде всего это ПО.
Преимущества последнего подхода:
вносит в модель определенность
сокращает объем спецификации
уменьшает вероятность искажения результата.
Для всех подходов характерны следующие особенности:
Структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектной задачи и документацией на стадиях и этапах.
Итерационный характер проектирования.
Типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.

123. Структура процесса автоматизированного проектирования
При использовании блочно-иерархического подхода к проектированию представление о проектировании расчленяют на иерархические уровни. Список уровней в каждом приложении могут быть специфическими, но для большинства характерны три крупных уровня:
Системный. Разработка структурных схем, планов и т.д.
Макроуровень. Функциональные, принципиальные, кинематические схемы.
Микроуровень. Проектирование отдельных деталей.
Наряду с декомпозицией описаний на иерархическом уровне применяется разделение представлений о проектируемых объектах на аспекты.
Аспект описания (страта) – описание системы или ее части с нею оговоренной точки зрения определяемой функциональными физическими или иного типа соотношениями между свойствами и отношениями.
Обычно различают аспекты:
Функциональный;
Информационный;
Структурный;
Поведенческий.
Стадии проектирования – это части проектирования, как процесса, развивающиеся во времени.
Различают стадии:
научно-исследовательскую (НИР),
эскизного проекта,
технического,
рабочего,
испытание опытных образцов и партий.
Разработку ТЗ называют внешним проектированием, а реализацию ТЗ – внутренним.
Основное содержание ТЗ:
Назначение объекта;
Условие эксплуатации (допуски);
Требования к входным параметрам (т.е. к величинам характеризующим свойства объектов).
Эти требования выражаются в виде условий работоспособности.

124. Основные типы автоматизированных систем, разновидности САПР.
Достижение поставленных целей на современных предприятиях выпускающих сложные изделия невозможно без применения автоматизированных систем. Специфика задач, решаемых на различных этапах жизненного цикла, обуславливается разнообразием применяемых автоматизированных систем.

Основные типы автоматизированных систем с привязкой к жизненному циклу :
CAE –это системы расчетов и инженерного анализа.
CAD – это системы конструкторского проектирования .
CAM – это системы технологической подготовки производства.
PDM – системы управления проектными данными CAE, CAD, CAM.
SCM – системы управления цепочками поставок. Информационная поддержка этапа производства продукции осуществляется АСУТП. К АСУТП относятся системы планирования и управления предприятиями (EPR) и системы планирования производства и требования к материалам MPR-2, а так же производственные исполнительные системы MES и системы управления взаимоотношениями с заказчиками CRM.
Маркетинговые задачи возлагаются на системы S&SN, которые используются так же и для обслуживания изделий.
Для выполнения диспетчерских функций (сбор, обработка данных) о состоянии оборудования и техпроцесса, разработки программного обеспечения для встроенного оборудования АСУТП используются системы SCADA. Непосредственное программное управление оборудованием осуществляется с помощью системы CNC на базе контроллеров встроенных в техническое оборудование. CPC – это система электронного бизнеса для управления данными в интегрированном информационном пространстве. Характерная ее особенность это обеспечение взаимодействия предприятий.
Структура САПР
САПР состоит из подсистем:
Проектировочные подсистемы;
Обслуживающие подсистемы.
Структурирование САПР по различным аспектам обуславливает появление видов обеспечения САПР:
1) техническое – включающее ЭВМ, периферию, сетевое оборудование и измерительные средства;
2) математическое обеспечение – это матмодели, методы …;
программное;
информационное (СУБД);
лингвистическое, выраженное языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими системами;
методическое, включающее методики проектирования;
организационные.
Разновидности САПР
I. По приложениям различают:
для машиностроения MCAD
для электроники ECAD (EDA)
в области архитектуры и строительства
I I. По характеру базовой системы:
САПР на базе машинной графики и геометрического моделирования
САПР на базе СУБД
САПР на базе конкретного прикладного пакета (CAE), примером является MATHCAD, MALAB
Комплексные САПР.

125. Стадии проектирования автоматизированных систем и аспекты их описания.
При проектировании сложных систем выделятся следующие стадии.
Стадия предварительного проектирования, или стадия научно-исследовательских работ, связана с поиском принципиальных возможностей построения систем, исследованием новых принципов, структур, технических средств, обоснованием наиболее общих решений; результат - техническое предложение.
На стадии эскизного проектирования или опытно-конструкторских работ, производится детальная проработка всех частей проекта, конкретизируются и детализируются технические решения.
На стадии рабочего проекта формируется вся необходимая документация для изготовления изделия. Далее создаётся и испытывается опытный образец (или партия изделия), по результатам испытаний вносятся необходимые коррективы в проектную документацию, после чего осуществляется внедрение.
Этап проектирования - составная часть любой из стадий проектирования, сводящихся выполнению операций и процедур, которые относятся к одному аспекту или иерархическому уровню.
Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования. Проектная процедура - формализованная совокупность действий, выполнения которых оканчивается проектным решением (оформление чертежа изделия, расчёт его параметров). Проектная операция - действие или формализованная совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых остаётся неизменным для ряда проектных процедур (вычерчивание типового графического изображения - колеса, вала; решения системы уравнений и т.п.). Маршрут проектирования - последовательность этапов и/или проектных процедур.
Расчленение (декомпозиция) описаний по характеру отображаемых свойств объекта приводит к появлению ряда аспектов описания.
Функциональный аспект связан с отображением основных принципов функционирования, характера физических и информационных процессов, протекающих в объекте.
Конструкторский аспект связан с реализацией результатов функционального проектирования, то есть с определением геометрических форм объектов и их взаимным расположением в пространстве.
Технологический аспект относится к реализации результатов конструкторского проектирования, то есть связан с описанием средств и методов изготовления объектов.
Возможно более дифференцированное описание свойств объекта с выделением в нём ряда подсистем и соответствующего числа аспектов (например, функциональный аспект можно разделить по физическим основам описываемых явлений на аспекты электрических, механических, гидравлических, химических и т.д.).
Следует отметить, что понятие аспекта уровня проектирования относится к структурированию представлений о проектируемом объекте, а понятие этапа - к структурированию процесса проектирования.
По характеру и степени участия человека и использования ЭВМ различают несколько режимов проектирования.
Автоматический режим имеет место при выполнении маршрута проектирования и формальным алгоритмом на ЭВМ без вмешательства человека в ход решения. Ручной режим характеризуется выполнением маршрута без помощи ЭВМ. Автоматизированное проектирование является частично автоматизированным, если часть проектных процедур выполняется человеком, а часть - с использованием ЭВМ.
Диалоговый (интерактивный) режим является более совершенным режимом, при нём все процедуры в маршруте выполняются с помощью ЭВМ, а участие человека проявляется в оперативной оценке результатов проектных процедур или операций, в выборе продолжений и корректировке хода проектирования.
Развитие САПР происходит в частности, в направлении движения степени автоматизации. Однако работа в режиме диалога необходима, поскольку полностью процесс проектирования сложных систем формализовать не удаётся, а участие человека в ряде случаев позволяет ускорить процесс принятия решений.

126. Особенности проектирования автоматизированных систем.
Имеется два этапа направления деятельности при создании автоматизированных систем:
Проектирование автоматизированных систем конкретными предприятиями на базе готовых программных и аппаратных компонентов;
Проектирование упомянутых компонентов автоматизированных систем ориентированных на многократное использование при разработке автоматизированных систем.
Сущность первого направления характеризуется как системная интеграция или консалтинг. Разработчик автоматизированных систем должен быть специалистом в области системотехники в соответствии с международными стандартами. Второе направление относится к области разработки математического и программного обеспечения для реализации функций автоматизированной системы.
Стандарты действующие в России на стадии создания автоматизированных систем – это ГОСТ 34.601-90. международный стандарт ISO 12 207:1995.
Автоматизированные системы и компоненты автоматизированных систем являются сложным комплексом и при их проектировании используются несколько стилей:
нисходящее проектирование;
восходящее проектирование;
эволюционное проектирование.
Чаще всего применяют стиль 1) блочно- иерархического проектирования.
Этапы нисходящего проектирования:
Верхний уровень – концептуальное проектирование. Выполняется в процессе предпроектных решений и ТЗ. Предпроектные исследования проводят путем анализа деятельности предприятия. На основе анализа результата строят модель. Далее разрабатывают исходную концепцию которая включает в себя предложения по изменению структуры предприятия. Эскизный проект представляют в виде проектной документации. После этого разрабатывают прототип. Прототип представляет собой набор программ эмулирующих работу системы.
Содержание последующих этапов нисходящего проектирования является уточнением перечня приобретаемого оборудования и готовых программных продуктов и т.п. и эти работы составляют рабочее проектирование.

127. Понятие о CALS-технологиях.
Это технологии комплексной компьютеризации сфер промышленного производства цель которых унификация и стандартизация спецификаций промышленной продукции.
В CALS системах предусмотрено хранение, обработка, передача информации в компьютерных средах.
Применение CALS технологий позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания хранятся в унифицированных форматах данных сетевых серверов.
Развитие CALS технологий, по мнению ученых всего мира, должно привести к появлению виртуальных производств.
Среди несомненных достижений CALS технологий следует отметить распространение передовых проектных решений и возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках, главная проблема построения открытых распределенных автоматизированных систем управления – это обеспечение единообразного описания и интерпретации данных. Важная проблема, требующая решения при создании комплексных САПР – это управление сложностью проекта и интерпретация программного обеспечения. Эти проблемы включают в себя декомпозиции проектов, распараллеливание проектных работ и создание межпрограммных интерфейсов.

128. Открытые системы.
Одной из главных тенденций современной индустрии информационных систем является создание открытых систем, то есть имеющих свойство мобильности программного обеспечения на различные аппаратные платформы и свойство приспособляемости системы к ее модификации. Открытость системы подразумевает выделение в системе интерфейсной части. Значительное развитие концепции открытости получило в области построения вычислительных сетей, поддерживаемых международными стандартами. Идея открытости широко поддерживается при построении программного, информационного и лингвистического обеспечения автоматизированных систем. В результате повышения универсальности программ и расширяются возможности их адаптации к конкретным условиям.
Основные аспекты открытости отражены в следующих стандартах:
API – интерфейсы прикладных программ с операционным окружением
Межпрограммный интерфейс, включающий языки программирования
Стандарты сетевого взаимодействия
Стандарты пользовательского интерфейса
Стандарты средств защиты информации

129. Техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования
Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:
выполнение проектных процедур для которых имеется программное обеспечение
обеспечить поддержку интерактивного режима работы
обеспечить взаимодействие между проектировщиками.
В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов связанных между собой средой передачи данных.
Узлами являются рабочие места проектировщика. Среда же передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящих из линий связи и коммутационного оборудования (витая пара, коаксиальный кабель, волоконно-оптическая связь).

130. Типы сетей, методы доступа в сетях, протоколы и стеки протоколов в вычислительных сетях
Существует два вида разделения линий передачи данных:
временное мультиплексирование
частотное разделение
Сети подразделяются на:
локальные
корпоративные
территориальные (различают: магистральные каналы передачи данных, обслуживанием занимаются провайдеры, которые представляют коммутационные услуги многим пользователям)
глобальные
Типичная структура крупных корпоративных сетей САПР – это КЛИЕНТ-СЕРВЕР.
Сети клиент-сервер подразделяют:
файл-сервер
серверы баз данных автоматизированных систем
серверы приложений
коммутационные серверы
специализированные серверы
Наряду с архитектурой клиент-сервер применяются одноранговые сети в которых любой узел, в зависимости от решаемой задачи, может выполнять функции как сервера так и клиента.
В соответствии со способами коммутации сети различают:
Сети с коммутацией каналов
Сети с коммутацией пакетов
Для удобства модернизации сложных информационных систем их делают открытыми.
Реализация концепции открытости привела к появлению эталонной модели взаимосвязи открытых систем ЭМВОС (OSI).
В ней даны основные принципы, общие правила и соглашения обеспечивающие взаимодействие информационных систем, которые называются протоколами.
Различают семь уровней ЭМВОС:
физический
канальный
сетевой
транспортный
сеансовый
представительный
прикладной.
Стеки протоколов и типы сетей в АС
1. ТСР – это транспортный, дуплексный протокол с установкой соединения. В программном обеспечении имеется программа которая постоянно готова к работе и при приходе запроса, и установлении соединения генерирует свою копию. Это протокол является байтовым и пропускная способность 232 байт.
2. IP – это сетевой протокол дейтограммный, без установления соединения. Дейтограмма – это пакет, передаваемый независимо от других частей одного и того же сообщения с коммутацией пакетов. К основным функциям IP протокола относят: фрагментацию и сборку пакетов имеющих другие протоколы.
В TCP/IP различают два типа адресов. На канальном уровне – это физический адрес. На сетевом – сетевой адрес. Сетевой адрес – это IP. IP состоит из двух частей, как четырех байтовый код. Первая часть – адрес сети, вторая часть – адрес узла (хост). Управление этими адресами осуществляет DHC (для Internet). DHC – устанавливает соотношение между IP-адресами и IP-именем хоста. В свою очередь имя отражает иерархическое построение глобальных сетей и так же состоит из нескольких частей.
.ru – Россия
.us – Америка
.de – Германия
.com – коммерческие организации
.edu – наука
.mil – военные организации
Перед точкой записываются локальные части адреса, а перед @ имя пользователя.
IP-адрес это слово записываемое в виде четырех частей разделенных точками. Каждая подсеть (узел) получает свои номера. Причем для сети можно использовать от одного до трех старших байтов, а оставшиеся байты для номера узла. Адреса при включении новых хостов выдает уполномоченный провайдер, который обеспечивает соответствие IP-адресов и IP-имен в DHC.
В локальных сетях где используется шести байтовый адрес, используются МАС-адреса, которые переводятся потом в IP-адреса. В стек протоколов ТСР/ IP входит ряд и других протоколов (например: UDP-транспортный протокол, SNTP- почтовый протокол, FTP- протокол с функциями представительского уровня, TELNET- протокол сеансового уровня, на нижнем уровне используется протокол IEEE 802/x, х.25 – физический уровень, ICMP,SNMP- протоколы управления ).

131. САПР систем управления
К числу компонентов САПР относятся ее функциональные части, а также системы и/или подсистемы.
Функциональными составными частями САПР являются техническое, математическое, программное, информационное, лингвистическое, организационное и методическое обеспечение.
Техническое обеспечение САПР составляют ЭВМ и периферийное оборудование, включая устройства связи человека и ЭВМ, устройства для изготовления технической документации, аппаратуру передачи данных между удаленными техническими средствами, а также измерительные устройства и приборы, устройства организационной техники.
Математическое обеспечение САПР включает математические модели объектов проектирования и их элементов, методы и алгоритмы выполнения проектных операций и процедур.
Программное обеспечение САПР состоит их программ для ЭВМ, представленных как на машинных носителях, так и в виде текстовых документов; делится на общее и специальное. Общее программное обеспечение служит для организации, планирования и управления вычислительным процессом и включает в себя операционные системы ЭВМ. Специальное программное обеспечение состоит из программ, ориентированных на решение конкретных проектных задач.
Информационное обеспечение САПР представляется в виде базы данных, содержащей сведения, необходимые для выполнения проектирования. В базу данных входят: справочные данные об унифицированных элементах, нормалях, ГОСТах, сведения о типовых проектных решениях, результатах предыдущих этапах проектирования и т.п.
Лингвистическое обеспечение САПР есть совокупность языков для записи алгоритмов, описания исходных данных и результатов, обмена информацией между человеком и ЭВМ в процессе проектирования.
Организационное обеспечение САПР - совокупность положений, устанавливающих состав и функции подразделений проектной организации, формы документов и т.п.
Методическое обеспечение САПР - совокупность документов, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатация средств автоматизации проектирования. В частности, к методическому обеспечению относят описание технологических маршрутов проектирования, т.е. типовых последовательностей выполнения проектных операций и процедур. Оно также составляет базу для описания технологии проектирования: вопросы расчленения объектов проектирования на аспекты и уровни и процесса проектирования на стадии и этапы, постановки задач проектирования в виде вопросов анализа, синтеза и оптимизации, выбора нисходящей или восходящей последовательности решения задач и т. п.
Структурными составными частями САПР являются подсистемы.
Подсистема САПР - выделенная по некоторым признакам САПР, обеспечивающая получение законченных проектных решений и соответствующих проектных документов. Деление на подсистемы связано с расчленением представлений об объектах проектирования на горизонтальные и вертикальные уровни, что определяется блочно-иерархической структурой объекта. Указанные уровни порождают подсистемы, называемые проектирующими подсистемами. В каждой проектирующей подсистеме выполняются проектные операции и процедуры одного или нескольких родственных уровней.
Проектирующие подсистемы делятся на объектно-ориентированные (объектные) и объектно-независимые (инвариантные) в зависимости от степени специализации: первые служат для проектных процедур, специфичных для некоторого класса объекта. В состав САПР входят также обслуживающие подсистемы, предназначенные для обеспечения нормального функционирования проектирующих подсистем (например, информационно-измерительная).

132. Автоматизация управления предприятием, логистические системы.
Автоматизированное управление на различных уровнях реализуется с помощью АСУ имеющих иерархическую модульную структуру. Среди АСУ различают АСУП и АСУТП.
АСУП охватывает уровни от предприятия до цеха. АСУТП от цеха и ниже.
Характерными особенностями АСУП являются:
1) Открытость по отношению к ведущим платформам и различным СУБД, а так же к архитектуре клиент-сервер
2) Адаптируемость к конкретным заказчикам и условиям рынка
Наличие инструментальных средств (языки высокого уровня)
Техническое обеспечение АСУП.
В современных системах АСУП выделяют ряд подсистем занимающихся:
календарное планирование производства
оперативное управление предприятием
управление проектами
финансово-экономическое планирование и бухгалтерский учет
логистика
управление персоналом
управление информационными ресурсами
Наиболее популярными отечественными АСУП являются:
Система «Парус», «Галактика», «Флагман».
«Парус» включает в себя:
управление финансами
логистику
управление производством
управление персоналом
управление бизнес процессом.
Логистические системы
Традиционно логистику связывают с процессами движения сырья от источников снабжения к месту производства, от производства к складированию, от складирования до потребителя.
Тогда логистика – это наука об организации менеджмента для эффективного продвижения продукта.
Основными логистическими функциями являются:
поддержание послепродажного обслуживания,
управление заказами и закупками,
транспортировка,
ценообразование и т.д.
Логистику подразделяют на внутреннюю, внешнюю, производственную, транспортную и т.д.
В последнее время логистические системы разработаны на базе сети Internet и на базе CALS-технологий. Такие системы получили название систем управления данными в интегрированном информационном пространстве.

133. АСУТП, автоматизированные системы делопроизводства.
В АСУТП выделяют свои иерархические уровни:
Диспетчерский – сбор, обработка информации о состоянии оборудования и протекания технологического процесса. Эти функции возложены на систему диспетчерского управления SCADA. Кроме этого SCADA выполняет функцию инструмента системы разработки программного обеспечения.
Управление технологическим оборудованием (уровень контроллера) – запуск, тестирование, управление станками и оборудованием.
Программное обеспечение АСУТП представлено операционной системой, программами SCADA, драйверами и контроллерами.
Функции системы SCADA:
сбор первичной информации от датчиков,
хранение, обработка и визуализация данных,
управление и регистрация аварийных сигналов, связь с корпоративной сетью,
автоматизированная разработка программного обеспечения.
В SCADA системах применяются операционные системы UNIX и Windows NT.
Автоматизированные системы делопроизводства
Это системы и информационные технологии для работы с документами и документооборотом, позволяют увеличить эффективность производственных и бизнес проектов.
Они подразделяются на: специализированные и комплексные, локальные и распределенные, фактографические и документографические, заказные и тиражные. Относятся к системам TDM и предназначены для обеспечения санкционированного доступа к документам.

134. Математическое обеспечение анализа проектных решений.
Компоненты математического обеспечения
К математическому обеспечению анализа относится: математические модели, численные методы и алгоритмы выполнения проектных процедур. Компоненты математического обеспечения определяются базовым математическим аппаратом специфичном на каждом из иерархических уровней проектирования.
На микро уровне типичные математические модели представлены дифференциальными уравнениями в частных производных с краевыми условиями. Число совместно исследуемых сред в практике не может быть большим в виду сложностей вычислительного характера. Снизить вычислительные затраты возможно за счет допущений в виде дискретизации пространства – переход к моделям макро уровня. Моделирование макроуровня это системы алгебраических и обыкновенных уравнений. При определенном пороге переходят на функционально логический уровень, на этом уровне используют аппарат передаточных функций или аппарат математической логики и конечных автоматов. Для исследования более сложных объектов таких как производственное предприятие вычислительные системы и сети используют аппарат теории массового обслуживания и сети Петри. Эти модели относятся к системному уровню моделирования. Основные требования к математическому обеспечению это адекватность, точность и экономичность.

135. Компоненты математического обеспечения, структура вычислительного процесса анализа.
К математическому обеспечению анализа относится: математические модели, численные методы и алгоритмы выполнения проектных процедур. Компоненты математического обеспечения определяются базовым математическим аппаратом специфичном на каждом из иерархических уровней проектирования.
На микро уровне типичные математические модели представлены дифференциальными уравнениями в частных производных с краевыми условиями. Число совместно исследуемых сред в практике не может быть большим в виду сложностей вычислительного характера. Снизить вычислительные затраты возможно за счет допущений в виде дискретизации пространства – переход к моделям макро уровня. Моделирование макроуровня это системы алгебраических и обыкновенных уравнений. При определенном пороге переходят на функционально логический уровень, на этом уровне используют аппарат передаточных функций или аппарат математической логики и конечных автоматов. Для исследования более сложных объектов таких как производственное предприятие вычислительные системы и сети используют аппарат теории массового обслуживания и сети Петри. Эти модели относятся к системному уровню моделирования. Основные требования к математическому обеспечению это адекватность, точность и экономичность.

136. Математические модели в процедурах анализа на макроуровне
Исходными данными для формирования математических моделей на макроуровне, являются компонентные и топологические уравнения.
Компонентными называются уравнения, описывающие свойства компоненты или уравнения математических моделей элементов.
Топологические уравнения описывают взаимосвязи в составе модулируемой системы. В совокупности компонентные и топологические уравнения составляют математическую модель системы.
В САПР значительная часть алгоритмов формирования и исследования модели являются инвариантными и могут быть применимы к анализу объектов в разных предметных областях.
1) - компонентное уравнение
2) V – вектор фазовых переменных – топологическое уравнение
В результате получается компонентное уравнение которое характеризует связи между разнотипными фазовыми переменными относящимися к одному компоненту, а топологические уравнения связи между однотипными фазовыми переменными в разных компонентах.
Связь подсистем различной физической природы осуществляется с помощью способов моделирования взаимосвязей. Различают трансформаторные и генераторные. Известно несколько видов формирования математической модели системы на макроуровне. Получаемые с их помощью модели различаются ориентацией на численные методы решения и набором базисных переменных, то есть набором фазовых переменных, остающихся в итоговой математической модели системы.
При записи топологических уравнений удобно использовать промежуточную графическую форму – граф. В свою очередь численное решение исходной системы предполагает алгебраизацию дифференциальных уравнений с помощью преобразования Лапласа. А в программах анализа нелинейных объектов используется неявная форма Эйлера. Анализ процессов проектируемых объектов производят во временной и частотной областях. Анализ в частотной области применяют к объектам при исследовании колебательных стационарных процессов и анализе устойчивости.
В результате организации вычислительного процесса в универсальных программах анализа на макроуровне осуществляется по граф схеме при анализе во временной области.
Алгоритм отражает решение системы алгебро - дифференциальных уравнений вида:

На каждом шаге интегрирования решается система нелинейных алгебраических уравнений методом Ньютона. На каждой итерации выполняется решение системы линейных алгебраических уравнений:

.
Рис.: Граф схема вычислительного процесса анализа на макро уровне


137. Математическое обеспечение анализа на микроуровне
На микроуровне используются модели с распределенными параметрами. Типичными примерами являются: теплопроводности, диффузии и т.д.
В САПР решение дифференциальных уравнений с частными производными выполняется численными методами. Эти методы основаны на дискретизации независимых переменных, их представлением конечным множеством значений в выбранных узловых точках исследуемого пространства. Эти точки рассматриваются как узлы сетки, поэтому в САПР используется сеточные методы. В частности методы конечных разностей и методы конечных элементов САПР машиностроения для анализа точности объекта.

138. Математическое обеспечение анализа на функционально-логическом уровне
На функционально-логическом уровне исследуется устройство в качестве элементов которые принимают достаточно сложные блоки, считавшиеся системой на макроуровне. В моделях этого уровня фигурируют переменные одного типа называемые сигналами. Физический смысл сигнала то есть отнесение к фазовым переменным типа тока или потенциала конкретизируют в каждом случае исходя из особой задачи. Основой моделирования аналоговых устройств на этом уровне является использование передаточных функций. В свою очередь для анализа дискретных устройств используют дискретизацию сигнала, причем базовым является двухзначное представление сигнала.

139. Математическое обеспечение на системном уровне
Объектами проектирования на системном уровне являются сложные системы, как предприятие и вычислительные центры. Анализ процессов функционирования систем на этом уровне связан с исследованием прохождения заявок, либо потока заявок через системы.
Основными характеристиками при разработке таких систем являются:
производительность (пропускная способность)
продолжительность обслуживания заявок в системе
эффективность используемого в системе оборудования
В качестве математического аппарата выбирают системы массового обслуживания. Системы массового обслуживания отображают процессы с конечным множеством состояний и отсутствием после действия. Такие процессы называют конечными Марковскими цепями.
Марковские цепи характеризуются множеством состояний, матрицей вероятностей перехода из одного состояния в другое и начальное состояние.
Марковская цепь представляется в виде графа в котором вершины – это состояния, а дуги – вероятности перехода. Основой описания таких систем являются уравнения Колмогорова и сети Петри.

140. Математическое обеспечение подсистем машинной графики и геометрического моделирования.
Различают 2D и 3D графику.
2D графика – это подготовка документации в машиностроительных САПР и топологическое проектирование печатных плат и кристаллов БИС в САПР электроники.
3D графика применятся для синтеза конструкций, представление траекторий рабочих органов станков при обработке заготовок, генерации сетки конечных элементов при анализе прочности.
В настоящее время применяются следующие приемы для построения геометрических моделей:
задание граничных элементов: граней ребер, вершин;
кинематический подход – задают траекторию перемещения двумерного контура, след от перемещения принимают в качестве поверхности;
позиционный подход – это пространство разбивают на ячейки и деталь задают с помощью указания этих ячеек.
Представление сложной детали в виде совокупности базовых элементов форм и выполненных над ними теоретико-множественных операций: пересечение, объединение, разность.
Метод базовых элементов формы называется методом конструктивной геометрии, являющейся основным способом конструирования сборочных узлов современных САПР.
Поверхностные модели можно задать следующими формами:
модель состоящая из списка граней, грань представлена списком вершин;
метод ребер – ребра заданы вершинами и гранями.
Наиболее популярным описанием неплоских поверхностей являются кубические уравнения в форме Безье и Сплайна.
Кубические задаются уравнениями:

Такими кривыми описываются сегменты аппроксимируемой кривой. Применение кубических кривых обеспечивает выполнение четырех условий сопряжения сегментов(a, b, c, d).
В случае формы Безье коэффициенты определяются подстановкой t(0,1) координатами заданных концевых точек и подстановкой в выражение производных.
В результате:

Т – вектор-строка, состоящая из t3,t2,t
М – матрица, получившихся координат
G – векторы координат концевых точек по x,y,z.

141. Схемы мультивибратора на транзисторах и ОУ.

На рис.104 представлена схема мультивибратора, выполненная на транзисторах.
Элементами положительной обратной связи являются конденсаторы Сб1 и Сб2, которые соединяют коллекторы транзисторов VT1, VT2 с базами транзисторов VT2, VT1.
В мультивибраторе генерирование импульсов происходит сразу же после включения питания (рис.104, б). Пусть в момент времени t1 транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. На базе VT2 напряжение Uб2>0, а на базе VT1 Uб1<0 (Uб1= -Un). Емкость Сб1
начинает разряжаться через открытый транзистор VT2. Ток ig2, а следовательно, и напряжение на Rб1 уменьшается по экспоненциальному закону. В момент времени t2 напряжение Uб1 будет положительным, и транзистор VT1 будет открываться. При этом появляется ток в коллекторной цепи транзистора VT1 и Uk1, Uб2, Uk2. Происходит лавинообразный процесс, при котором транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 закрывается. Далее начинается процесс разряда емкости Сб2 через открытый транзистор VT1. В момент времени t3 произойдет следующий переход и т.д. Длительность формируемых импульсов определяется постоянной времени RбCб
;
Для симметричного мультивибратора: ;; .
Длительность переднего фронта формируемых импульсов равна tф=2,2CбRk.
Обычно >3Rk.
Мультивибратор может быть построен на базе ОУ с положительной и отрицательной обратными связями (рис.105.).

Здесь напряжение отрицательной обратной связи с выхода ОУ поступает на его инверсный вход через резистор Rоос , а напряжение положительной обратной связи снимается с делителя Rпос1 и Rпос2
Положительный коэффициент передачи .
ОУ выполняет роль инвертирующего компаратора напряжения. При переключении схемы напряжение на инверсном входе ОУ изменяется на обратное и конденсатор С перезаряжается до напряжения ,
где Umax Un – максимальное напряжение на выходе ОУ. Затем вновь происходит переключение ОУ. Период следования импульсов зависит от величины положительной обратной связи и от элементов С и Rоос.
С емкости С можно снимать пилообразное напряжение.
Частота сигналов fм мультивибратора определяется по формуле:

Из формулы видно, что для увеличения частоты выходного напряжения необходимо уменьшить как постоянную времени цепи ООС так и коэффициент передачи цепи ПОС(вПОС)

142. Схема одновибратора на транзисторах.

В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт за счет положительного напряжения, поступающего на базу VT2 через резистор Rg. Запуск схемы производится импульсом положительной полярности, поступающим на базу транзистора VT1. При этом транзистор VT1 открывается, по нему протекает ток Ik1, напряжение Uk1, напряжения Uб2, Uk2, Uб1. Следовательно, из-за положительной обратной связи через конденсатор Cg транзистор VT1 открывается и переходит в режим насыщения, а транзистор VT2 закрывается. После этого начинается разряд емкости Cg через Rg и открытый транзистор VT1. Напряжение на базе VT2 Uб2 уменьшается по экспоненциальному закону и в момент времени t1 (Uб2>0) произойдет обратный перепад напряжения. Длительность формируемого импульса TU: , .

143. Масштабный усилитель на ОУ с К=+10

,
К = Uвых / Uвх = 1+(R2 / R1)
R2 = 90 кОм R1 = 10 кОм
K = 1 + (90/10) = 1 + 9 = 10.

144. Повторитель на ОУ
Повторитель напряжения представляет собой усилитель, охваченный 100% ООС (отрицательная обратная связь) по выходному напряжению вос=1. Для повторителя Uвых=Uвх.
Повторитель напряжения



где KU0 – коэффициент усиления без ООС;
Rвх0 – входное сопротивление ОУ без ООС.
Благодаря большому входному сопротивлению и малому выходному сопротивлению повторитель используется в качестве согласующего элемента между источником сигнала и нагрузкой. В качестве повторителя напряжения часто используются ОУ, у которых в первом каскаде (в дифференциальном усилителе) использованы полевые транзисторы.
Повторитель представляет собой не что иное, как неинвертирующий усилитель, в котором сопротивление на входе максимально большое (стремится к бесконечности), а сопротивление на выходе максимально малое (стремится к нулю) [Кус=1]. Существуют специальные ОУ, предназначенные только для использования в качестве повторителей, они обладают улучшенными характеристиками (в основном более высоким быстродействием), примером такого ОУ является схема типа LM310 или ОРА633, а также схемы упрощенного типа, например схема типа TL068 (выпускается в транзисторном корпусе с тремя выводами). Усилитель с единичным коэффициентом усиления иногда называют буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).

145. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности, работающий в режиме АВ.
Схема двухтактного трансформаторного усилителя мощности приведена на рис.70.
Усилитель выполнен на двух транзисторах: VT1 и VT2. В коллекторные цепи транзисторов подключен выходной трансформатор Тр2. Трансформатор Тр1 обеспечивает подачу входного сигнала Uвх на базы транзисторов. Каскад работает в режиме В. Следовательно, при отсутствии сигнала, токи в транзисторах отсутствуют и к коллекторам транзисторов прикладывается напряжение Un.
При поступлении на вход усилителя сигнала Uвх каждая полуволна открывает поочередно один из транзисторов, и через первичную обмотку трансформатора Тр2 протекает ток полуволны. Таким образом, процесс усиления входного сигнала происходит в два такта. КПД двухтактного трансформаторного усилителя по сравнению с однотактным увеличивается примерно в 1,5 раза и достигает максимального значения 0,785.
Из-за нелинейности начального участка входной характеристики возникают нелинейные искажения (рис.70, б). Если подать на базу транзисторов небольшое напряжение смещения Uсм, то нелинейные искажения можно свести к минимуму (рис.70, в).



146. Избирательные усилители LC и RC
LC усилитель

RC усилитель


147. Схема стабилизатора напряжения на 10В, 2А на ИС К142.

Для увеличения тока параллельно с микросхемой поставим транзистор.
Расчет универсального стабилизатора производится исходя из двух условий:
1,5мА и
Пусть Iдел=5 мА. Тогда R1+R2=UIдел=105*10-3=2кОм.
R2=2.6*210=520 Ом
R1=2000-520=1480 Ом
R1-1 - переменный, используется для подстройки.
R1-1=0,1R1=0,1*1480=148 Ом
R1-2=0,9R1=0,9*1480=1332 Ом
Выберем значение номиналов из ряда Е24
R1-1=150 Ом
R1-2=1,3 кОм
R2=5,1 Ом
С1=10 нФ
Сф1=4700 мкФ
Сф2=100 мкФ

148. Схема стабилизатора напряжения на 12В, 1А на ИС К142.

Т.к. 12В относятся к стандартным напряжениям, то берем микросхему К142ЕН8Б. Сф1=4700 мкФ, Сф2=100 мкФ

149. Схема ключевого стабилизатора напряжения
Ключевые стабилизаторы напряжения обеспечивают значительно больший КПД за счет того, что транзисторный ключ работает в ключевом режиме. При этом снижаются массогабаритные характеристики стабилизатора. Однако в ряде случаев такие стабилизаторы являются источником импульсных помех, что снижает информационную надежность электронной аппаратуры.
Ключевые стабилизаторы (рис.95) содержат накопительную индуктивность (дроссель) L, включенную последовательно с нагрузкой Rн. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно ей включен конденсатор Сф. Ключевой транзистор VT включен между источником питания Uвх и накопительной индуктивностью L. Устройство управления включает и выключает транзистор VT в зависимости от значения напряжения на нагрузке Uн.

При открытом состоянии транзистора напряжение поступает на выход, и одновременно энергия запасается в дросселе. При отключении транзистора в нагрузке течет ток за счет емкости Сф и самоиндукции дросселя L.
По виду управления ключевые стабилизаторы подразделяются на импульсные и релейные. В первых частота управляющих сигналов постоянна, задается внешним генератором, однако в процессе работы изменяется скважность.
В релейных стабилизаторах напряжения управляющие сигналы формируются с помощью компаратора и зависят от выходного напряжения.
Предположим, в момент времени t1 напряжение Uвых выше требуемого, тогда напряжение на выходе ДА1 положительное, транзистор VT2 открывается, а транзистор VT1 запирается. Ток дросселя, протекая через диод VD1, отдает накопленную энергию в нагрузку.
По мере уменьшения энергии дросселя выходное напряжение стабилизатора уменьшается, и в момент времени t2 компаратор запирает транзистор VT2. При этом открывается транзистор VT1, и на вход LфСф фильтра прикладывается напряжение, близкое к Uвх.

Рис. 96. Схема релейного напряжения(а) и временная диаграмма его работы (б)

150. Генератор гармонических колебаний на транзисторах.
Схема генератора LC-типа с трансформаторной связью приведена на рис.98. Условия генерации здесь создаются на частоте резонанса f0: ,где Lk и Ck - параметры колебательного контура.
Фазовый сдвиг (баланс фаз) обеспечивается соответствующим подключением вторичной обмотки 2 трансформатора. Баланс амплитуд достигается подачей соответствующей амплитуды сигнала с коллекторной нагрузки в цепь базы. Выходной сигнал снимается либо с третьей обмотки 3, либо с коллектора транзистора VT.

Помимо рассмотренной выше схемы с трансформаторной связью широкое распространение получили трехточечные схемы с индуктивной автотрансформаторной и емкостной обратными связями (рис.99). В генераторе с индуктивной автотрансформаторной связью напряжение на базу подается через емкость Cg с части контурной катушки 2. Количество витков 2 определяет баланс амплитуд.В схеме с емкостной обратной связью резонансный колебательный контур образован конденсаторами Ck1, Ck2 и катушкой Lk. Напряжение обратной связи снимается с конденсатора Ck2. Для получения неискаженной формы выходных сигналов с генератора добротность контура должна быть высокой. Генератор RC-типа представляет собой обычный резистивный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Для получения необходимого фазового сдвига применяются фазовращающие цепочки, которые имеют несколько RC-звеньев и служат для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 1800 .

Минимальное количество звеньев равно трем. Для устойчивой работы схемы необходимо, чтобы усилитель обладал большим коэффициентом усиления, имел большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление. Обеспечение условий генерации выполняется подбором элементов в цепи обратной связи R и C, и инверсивными свойствами усилителя.
В генераторах RC-типа часто используются мосты Вина, которые включаются в цепь положительной обратной связи.
Генераторы могут быть построены на туннельных диодах, на динисторе и т.д.


151. Системы хранения данных. Назначение. Три основные структуры систем хранения данных.
Информация появляющаяся в современных технологиях возрастает в объеме в 2 раза с каждым годом. Соответственно для хранения информации необходимо устройство , такие устройства на сегодня уже используют в тех организациях где требуется работа с большими объемами данных. Самый простейший пример необходимости в системах хранение данных – телефонные компании которым предписано хранить все разговоры абонентов в течение месяца.
Второе наименование системы хранения данных- сети хранения данных.
Основными причинами появления СХД является:
Децентрализация информации появление и наличие отделений, офисов организаций.
Лавинообразный рост объема информации
Проблемы с защитой данных. Восстановление, копирование информации в разныз точках затруднено.
Невысокая скорость передачи данных при обработке.
Архивирование данных по частям большие базы архивировать невозможно. Необходим дополнительный персонал.
Невозможность предугадать требуемый объем памяти наперед: на 2-3 кода.
Сложность управления распределенными потоками данных, и т.д.
Самое простое решение по увеличению памяти - размещение внутри сервера дополнительных жестких дисков. Поэтому начали с того, что вместо жесткого диска подключили контроллер (процессор прямопередающей ) который работает только с жесткими дисками.

RAID- контроллер играет роль расширителя позволяющего увеличивать количество жестких дисков подключаемых к процессору. Процессор передачи сигналов (RAID- контроллер) увеличивает производительность, то есть он может используя буферную память одновременно писать (читать) жесткие диски. Идеология обмена – такая же как и с внешним устройством: быстро пишем в буферную память и с реальной скоростью переписываем из буферной памяти на диски. Конструкции объединяющие жесткие диски могут располагаться на значительном расстоянии от процессоров (серверов). Возникает задача связи между RAID- контроллером и система дисков она решается на сегодня применением типовых интерфейсов. Кроме того сами диски также нужно объединить в некий конструктив (стойка, шкаф, несущая конструкций и т.д.), где также должен быть контроллер (что то наподобие конструктива ЭВМ). На сегодня некоторые фирмы выпускают уже также системы в разных конструктивах.
Наиболее часто встречается интерфейс FEBRE CHANOD с помощью которого разворачиваются большие сети хранения данных. В интерфейс используют медный кабель (конечно по оптике может работать). Скорость – 2 или 4 Гбит при этом 4 Гбит – если скорость двусторонняя расстояние от 300 метров с обычной аппаратурой до 2-х км с применением ретрансляторов. Главное достоинство этого интерфейса возможность объединения в единую сеть. На сегодня более распространены оптические каналы этого интерфейса, конструкции стоек используемых для компоновки дисков предусматривают размещение их в монтажном шкафу. Каждая маленькая «этажерка» или стойка может включать 8-15 жестких дисков, блок питания и контроллер. Самостоятельно (без шкафа) – 14 дисков, 2 блока питания, 2 контроллера. Стойка со своим процессором с КЭШом создает массив памяти. Выбор типа интерфейса не формализован, поэтому встречаются однотипные интерфейсы (SKAZY), различные (SATA+SKAZY).
Структура систем хранения информации.
Наличие интерфейсов, процессоров позволяет изменять конфигурацию системы в зависимости от внешних требований и возможностей.
Конфигурация типа DAS. Система памяти подключаемые напрямую к серверу.
229021-19908Простейшая конфигурация использующая SKAZY интерфейс и RAID – контроллер. Один из серверов имеет двойную связь – к данным локальной сети и ее оборудования и системе хранения данных.
Клиенты фактически работают с сервером которые подгружают при необходимости ресурсы СхД.
Недостатками такой конфигурации является:
Невысокая надежность доступа к информации: клиент сети должен добраться до сервера и только после этого при рабочей СхД получить оттуда информацию. Если появилась проблема с сетью, сервером данные недоступны.
Доступ к СхД через промежуточную память сервера – время доступа большое.
По сети кроме нашего запроса идут и другие сигналы, поэтому приходиться ожидать своей очереди.
Сложно перераспределять память дисковой стойки может излишек памяти или недостаточно.
Устройство NAS – устройство хранения подключенное на прямую в сеть.

Непосредственное включение в сеть позволяет локализовать файловый доступ к сети, пользователь обращается к СхД как компоненту сети на прямую что требует дисковую стойку добавить сетевое оборудование(уже роль сетевого сервера). Стоимость таких стоек возрастает при этом меняются типы интерфейсов и емкости стоек может достигать несколько сотен Тбайт. На сегодня это наиболее применяемая конфигурация. Те или иные возможности сетевого оборудования позволяют получать различные характеристики по скорости доступа. Вместе с тем дисковая стойка на прямую подключают к сети следовательно доступ к ней упрощен по сравнению с 1 схемой. Структура требует своего дополнительного программного обеспечения.
Организация SAN – сеть хранения данных с промежуточной коммутацией.

Это развитие первой структуры когда доступ симметричный через оба сервера. Более того перекрестная связь обеспечивает снижение времени ожидания передачи информации в сеть. Серверы симметричны доступ через коммутаторы также легко переключаются поэтому время доступа с такой организацией небольшое, наличие параллельных связей увеличивает надежность доступа. Однако платим за это стоимостью. Поскольку сами серверы имеют память можно с такой организацией оперативно распределять ресурсы (хранимую информацию в том или ином сервере.)

152. Основные понятия информационно-вычислительных систем, классификация по критерию потоков информации
Понятие вычислительная машина обычно применяют к вычислительному устройству, имеющему небольшие габариты и единую конструкцию. Обычно это устройство включает минимально необходимые функциональные узлы. Система относится к более сложным устройствам и объединяет функциональные блоки территориально разнесенные, чаще однотипные. В составе системы может быть несколько функциональных однотипных блоков. Понятие комплекс выше системы, его применяют к устройствам занимающим определенное пространство, т.е. разнесенные, имеющие каналы связи и разнотипные повторяющиеся функциональные блоки. Поскольку между комплексом и системой граница размыта, обычно их разделяют по конструктивному признаку. Комплекс — это множество самостоятельных конструктивно устройств. Сети — территориально разнесенные вычислительные устройства, использующие стандартные способы связи между собой. Обычно система — вычислительная, сегодня информационно-вычислительная система (ИВС). Как правило информационно-вычислительная система или информационно-вычислительный комплекс имеют прикладное назначение. Те или иные конфигурации предназначены для сбора и обработки информации, управления, диагностирования, автоматизированных рабочих мест. В этих приложениях непосредственно вычислительные процедуры занимают не основную роль. Основным становится передача, хранение информации. В зависимости от состава системы изменяется конфигурация, динамические характеристики, надежность устройств. В процессе эволюции системы прошли длинный путь, поэтому появились различные конфигурации вычислительных систем.
Среди множества возможных классификаций параллельных структур различают несколько.
Классификация по потокам данных \ команд
Традиционная архитектура вычислителей (последовательных) может быть представлена в этом делении следующей структурой. Общая память данных \ команд оперирует с потоками данных и команд. Поток — это направленный перенос информации источник-приемник по шинам. Как данные, так и команды в произвольный временной интервал существуют независимо друг от друга и каждый в одном виде. Это последовательная структура, в которой данные связаны с одной конкретной командой. Если необходимы новые данные, формируется новая команда или повторяется.
Общий поток команд \ множественный поток данных. Отображение этих потоков на структуру вычислителя можно представить в следующем виде.

Главное отличие этой структуры: множество пар процессор-память данных, работающих под управлением единой команды из памяти команд. Эта структура наиболее близка к термину параллельная обработка, поскольку в каждый момент времени множество операндов преобразуются под управлением одинаковых команд. Неким подобием этой структуры является секционированный арифметический блок, в котором одна микрокоманда поступает на все секции, а операнды различны, но это лишь частный случай. Реально операнды должны быть независимы. Такая структура иногда именуется матричной многопроцессорной системой, но матрица подразумевает наличие матрицы процессоров — регулярной структуры, в узлах которой находятся процессоры. Основное для данной структуры — необходимость и возможность распараллеливания, т.е. разработки таких алгоритмов, когда входные сигналы независимы и вместе с этим преобразуются по однотипным командам. Конечно, в реальных условиях некоторые процессоры пропускают ту или иную команду, но система эффективно работает, если таких пропусков немного. Параллельные системы с такой структурой применяют для обработки многомерной графики, сигналов от реальных датчиков, работающих в реальном времени.

Вторым вариантом распараллеливания является конвейеризация. В конвейере множество команд работает над одиночным потоком данных. Процессоры соединены в цепочку по шинам данных, при этом шины команд у каждого самостоятельные. В каждый момент времени выполняются разные команды в процессорах над одним потоком данных. Поток данных в этом случае — последовательность операндов несущих информацию о какой-то величине. При этом каждое значение операнда последовательно преобразуется согласно поступающим командам. Если в цепочке 5 процессоров, то преобразование выполняется за 5 тактов и результат на выходе формируется через время t=5t. Выигрыша в задержке здесь нет, но пока операнд находится в цепочке, синхронно с ним преобразуются еще 4 операнда в остальных процессорах, поэтому общая производительность повышается. Эти структуры применяют для преобразования в реальном времени, когда информация как бы задерживается в цепочке. Первый результат формируется через 5t, все последующие за t. В данных структурах общий алгоритм разбивается на составляющие части независимо одна от другой, поэтому сложностей в разбиении нет, и конвейерная структура может применяться значительно шире в параллельной обработке. Конвейерный подход к обработке информации распространяется не только на межпроцессорные связи, но и используется внутри процессора. Несколько АЛУ последовательно прообразуют входной сигнал, повышая тем самым производительность (RISC). Совмещение двух рассмотренных подходов: параллельной и конвейерной обработки выразилось в применении множественного потока команд и множественного потока данных.

Структура с множественным потоком команд и данных — чисто матричная, регулярная структура, где матрица процессоров в одном слое использует параллельную обработку, а последовательно по слоям конвейер. Это направление известно как однородные вычислительные системы. Применяются в сверхбыстродействующих специализированных системах работы с реальными сигналами. Уровень сложности подчеркивается тем, что в качестве устройства управления памятью команд применяют процессор типа СМ (СМ1420).

153. Совмещение операций и многопрограммная работа. Режим работы в реальном времени

Функционирование вычислителя можно представить различными временными отрезками, основными из которых являются счет и ввод-вывод. После загрузки вычислителя процессор переводится в режим счета, а закончив его в режим ввода-вывода. Вместе с тем в процессе работы необходимо ввести информацию и по истечению процедуры ввода процессор вновь переводится в режим счета. Однопрограммный режим работы предусматривает последовательное выполнение каждого состояния, поэтому процессор в режиме ввода-вывода простаивает, ожидая окончания процедуры. Для индивидуального пользователя такой режим нормальный. Вместе с тем производительность системы в целом (число операций деленное на время) невысока. Оценка работы машины по этому параметру мала. Режим работы применяют в несложных вычислителях (микроЭВМ). Для повышения эффективности используют мультипрограммный режим работы. Целью является снижение времени, когда простаивает процессор. В этом режиме система одновременно может выполнять операции ввода-вывода, т.е. на временной диаграмме это можно представить следующим образом.
2731546160При мультипрограммном режиме после выполнения счета первой задачи процессор настраивается на счет второй задачи. Ресурсы и информация первой поступают на ввод-вывод. Каждый счет выполняется процессором в свободное окно. Такая загрузка процессора более равномерна и с ростом числа задач возрастает. Коэффициент мультипрограммирования — число задач одновременно стоящих на счет. Время пребывания задачи U на счете и производительность определяется примерно кривой. На практике оптимальное число 3-7. Особенность режима мультипрограммирования — в необходимости дополнительных программных средств обеспечивающих распределение ресурсов, загрузку программ и анализ занятости процессора, устройств ввода-вывода. Поскольку в памяти одновременно загружены несколько программ возникает задача определения приоритетов — какую задачу поставить на счет.
Режим мультипрограммирования применяют не только для нескольких задач, но и для одной большой задачи, если возможно выполнение ее по частям, т.е. несколько подпрограмм одной задачи могут выполняться параллельно. Особенностью мультипрограммных режимов считается то, что задание разбивается на составляющие части — пункты или шаги задания. Каждый пункт задания может в результате работы вызывать другую программу. В этом режиме могут создаваться подзадачи, т.е. в целом режим мультипрограммирования предусматривает деление задания на составляющие, с которыми процессор работает как с самостоятельными задачами. Память разбивается на системную область где храниться ядро операционной системы и основные программы и динамическую область в которой располагаются сведения о всех заданиях. Приоритет — в сторону увеличения адресов, т.е. программа находящаяся в динамической памяти с большим адресом имеет больший приоритет.
Использование пакетного режима
Использование пакетного режима — одна из форм организации вычислений, суть которой в том, что в память ЭВМ загружаются несколько заданий сразу, но выполняется каждое задание последовательно (однопрограммный режим). Выигрыш в том, что сразу после счета первой задачи начинается выполнение второй. Такие процедуры как загрузка второго задания, распределение памяти уже не выполняются. После того как первое задание закончено, по стеку задачи опускаются, и на свободное место ставится новая задача и так последовательно. Цель пакетного режима та же, повысить производительность системы за счет более полной загрузки процессора. Структуру такого режима можно представить в следующем виде.
273154-4654С учетом мультипрограммного режима в пакетном режиме число одновременно находящихся в памяти задач также конечно. Рост числа задач требует увеличения памяти, поэтому с учетом стоимостных характеристик величина Мопт снижается до 4-5 задач. При рассмотрении обоих режимов следует учитывать, что выполнение процессором второго задания после первого требует небольшого времени на перезагрузку управляющих программ.
Режим реального времени применяют в вычислительных системах, работающих с физическими сигналами — информационно-контролирующими, управляющими, обрабатывающими программами. Понятие это условно, поскольку время изменяется. Условие реального времени tобр.<tпер.след.вх.сигн. В этом режиме в первую очередь требуется быстрое измерение сигнала и занесение его в память, поэтому время начала работы процессора определяется временем поступления входного сигнала. Программа запускается по какому-то внешнему событию (чаще прерыванию).

154.Типы структур многопроцессорных ВС. Параллельные ЭВМ, классификация. Три архитектурных класса машин
Традиционная архитектура вычислителей (последовательных) может быть представлена в этом делении следующей структурой. Общая память данных \ команд оперирует с потоками данных и команд. Поток — это направленный перенос информации источник-приемник по шинам. Как данные, так и команды в произвольный временной интервал существуют независимо друг от друга и каждый в одном виде. Это последовательная структура, в которой данные связаны с одной конкретной командой. Если необходимы новые данные, формируется новая команда или повторяется.
622305715Общий поток команд \ множественный поток данных. Отображение этих потоков на структуру вычислителя можно представить в следующем виде.
-27044653747770Главное отличие этой структуры: множество пар процессор-память данных, работающих под управлением единой команды из памяти команд. Эта структура наиболее близка к термину параллельная обработка, поскольку в каждый момент времени множество операндов преобразуются под управлением одинаковых команд. Неким подобием этой структуры является секционированный арифметический блок, в котором одна микрокоманда поступает на все секции, а операнды различны, но это лишь частный случай. Реально операнды должны быть независимы. Такая структура иногда именуется матричной многопроцессорной системой, но матрица подразумевает наличие матрицы процессоров — регулярной структуры, в узлах которой находятся процессоры. Основное для данной структуры — необходимость и возможность распараллеливания, т.е. разработки таких алгоритмов, когда входные сигналы независимы и вместе с этим преобразуются по однотипным командам. Конечно, в реальных условиях некоторые процессоры пропускают ту или иную команду, но система эффективно работает, если таких пропусков немного. Параллельные системы с такой структурой применяют для обработки многомерной графики, сигналов от реальных датчиков, работающих в реальном времени.
Вторым вариантом распараллеливания является конвейеризация. В конвейере множество команд работает над одиночным потоком данных. Процессоры соединены в цепочку по шинам данных, при этом шины команд у каждого самостоятельные. В каждый момент времени выполняются разные команды в процессорах над одним потоком данных. Поток данных в этом случае — последовательность операндов несущих информацию о какой-то величине. При этом каждое значение операнда последовательно преобразуется согласно поступающим командам. Если в цепочке 5 процессоров, то преобразование выполняется за 5 тактов и результат на выходе формируется через время t=5t. Выигрыша в задержке здесь нет, но пока операнд находится в цепочке, синхронно с ним преобразуются еще 4 операнда в остальных процессорах, поэтому общая производительность повышается. Эти структуры применяют для преобразования в реальном времени, когда информация как бы задерживается в цепочке. Первый результат формируется через 5t, все последующие за t. В данных структурах общий алгоритм разбивается на составляющие части независимо одна от другой, поэтому сложностей в разбиении нет, и конвейерная структура может применяться значительно шире в параллельной обработке. Конвейерный подход к обработке информации распространяется не только на межпроцессорные связи, но и используется внутри процессора. Несколько АЛУ последовательно прообразуют входной сигнал, повышая тем самым производительность (RISC). Совмещение двух рассмотренных подходов: параллельной и конвейерной обработки выразилось в -444501071245применении множественного потока команд и множественного потока данных.
Структура с множественным потоком команд и данных — чисто матричная, регулярная структура, где матрица процессоров в одном слое использует параллельную обработку, а последовательно по слоям конвейер. Это направление известно как однородные вычислительные системы. Применяются в сверхбыстродействующих специализированных системах работы с реальными сигналами. Уровень сложности подчеркивается тем, что в качестве устройства управления памятью команд применяют процессор типа СМ (СМ1420).
Классификация по программной организации
Помимо рассмотренной классификации параллельные вычислительные системы разделяют по программной организации на три следующих вида:
1.С логическим программным управлением;
2.С управлением потоками данных;
3.С редукционно-программным управлением.
В машинах с логическим программным управлением команды выполняются за счет детальной проработки последовательности управляющей информации. Любую программу здесь рассматривают как последовательное преобразование от исходного до конечного состояния операндов. При этом процессор использует запросный механизм данных: обращение к памяти производится по адресам, содержащимся в исполняемых командах. Как правило, управление передается от одной команды к другой последовательно, т.е. используется последовательный механизм выбора команд.
Последнее время развивается направление потоковых машин. В системах с потоками данных предполагается наличие большого числа специализированных операционных блоков. Каждая операция выполняется на отдельных операционных блоках. Данные снабжаются указателями типа данных. Выполнение операций осуществляется по мере готовности участвующих в них данных. Механизм функционирует по значению. По мере того, как операнды преобразуются, им присваивается индекс, и этот индекс является признаком для дальнейшего использования данного результата в программе. Чтобы выбрать операнды по мере готовности необходимо параллельное управление, т.е. одновременный анализ индексов. Множество команд разделено на две группы: команды производители данных и команды потребители данных. Как правило, программы таких машин строятся из несложных операций. Программы более высокого уровня используют предыдущий уровень в качестве составляющих частей. Здесь вновь можно вспомнить микрокоманду — элементарную операцию над данными. Такого разделения (микрокоманды) в потоковых машинах нет, чтобы не было путаницы. Устройство управления потоковой машиной загружает команды в последовательности готовности к выполнению.
Система с редукционно-программным управлением использует в качестве стимула к началу операции флаг (признак потребности ее выполнения).
Новым в организации структур вычислителей является использование однородных вычислительных сред (регулярных структур) в основе которых матрица процессоров. При этом в качестве процессора использован транспьютер. Можно привести таблицу взаимосвязи данных и управления.
Механизм управления Механизм данных
По значению По запросу
Последовательный — Архитектура Фон Неймана
Параллельный
Потоковая структура Параллельные машины
Рекурсивный С цепочечной редукцией С графической редукцией
Классификация по архитектуре
Кроме программной организации выделяют три класса машин по архитектуре:
централизованные машины (управление) — один процессор соединенный с памятью, единственная текущая команда передает управление единственной следующей команде.
Машины с коммутацией пакетов — конвейерный принцип, когда ряд процессоров, средства связи и память объединяются в последовательную структуру для решения текущей задачи.
Машины с обработкой выражений — формируется набор из процессора, памяти, средств связи. Этот набор формируется как регулярная структура. Программа в них достаточно большая по составу, в активном состоянии пребывают лишь некоторые составляющие, остальные находятся в состоянии ожидания.
Качество той или иной организации вычислителя можно определить неким соотношением — эффективностью:
Si Tni
Е= ——————;
Tc Si
Оценка эффективности основана на анализе временных параметров. Причем эти параметры достаточно просто можно проанализировать при работе вычислителя.
Tni — время в течение которого i-е средство в системе занято полезной работой (например процессор выполняет счет, формирует управляющий файл на устройства ввода-вывода).
Tc — суммарное, общее время работы системы при решении задачи.
155. Принципы ввода-вывода информации в ПЭВМ. Роль и структура контроллера ввода информации
Функционирование любого вычислителя складывается из процедур передачи информации между его отдельными функциональными блоками. При этом передача информации между внутренними РОН называется пересылка, между процессором и памятью чтение/запись, а между памятью и внешними устройствами ввод/вывод информации. Наиболее длинными во времени процедурами считают операции ввода/вывода, поскольку внешние устройства в большинстве случаев имеют меньшее быстродействие, чем процессор или память, поэтому большое внимание на возможные варианты пересылки информации, рассматривая их с точки зрения снижения времени всей процедуры.
Доступ к внешним устройствам в большинстве случаев адресный, т. е. по структуре ввод/вывод не должен отличаться от чтения/записи. Но объем памяти значителен, значительна и шина адреса (минимум 16 разрядов). В тоже время число внешних устройств не может быть физически большим. В вычислителях системы DEC, i360 было принято ограничение на число внешних устройств 255. Это связано с байтом, хотя реально их значительно меньше. Поэтому, сохраняя адресную выборку ВУ ввод/вывод выполнялся с некоторым отличием от чтения/записи:
сигналы разрешения ввода/вывода формировались шинным контролером, в то время ОЗУ/ПЗУ блокируется;
адрес выставлялся на младшем байте и дублировался на старшем. Старший байт практически не использовался.
ШД соединяла выход процессора и вход внешнего устройства (при выводе) и наоборот.
Способы обмена.
Обмен информацией между внешними устройствами и памятью реализуется в одном из трех подходов:
1) Программный режим.
Процессор читает содержимое нужной ячейки памяти ОЗУ и выводит это содержимое (РОН) во внешнее устройство. Не преобразуя информацию процессор выступает лишь как временное хранилище (буферная память). Способ позволяет синхронизировать быстродействие ВУ и памяти. Процедура выполняется за две команды. Адреса на внешнее устройство байтовые. Способ возможен, если в наборе команд имеется команды ввода и вывода.
2) Ввод/вывод с отображением в память.
Наиболее универсальный способ, применяется, когда нет команд ввода/вывода. Последовательность выполнения та же самая: ОЗУCPU, CPUВУ. Отличие: процессор на внешнее устройство выставляет полный адрес, поэтому из адресного пространства исключаются адреса внешних устройств. Вывод с отображением используется часто, поскольку чтение/запись во многом похожи на ввод/вывод. Основной недостаток второго способа — занимается часть адресного пространства. Поэтому способ рекомендуется, если имеются свободные области в адресном пространстве.
3) Прямой доступ к памяти (ПДП).
Суть способа в том, что процессор как бы отключается от ШД и содержимое ОЗУ напрямую копируется во внешнее устройство. Главная цель применения ПДП — сократить время ввода/вывода с одновременным использованием процессора для выполнения следующей операции. Существует три способа обеспечения режима ПДП:
1) с блокировкой процессора.
С приходом запроса на ПДП, процессор отключается, его выходные шины адреса, данных и управления переводятся в третье состояние. Микрокоманды не расшифровываются устройством управления. Процессор не может выполнять операции, хотя тактовый сигнал и питание поступают. Чтобы перевести процессор в такой режим требуется небольшое время. Для обеспечения управления (сигналы выборки, сопровождения, формирование сигналов адреса) необходимо новое устройство, называемое контролер ПДП. Контролер должен заменить процессор при формировании указанных сигналов. Обратный переход также требует некоторого времени. Способ характерен для несложных микропроцессоров имеющих один или несколько регистров команд и не имеющих внутреннего ОЗУ данных.
2) с квантованием цикла.
В каждом цикле обращения к памяти (ОЗУ, ПЗУ) процессор должен успеть выполнить это обращение за время t/2. Во второй половине цикла процессор отключает свои выходы, позволяя контролеру ПДП выставить свой адрес на шину. За второй интервал выполняется процедура ввода/вывода. Такое условие требует быстродействующей памяти, следовательно, смены элементной базы (переход к ЭСЛ). Последнее затрудняет использование такого подхода, поэтому он практически не применяется.
3) с отъемом цикла.
При работе процессора имеющего внутреннюю буферную память команд и данных реализуется ПДП с отъемом цикла. Процессор начинает команду с выборки — обращение к ПЗУ, далее ОЗУ или ввод/вывод. Третий способ заключается в том, что вместо положенного обращения процессора в память (стандартный цикл) выполняется процедура ввода/вывода режима ПДП. При этом процессор выполняет текущую команду, поскольку в его буфере команд стоит очередь следующих друг за другом команд. Выходные разряды процессора переводятся в третье состояние и не оказывают влияния на состояние шин адреса и данных. Главное отличие от первого способа — процессор выполняет текущую, следующую команды не останавливаясь. Поскольку процессор не занимает шины в этом режиме процедура ввода/вывода выполняется как бы одновременно с основной операцией.
15240628650В любом режиме ПДП необходим контроллер — специализированная схема работающая синхронно с процессором. Контролеры входят в МП комплекты соответствующих серий. Основу их составляют счетчики адреса с произвольной загрузкой и небольшая схема управления.
Типовые устройства ввода аналоговой информации подключаются к шинам PCI, ISA, а также к COM и USB. Выпускаются модули ввода, работающие с шинами PCI на разное число входных сигналов (1-128). Модуль встраивается в стандартный слот PCI, тем самым трансформируя универсальную ЭВМ в информационно-измерительную систему. В составе модуля – типовые преобразователи аналог-цифра, буферная память и схема сопряжения с шиной. Модуль работает в 2 режимах: 1. режим измерения - накопление информации; 2. режим ввода информации по шине. В зависимости от характеристик скорость накопления и ввода различна. Процедура накопления м.б. медленной время опроса аналогового сигнала регламентировано теоремой Котельникова. Пересылка же накопленной информации в память ЭВМ выполняется по стандартному протоколу PCI- шиной, с частотой 32 МГц. Возможен пропуск каждого второго такта при неготовности источника, если ОЗУ медленное, то сигнал не успевает сформироваться на буферных шинах PCI в одном такте. Для его извлечения из буферного ОЗУ потребуется 2 такта, т.е. пропуск каждого 2 такта. Скорость ввода при этом уменьшается в 2 раза. Вид устройства
Цикл работы начинается с того, что по команде ввода CPU (контроллер шины PCI) выставляет 4 управляющих разряда – команда инициализации. Сигналы управления с шины записываются в Рг управления сигналом CLK шины и расшифровываются дешифратором в отдельные управляющие сигналы. В этом режиме 1 разряд дешифратора обнуляет состояние делителя и счетчика адреса, и схема приводится в режим накопления: MUX адресов коммутирует на свой вход состояние адресного счетчика, память переводится в режим записи и делитель частоты CLK начинает работать. Последовательный счетчик адреса управляет переключением адресов MUX и формирует текущий адрес для записи результата в память. Пока состояние адреса не переполнилось, входная аналоговая информация преобразуется в двоичный код и полученные разряды пишутся в буферную память в этом режиме сигнал готовности модуля пассивный и контроллер шины PCI не может сам начать чтение. Как только буферная память заполнится, модуль посылает на шину сигнал FRAME, разрешающий контроллеру начать обмен с памятью. MUX переключает 2 вход. В Итоге сигналы адреса с шины поступают на адрес входной памяти. Память переключается в режим чтения и на каждый адрес с шины из памяти читается 32 разряда данных. Контроллер запоминает в своей буферной памяти этот блок до той поры, пока он не прочтется полностью. После этого модуль готов ко 2 циклу ввода - накопление, а контроллер шины PCI отправляет полученный блок в память.
Принцип ввода-вывода информации в ПЭВМ. Роль и структура контроллера ввода информации
Операции ввода-вывода унифицированы за счет использования типовых подпрограмм. При этом система БИОС обеспечивает основные функции при вводе-выводе. Ёе также рассматривают как часть ОС, хотя структурно она отделена. БИОС хранится в отдельной памяти, и лишь адресное пространство объединяет её с ОС.
Основным отличием памяти от устройств ввода-вывода считают то, что запись в память-окончание операции запись. В то же время при выводе через порт команда записи в порт после своего выполнения инициирует подпрограмму, которая переписывает из порта во ВУ. Эта подпрограмма выполняется уже не основной ЭВМ, а контроллером ввода-вывода.
Контроллеры устройств ввода-вывода различны и по структуре и по возможностям. Но их объединяет один подход-4 регистра (Рг): Рг состояния, Рг управления, Рг входных данных и Рг выходных данных.
Рг состояния:
Можно назвать Рг признаков, где определяются разряды. Биты отвечают за те или иные состояния процесса:н-р, если текущая операция завершена, бит занятости становится неактивным, при наличии данных в Рг бит готовности данных активен; возник сбой при передаче- выявилась схема контроля-активным становится бит ошибки и т.д.
Рг управления:
Принимает код команды, режим работы устройства. Здесь же может быть бит готовности команды. Если он активен, можно начать выполнение.
Рг входных и выходных данных:
Это обычно Рг, которые принимают-передают данные, 2 отдельных Рг. Разрядность этих Рг чаще всего соответствует разрядности передаваемого слова. Но можно передавать слово и по частям.
Последовательность реализации процедуры:
Для вывода информации данные помещаем в Рг входных данных. Последовательность:
Процессор читает Рг состояний и проверяет значение бита занятости. В процессе ввода-вывода не избежать циклически повторяющихся действий по проверке состояний различных разрядов в Рг. Процедура ввода-вывода асинхронная, она всякий раз требует проветки готовности к следующему шагу. Если устройство готово-процессор фиксирует (записывает) код команды в Рг управления, т.е принимает код управления. Если признак занятости в Рг управления пассивный, т.е. не занят, записываем данные в Рг входных данных. Процессор устанавливает бит готовности команды. Процессор в этом цикле не задействован, он либо простаивает, либо выполняет следующую операцию по алгоритму. Наступает очередь контроллра. Контроллер читает Рг управления и в нем выдает бит готовности команд. Если активен, он устанавливает бит занятости и читает код операции, после чего подключает Рг данных к своему входу и фиксирует во внутреннем Рг данные.
Следующий шаг: контроллер сбрасывает бит готовности команды. Если схема контроля не обнаружила ошибку, контроллер обнуляет бит ошибки в Рг состояния. Если ошибка-оставляет его активным. Контроллер сбрасывает бит занятости. Чтобы вывести следующее слово нужно повторить все описанные шаги.
Циклический опрос конечно занимает определенное время, поэтому скорость обмена не будет высокой. Чтобы увеличить скорость используют обмен не на уровне слова, а файловый. И пока файл не прочтется, следующий не вызовется. Но начало и окончание приема также через указанные индикаторы (признаки).
Некоторым техническим механизмом, упрощающим начало процедуры ввода-вывода, считается режим прерываний: как внешних, так и системных (int21).

156. Программная реализация ввода чисел с клавиатуры. Привести алгоритм ввода двухразрядного числа с клавиатуры для его суммирования с другими числами

157. Вывод И.на дисплей.Принципы отображения информации на экране дисплея. LCD-дисплеи
Представление информации интересовало издавна, основным узлом в устройствах представления информации является элемент отображения. В простом случае – это точка, или наиболее сложное изображение. По способу представления системы бывают статические и динамические.Статические – элементы отображения не изменяют своего состояния на время представления информации (вкл./выкл.). Динамический – ЭО меняет свою яркость в некоторых пределах за счет того, что возбуждающий его сигнал – импульсный. Динамический способ чаще используют в больших системах индикации. Цель: 1)экономия электроэнергии, 2) сокращение аппаратных затрат в схеме. Динамический способ всегда проигрывает в яркости статическому. В сегодняшних разработках статика и динамика м. существовать одновременно за счет особенностей работы ЭО. Самым простым элементом отображения точечного типа является светодиод. При подаче «1» на вход элемента, на выходе «0» втекающий ток в ЭО. Ток +5В через R-р и светодиод вытекает в элемент и далее на общий привод. Величина тока определяет яркость свечения светодиода, поэтому можно определить: Iсв= t 5В / К - Ток светодиода (в технической характеристике). Для экономии электроэнергии питания можно использовать импульсы. За счет инерционных свойств диод будет продолжать играть и в перерыве между импульсами питания.
В системах отображения вводят понятие алфавит – число и состав элементов, используемых для предоставления данных. При точечном представлении алфавит – одна точка, но имеются системы с полным алфавитом. По характеру представления ЭО бывают знакосинтезирующие и знакомоделирующие. Знакосинтезирующие – элементы алфавита (символы) представленные из отдельных точек.Знакомоделирующие – сам элемент является моделью символа.
Т.о.для представления информации можно воспользоваться различными путями. Выбор оптимального пути позволяет получить устройство отображения с меньшими затратами.
LCD-мониторы. Другой подход построения элементов отображения система матричного типа.Экран монитора представляет собой сетку строк и столбцов – тонкие электроды, в узлах которых стоят элементы отображения. Здесь нет электрического луча, который движется сверху - вниз, слева – направо, но есть строки и столбцы, которые последовательно возбуждаются тем, что бы на пересечении строки(столбца) активировать элемент отображения.У LCD монитора – это ЖК (по модели RGB), которые при возбуждении изменяют поляризацию, поэтому луч света, направленный на кристалл, проходит через него, если кристалл возбужден и не проходит(внутреннее преломление), то кристалл в пассивном состоянии. Замечательным качеством матрицы является то, что можно ее разделить на сегменты, и возбуждать одновременно каждый сегмент своими сигналами.
Принцип отображения на LCD-мониторе
Экран – 2 стекла, между которыми размещен ЖК. Каждый блок в своем узле матрицы. За стеклом располагается яркая лампа, спектр свечения которой белый. Лампа светит постоянно (при работе), но ее свет проникает через слой ЖК, только в тех точках, в которых кристалл возбужден, как бы открылись. Белый свет попадает на RGB кристаллы, соответственно они тем и светятся. Однако преимущество за графическим режимом с использованием видео-процедур: 1) лампа за экраном греется (кушать любит), 2) срок службы лампы не самый большой, поэтому, сегодняшняя тенденция использовать LED мониторы. В них вместо флюрисцентной лампы размещаются излучающие светодиоды, которые также все время светятся. Кожух получается меньше, но и спектр излучения светодиодов голубоватый, что отражается на экране. Недостаток синей подсветки устраняется в последующей разработке LED-мониторов, когда светодиоды стоят по 3 разного цвета (RGB), подсвечивая тем самым свои кристаллы.Структурная схема LCD-монитораСтандартный сигнал (RGB) поступает в тракт усиления и распределения под управлением процессора в памяти контроллера. Интерфейс с панели возбуждения строка-столбец согласно циклическому сканированию, т.е. основная задача контроллера и интерфейса вывести на контакты панелей сигналы возбуждения по строкам (столбцам). Процессор лишь формирует последовательность размещения в памяти и определяет атрибуты (глубина цвета - фон символа, цвет символа и т.д.). Замечательным качеством схемы считается то, что в ней нет высокого напряжения (техника безопасности, излучения, вместе с тем многие процессы скрыты в обработке приходящего RGB сигнала).
процессор
Источник питания
Видеоуси-
литель
контроллер
Интерф.
LCD-панель

158. Процедура вывода символьной информации на дискретные индикаторы.
285753954780Все устройства индикации делятся на универсальные и специализированные. Универсальные – дисплеи, графопостроители, газоразрядные индикаторные панели. нестандартные предназначены для представления информации в контроллерах небольших ЭВМ и управляющих блоков. Различают знакосинтезирующие и знакомоделирующие индикаторы. Синтезирующие воспроизводят знак из нескольких частей (7-сегментные индикаторы). Моделирующие воспроизводят форму знака в том виде, как она читается одним элементом. Цифры от 0 до 9 сделаны виде тонких проводников и расположены одна за другой. Чаще применяют знакосинтезаторы на матричных индикаторах. Символ представлен как набор активных точек конкретного знака места. В пассивном состоянии все элементы не возбуждены. Если надо подать символ на матрицу (по динамическому принципу), то последовательно во времени на каждый столбец матрицы подают возбуждающее U. В начальный момент возбуждается 1 столбец, из выходных Рг на соответствующие строки подаются “1” и “0”, в следующем такте возбуждается второй столбец матрицы и с Рг подается новая кодовая комбинация, и т.д. Это динамическая индикация ориентированые на точечные индикаторы. Т.к. выпускаются матрицы светодиодных элементов то такой подход позволяет синтез символов, но и представления графиков в тех или иных процессов. Основные ограничения этого способа – необходимость процедуры синтеза изображения. Поэтому данный способ применим при невысоком быстродействии, когда CPU может отдельно выполнять под программу индикации.
2) При использовании для индикации спец контроллера. Счетчик со сдвигающим Рг и буферной памятью, позволяющей параллельно с работой CPU индицировать хранимые в памяти данные. Выпускаются индикаторы со встроенным контроллером. Эти индикаторы подключаются к ШД, из памяти CPU в память индикатора заносятся данные, после чего по тактовым сигналам эти данные постоянно отображаются на элементах индикации. Динамический принцип универсален и не энергоемкий. Число одновременно горящих индикаторов не более 7. вместе с тем, элементы возбуждаются через некоторое время, поэтому интенсивность свечения ниже того случая если бы он был включен постоянно. По этому же принципу идет индикация на 7-сегментные элементы. Например матрица 3x3. С ШД информация пишется в соответствующий регистр. Там байт данных представляется двоично-десятичном кодом – состоит из двух тетрад, каждая тетрада – цифра 0..9. Тетрады записываются в Рг через DC в 7-сегментоном коде подаются на строки. Для столбцов тот же метод. При возбуждении каждого столбца с ШД надо записать новую информацию в Рг, т.е. одна из главных проблем – синхронизация возбуждаемого столбца и запись тех данных, которые ему соответствуют, т.е. коды выводящиеся на индикацию должны предварительно сформироваться в массив – последовательность ячеек, который в режиме индикации должен циклически вводиться из памяти. Для подключения блока индикации надо: к ША подключить DC, управляющий возбуждением столбцов, либо ставится самостоятельно счетчик для столбцов. С ШД данные в Рг индикации записываются всякий раз, когда меняется возбуждающий сигнал. Матрица 7-сегментных элементов обычно выполнена на ЖК, реже – на светодиодах, и считается мало потребляемой. В место Рг можно использовать 55 порт но надо внимательно следить за синхронизацией вывода информации.

159. Загрузчики. Процедура загрузки. Статистические и динамические загрузки.
Загрузчик операционной системы — системное программное обеспечение, обеспечивающее загрузку операционной системы непосредственно после включения компьютера.
Загрузчик операционной системы:
обеспечивает необходимые средства для диалога с пользователем компьютера (например, загрузчик позволяет выбрать операционную систему для загрузки);
приводит аппаратуру компьютера в состояние, необходимое для старта ядра операционной системы (например, на не-x86 архитектурах перед запуском ядра загрузчик должен правильно настроить виртуальную память);
загружает ядро операционной системы в ОЗУ. Загрузка ядра операционной системы не обязательно происходит с жесткого диска. Загрузчик может получать ядро по сети. Ядро может храниться в ПЗУ или загружаться через последовательные интерфейсы (это может пригодиться на ранней стадии отладки создаваемой компьютерной системы);
формирует параметры, передаваемые ядру операционной системы (например, ядру Linux передаются параметры, указывающие способ подключения корневой файловой системы);
передаёт управление ядру операционной системы.
При работе с реальной памятью распределять ресурсы возможно двумя путями:
Назначить для каждой задачи объем памяти фиксированного размера;
Деление памяти на переменные фрагменты: размер каждого фрагмента, отведенного памяти под задачу определяется требуемым объемом памяти.
Как результат второй подход экономит память – нет «свободных хвостиков».
Причем память можем делить в статике – до начала первого вычисления, либо же динамически распределять память – приходит задача, возьмите пустой раздел. При статическом делении первоначально программа определяет требуемые фрагменты для выделения в памяти и только после этого назначает адреса для каждой задачи. Если задача требует памяти больше чем имеющийся фрагмент, задание не может быть загружено и оно ожидает очереди.
Основная проблема при загрузке заданий в выделенные фрагменты – коррекция адресов прямых ссылок. Все такие адреса можно модифицировать согласно начальному адресу, выделенного фрагмента в памяти.
Статистический способ – не самый оптимальный по результатам работы процессора. Часто простаиваем. Поэтому используем динамическую загрузку, какая либо из задач завершена на ее место в память можно загрузить следующую задачу из очереди и запустить на выполнение. При этом другие находятся на счете. Если объем новой задачи превышает освободившийся объем в памяти, возникают трудности. При загрузке в разделы фиксированного объема, как правило, имеющаяся память устраивает любые задачи – в крайнем случае, можно подождать второй освободившийся фрагмент и загружать сразу 2. Когда же работаем с сегментами переменной длины загружать большое задание приходиться в 2 свободного фрагмента.
В этом случае проще сформировать один целый фрагмент памяти, в который и загрузить новую задачу.
Когда при выполнении текущего задания образуется свободное адресное пространство, появляется шанс загрузить в это свободное пространство новую задачу.
Но задача лежит на диске. Поэтому режим ПДП и «подгрузка» требуемых данных в основную память – slooping – перемещение всего фрагмента – задания с диска в память и обратно. Перемещением с жесткого диска в память занимается программа, называемая загрузчик. Соответственно загрузчики бывают: абсолютные и относительные (перемещающие). Абсолютные – по фиксированным адресам; относительные – по изменяющимся по времени адресам фрагмента памяти, выделенных заданием. Соответственно загрузка может проводиться статическая – до начала работы и в процессе работы – динамическая.
160. Управление реальной памятью. Виртуальная память. Таблица соответствия адресов
ОС должна заботиться о процедурах записи/чтения ОЗУ. В первую очередь следует решить куда можем записать и файл какого размера, поэтому в состав ОС должны быть программы: Диспетчер памяти, загрузчики.
Основная идея заложенная в работе с основной памятью – сегментация. Сегменты – отдельные участки памяти, хранящие информацию. Эту информацию ОС может отображать несколько процессов. Сегментация привела к тому, что адрес памяти состоит из 2-х частей: адреса сегмента и смещения в этом сегменте.
Память делим на физическую и логическую (виртуальную). Физ. память работает с реальными адресами, формируемыми процессором. Логическая – с логическими адресами, форм. программами.
Принцип локальности ссылок. Для загрузки инф. следует учесть, что другая ещё не востребованная инф. для этого процесса должна находиться рядом в ближайшем адресном пространстве. Локальность ссылок подразумевает, что мы должны переносить инф. нескольео больше своего файла и загрузки е некими страницами.
ОС занимается управление памятью по следующим процессам:
Переводит адреса конкретной программы в адреса физ. памяти.
Распределяет память между параллельными процессами и выполняет адресную защиту инф.Ведет регистрацию по учету свободной и занятой памяти.
Перегружает назад на диск некоторые файлы, если недостаточно места для работающих процессов.Существует несколько подходов управления памятью при этом следует учитывать:
Механизм упр. памятью.
Архитектурные особенности построения памяти.
Структуру данных.
Алгоритмы управления.
Одно из простых функций упр. памяти считается связывание процессов. Программа пользователя не имеет реальных, адресов, а имеет логические. Транслятор преобразует наш лог. адрес в некий адрес, в пределах 1-ой страницы, но для обращения выполняется к этой величине нужно ещё определенный сегмент и смещение в сегменте согласно нашего лог. адреса.
Поскольку в ОЗУ пишем разные процессы, выгружаем, загружаем новые, то файлы в разное время различные области и разделить память один раз довольно сложно.
Самый простой способ – разделить на фиксированные разделы. При делении на фиксированные разделы самый простой случай – разделы одинакового размера. Для чего в диспетчере памяти необходимо прописать начальные и конечные адреса разделов и сигнал занятости.
В фиксированных разделах разной величины делим адресное пространство неравномерно, но они прописаны как константы и велика вероятность, что часть памяти не задействовано.
Разделы переменной длины. Это позволяет всякий раз для процесса выделять столько памяти, сколько нужно, но задача учета усложняется. После первой загрузки и работы процессов загрузка след. процесса выполняется на свободной место, возможно 2 варианта:
Свободное пространство больше памяти процесса.
Размер процесса больше свободной области, тогда необходимо искать 2-ю свободную область для загрузки 2-ой части процесса. Учет адресов усложняется.
Во 2-м случае необходимо постоянно управлять памятью, следить за своб. областями и объединять их. Алгоритм всплывающего пузырька, но при этом адреса рабочих процессов нужно поменять, при перемещении они меняются. Если перемещать сегментами – меняем состояние сегмента, а смещение в сегменте остается. Все хорошо кроме адресов прямых ссылок. Имеются программы с прямой адресацией, адреса которых при перемещении разделов нужно корректировать – задача управления памяти. Обычно для связывания команд с прямой ссылкой, их помещаю в отдельный список, чтобы по смещению поменять адрес.Загружать в память возможно в 2-х режимах:
Статический – когда каждому процессу выделяется свой раздел и область. Разделы, их количество их размер и расположение в памяти заранее определены. Поэтому их называют разделы фиксированной длины.
Динамический – когда разделы назначаются перед выполнением задания. Размеры их переменные, после выполнения задания разделы меняются.
Управление виртуальной памятью.Виртуальная память – некая математическая копия памяти или ее проекция в реальную оперативную память. Термин применяют для адресного пространства, т.о. адреса некой большой памяти (ВЗУ) переносятся (проецируются) в основную память и процессор, работая с основной памятью, не ощущает, что действительные данные взяты из ВЗУ.
Содержимое виртуальной памяти хранится в ВЗУ по необходимости, часто отображается в ОЗУ реальной. При этом виртуальной она будет называться только тогда, когда пользователь не замечает того, что он работает не с ВЗУ. В процессе загрузки команд, данных промежуток между выполнением текущих команд, содержимое внешней памяти, перезагружается в ОЗУ за счет системных команд. Адреса, которые пользователь использует, находятся в адресном пространстве основной памяти. Пользователь не применяет команд обращения к ВЗУ. Те услуги, что предоставляет ОС по перенесению содержимого ВЗУ в оперативную память, пользователь не должен ощущать. Термин виртуальной памяти достаточно условный.Принято переносить содержимое ВЗУ в оперативную память фрагментами. Важно выделить следующие пункты: 1) когда переносить.2) сколько переносить (какой объем). 3) по каким адресам. 4) как часто. Возникает потребность замены существующего содержимого ОЗУ на новый фрагмент, значит какой-то участок (раздел) нужно исключить, поэтому: 5) как выбирать разделы, подлежащие перезаписи.
Наиболее простой метод реализации памяти – это размещение страниц по запросам. Вся виртуальная память делится на страницы некой фиксированной длины, число страниц произвольно, но большое. Реальная память поделена на страничные кадры того же объема, что и страницы. Любая страница из ВЗУ может быть отражена в страничном кадре. При этом соответствие между страницей и страничным кадром описывается таблицей отображения страниц. Для каждого процесса своя таблица. Она нужна при аппаратном образовании адресов. Из виртуальной памяти в соответствующие адреса оперативной памяти. Таблица преображений напоминает косвенную адресацию, в которой хранятся реальные адреса. Поскольку содержимое таблицы переписывается, такое отображение называют динамическим. Существует и статическое отображение, тогда определена жесткая прямая связь между адресами страниц виртуальной памяти и ОЗУ. При статическом отображения встает проблема эффективного использования объема ОЗУ. Динамический способ позволяет более эффективно использовать память, но требует введение таблицы. При использовании таблицы ОС загружает начальную страницу, страничный кадр с первого адреса, остальные страницы по мере надобности. Реальный адрес, который процессор выставляет в ОЗУ, определяется как сумма начального адреса и смещения (адреса в кадре).
изменения
страница
В таблице хранятся номера кадров и индикатор изменения. Адрес формируется из номера кадра, например, 11 и ткущего адреса внутри страницы 0; в таблице ведется график изменения. Если в процессе работы содержимое ОЗУ текущей страницы было изменено (данные) при выталкивании этой страницы из ОЗУ она переписывается назад в ОЗУ. Если изменений не было, перезапись не производится. Может оказаться, что в ОЗУ поступит адрес за страницу которая не загружена. В этом случае формируется сигнал прерывания по отсутствию страницы (страничное прерывание). Программа обработки этого прерывания загружает требуемую страницу в ОЗУ и формирует новый адрес с учетом кадра. Каждая программа отображается своей таблицей. С изменением программы меняется таблица. Обязательно указывается модификация страницы.

Приложенные файлы

  • docx 17375840
    Размер файла: 6 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий