May 232014
 
Какво представлява понятието „електроника” ?

Електрониката е инженерна наука, чиято цел е използването за полезни цели на контролирано движение на електрони през различна среда. Възможността за контрол на потоците електрони най-често служи за манипулиране на информация или за управление на различни устройства. Електрониката е клон на електротехниката, която има по-широк предмет, включващ генерирането, разпространението, управлението и приложенията на електроенергия. Каква е историята на електрониката? Историята на електротехниката започва в средата на миналия век, когато е изобретена електронната лампа. До средата на 20 век този дял на техниката се нарича радиотехника, тъй като неговите основни приложения, използващи главно електронни лампи, са свързани с предаването и приемането на радиосигнали. Днес повечето електронни устройства използват полупроводникови компоненти и намират приложение в широк кръг практически области. Още от началото на 19 век, с откриването на електричеството и неговите свойства, се появяват и първите електронни компоненти, но те намират широко практическо приложение едва век по-късно. Развитието на електрониката през следващите десетилетия и до днес, следва две основни посоки – намаляване на размера на базовите компоненти (транзистори, и други подобни устройства), позволяващо все по-ефективна интеграция, по-големи мощности и по-широко приложение, и непрекъснатото усложняване на използваните в електронните устройства методи (например, преходът от аналогова към цифрова обработка на сигнала). В резултат на това електронните апарати стават все по-сложни и намират приложение в повечето области на техниката, както и във всекидневието.

Електрониката и нейните цели.

Целта на електрониката е да създава практически приложими уреди. На базата на един постоянен източник на енергия, чрез пасивни електротехнически и електронни компоненти, активно управляващи потока електрони в една електрическа верига, се постига трансформиране на неелектрически величини в електрически и обратно, управляват се и се усилват електрически сигнали, става възможно създаване на електромагнитно поле в пространството, като с това се осъществява безжична връзка на големи разстояния. В исторически план се обособяват различни поколения уреди, като размерите на отделните им компоненти и консумацията на ток прогресивно намаляват. Тези уреди се разделят на: 1. уреди, изградени на базата на електронни лампи 2. уреди, изградени на базата на дискретни полупроводници 3. уреди, изградени на базата на устройства с размери от порядъка на нанометри (наноелектроника). 4. уреди, изградени на базата на релета 5. уреди, изградени на базата на полупроводникови интегрални схеми (микроелектроника) Основната задача на тези уреди е пренасяне и обработване на сигнали и информация. Електронен компонент е всеки физически обект в електронна система, чието предназначение е да влияе на електроните или техните полета по желания начин, съвместим с функцията на електронната система. В повечето случаи елементите са свързани електромеханично чрез запояване върху печатна платка, за да се създаде електронна верига с определена функция (например усилвател, радио приемник, или генератор). Компонентите може да са самостоятелно или в по-сложни групи като например интегралните схеми. В зависимост от това дали обработват аналогови или цифрови сигнали, електронните вериги и съответно уредите, изградени от тях, се разделят на аналогови и цифрови. Какво представляват електронните сигнали? Основна задача на електрониката е обработката чрез физически компоненти, понякога задействани от вграден софтуер, на електронните сигнали – физични величини, разглеждани като носител на информация. Най-често тази функция се изпълнява от електрическо напрежение или електрически ток, но също и от други величини, като електрично или магнитно поле. Електронните сигнали обикновено се разделят на 3 основни групи, според начина на отчитане на сигнала и неговото използване – аналогови, цифрови и силови сигнали. В много случаи е уместно сигналите да се разделят на два компонента – полезен сигнал, съдържащ търсената информация, и шум. Този сигнал се разделя на аналогов, цифров, смесен и силов сигнал.

Вериги с аналогов сигнал.

При веригите с аналогов сигнал физичната величина, използвана за пренос на информация, се разглежда като непрекъсната във времето, за разлика от цифровите вериги, при които сигналът има дискретни стойности. Възможните стойности на аналоговия сигнал са безкрайно много и образуват непрекъснат интервал. Тази особеност на аналоговите сигнали силно затруднява съхраняването на информация и извършването на аритметични операции върху данните, в което е основното преимущество на цифровите вериги. Основните области на приложение на веригите с аналогов сигнал са радиотехниката, аудиотехниката и видеотехниката. Пример за аналогови вериги са вакуумните лампи и транзисторните усилватели, операционните усилватели и генератори.

Вериги с цифров сигнал.

Цифровите сигнали, за разлика от аналоговите, могат да заемат само определен набор дискретни стойности, които могат да бъдат кодирани в цели двоични числа. В най-простия вариант цифровият сигнал може да заема само две стойности – 0 и 1. Цифровите вериги са материално реализиране на булевата алгебра и са в основата на съвременната изчислителна техника. Термините „цифрова верига“, „цифрова система“ и „логика“ са синоними в контекста за цифровите вериги. Основно приложение на веригите с цифров сигнал са интегралните схеми, в частност микропроцесорите и микроконтролерите, а съвременните компютри са съставени почти изцяло от цифрови електронни устройства. В наши дни цифровите вериги изместват все повече аналоговите, поради своята по-лесна разработка, по-висока степен на интеграция и по-гъвкава употреба.

Вериги със смесен сигнал.

Веригите със смесен сигнал се отнасят към интегралните схеми (ИС), които съдържат аналогови и цифрови вериги, комбинирани в една полупроводникова подложка или върху една печатна платка. Смесените вериги обикновено се използват за управление на аналогови устройства с цифрова логика, например за регулиране на оборотите на двигател. Микроелектротехника. Микроелектрониката е област на електрониката, която е свързана с изучаването и производството на миниатюрни електронни компоненти. Производственият процес се базира на планарната технология, свързан е с производството на интегрални схеми и протича в специално построени за целта заводи, в които се вземат специални мерки за висока степен на чистота и обезпрашеност поради това, че и най-малка прашинка може да повреди готовото изделие. Много електронни компоненти имат своите миниатюрни еквиваленти върху интегралните схеми: транзистори, кондензатори, резистори, диоди.

Обобщение.

Безспорно електрониката и електронните устройства са неизменна част от нашето ежедневие. 99% от хората на XXI век използват мобилни телефони, компютри, таблети и телевизори всеки ден. Живеем във време на непрекъснат технически прогрес. Технологии и решения, които неотдавна бяха трудно постижими за средностатистическия човек, днес са част от ежедневието ни и постоянно се срещат в нашите домове. Невъзможно е да си представим живот без хладилник и микровълнова печка. А телевизорът се е превърнал в абсолютна необходимост. От обективна гледна точка, тази домашна техника служи да задоволи различни нужди, като през годините сме наблюдавали огромен прираст в продажбите й.

Автор: Милко Романски

Apr 072014
 
FC_201422191648

Цифров четириканален осцилоскоп GBS 1204. Виждаме два аналогови и два цифрови сигнала изобразени едновременно на екрана всеки с различен цвят.

Осцилоскопът, наричан още осцилограф (рус.), в англоезичната техническа литература може да се срещне и с абревиатурата CRO (cathode-ray oscilloscope) – с катодно лъчева тръба или DSO ( digital storage oscilloscope) -дигитален осцилоскоп, е съвременен електронен инструмент за наблюдение на непрекъснато изменящите се величини на напрежението във функция от времето върху двуизмерна скала (дисплей). Получената диаграма се нарича осцилограма. Нанесена върху две координатни оси: X и Yосцилограмата дава точна информация за флуктуациите на напрежението за определен период от време за разлика от волтметъра, например, който измерва само моментната стойност на напрежението.

Untitled3

Амплитуда и период на вълната на сигнала изобразени на дисплея на осцилоскопа

 

Разгънатият образ на измереният и обработен сигнал позволява да се анализират не само големината, но и формата, амплитудата и честотата му.

Untitled

Разчитане на екрана на осцилоскопа

Осцилоскопът е един от най-често използваните уреди в радиоелектрониката, както от любители, така и от професионални учени в научно-изследователски лаборатории, осцилоскопът е незаменим уред в сфери като медицината, ЕКГ, инженерството, телекомуникациите. Основен параметър на осцилоскопът е честотата (Hz)- това е брой цикли на периодичния сигнал, повтарящи се за една секунда. Друга основна величина е продължителност на импулса, като това е времето, през което сигналът е в състояние различно от нула.

Неелектрически сигнали (звук, вибрации) могат да бъдат превърнати в напрежение и също да се измерват с осцилоскоп.

Видове осцилоскопи

Осцилоскопите могат да бъдат аналогови, цифрови и от смесен тип, като всеки от видовете си има специфични особености, предимства и недостатъци. Според броя на измервателните входове осцилоскопите се делят на едноканални, двуканални и многоканални. Според предназначението им осцилоскопите са универсални и специализирани. Осцилоскопите може да не са самостоятелни уреди, а да представляват външно устройство включено в компютър (т.н. компютърен/USB осцилоскоп) и работещо със специализирана програма, инсталирана в него – екрана на компютъра или лаптопа  се използва за дисплей. Съществуват осцилоскопи комбинирани с други измервателни уреди – скопометри.

70305557dad46364_large

Аналогов двуканален осцилоскоп GOS-630FC. Независимо, че осцилоскопът е аналогов има функция на визуализация на честотата (в LCD дисплея), амплитудният размах на двата канала и позицията на развивката.

Аналоговите осцилоскопи (CRT) обработват аналогов сигнал. Те са по-масивни, тежки и не са за мобилна работа. Използват за измерване и изучаване на сравнително бавни процеси. Те не са много подходящи за бързи процеси, повтарящи се през голям интервал от време или много бавни процеси. Основни техни параметри са честотна лента за измерване (обхват), брой входни канали, входен импеданс, тригер и др.

Цифровите осцилоскопи дигитализират постъпилия сигнал, имат памет и могат да запаметят поредица от осцилограми, които след това да се отворят на екрана и да се проследят във времето. Те са по-компактни, лесно могат да се пренасят при нужда, като има разновидност на миниатюрни осцилоскопи за работа на терен (преносими осцилоскопи), захранвани от батерии с големината на мултицет.

tn_daily_100912

Преносими осцилоскопи

Основните параметри и тук са обхват (честотна лента на измерване); реална честота на дискретизация (измерва се в sampe/s или kSa/s, MSa/s, GSa/s). Съществуват цифрови осцилоскопи, които имат слотове за монтаж на функционални генератори, логически анализатори

izpolzvane na oscil. s vgraden logic analyser

Използване на осцилоскоп с вграден логически анализатор

и други електронни устройства, които правят цифровия осцилоскоп, удобно и практично устройство за всяка лаборатория, сервиз или учебно-научна база. Почти всички цифрови осцилоскопи показват на дисплея си честотата на измервания периодичен сигнал, амплитудни и RMS стойности. Могат да запишат както кратки импулси, така и продължителен процес.

Untitled2

Измервани величини: напрежение от пик до пик, максимално, минимално и средно напрежение, амплитуда, RMS, честота на сигнала, период на функцията, време на нарастване на напрежението, време на намаляване на напрежението, коефициент на запълване.

Панелът на осцилоскопа се състои от от следните основни сектори: екран (дисплей) LCD, LED, електронно-лъчева тръба или компютърен екран; вертикални контролери (вертикална амплитудна развивка) на сигнала; хоризонтални контролери (хоризонтална времева развивка); тригерен контрол, тригерирането осъществява синхронизацията и е необходимо с цел стабилизиране на изображенията на сигнала, нивото на сигнала и вида му; има и бутони за управление на екрана като фокус, интензитет и търсещ лъч.

В допълнение към основното устройство има и една (или повече, в многоканалните осцилоскопи) сонда с щипка за земя и с резистор равен на 10 пъти входното съпротивление (импеданс) на осцилоскопа. Това води до 10 пъти на затихване на входния сигнал (атюенатор), но помага да се изолира капацитивната съставка на кабела на сондата в измервания сигнал. Така е възможно измерването на 10 пъти по голям сигнал от обхвата на осцилоскопа. Някои сонди имат превключвател, който шунтира това съпротивление, когато това е необходимо.

mi007

Сонда за осцилоскоп

Измерваният сигнал се подава на един от входовете снабдени с конектори. При ниски честоти може да се използват и банан-щекери.

При работа с осцилоскоп първоначално на екрана виждаме една хоризонтална права линия върху оста X. Това е нулевата линия, когато към осцилоскопа не е включен никакъв източник на напрежение. Нарича се нулева, защото съответства на напрежение равно на нула. Тази нулева линия може да се мести по вертикала на осцилоскопа: да се повдига нагоре или да се спуска надолу в зависимост от типа на изследвания сигнал или ако сигналите са повече, за повече прегледност. Ако на входът на осцилоскопа се подаде постоянно напрежение получената осцилограма ще бъде права хоризонтална линия изместена по вертикала, като разликата между получената осцилограма и нулевата линия ще е пропорционална на стойността на напрежението. Разбира се, повечето осцилограми се различават от правата линия, иначе не би ни бил необходим осцилоскоп. Когато измерваме и изучаваме променливо напрежение, говорим за амплитуда на напрежението. Когато тя излиза извън екрана, се налага вертикална корекция на изобразената осцилограма, т.е. увеличава се обхвата. По-малък обхват е необходим за напрежение с по-малки стойности. Вертикалното усилване и редукция на обхвата на екрана зависи от амплитудата на напрежението.

Untitled

Основни величини визуализиращи се на екрана на осцилоскопа и техните названия.

Сигналите могат да бъдат периодични и непериодични. Последните се повтарят през еднакви интервали от време, но са различни. Има и сложни сигнали с повече от една честота. Сигналите могат да бъдат и цифрови и аналогови. Аналоговите сигнали са тези, при които напрежението се изменя във времето. Цифровите сигнали се изменят само между две стойности: включено и изключено или още 0 и 1. Цифровите сигнали се генерират от различни електронни елементи като транзистори, датчици за крайни положения и др. или от различни електромеханични ключове като релета и превключватели.

В хоризонтално направление се регулира времевия интервал (хоризонтална развивка по време). Ако искаме да изследваме по-голям период от осцилограмата, чрез превключвателят за време задаваме по-дълъг времеви интервал.

Untitled1

Промяна на визуализацията в зависимост от времевия обхват

Скоростта определя развивката на сигнала. Развивката се появява на екрана от ляво надясно. Ако искаме да изследваме само определен импулс или малък фрагмент, намаляваме времевия интервал.

Синхронизация се налага за стабилизиране графиката на напрежението на дисплея. При осцилоскопи с повече от един канал, трябва да се направи избор на канал за синхронизация, също се избира ниво на синхронизация и самата синхронизация става по нарастващ или спадащ фронт на сигнала.  „Рисуването“ на импулсите трябва да започва винаги от една и съща точка. Времето, в което започва рисуването на новия екран се нарича момент на тригериране. Някои осцилоскопи имат и претригериране. Това е, когато от буферната памет на осцилоскопа се извади информация предшестваща момента на тригериране. Тази функция е налична само в цифровите осцилоскопи. При липса на синхронизация сигнала е тип „черга“. За получаване на неподвижно изображение е необходимо да се извърши синхронизация. Има няколко вида синхронизация: автоматична, единична, външна и HOLD-OFF.

Автоматичната синхронизация се използва за измерване на периодично повтарящи се сигнали.

Единична синхронизация се използва при единични сигнали, при нея също се избира нивото на синхронизацията, отново се избира по нарастващ или спадащ фронт на сигнала да се прави. може да се приложи и при пулсиращи през определен период единични сигнали.

Външната синхронизация се използва, когато осцилоскопа има вход (извод) за външна синхронизация.

HOLD-OFF, тази функция е много полезна в случаите, когато искаме да визуализираме сложни сигнали, които се състоят от повече от една честота.

В заключение ще добавим, че осцилоскопа си остава едно широко разпространено, универсално и точно измервателно средство, чрез което можем да изследваме характера на електрически и неелектрически сигнали с изключителна прецизност. Използването му в автодиагностиката, медицината, производството и настройката на аудио и видеотехниката и почти във всяка съвременна лаборатория, правят осцилоскопа незаменим помощник на учения, инженера и радиолюбителя и на всеки, който е любознателен за естеството на света, в който живеем..