История электротехники
Шрифт:
О темпах развития электронных средств в информационной электронике говорят такие даты: первый транзистор появился в 1948 г.; с 1951 г. стало интенсивно развиваться производство электронных вычислительных машин на электронных лампах (их принято называть первым поколением ЭВМ), а с 1960 г. — ЭВМ второго поколения на транзисторах; в 1964 г. появляется новое — третье поколение ЭВМ на малых
и средних интегральных схемах; с некоторой условностью можно говорить о следующем — четвертом поколении ЭВМ, выполненном на больших интегральных схемах — БИС (1970 г.).
По-настоящему революционный сдвиг в схемотехнической микроэлектронике произошел в 1971 г., когда фирмой «Intel» был создан микропроцессор — большая интегральная схема, где на одном кристалле — чипе (от английского chip) методами
В развитии промышленных средств будем опираться на общеизвестные классификации информационных устройств по видам сигналов (аналоговые, цифровые) и так называемым поколениям средств электроники и микроэлектроники. Следует отдавать себе отчет, что информационное направление промышленной электроники представляет лишь одну ветвь современных информационных средств.
Перечень устройств, которые исторически входили в сферу промышленных применений, включает:
аналоговые устройства: усилители низкой частоты, фазочувствительные ламповые и транзисторные схемы; аналоговые стабилизаторы напряжения и тока; схемы управления командо-аппаратами, реле, приводами исполнительных устройств;
ламповые и транзисторные импульсные и ключевые устройства;
аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП);
средства отображения информации индивидуального и группового пользования;
средства управления и регулирования: аналоговые и цифровые регуляторы; логические управляющие устройства; цифровые автоматы; централизованные системы управления и контроля; автоматизированные системы управления;
управляющие ЭВМ; микропроцессоры и микропроцессорные средства управления;
промышленные микроконтроллеры; средства программирования, отладки, эмуляции, обучения персонала; системы автоматизированного проектирования средств автоматизации.
Последними на настоящий момент этапами развития микропроцессорных средств управления можно считать цифровую обработку сигналов в реальном времени с помощью цифровых сигнальных процессоров, использование экспертных оценок и принципов самообучения в управлении процессами. Одним из примеров применения нестрогих понятий для построения систем автоматического регулирования служит создание регуляторов на основе нечеткой логики. Элементная и аппаратная основа современных управляющих систем сделала огромный шаг навстречу потребителю — пользователю, заказчику.
11.4.1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ
Информационная электроника представляет собой совокупность аппаратных средств и алгоритмов (способов обработки и преобразования информации), выполняющих функции сбора, обработки, хранения, отображения информации и ее использования в задачах управления промышленными объектами и устройствами. За очень короткое (исторически) время функции информационных устройств промышленной электроники расширились и усложнились, элементная база претерпела изменения, которые принято характеризовать числом сменившихся поколений электронных приборов. Изменились конструкция и технологии изготовления, вклад средств электроники в технико-экономические показатели оборудования. С целью систематизации объектов описания и изучения предлагается хронологически-объектный подход: зарождение и первые шаги информационной электроники; первые применения в энергетике и машиностроении; направления развития информационной электроники.
Несмотря на многообразие функций, выполняемых информационной электроникой, она основана на ограниченном наборе фундаментальных технических идей. Значительная их часть известна с начала столетия, они используются в различных областях техники, упоминание о них можно найти в различных частях настоящей книги. Реализация этих идей в промышленных технических средствах преобразования информации существенно
зависела от состояния и уровня технологии. В области информационной электроники наиболее распространенные преобразования информации включают:усиление электрических сигналов;
сканирование, развертывающее преобразование сигнала;
обратную связь, построение замкнутых систем;
дискретизацию (квантование) сигнала по времени и уровню.
Более новые способы, получившие развитие в середине века:
аппаратное преобразование Фурье, в том числе быстрое преобразование Фурье;
цифровая фильтрация сигналов.
11.4.2. УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Первые шаги в применении информационных устройств в промышленности связаны с усилением слабых электрических сигналов. Исторически первым применением усиления стала передача сигналов по радио. Воспринятые слабые сигналы нуждались в усилении для того, чтобы они могли производить необходимый эффект — звуковой (усилители радиоприемников), электротехнический (радиоуправляемые устройства). Электронные устройства в промышленности нашли применение в двух сферах: измерительной (получение информации о состоянии объекта) и исполнительной (осуществление энергетического воздействия). Вторая сфера предполагает возможность применения в автоматических (без участия человека) устройствах управления, поэтому требует более высокой надежности. Неслучайно первые электронные средства играют роль осведомителей или советчиков, оставляя решение за человеком (оператором). Усилительные устройства оказались весьма полезными в связи с необходимостью получения электрических сигналов о значениях неэлектрических величин и их унификации. Основным стимулятором создания электронных промышленных приборов послужило развитие электро- и теплоэнергетики. С появлением первых электрических и тепловых сетей возникла необходимость централизованного контроля и регулирования расхода рабочего вещества (топлива и теплоносителя), уровня жидкости, температуры и других параметров веществ, участвующих в технологическом процессе. С развитием химической, пищевой, легкой и других отраслей промышленности, естественно, расширялся список параметров, подлежащих контролю. К нему добавились вязкость, оптические свойства, химический состав веществ и т.п. Однако наиболее многочисленными стали приборы для измерения, регистрации и регулирования температуры с термопарами и терморезисторами.
Структура всех средств содержит измерительный преобразователь (датчик) первичной информации, преобразующий измеряемую величину в электрический сигнал; электронный узел усиления и преобразования электрического сигнала; электромеханическое устройство регистрации и (или) исполнительный механизм для энергетического воздействия на контролируемый параметр.
Усилители на электронных лампах характеризовались значительным разбросом параметров и нестабильностью во времени коэффициента усиления. Поэтому широкое распространение получили методы устранения влияния усилителя на качество работы прибора и системы в целом:
применение компенсационных методов измерения;
применение отрицательных обратных связей в усилителях.
Получившие широкое распространение электронные автоматические мосты и потенциометры преобразовывали измеряемую величину в перемещение движка потенциометра и связанное с ним перемещение стрелки показывающего прибора (рис. 11.11). Перемещение прекращалось, когда снимаемое с потенциометра напряжение полностью компенсировало входной сигнал. Электронный усилитель, на вход которого поступает разность измеряемого входного и компенсирующего сигналов, выполняет роль нуль-органа; к нему не предъявляется жестких требований стабильности, линейности в широком диапазоне измеряемых значений, поскольку в установившемся режиме он работает в режиме, близком к нулевому значению усиливаемого сигнала.