МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
Контрольная работа по дисциплине:
“Технологические средства автоматизации”
ВАРИАНТ 4
ВЫПОЛНИЛ: студент гр. № 141
А.С. Лизунов
ПРОВЕРИЛ: С.В. Санталов
Рязань 2003
Вопрос 5.
Современное производство характеризуется повышением доли автоматизированного оборудования. В связи с этим многие учебные дисциплины предусматривают изучение автоматических устройств дискретного действия, в частности наиболее распространенных устройств дискретной электроавтоматики (УДЭА).Существующие пакеты прикладных программ, обеспечивающие разработку УДЭА, не могут использоваться для обучения студентов, т.к. большинство операций проектирования в них выполняются автоматически.Устройства дискретной электроавтоматики, используются для формирования команд управления типа включено-выключено при наличии определенных комбинаций воздействий, заданных, например, в случае электрических устройств механическими воздействиями на их подвижные контакты.Анализ и синтез УДЭА проводится на основе булевой алгебры, что позволяет формализовать задачи и создать компьютерные программы проектирования и изучения работы таких устройств, а также оценивать уровень знаний на основе специальных контролирующих программ на персональных ЭВМ [1,2].Синтез устройства управления электромеханического типа осуществляется с помощью программы имитирующей работу этого устройства, которое моделируется в ячейках матрицы размера 4х4 установкой в них нормально замкнутых и разомкнутых электрических ключей, вертикальных и горизонтальных перемычек. После чего выдаются варианты замыкания полученной электрической схемы при различных воздействиях на ключи, а если число вариантов воздействий не превышает 16, то дополнительно и таблица истинности с указанием вариантов замыкания.Таким образом, синтез УДЭА проводится в несколько последовательных этапов: на первом - определяется булева формула соответствующая логике работы устройства, на втором - по этой формуле задается электрическая схема, на третьем - анализируется ее работа, причем второй и третий, наиболее трудоемкий, этапы выполняются с помощью компьютера и в случае нахождения ошибки в работе УДЭА могут повторяться не однократно.Вопрос 14.
Индуктивные преобразователи линейных перемещений предназначены для преобразования линейных перемещений в электрические сигналы.
*Коэффициент преобразования: выходной сигнал преобразования при нагрузке 1кОм / смещение якоря преобразователя / напряжение питания.
**Нелинейность характеристики преобразования: наибольшее отклонение характеристики от прямой, проходящей через ноль и наименнее уклоняющейся от действительной, отнесенное к рабочему диапазону преобразователя.
***Размах показаний: разность между максимальным и минимальным показаниями при многократном арретировании преобразователя.
| Тип | Общий ход шпинделя, мм | Рабочий диапазон, мм | Коэффициент преобразования*, мВ/мм/В | Нелинейность характеристики преобразования,%** | Размах показаний***, мкм | Вариация показаний****, мкм |
| М-022 | 3,6 | ±1 | 130 | 0,5 | 0,2 | 0,2 |
| М-022А | 3,6 | ±1 | 130 | 0,1 | 0,2 | 0,2 |
| М-023 | 12,3 | ±5 | 50 | 5 | 0,2 | 0,2 |
| М-023А | 12,3 | ±5 | 50 | 0,5 | 0,2 | 0,2 |
| М-024 | 12,6 | ±3 | 80 | 5 | 0,2 | 0,2 |
| М-028 | 35 | ±15 | 30 | 10 | 1 | 1 |
| М-032 | 5 | ±2,5 | 20 | 5 | 5 | 5 |
| М-032-01 | 5 | ±0,5 | 100 | 3 | 5 | 5 |
****Вариация показаний: разность между двумя показаниями преобразователя при измерениях величины, имеющей одно и то же значение, с плавным медленным подходом к этому значению со стороны больших и меньших значений.
Вопрос 24.
Принцип действия такого датчика заключается в том, что при отражении электромагнитной волны от движущейся цели ее частота сдвигается на величину: f = 2F0·v/c , где F0 - частота электромагнитной волны, v - проекция скорости цели на направление цель-локатор, с - скорость света. Отсюда видно, что нужна очень высокая частота излучаемого сигнала, так как сдвиг частоты (то, что несет информацию о цели) пропорционален v/c и очень мал. Если v = 3 м/сек, то относительный сдвиг частоты всего 10-8 и при частоте излучения 10ГГц (1010 Гц) f = 200 Гц. Кроме того, только в СВЧ (сверхвысокочастотном) диапазоне можно создать компактные направленные антенны.
Локатор облучает цель непрерывным СВЧ сигналом. Отраженный целью сигнал возвращается обратно, принимается локатором и смешивается на смесителе с малой долей излучаемого сигнала. Смеситель - нелинейный электрический элемент (в простейшем случае обычный СВЧ диод). При одновременном взаимодействии двух электромагнитных колебаний с различными частотами f1 и f2 на нелинейном элементе выделяются колебания с комбинационными частотами
| fL = f1 - f2 и fH = f1 + f2 |
Обычно нижняя частота fL выделяется фильтром и используется для регистрации наличия движущегося объекта и (если нужно) для измерения его скорости.
Фактически все такие датчики, это радиолокаторы СВЧ диапазона, которые работают на частотах от 10 до 40 ГГц (длина волны от 3 до 0.8 см). Датчики такого типа используются:
- для определения скорости самолетов,
- измерения скорости автомобилей. Ряд марок автомобилей имеет в качестве спидометра доплеровский радиолокационный датчик скорости. Датчик работает на длине волны 8мм, расположен под сидением водителя и облучает дорогу через радиопрозрачное окно.
- контроль скорости автомобиля (датчики, которые использует ГАИ),
- охранные датчики (регистрация движущихся объектов в помещении).
Простейший датчик движения представляет собой два куска волновода (скажем 23 x 10), сложенные вдоль узкой стенки. С одной стороны волноводы закорочены, и с помощью диафрагм в них организованы резонаторы, настроенные на частоту F0. СВЧ мощность излучается (попадает) в резонаторы через отверстие связи в диафрагме. В одном резонаторе помещен диод Ганна (G) (или лавинно пролетный диод - ЛПД). При подаче определенного напряжения на диод такая система начинает генерировать СВЧ колебания на частоте F0. Во втором резонаторе размещен смесительный диод (M) - это приемник. Часть мощности излучаемого сигнала через отверстие связи в общей узкой стенке волновода проникает в волновод приемника и далее в резонатор смесителя. Эта мощность смешивается с сигналом, отраженным целью на диоде-смесителе. В результате на диоде возникает низкочастотный сигнал с разностной частотой. Этот сигнал используется для измерения скорости цели (измеряется частота fL). Если требуется только регистрация наличия движущегося объекта, то просто анализируется, есть ли в напряжении на диоде переменная часть с амплитудой выше некоторого порога. Система на двух волноводах (без рупорной антенны) имеет чувствительность в конусе с раскрытием порядка 70 градусов (вдоль оси волноводов).
Рис.1 СВЧ установка |
Вопрос 34.
.
Операционным усилителем называется электронная схема, имеющая большой коэффициент усиления и два входа - инвертирующий и неинвертирующий. Операционные усилители могут использоваться в аналоговых вычислительных машинах для выполнения различных операций (сложение, вычитание, умножение, дифференцирование, интегрирование). Каждая конкретная операция, выполняемая операционным усилителем, определяется его схемой включения и подключёнными к нему дискретными элементами.
Основными характеристиками операционного усилителя являются его коэффициент усиления по постоянному току, скорость нарастания выходного напряжения, которая определяет его быстродействие, диапазон рабочих частот и т.д. Обычно операционные усилители имеют широкий диапазон рабочих частот (от нуля - постоянное напряжение - до нескольких мегагерц). Коэффициент усиления операционных усилителей варьируется в пределах от нескольких тысяч до нескольких миллионов.
Основной особенностью операционного усилителя является то, что он усиливает разностное напряжение, т.е. разность напряжений на его неинвертирующем и инвертирующем входе. Таким образом, передаточная функция операционного усилителя может записываться в упрощённой форме в виде:
где K - коэффициент усиления по постоянному току операционного усилителя, x1 - напряжение на неинвертирующем входе, x2 - напряжение на инвертирующем входе, Umax - максимальное значение выходного напряжения.
Таким образом, если разность входных напряжений по модулю будет превышать Umax/K, то транзисторы усилительных схем операционного усилителя войдут в состояние насыщения и на выходе установится значение Umax. Знак Umax соответствует знаку разности входных напряжений.
Операционный усилитель (ОУ) может использоваться не только для выполнения математических операций, но и в качестве усилителя в аудиоаппаратуре. При этом для обеспечения необходимого коэффициента усиления требуется ввести цепь отрицательной обратной связи, которая снижает коэффициент усиления и увеличивает стабильность работы схемы. Глубина отрицательной обратной связи регулируется в зависимости от требуемого коэффициента усиления.
Идеальный ОУ должен обеспечивать отсутствие наклона и прямолинейность амплитудно-частотной характеристике в рабочем диапазоне частот, а также бесконечный коэффициент усиления. Иногда для выравнивания АЧХ в некоторой области частот к специальным выводам ОУ подключается корректирующая ёмкость.
ОУ функционально состоит из дифференциального усилителя и усилителя мощности. Дифференциальный усилитель собственно и обеспечивает формирование разностного сигнала и его усиление. Усиление по мощности и согласование выхода дифференциального усилителя с цепями, подключёнными к выходу ОУ обеспечивается усилителем мощности. Дифференциальный усилитель собран по симметричной мостовой схеме, состоящей из двух или четырёх транзисторов, не считая транзисторов стабилизатора тока, подключённого к коллекторным или эмиттерным (в зависимости от типа проводимости транзисторов) цепям транзисторов. Дифференциальный усилитель имеет два входа, подключённых соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входу ОУ. Нагрузочная способность, максимальный выходной ток и максимальное выходное напряжение зависят от параметров усилителя мощности. В частности, максимальное выходное напряжение также зависит от напряжения питания ОУ. Напряжение питания ОУ обычно выбирается двуполярным. Это определяется наличием дифференциального усилителя и принципом работы электрического моста.
ОУ обычно выполняется в виде интегральной схемы.
Рассмотрим теперь работу аналогового компаратора напряжения, построенного на схеме с ОУ. Отличием компаратора от ОУ среди прочих является то, что выходной сигнал компаратора - цифровой, в то время как выходной сигнал ОУ - аналоговый. Преобразование аналогового сигнала ОУ в схеме компаратора может осуществляться соответствующим преобразователем уровня для некоторого типа логики или диодным ограничителем.
Пусть имеются два напряжения - сравниваемое и образцовое. Сравниваемое напряжение подано на неинвертирующий вход компаратора, а образцовое - на инвертирующий. Требуется, чтобы при равенстве этих напряжений на выходе компаратора появилась логическая 1. Пусть сравниваемое и образцовое напряжения не равны. Тогда разность этих напряжений будет не равна нулю. При этом на выходе ОУ компаратора будет усиленная по напряжению разность входных напряжений. Заметим, что можно всегда подобрать коэффициент усиления ОУ компаратора с таким расчётом, что даже малая разность входных напряжений будет давать Umax на выходе ОУ. Пусть также на выходе ОУ стоит некоторая схема, которая на выходе формирует напряжение по модулю равное выходному напряжению ОУ. Этой схемой может являться диодный выпрямитель напряжения. Таким образом, если входные сравниваемое и образцовое напряжения хоть немного отличаются, на выходе схемы выпрямителя будет Umax, а если они точно равны, то на выходе выпрямителя будет 0. Если теперь пропустить это напряжение через преобразователь уровня и проинвертировать, то получим требуемый результат сравнения. Заметим также, что коэффициент усиления ОУ компаратора определяет ширину импульса с амплитудой логической 1 на выходе компаратора при постоянной скорости изменения сравниваемого напряжения. Так как скорость сравниваемого напряжения может изменяться, то и ширина выходного импульса компаратора может изменяться при постоянном коэффициенте усиления ОУ. Для устранения этого эффекта на выходе компаратора может также ставиться формирователь импульсов определённой длительности при любой длительности входного импульса. Такой формирователь можно собрать на триггере Шмитта или блокинг-генераторе.
Если требуется, чтобы компаратор выдавал 1 при преобладании сравниваемого напряжения над образцовым, схема выпрямителя на выходе ОУ преобразуется для пропускания только положительного напряжения, а формирователь на выходе ОУ заменяется триггером, который устанавливается в 1 при равенстве входных напряжений и сбрасывается, если напряжение на выходе ОУ отрицательно.
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) используется для преобразования цифрового кода в аналоговое напряжение и используется не только в качестве независимого элемента, но и входит в состав АЦП.
Принцип работы ЦАП основан на том, что единице в каждом разряде входного кода ставится в соответствие некоторое напряжение, которое добавляется к выходному и имеет значение, пропорциональное весу разряда. Таким образом, выходное напряжение пропорционально двоичному числу, определяемому входным кодом. Обычно, ЦАП поддерживает выходное напряжение на том же уровне до прихода команды записи. Это обеспечивается введением в ЦАП триггеров. Если запись в ЦАП разрешена, то триггеры устанавливаются в значения, соответствующие значениям разрядов входного кода. Если запись в ЦАП запрещена, то триггеры находятся в состоянии хранения и выходное напряжение ЦАП остаётся на том же уровне.
Обычно, ЦАП собирается на резисторной матрице, управляемой электронными ключами. Электронные ключи обеспечивают подключение резисторов матрицы к положительному или отрицательному потенциалу источника питания. Электронные ключи должны иметь малое сопротивление в открытом состоянии и очень большое сопротивление в закрытом. Это требование обеспечивается применением полевых МОП транзисторов с изолированным затвором.
Существует по крайней мере две схемы построения ЦАП. ЦАП с прецизионными резисторами имеет резисторы с сопротивлением, обратно пропорциональным весам разрядов входного кода. При этом каждый такой резистор подключён к соответствующему электронному ключу. Если в соответствующем разряде входного кода находится 1, ключ подключает резистор к положительному потенциалу источника питания, обеспечивая добавление к выходному напряжению АЦП напряжения, пропорционального весу данного разряда входного кода. Если в соответствующем разряде входного кода записан 0, то резистор отключается от положительного потенциала источника питания, не оказывая влияния на выходное напряжение ЦАП. Недостатком подобного ЦАП является то, что резисторы, входящие в его состав должны иметь очень высокую точность значения сопротивления, которое не должно изменяться при изменении температуры. Если это не так, то линейность преобразования ЦАП нарушается и может зависеть от температуры и других факторов.
Во втором типе ЦАП все резисторы имеют одинаковое сопротивление или разделены на две группы, сопротивления резисторов в каждой группе одинаково и отличается от другой группы в два раза. В цепи резисторов может использоваться то свойство, что два резистора с одинаковым сопротивлением, включённых параллельно, имеют общее сопротивление, равное половине сопротивления каждого. В настоящее время ЦАП первого типа практически не используются.
Вопрос 44.
Для схем с очень высокими напряжениями и очень большими токами созданы полупроводниковые приборы, называемые тиристорами. Один тиристор может работать при напряжениях до 4000 В и токах до 4000 А. В преобразователях тиристоры соединяют в каскады, рассчитанные на четверть миллиона вольт и более.
Тиристор состоит из двух транзисторов (npn и pnp), расположенных так, что коллектор pnp-части тиристора является базой npn-части, а коллектор npn-части – базой pnp-части. Если инжектировать небольшой ток в базу npn-части, то он создаст для эмиттера прямое смещение, и возникнет ток эмиттера. Этот ток, собранный коллектором npn-части, становится током базы pnp-части, который вызывает появление тока эмиттера этой части. Такой процесс будет повторяться до тех пор, пока вокруг общего коллекторного перехода не соберется заряд, достаточный для нейтрализации связанного заряда, и тогда напряжение на нем понизится до уровня ~0,7 В, соответствующего насыщению. Так происходит «включение» тиристора. «Выключается» же он при понижении тока ниже некоторого порогового уровня, называемого удерживающим током. Если сделать площадь эмиттера достаточно большой, то легко можно переключать колоссальные токи.
Тиристоры пропускают ток только в одном периоде переменного тока; лишь с изобретением симистора появился настоящий полупроводниковый переключатель переменного тока для регуляторов электродвигателей, регуляторов освещенности и других устройств. Симистор состоит из двух выполненных на одной кремниевой пластинке тиристоров, включенных параллельно, но противоположно. Один из тиристоров пропускает ток в одном полупериоде, а другой – в следующем. Для включения симистора предусматривается управляющий электрод. Чтобы выключить его, нужно прервать ток. Интересной особенностью симисторов является то, что они проводят ток любого направления и могут переключаться либо положительным, либо отрицательным управляющим сигналом
Вопрос 54.
Данный тип реле применяется для коммутация нагрузок в цепях постоянного и переменного тока; для работы в цепях переменного тока с постоянным смещением; в импульсных источники питания; в устройствах автоматического регулирования и управления.
Твердотельные оптоэлектронные реле с МОП - транзисторами на выходе являются альтернативой электромеханическим и полупроводниковым реле на основе тиристоров.
Прибор состоит из инфракрасного светодиода, оптически связанного с матрицей фотодиодов, которые работают в фотовольтрическом режиме и управляют выходным коммутирующим элементом, последний представляет собой пару МОП - транзисторов, соединенных истоками. При включении МОП - транзисторов в последовательную цепь получается линейный переключатель постоянного и переменного тока двунаправленного действия.
| Основные характеристики |
Вопрос 64.
На рис. 1,а показан виток провода abcd, вращающийся по часовой стрелке вокруг оси 00 в магнитном поле между северным (N) и южным (S) полюсами магнита. Направление мгновенной наведенной ЭДС показано стрелками ab и cd; величина и знак ЭДС для положений 1, 2, 3 и 4 приведены на графике рис. 1,б. Когда плоскость витка перпендикулярна полю (положения 1 и 3), ЭДС равна нулю; когда же плоскость витка параллельна полю (положения 2 и 4), ЭДС максимальна. Кроме того, направление ЭДС в боковых частях витка (скажем, ab), когда они проходят мимо северного полюса, противоположно ее направлению при прохождении мимо южного полюса. Поэтому ЭДС меняет знак через каждую половину оборота в точках 1 и 3, так что в витке генерируется переменная ЭДС и, стало быть, течет переменный ток. Если предусмотреть в конструкции токособирательные (контактные) кольца, то переменный ток пойдет во внешнюю цепь.
Конструкция.
Генератор постоянного тока должен давать ток, который всегда течет в одном направлении. Для этого нужно переключать контакты внешней цепи в тот момент, когда ЭДС падает до нуля, прежде чем она начнет нарастать в другом направлении. Это делается с помощью коллектора, схематически изображенного на рис. 1,в.
29-04-2015, 04:16