Элементная база ЭС. Определение элементной базы

Страницы работы

Содержание работы

Раздел 1. Элементная база Э.С.

1.1. Определение элементной базы

Элементная база – это чрезвычайно широкое понятие. В элементную базу входят все электрорадиоэлементы, показываемые на электрических принципиальных схемах и входящие в их перечни элементов.

Элементы РЭС можно разделить на пассивные (например, резистор, конденсатор) и активные (например, электронные лампы, транзисторы, ИМС).

Таким образом, элементная база – это те функциональные «кирпичики», из которых создаётся РЭА, они непосредственно участвуют в обработке сигналов. Конечно, в РЭА есть и другие элементы (платы, стойки, корпуса и т.п.), они выполняют механические функции и не участвуют в обработке сигналов (хотя и могут влиять на технические характеристики РЭА), но такие элементы в данной дисциплине не изучаются.

Технические характеристики, сложность задач, которые может решать РЭА, надёжность её работы, срок службы во многом зависит от используемой элементной базы.

1.2. Поколения РЭА

(определяются по активным элементам).

Изобретением в 1948 году транзистора (электрорадиоэлемента, обладающего большой надежностью и небольшими размерами) мы обязаны Д.Бардину, В.Браттену и У.Шокли (США). Это привело к уменьшению размеров и массы РЭА и повышению ее надежности (т.к. нет нити накаливания и вакуума), появились печатные платы. Это способствовало упорядоченности монтажа; в межкаскадных связях исчез жгутовой монтаж. Появилась стандартизация конструкций (стандарты на размеры блоков и узлов, так как транзистор мал, то пришлось уменьшать размеры других элементов). Появились карманные радиоприемники, ЭВМ высокой сложности, но все еще довольно большие. Аппаратуру на дискретных транзисторах относят ко II поколению.

Однако транзисторизация лишь ослабила и отодвинула кризис. Дальнейший рост сложности аппаратуры стал возможным благодаря появлению планарного транзистора и групповой технологии их производства – появились микросхемы, родилась микроэлектроника.

III поколение – на ИС средней степени интеграции, выполняющих более сложные функции, чем одиночный транзистор (каждая ИС содержала примерно 10-100 транзисторов).

Следующим шагом стала комплексная миниатюризация всех других элементов РЭА – IV-V поколения.

Приведем несколько примеров совершенствования техники.

2. Цветные телевизоры в период 1970-1980гг. при переходе от электронных ламп к транзисторам и ИМС намного улучшили свои качественные и габаритные показатели (энергопотребление снизилось от 300 до 120 Вт, диагональ стала 59-61см, число элементов снизилось в 4 раза, что, следовательно, привело к снижению трудоемкости производства).

Таким образом, элементная база определяет возможности ТХ и прогресс, причем не только в РЭА, но и во многих других областях, так как области применения РЭС нашли широчайшее применение во всех сферах человеческой деятельности.

Выбор или разработка элементной базы для РЭА – это задача инженеров нашей специальности. Чтобы решать эти задачи необходимо знать используемые физические явления, принципы их действия, конструктивно-технологические особенности и, конечно, ТХ ЭРЭ, владеть методами их проектирования, уметь разрабатывать и анализировать электрические и математические модели изделий.

1.3.Состав элементной базы электронных средств

Условно состав элементной базы можно представить в виде следующей схемы:

1. ПДЭРЭ – пассивные дискретные электрорадиоэлементы, основанные на относительно простых физических явлениях (электрический контакт, взаимодействие электрического тока и магнитного поля идругих). К таким ЭРЭ относят резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и тд.

Источник

Элементная база

В ЭВМ непосредственную обработку информации, представляемой в виде двоичных электрических сигналов, осуществляют электронные элементы и узлы.

Число разновидностей электронных элементов ЭВМ относительно невелико, несмотря на их большое количество в машине. По своему назначению они могут быть классифицированы на логические, запоминающие и вспомогательные.

Запоминающие элементы выполняют функцию памяти. В них под действием входных сигналов устанавливается соответствующее состояние 0 или 1, которое сохраняется неизменным до прихода последующего управляющего сигнала.

Вспомогательные элементы служат для формирования и генерирования сигналов, их усиления и преобразования по амплитуде, мощности и длительности.

В свою очередь элементы ЭВМ являются основой для построения типовых узлов, с помощью которых и реализуются необходимые операции над кодами. К числу типовых узлов ЭВМ относятся регистры, дешифраторы, счетчики и сумматоры.

Регистры предназначены для временного хранения и преобразования двоичной информации (например, для сдвига числа при выполнении операции умножения и деления).

Счетчик служит для подсчета числа сигналов (импульсов), поступающих на его вход, и фиксации этого числа в виде кода с последующим запоминанием.

Дешифратором называется логическая схема, служащая для преобразования поступающего кода числа в управляющий сигнал, формируемый на одном из его выходов. Таким образом, например, производится выбор необходимых ячеек запоминающего устройства.

В сумматоре происходит суммирование чисел путем поразрядного их сложения. Этим способом осуществляется также умножение, деление и вычитание.

Связь между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью так называемого интерфейса.

Интерфейс— совокупность линий, шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов.

Причем, среди интерфейсных каналов можно выделить как те, что работают между центральными устройствами, так и те, которые осуществляют связь между ними и устройствами периферии. Имеется также и система разделения каналов на быстрые и медленные (часто их именуют параллельными и последовательными каналами).

Узловыми элементами, связывающими различные типы интерфейсов в компьютере, являются так называемые контроллеры. Фактически контроллеры имеются у каждого из устройств ЭВМ и предназначены для устранения проблем взаимодействия (информационного, аппаратного и др.) между отдельными устройствами.

Исходя из представленных сведений о функциональных возможностях аппаратуры, составляющей типовую ЭВМ, можно сделать вывод о том, что реальные компьютеры могут отличаться от классической типовой схемы по разнообразию и назначению применяемых устройств. В силу этого в практическом применении ЭВМ имеется понятие «конфигурации» для каждого конкретного компьютера.

Из знаний о классификации и направлениях применения современных ЭВМ можно определить, что самыми разнообразными вариантами конфигураций обладают вычислительные системы на базе персональных компьютеров, где одной из сторон проявления персонализации как раз и является комбинирование требуемым набором аппаратных средств и их взаимодействия.

Таким образом, нами рассмотрены виды аппаратных средств, составляющих ЭВМ и обеспечивающих определенный набор функций в совместной работе по обработке информации.

В тоже время в составе реальных ЭВМ имеются ещё ряд устройств, работа которых не изменяет общего представления о концепции обработки информации на компьютере, но имеет свою специфику.

КЭШ-память может присутствовать в конфигурации ЭВМ при наличии дополнительных средств на приобретение, а может отсутствовать и тогда компьютер работает с обычным ОЗУ. В отличие от КЭШ-памяти, ПЗУ в том или ином варианте имеется практически у любого компьютера.

Заканчивая разговор о «фон-неймановской» архитектуре ЭВМ и ее программном принципе работы, напомним из краткого обзора истории развития вычислительной техники, что теоретически и практически разрабатываются, уже реально существуют и другие подходы к архитектурному построению компьютеров.

Инициируются данные разработки недостатками «фон-неймановской» архитектуры в области обработки различных видов информации. Причем во многих случаях отмеченные проблемы носят принципиальный характер.

Приведем лишь примеры их них:

— плохо поддается программированию творческая деятельность человека, но имеется все более расширяющаяся необходимость применения компьютеров именно в этой сфере приложений, например в системах поддержки и принятия решений, основывающихся и могущих самостоятельно развиваться на основе баз знаний;

— невозможность реализации образного, ассоциативного (в самом простом случае, очень многопараллельного) принципа обработки информации;

— медленная и, перспективно очень жестко ограниченная, скорость обработки отдельных видов информации, например графической и совмещаемой с ней, где, хотя и достигнуты значительные практические достижения (компьютерная анимация, кино, мультимедиа и др.), но продолжает ощущаться острая потребность, как в реализации новых задач, так и модернизации имеющихся.

Изложим некоторые сведения о других архитектурах ЭВМ, которые разрабатываются в последнее время.

Источник

Развитие элементной базы радиоэлектроники

В 1898 году в иллюстрированном еженедельнике «Журнал новейших открытий и изобретений» была опубликована статья «Домашнее устройство опытов телеграфирования без проводов». Передатчик был выполнен на катушке Румкорфа, а приемник, по сути дела, был очень похож на грозоотметчик А.С. Попова. С помощью описанных приемника и передатчика можно было передавать сигнал на расстояние до 25 м, что для того времени было огромным достижением.

Уже в 1924 году вышел в свет первый номер журнала «Радиолюбитель». В середине 1930 года журнал переименовали в «Радиофронт» и под этим названием он издавался до июля 1941 года. В годы Великой Отечественной войны журнал, конечно, не издавался. Первый послевоенный выпуск журнала увидел свет в январе 1946. Именно с этого январского номера журнал стал называться «Радио». Его обложка показана на рисунке.

Самое поразительное в этом номере то, что после схем детекторных приемников, приводится цветная маркировка резисторов, в таком виде, какая она есть на сегодняшний день! Правда, там же сказано, что это новая американская маркировка. В России же «полосатые» резисторы появились лишь в конце двадцатого века, да и то внутри импортных магнитол и телевизоров. Зато «наши» преуспели в цветной маркировке полупроводников: стараясь для нужд оборонки, засекретили всё до такой степени, что понять какой же это транзистор или диод стало просто невозможно. Эта цветовая маркировка стала в полном объеме публиковаться лишь в настоящее время, вот только отечественными транзисторами пользоваться практически перестали.

Рис. 1. Обложка первого номера журнала Радио

В первое время в журнале описывались конструкции ламповых приемников, передатчиков и усилителей звуковой частоты. Уже с первых номеров журнал «Радио» публиковал справочные данные электронных ламп и других радиодеталей. Решались также вопросы о том, с чего начать радиолюбительские опыты: с изучения теории, или сразу брать в руки паяльник?

Элементная база радиолюбителя

Интересный исторический факт: когда еще не было электрических паяльников, то выручала обычная пятикопеечная монета. Ее определенным образом затачивали и приклепывали к железной проволоке с деревянной ручкой. Будучи нагретой в пламени спиртовки монета вполне справлялась с функцией паяльника. Сейчас, конечно, такой совет кажется просто нелепым, но ведь было же!

При современной элементной базе, которая постоянно пополняется новыми микросхемами и транзисторами, таким «паяльником» просто нечего делать, ведь в некоторых случаях при ремонте электронной техники приходится пользоваться микроскопом. Таким образом, элементная база определяет не только конструкцию электронных устройств, а еще и то, какими инструментами эти устройства будут собираться или ремонтироваться.

Достаточно просто и наглядно развитие элементной базы можно проследить на различных поколениях ЭВМ, по современной терминологии компьютеров. Вот уже почти сорок лет развивающийся рынок персональных компьютеров как локомотив тащит за собой кремниевые технологии, что вызывает появление все новых и новых электронных компонентов.

Электромеханические вычислительные машины

Еще до создания ЭВМ использовались электромеханические вычислительные устройства – табуляторы. Первый табулятор был изобретен еще в 1890 году Германом Хопперитом в США, для подсчета результатов переписи населения. Ввод информации осуществлялся с перфокарт, а результаты обработки выдавались в виде распечатки на бумаге.

Внешний вид «современного» табулятора показан на рисунке (квадрат с правого бока это рабочая программа, набранная проводами на коммутационной панели). Вес такой вычислительной техники достигал 600 кг.

«Программа» показана на следующем рисунке. Цветными проводами соединяли гнезда, которые на другой стороне текстолитовой панели оканчивались контактами для подсоединения к табулятору.

Рис. 3. Коммутационная панель табулятора

В 1939 году в США по заказу военных фирмой IBM была разработана вычислительная машина Mark 1. Ее элементной базой были электромеханические реле. Сложение двух чисел она выполняла за 0,3 сек, а умножение за 3. Mark 1 предназначалась для расчета баллистических таблиц. Компьютер Mark 1 содержал около 750 тысяч деталей, для соединения которых потребовалось 800 км проводов. Его размеры: высота 2,5м, длина 17 м.

Поколения ЭВМ и элементная база

Первое поколение ЭВМ было построено на электронных лампах. Так в Великобритании в 1943 году была создана ЭВМ Colossus. Правда, она была узкоспециализированная, ее назначение состояло в расшифровке немецких кодов путем перебора разных вариантов. Устройство содержало 2000 ламп, при этом скорость работы составляла 500 знаков в секунду.

Первым универсальным ламповым компьютером считается ENIAC, созданный в 1946 году в США по заказу военных. Размеры этой ЭВМ очень впечатляют: 25 м в длину и почти 6 м в высоту. Машина содержала 17000 электронных ламп и выполняла в секунду около 300 операций умножения, что намного больше, чем у релейной машины Mark 1. Потребляемая мощность была около 150 КВт. С помощью расчетов на ЭВМ ENIAC была доказана теоретическая возможность создания водородной бомбы.

В Советском Союзе в период с 1948. 1952 год также проводились разработки ламповых ЭВМ, как и в США, использовавшихся в основном военными. Одной из лучших ламповых ЭВМ советского производства следует признать машины серии БЭСМ (большая электронная счетная машина). Всего было выпущено шесть моделей БЭСМ-1 … БЭСМ-2 (ламповые) БЭСМ-3 … БЭСМ-6 уже на транзисторах. На момент создания каждая модель этой серии была лучшей в мире в классе универсальных ЭВМ.

Второе поколение ЭВМ 1955 – 1970 гг

Элементной базой второго поколения были транзисторы и полупроводниковые диоды. По сравнению с ламповыми, транзисторные ЭВМ были менее габаритны, потребляемая мощность также была намного ниже. Быстродействие ЭВМ второго поколения достигало до полумиллиона операций в секунду, появились внешние запоминающие устройства на магнитных носителях – магнитные ленты и магнитные барабаны, были созданы алгоритмические языки и операционные системы.

Третье поколение ЭВМ 1965 – 1980 гг

Дальнейшее развитие элементной базы привело к созданию микросхем большой (БИС) и сверхбольшой (СБИС) степени интеграции. В одном корпусе таких микросхем содержится несколько сотен элементов. Эти микросхемы в СССР были представлены серией К580.

Четвертое поколение ЭВМ 1980 – настоящее время

Это поколение появилось на свет благодаря созданию фирмой Intel в 1971 году микропроцессора, что было явлением просто революционным. Чип Intel 4004 при размерах кристалла 3,2*4,2 мм, содержал 2300 транзисторов и имел тактовую частоту 108 КГц. Его вычислительная мощность была эквивалентна ЭВМ ENIAC. На базе этого устройства был создан новый тип компьютера микро – ЭВМ. Первые персональные компьютеры (ПК) были выпущены в 1976 году фирмой Apple, но в 1980 году фирма IBM перехватила инициативу, создав свой ПК IBM PC, архитектура которого стала международным стандартом профессиональных ПК. Современные процессоры второго поколения Core i7 фирмы Intel содержат свыше миллиарда транзисторных структур.

Рис. 4. М и кропро ц ессор Intel

Микроконтроллеры

В одном многовыводном корпусе объединены микропроцессор, память программ и оперативная память, порты ввода – вывода информации. Для подсчета интервалов времени микроконтроллеры имеют таймеры, многие модели имеют аналоговые входы, что позволяет обходиться без внешних устройств АЦП. Контроллеры с модулем PWM (ШИМ) находят применение в схемах инверторных сварочных аппаратов и регулируемых приводов асинхронных электродвигателей. Есть даже контроллеры со встроенным радиоканалом, что позволяет осуществлять беспроводное соединение.

Первый микроконтроллер семейства MCS-48 Intel 8048 был выпущен в 1976 году. Он имел 27 линий ввода – вывода, восьмиразрядный таймер, память данных и память программ и, конечно же, микропроцессор. В настоящее время эти микроконтроллеры стали достоянием истории.

Контроллеры 8051

В 1980 году на свет появилось семейство Intel 8051 (MCS-51). Архитектура этого семейства оказалась настолько удачной, что микроконтроллеры этого семейства применяются до настоящего времени. Конечно, за это время разными фирмами (около полутора десятков) было разработано много моделей этого семейства. Интересный факт: система команд микропроцессора ни разу не изменялась со времен ее создания, что не помешало разработке новых моделей микроконтроллеров. Со временем MCS-51 уступает место более новым семействам.

Одним из таких стали микроконтроллеры PIC фирмы Microchip. Их популярность была вызвана, прежде всего, низкой ценой, высоким быстродействием, удобными портами. Поэтому МК PIC стали лучшими, когда требуется создать недорогую и достаточно простую систему управления.

Огромная популярность микроконтроллеров у радиолюбителей вызвана не только низкой ценой этих микросхем, а также тем, что для создания нового устройства достаточно просто записать в МК другую программу. Тогда даже ничего не изменяя в схеме можно, например, из частотомера сделать часы или многоканальный таймер.

ЭВМ пятого поколения

Фактически борьба за ее создание между фирмами началась еще в 1981 году. Пятое поколение ЭВМ предполагается похожим на человеческий мозг, управляемый голосом. Для создания такого искусственного интеллекта потребуется разработка совсем иных технологий, совсем других технических решений, создание совершенно новой элементной базы. Огромные усилия в этом плане приложены Японией, но результата пока еще не достигнуто. От Японии не хочет отставать и США – фирма IBM также проводит исследования в этой области. Но особых достижений пока тоже не видно.

Рис. 5. Современный микропроцессор

Элементная база бытовой электроники

Как уже было сказано выше, локомотивом развития элементной базы электроники стал быстро растущий, развивающийся рынок ПК. Благодаря этому современная бытовая техника напоминает специализированный компьютер. Телевизоры, домашние кинотеатры, проигрыватели DVD дисков имеют такие эксплуатационные параметры, которые лет двадцать назад просто невозможно было представить.

Даже стиральные машины, холодильники, простые новогодние гирлянды управляются микроконтроллерами. Современные поющие и говорящие детские игрушки, сделанные в Китае, также с микроконтроллерным управлением. Кстати, поразительный факт: еще в шестидесятые годы двадцатого столетия китайцы не могли наладить даже выпуск детекторных приемников, а теперь почти вся электроника делается в Китае.

В промышленности также любое современное устройство управления техпроцессом, даже не очень сложное построено на основе микроконтроллеров и, как правило, имеет интерфейс для подключения к ПК. Такой интерфейс имеют, например, электронные счетчики электроэнергии, что позволяет использовать их в системах автоматического учета.

Надежность современных электронных компонентов достаточно высока. Тем не менее, нередки случаи, когда любая электронная техника приходит в негодность, нуждается в ремонте. В случае поломки бытовой электронной техники не всегда возможно отнести неисправное устройство в специализированную мастерскую, просто не везде они есть. Тогда на помощь приходят радиолюбители, ремонтирующие технику в своих домашних мастерских.

Квалификация таких домашних мастеров, как правило, очень высокая, ведь ремонтируется весьма широкий спектр электронной техники: от простых дверных звонков до спутниковых систем телевидения. Об устройстве и организации таких мастерских на дому будет рассказано в следующей статье.

Источник

Что такое элементная база и где она применяется

Элементная база – это компоненты, из которых состоят абсолютно все электронные приборы и устройства. Чтобы грамотно спланировать прибор, необходимо знать технические характеристики, а также как использовать те или иные электронные компоненты. Если на этом этапе допустить ошибку, весь прибор будет неработоспособен, так как содержит в себе ошибку.

Знание современной крайне обширной базы элементов, а также методов их изготовления, особенности строение и эксплуатации нужны самым различным специалистам в области электрики и электроники. В данной статье будет подробно рассмотрена структура современной элементной базы, которая существует на данный момент, а также что должен знать современный электронщики и специалист по «железу». В качестве дополнения, статья содержит в себе два ролика и одну скачиваемую статью в формате PDF.

Что такое микроэлектроника

Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Современный этап развития электроники характеризуется широким применением интегральных микросхем (ИМС). Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых электронной аппаратурой, что привело к росту числа элементов в ней. Число элементов постоянно увеличивается. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат десятки миллионов элементов. В этих условиях исключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов, микроминиатюризация электронных компонентов и комплексной миниатюризации аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника.