ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
По дисциплине
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
подготовки бакалавров по направлению
201000 – Биотехнические системы и технологии
Санкт-Петербург
ВВЕДЕНИЕ
Современные медицинские системы, комплексы, приборы и аппараты представляют собой высокотехнологичные технические средства, в которых осуществляется измерение комплекса медико-биологических параметров и сигналов, цифровая обработка и анализ информации с помощью микропроцессорных устройств, программное управление режимами работы параметрами лечебного воздействия на пациента. Практически большинство современных медицинских систем и комплексов, предназначенных для диагностики, контроля, мониторинга и прогнозирования состояния здоровья человека, оказания лечебного, терапевтического воздействия, являются электронными информационно-измерительными системами, в которых осуществляется съем и регистрация аналоговых сигналов, их преобразование в цифровой код, дальнейшая цифровая обработка и анализ медико-биологической информации, формирование как аналоговых, так и цифровых сигналов для управления исполнительными устройствами. В этой связи разработку, производство и обслуживание современных медицинских систем и комплексов невозможно проводить без знания основ электроники, принципов работы аналоговых, импульсных и цифровых устройств.
Настоящий конспект лекций предназначен для получения базовых знаний по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» подготовки бакалавров по направлению 201000 – «Биотехнические системы и технологии».
Конспект лекций подготовлен в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» Федерального государственного образовательного стандарта.
Тема 1. Классификация электронных устройств.
Электронные устройства – устройства, предназначенные для формирования, передачи и обработки электрических сигналов. Электронные устройства подразделяются в зависимости от вида сигналов, которые формируются и преобразуются в устройстве, на 3 группы.
Аналоговые устройства – электронные устройства, предназначенные для формирования, передачи и обработки аналоговых сигналов. Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом.
Импульсные устройства – электронные устройства, предназначенные для формирования, передачи и обработки импульсных сигналов – сигналов, описываемых в течении конечного промежутка времени.
Цифровые устройства – электронные устройства, предназначенные для формирования, передачи и обработки цифровых сигналов – сигналов, описываемых функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений. Цифровые сигналы имеют два значение амплитуды – низкий уровень (уровень логического нуля) и высокий уровень (уровень логической единицы) и представляются последовательностью изменения этих уровней.
Классификация аналоговых устройств
В зависимости от характера осуществляемого в аналоговом устройстве преобразования сигнала устройства подразделяются на:
Усилители аналоговых сигналов – устройства, предназначенные для усиления сигналов по напряжению, току, мощности.
Активные фильтры – электронные устройства, предназначенные для усиления сигналов преимущественно определенного диапазона частот сигнала.
Формирователи (генераторы) аналоговых сигналов – электронные устройства, предназначенные для формирования аналоговых сигналов определенной формы.
Формирователи (генераторы) сигналов подразделяются на генераторы гармонических сигналов, сигналов треугольной и пилообразной формы.
Генераторы гармонических сигналов – аналоговые электронные устройства, предназначенные для формирования гармонических сигналов (сигналов синусоидальной или косинусоидальной формы).
Генераторы сигналов треугольной формы – аналоговые устройства, формирующие сигналы треугольной формы.
Пиковые или амплитудные детекторы – устройства для выделения пикового (экстремального) значения амплитуды аналоговых сигналов.
Устройства выборки-хранения – аналоговые устройства, предназначенные для запоминания амплитуды аналогового сигнала в определенно-заданный момент времени и хранения этого уровня сигнала в течении заданного времени.
Преобразователи аналоговых сигналов – электронные устройства осуществляющие преобразование сигналов одной формы в другую. Различают линейные и нелинейные преобразователи сигналов.
Линейные преобразователи сигналов – электронные устройства, формирующие аналоговые сигналы, параметры которого (амплитуда, частота, фаза) линейно зависят от амплитуды исходного сигнала. К числу линейных преобразователей сигналов относятся модуляторы и демодуляторы аналоговых сигналов. Модуляторы сигналов – электронные устройства, формирующие высокочастотный несущий сигнал, амплитуда, частота или фаза которого меняются по закону изменения модулирующего низкочастотного сигнала. Демодуляторы сигналов – электронные устройства, в которых из высокочастотного модулированного сигнала выделяется низкочастотный модулирующий сигнал.
К линейным преобразователям аналоговых сигналов относятся аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Указанные преобразователи осуществляют линейное преобразование амплитуды аналогового сигнала в соответствующий цифровой эквивалент (цифровой код) и наоборот.
В ряде преобразователей аналоговых сигналов используется нелинейное преобразование. Это, как правило, нелинейное усиление сигналов.
Классификация импульсных устройств
Формирователи импульсов. В зависимости от характера изменения формируемого импульсного сигнала различают формирователи одиночных импульсов и формирователи непрерывной последовательности импульсов.
В импульсной технике получили широкое применение мультивибраторы и блокинг-генераторы – формирователи импульсов. В структуре мультивибратора для формирования импульсов с заданными временными параметрами используются RC-цепи. В блокинг-генераторе для формирования импульсов с заданными временными параметрами используются глубокая трансформаторная связь.
Автоколебательный мультивибратор – импульсное устройство, формирующее непрерывную последовательность импульсных сигналов с заданными параметрами на основе использования периодического заряд-разряда RC-цепи.
Ждущий мультивибратор – импульсное устройство, формирующий одиночный импульс с заданными временными параметрами при поступлении запускающего импульса на основе использования одиночного цикла заряда (разряда) RC-цепи.
Автоколебательный блокинг-генератор – импульсное устройство, формирующее непрерывную последовательность импульсов с заданными временными параметрами на основе использования глубокой трансформаторной связи и накопления энергии в LC-цепи.
Ждущие блокинг-генераторы формируют одиночный импульс с заданными параметрами при поступлении запускающего импульса.
Усилители импульсных сигналов – электронные устройства, предназначенные для усиления импульсных сигналов по напряжению, току, мощности.
Преобразователи импульсных сигналов – электронные устройства, формирующие одиночные или непрерывную последовательность импульсных сигналов, параметры которых (амплитуда, длительность, частота) меняются по закону изменения исходного сигнала.
К числу импульсных преобразователей сигналов следует отнести модуляторы – демодуляторы импульсных сигналов. В модуляторах импульсных сигналов формируются высокочастотные импульсы, амплитуда, частота, длительность, последовательность которых определяется законом изменения амплитуды модулирующего сигнала. Импульсные демодуляторы (детекторы) - электронные устройства, в которых из высокочастотного импульсного сигнала выделяется модулирующий сигнал.
Классификация цифровых устройств
В зависимости от характера преобразования цифровых сигналов различают цифровые функциональные элементы и устройства и микропроцессорные устройства.
Цифровые функциональные элементы и устройства – электронные устройства, реализующие инструментально (аппаратно) формирование, передачу и обработку цифровых сигналов.
Микропроцессорные устройства – электронные устройства, обеспечивающие формирование, передачу и обработку цифровых сигналов за счет последовательной реализации этапов преобразования по заданной программе с помощью универсального преобразователя – арифметически-логического устройства.
Цифровые функциональные элементы и устройства в зависимости от характера формирования или преобразования цифрового сигнала подразделяются на:
Логические устройства – цифровые устройства, реализующие логические функции от поступающих сигналов.
Триггеры – бистабильные цифровые устройства, состояние которых (состояние нуля или единицы) определяется либо функцией, либо таблицей состоянии.
Регистры – цифровые устройства, предназначенные для запоминания и хранения ограниченного количества цифровых многоразрядных слов в течении подключения регистра к источнику питания.
Различают сдвиговые регистры – цифровые устройства, предназначенные для преобразования параллельного кода в последовательный и наоборот.
Счетчики – цифровые устройства, предназначенные для подстчета количества поступающих счетных импульсов и формирования цифрового кода.
Арифметически-логические устройства – цифровые устройства, предназначенные для реализации логических или арифметических (сложение, вычитание) операций над двумя группами поступающих параллельных цифровых кодов.
Запоминающие устройства – цифровые устройства, предназначенные для запоминания и длительного или кратковременного хранения большого объема цифровых слов.
Шинные формирователи – цифровые устройства, предназначенные для повышения нагрузочной способности линии передачи цифровых сигналов – кодов.