资源描述
2.1翻译：电子系统基于模拟原则形成一个重要的类的电子设备。模拟电子系统在调频接收器(FM)是一个常见的例子,尽管现代接收器包含当然数码组件,传播信号模拟。输入一个调频接收器是一个调频信号。信号是一个模拟,也就是说,它是一个连续函数的时间和可以有任何振幅。许多信号电仪器,如。电压表,电流表,瓦特计和示波器也利用模拟技术,至少在这部分。反馈是一个重要的概念在模拟电子。反馈是一种技术,通过获得的模拟系统可以交换其他等受欢迎的品质更广泛的带宽和线性。没有反馈,模拟系统如FM或电视接收机,最多也只能提供性能较差。运算放大器是一种重要的组件在模拟电子。基本的构建块模拟电路的加上运算放大器。在这一章中,我们将介绍一些常见的应用程序的运算放大器。理解反馈的好处提供了基础的欣赏许多使用放大器在模拟电子。2.21：许多制造商市场放大系统在积体电路包。许多不同的集成电路(ic)是可用的。其中的一些被设计用来执行一个特定的系统功能。这包括诸如照看作为放大器,线性信号放大器,和功率放大器。其他ICs可能执行作为一个完整的系统。电力经营只有有限数量的外部组件都需要完整的系统,低功率音频放大器和兴奋剂放大器是这些设备的例子。 一个运算放大器或运算放大器是一种高性能、直接耦合放大器电路包含几个晶体管设备。整个组装是建立在一个小硅衬底和打包作为一个集成电路。ICs的这种类型能够高增益信号放大从直流至几百万赫兹。一个运放是模块化的,多级放大装置。操作放大提供了基本的建筑模块。这种类型的集成电路能够高增益信号放大从直流至几百万赫兹。一个运放是模块化的,多级放大装置。操作放大提供了基本的建筑模块模拟电路以同样的方式,也没有和NAND盖茨是数字电路基本构建块。2.2.2 运算放大器有几个重要属性。他们的开环增益的能力范围,在200000年与一个输入阻抗约2 m。输出阻抗是相当低的,数值范围50或更少。他们的带宽,或者能够放大,是相当不同的频率。增益做,然而,有一个趋势下降,或辗轧,频率就会上升。 内部建设一个运放相当复杂,通常包含大量的离散的组件。内部电路的一个运放可以分为三个功能单元。图2 1显示了一个简化的图的内部功能一个运放。注意,每个函数都封装在一个三角形。电子图表使用三角形表示绿林放大功能。这个图表显示,在放大器有三个基本放大功能。这些函数通常称为阶段的放大。一个放大级包含一个再保险更积极的设备和所有相关的组件需要实现放大。 第一阶段,或输入一个运放的,通常是一个差分放大器。这个放大器有两个输入,土体标示V1和V2火箭。它提供高增益的信号差异提供给两个输入和低增益对常见的信号,同时应用两个输入。输入阻抗是高到任何应用信号。放大器的输出通常是两个信号的振幅和180相等的阶段。这可以被描述为一个推挽式输入和输出。一个或多个中间阶段的放大遵循差动放大器。一个运放只有一个中间阶段被显示在图2 1。这个放大器是为了转移操作指向一个零水平,并具有较高的输出电流和电压增益的能力。增长是需要把输出级没有加载下输入。中间阶段通常有两个输入和一个单端输出输出阶段的一个运放有一个相当低输出阻抗和负责发展中当前需要驱动一个外部负载。它的输入阻抗必须足够大,它不负载下输出的中级放大器。输出阶段可以射极跟随器放大器或两个晶体管连接在一个complementary-symmentry配置。电压增益在这个阶段相当低了相当数量的电流增益。音频放大器,LM379,是一个双6 w音频放大器。这个特定的集成电路提供优质的性能对立体留声机、磁带、录音机、和调幅-调频立体声接收器。此集成电路的内部电路的52个晶体管,48电阻。一个齐纳二极管,和两个硅二极管。Tis特定放大器的设计,以经营用最少的外部组件。它包含了内部偏压电路放大器部分监管”。过载保护由内部限流和热关闭电路。LM379已经高增益的能力。供应电压可以从10到35 v。大约0.5一个当前的需要为每一放大器。这个特定的集成电路必须安装到一个散热器。一个洞中提供了住房对于一个螺栓连接到散热器。一个人的工作,一个运放不通常需要关心它的内部结构,。它是有用的,但是,有一些基本的了解内部电路实现首尾绿林。这允许用户看到设备执行它的一些局限性,指出作为一种功能单元。许多公司生产放大系统ICs今天。作为一个通用图里,一个人应该审查这些制造商开发的技术数据,然后试图使用一个设备。2.2.3一个运放有至少5个航站楼或连接在它的建筑。其中两个是为电源电压,2个差分输入,和一个输出,。可能还有其他终端在化妆的装置,根据其内部结构或预定的作用。每个终端通常是连接到一个示意图符号在一些方便的位置,。数字位于每个终端的整洁的符号表明销名称.一个运算放大器，具有至少五个端子或连接在其建设。2这些是供电电压，其中一个是差分输入，和一个用于输出，。可能有其他终端的构成这一装置，取决于其内部结构或功能。每个终端通常是连接到一个原理图符号在一些地点方便，整洁。数位于每个终端的符号表示引脚名称。原理图符号运算放大器通常显示为一个三角形楔。三角形符号，在这种情况下指的是放大的功能。一个典型的符号的端子标记是fig.2-2起来。这一点，或顶点，三角形的标识输出。两根负（-），加上标记（+）确定的差分输入端子。负号表明反相输入和加符号表示同相输入。信号应用到负输入将被颠倒的180输出。标准运算放大器的反相输入符号通常位于左上角。信号应用到输入不倒，仍然在相位与输入，加上输入坐落在左下角的符号。在所有情况下，双方投入的是明确确定为加号和减号内三角符号。三角符号侧边的接头或接线端子用来识别各种功能。其中最重要的是两个电源端子。通常，正电压端子位于顶侧，负电压端子位于底侧。实际上，大部分运放都是由分隔或分离电源供电的。电源有正电压、地和负电压接线端子。正确的电压极性与恰当的接线端子连接是很重要的，否则器件可能被永久毁坏。我们要遵循的一个良好的规则是对于大部分运放不要把负电压端子与电源的接地导线相连。但这个规则有个例外就是电流差分放大器。这些运放要与数字逻辑集成电路相兼容，直接由5V电压源供电。在实际的原理图符号的运算放大器，终端普遍编号和元素名称省略。有一个引脚的关键识别名称每个终端。设备制造商提供的信息表，确定脚和操作数据原理图符号的ad741连接一个放大器的开环显示在fig.2-3。输入运算放大器的标记负（-）的反相和同相加（+）的功能，这也意味着投入的差异有关。基本上，这意味着极性的输出是根据两国之间的输入电压差。在fig.2-3a，输出电压方面的积极地。这是由于反相输入端被消极方面的同相输入端。扭转了输入电压，在fig.2-3b，导致输出是相对于地面的消极。在这方面，同相输入端为负时，反相输入是积极的。在一些应用程序的一个输入可以是接地的电压；然后相对于地面，投入fig.2-3浮动连接在配置不利用地面，无论哪种类型的输入，输出结果的极性总是在电压差，这一特点使运算放大器的输入成为一个非常灵活的放大装置。6.1长期防治管理有很多含义和社区之间经常变化。在本章中，我们定义控制使用的算法和反馈在设计系统。因此，控制反馈回路，在电子放大器，设定点控制器在化学和材料加工，飞机上的“飞线”的系统，甚至是路由器协议包括这样的例子，在互联网上的流量控制。新兴的应用包括高可信软件系统，自主车和机器人，实时资源管理系统和生物工程系统，控制，其核心是信息科学与包括模拟和数字表示的信息。一个现代化的控制器检测系统的运作，对所期望的行为进行比较，系统的响应外部输入一个模型的基础上计算的纠正措施，并启动系统，以实现所需的变化。这个基本的反馈回路，传感，计算和驱动控制的核心概念，控制逻辑设计中的关键问题，确保动态的闭环系统是稳定的（给有界有界扰动错误），而他们有更多的期望的行为（良好的干扰衰减，快速响应变化，工作点等）。这些属性是通过各种捕获的基本动态系统的建模和分析技术，并允许探索可能的行为中存在的不确定性，噪声和组件故障。的控制系统的一个典型的例子是在图1所示。传感，计算和驱动的基本要素看得很清楚。在现代控制系统，计算典型地被实现在数字式计算机，要求他使用模拟 - 数字（A / D）和数字 - 模拟（D / A）转换器。不确定性进入系统，通过传感和驱动子系统，外部干扰影响底层的系统操作和不确定的动态系统中（参数错误，未建模效果，等）中的噪声。通常被称为作为传感器值的函数的算法，该算法计算的控制动作的控制法。该系统可以由操作者引入命令信号到系统的外部影响。控制工程依赖于从物理（动态和建模），计算机科学（信息与软件）和操作（优化，概率论和博弈论研究）的股份工具，但它是从这些科目的见解和方法也有所不同也许是最强的控制与其他学科之间的重叠区域是在物理系统的建模，这是常见的工程和科学的各个领域。控制的建模和建模其他学科之间的根本区别之一是表示的方式，各子系统之间的相互作用。控制依赖于一种类型的输入/输出模拟系统的行为，如干扰抑制和稳定的互连，使许多新的见解。模型降阶，其中一个简单的（低级高保真）描述的动力学是来自一个高保真的模型，也自然中所述的输入/输出的框架。也许最重要的是在控制范围内允许的，造型的设计，强大的互连子系统之间的一个特点，就是在所有大工程系统的操作至关重要。控制也与计算机科学密切相关的，因为几乎所有的调制解调器控制算法软件工程系统中实现。然而，控制算法和软件，可以从传统的计算机软件中的核心作用，因为系统的动态和实时性的实施有很大的不同。6.21反馈是生活的一个重要特征。反馈执政的过程中，我们如何成长，应对压力和挑战，并调节因素。在这一章中，我们提供了一个反馈控制及相关工程学科的基本概念介绍。动力系统是一个随着时间的推移，其行为变化，往往是在响应外界刺激或强迫。术语反馈是指两个（或更多）的动力系统的一种情况，即连接在一起，每个系统的影响等，因此，它们的动态强耦合。简单因果推理有关的反馈系统是困难的，因为在第一系统和第二系统的相互影响，从而导致一个圆环形参数。这使得推理的基础上的原因和效果棘手的，并且它是要分析的系统作为一个整体。这样做的后果是，反馈系统的行为往往是违反直觉的，因此，有必要诉诸正式的方法来了解他们。图6-2示出以框图的形式的反馈的想法。我们经常使用的术语，指的是这样的系统时，开环和闭环。的系统，被认为是一个闭环系统，如果系统是在一个周期内互连，如示于图6-2a的。如果我们打破互连，我们是指作为一个开环系统的结构，如图所示，在图6-2b的。一个早期的工程示例的一个反馈系统，是一种离心调速器，在其中蒸汽发动机的轴被连接到一个飞球机制本身是连接到节气门的蒸汽机。该系统被设计成，作为增加的发动机速度（也许是因为在发动机上的负载减轻），飞球分开和一连杆导致蒸汽机节气门关闭。反过来，这减慢的发动机，这会导致飞球一起回来。作为一个闭环系统，通过系统的蒸汽引擎和系统作为州长，我们可以模拟这个体系。当适当的设计，飞球调速保持发动机的恒定速度，大致独立的装载条件。离心调速器是成功的瓦特蒸汽机，推动了工业革命的推动者。反馈有许多有趣的特性，可以利用在设计系统。的情况下的飞球调速器，反馈可以使系统向外部影响的弹性。更一般地，它也可以被用于创建非线性行为的非线性分量中，常用的方法在电子，反馈允许一个系统在外部干扰和在其各个元素的变化不敏感。 反馈有潜在的缺点。它可以创建动态系统的不稳定性，造成振荡，甚至失控的行为。另一个缺点，特别是在工程系统，传感器的反馈信息可以引入不必要的噪声进入系统，需要仔细地审查过滤的信号。这是由于这些原因，有相当部分的反馈系统的研究致力于发展动态的了解和掌握的技术，在动力系统。反馈系统是无处不在的自然和工程系统。维护环境控制系统，照明和动力，在我们的建筑物和工厂，我们的汽车，消费电子产品和制造工艺的规范运作，使我们的交通和通信系统，以及他们在我们的军事和航天系统的关键要素。在大多数情况下，他们从视图中隐藏，埋在代码中的嵌入式微处理器，准确，可靠地履行其职能。反馈也使人们有可能大幅增加精密的仪器，如原子力显微镜（原子力显微镜）和望远镜。反馈是一个功能强大的想法，正如我们已经看到的那样，被广泛应用于自然和技术系统。反馈的原则是简单的：基校正行动所需和实际性能之间的差异上。工程，反馈被重新发现，并申请了专利多次在不同的上下文中。使用反馈往往造成极大地改善系统的能力，这些改进有时是革命性的，如上所述。这样做的原因是针锋相对的反馈有一些真正的显着特性。在本节中，我们将讨论一些反馈的属性可以直观地了解。6.2.2虽然反馈有许多优点，但也有一些缺点。其中主要的是不稳定的可能性，如果系统是不恰当的设计。我们都熟悉正反馈的放大在话筒开启时，在一个房间里过高的影响，这是一个例子，反馈不稳定，显然，我们要避免的事情。这是棘手的，因为我们要设计的系统不仅在额定条件下是稳定的，但在所有可能的动态扰动也将保持稳定。除了潜在的不稳定，反馈固有的系统的不同部分的夫妇。一个共同的问题是，反馈经常测量噪声注入到系统。测量必须被小心地过滤，以便致动和过程动态特性不响应它们，而在相同的时间，确保从所述传感器的测量信号正确耦合到闭环动力学（使得适当级别的性能来实现的）。控制的另一个潜在的缺点是在产品中嵌入一个简称表达系统的复杂性。传感，计算和驱动的成本已大幅下降，在过去的几十年里，但事实上常常是复杂的控制系统，因此必须认真权衡成本和收益。一个早期的工程的例子是在汽车中使用的基于微处理器的反馈系统。在20世纪70年代初开始使用的微处理器在汽车上的应用日益严格的排放标准，这只能通过电子控制，可满足驱动。早期的系统非常昂贵，往往比预期的失败，应由频繁的客户不满。只有通过积极的技术改进，这些系统的性能，可靠性和成本，使他们能够以透明的方式使用。即使在今天，德这些系统的复杂性等个别汽车雇主解决问题，这是很难的。9.1单片机的数字计算机和集成电路的发展，可以说是20世纪最重要的发明.这两种类型的体系结构被发现在单芯片的微型计算机。部分采用分割程序/数据存储器的哈佛结构，在图9-1所示，其他后续的经营理念，广泛采用通用计算机和微处理器，没有逻辑程序和数据存储器之间的区别在普林斯顿体系结构，在图9-2所示。总体而言一个单芯片的微型计算机的特征在于通过掺入到一个单一的装置中的一台计算机的所有的单位，如在图9-3所示。9.1.1ROM通常是永久性的，非易失性存储的应用程序。许多微型计算机和微控制器用于与高容量的应用程序，并因此设备的经济地制造需要的内容的程序存储器芯片的制造过程中的永久承诺。显然，这意味着一个严谨的态度，因为不能被更改后制造的ROM代码开发。这个发展过程中可能涉及到利用先进的开发系统仿真与硬件仿真能力，以及一个次使用的飞机的强大动力软件工具。一些制造商提供额外的ROM选项，包括在继承人范围内的设备（或打算使用）的用户可编程内存。其中最简单的是通常的装置，它可以工作在微处理器模式通过使用一些用于访问外部存储器的一个地址和数据总线的输入/输出线。这种类型的装置可以作为单芯片的微型计算机从它派生尽管具有受限的I / O和外部电路的变形行为功能。这些无ROM器件的使用是很常见的，即使在生产电路的体积并不能证明经得起成本的定制片上ROM。仍然是一个显着节省I / O和其他芯片相比，传统的基于微处理器的电路。ROM器件的替代，可以得到更精确的在形式的变体与“承载”EPROM（可擦除可编程ROM）或插槽的设备用EPROM代替了ROM。这些设备是自然比同等的ROM设备更昂贵，但提供完整的电路等值。EPROM的设备也非常有吸引力的低容量应用中提供一个单芯片器件的优势，在片上I / O，等灵活的用户可编程的便利性。9.1.2RAM是用于存储的工作程序的执行过程中使用的变量和数据。该存储器的大小与设备类型而变化，但它具有相同的特征宽度（4,6,816位等）的处理器。特殊功能寄存器，如堆栈指针或定时器寄存器RAM区往往是逻辑纳入。这也是常见的治疗在哈佛型微机作为一个集合的寄存器RAM区，这是不必要的RAM和处理器的寄存器之间的区别是在RAM和寄存器的情况下，微处理器系统，因为身体通常不分离在一个微型计算机。9.1.3CPU是很像的任何微处理器。微型计算机和单芯片微型计算机的许多应用中涉及的处理的二进制编码的十进制（BCD）的数据（数值的显示器，例如），因此它是常见的发现，CPU是很好地适应这种类型的数据处理。这也是常见的找到良好的检测设备，设置和重置各个位的内存或I / O控制器的应用，因为许多涉及的开启和关闭的单输出或读一行。这些线条是很容易连接到两个国家的设备，如开关，温控器，固态继电器，阀门，电机等。9.1.4并行输入和输出方案略有不同，在不同的微型计算机，在大多数设立一个机制，至少允许有一定的灵活性，选择哪些引脚是输出的，哪些是输入。这可能适用于所有或一些端口。某些I / O线是适合于直接接口，例如，荧光显示器，或者可以提供足够的电流，以使连接到其他组件直截了当。有些器件还允许被配置为系统总线的I / O端口允许片外存储器和I/ O扩展。这家工厂是潜在有用的产品范围的发展，因为连续的片上存储器的增强可能会变得过于庞大，这是不可取的，不是建立在现有的软件基础。9.1.5与终端装置之间的串行通信是一种常见的手段，提供了一个使用一个小的行数的连结。也可以利用这种通信接口的特殊功能的芯片或将多台微机。通用异步和同步通信方案需要提供帧（启动和停止）信息的协议。这可以被实现为硬件设备或U（S）ART（通用异步接收机/发射机（同步）缓解这种低层次的，费时的，详细的处理器（和程序员的应用程序）。它只是需要选择一个波特率和其他可能的选项（数位停止位，奇偶校验等）和负载（或读取）的的演替发射（接收）缓冲区。的序列化的数据以适当的格式，然后由硬件电路来处理。
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