Наименьшее количество элементов содержит нулевая схема, в которой один из выводов входного источника питания соединён с отводом от средней – нулевой – точки первичной обмотки трансформатора ( рис.12.17а). Ключи S1 и S2 поочерёдно замыкаются и размыкаются. При этом к соответствующим первичным полуобмоткам трансформатора прикладывается входное напряжение. Намагничивающие силы полуобмоток направлены в магнитопроводе в противоположные стороны, поэтому постоянное подмагничивание, в идеале, отсутствует. Трансформатор объединяет полуволны одного цикла коммутации и повышает или понижает их амплитуду в соответствии со своим коэффициентом трансформации. Недостатком этой схемы является повышенное напряжение на закрытом ключе. Поэтому такую схему применяют для преобразования относительно низких напряжений. Другой недостаток – менее эффективное, чем у двух других схем, использование трансформатора.
Полумостовая схема (рис.12.17б) широко применяется для построения сетевых источников питания небольшой мощности ( до сотен ватт). Входное напряжение делится пополам с помощью конденсаторов. Ключи также переключаются поочерёдно. При замыкании одного из ключей к первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение, равное VIN/2 , поэтому для передачи той же мощности, что и в предыдущей схеме, через ключи должен протекать вдвое больший ток. Напряжение на закрытых ключах не превышает входное напряжение.
Мостовая схема (рис.12.17в) применяется для источников мощностью от сотен ватт и выше. Ключи циклически меняют состояние : S1, S4 – замкнуты, S2, S3 – разомкнуты, и наоборот. К первичной обмотке трансформатора всегда прикладывается полное входное напряжение. Напряжение на закрытых ключах также не превышают входное напряжение.
Примером нерегулируемого нулевого инвертора может служить MAX845. Эта микросхема содержит задающий генератор, счётный триггер и два n-канальных МОП-транзистора (рис.12.18).
Генератор в зависимости от состояния входа выбора частоты FS вырабатывает счётные импульсы частотой 400 или 700 кГц.
Счётный триггер TT делит эту частоту пополам и распределяет эти импульсы по затворам МОП-транзисторов. Допустимое напряжение сток-исток транзисторов всего 12 В, поэтому номинальное напряжение питания составляет 5В. Выходная мощность микросхемы не более 0,75 Вт. Ток собственного потребления не превышает 5 мА. Микросхема изготавливается в миниатюрных корпусах SO-8 и μMAX размером 3х5 мм.
Регулирование выходного напряжения инверторов, применяемых в схемах преобразователей постоянного напряжения, осуществляется, в основном, путём модуляции ширины выходных импульсов при постоянной частоте коммутации. В качестве примера регулируемого инвертора можно привести микросхему TL494 производства фирмы Texas Instruments. Функциональная схема TL494 приведена на рис.12.19, а типовая схема включения в качестве контроллера регулируемого двухтактного инвертора – на рис.12.20.
Рис.12.19. Функциональная схема TL494
Для стабилизации используются отрицательные обратные связи по напряжению и току.
Рис.12.20. Типовая схема включения TL494
Для уменьшения размеров, веса и стоимости магнитных элементов и фильтровых конденсаторов необходимо повышать частоту переключения. Однако реальные потери в ключевых регулирующих элементах пренебрежимо малы лишь на относительно низких частотах переключения в пределах 20…40 кГц.
Потери на переключение вызваны тем, что переход от включённого состояния транзистора к выключенному и обратно происходит не мгновенно, а в течении определённого, пусть даже и малого времени. Во время переключения рабочая точка транзистора находится в активной области выходных характеристик (рис.12.21).
В идеале переключение транзистора следовало бы проводить по траектории 1. Например, для перевода транзистора из выключенного состояния (точка В) во включённое (точка А), следует сначала при нулевом токе уменьшить напряжение сток-исток VDS транзистора до нуля ( точка 0), а затем увеличить ток до установившегося значения. Практически же, если не приняты специальные меры, из-за наличия паразитных ёмкостей и индуктивностей переключение будет проходить по траектории 2. При этом на транзисторе выделяется значительная электрическая мощность, преобразующаяся в тепло.
Таким образом, для уменьшения потерь на переключение следует открывать транзистор, когда напряжение на нём равно нулю, а звкрывать при нулевом токе. Эти условия можно обеспечить за счёт использования резонансных колебаний в цепях с ключевыми элементами.
Упрощённая схема резонансного преобразователя, работающего при нулевом токе переключения ( так называемый ПНТ-преобразователь), показана на рис.12.22.
Рис.12.22. Схема резонансного переключателя, работающего при нулевом токе переключения
В этой схеме простой ключ заменён резонансным ключом, состоящим из компонентов VT, LR, CR . В принципе, в качестве резонансной индуктивности может использоваться индуктивность рассеяния трансформатора.
Пусть первоначально транзистор закрыт. Выходной ток течёт за счёт энергии, запасённой в дросселе выходного фильтра LF , через диод VD3 в нагрузку. В некоторый момент времени, определяемый схемой управления, ключ VT открывается. Колебательный контур, образованный катушкой LR и конденсатором СR , начинает получать энергию. Заряд конденсатора CR и последующий его разряд будут происходить по закону, близкому к синусоидальному, с частотой, равной резонансной частоте контура LRCR. Одновременно ток в катушке LR также будет изменяться по синусоидальному закону – вначале увеличиваться, затем уменьшаться. Когда этот ток уменьшится до нуля, нужно закрыть ключ. При этом диод VD1 предотвращает обратный ток через паразитный диод МОП-транзистора, который мог бы быть вызван продолжающимся резонансным процессом.
Когда ток в катушке LR становится равным нулю, выходной ток течёт через дроссель LF, диод VD2 и конденсатор CR, который быстро разряжается.Как только он разрядится до нуля, открывается диод VD3. На этом один резонансный цикл заканчивается, и с открывания транзистора VT начинается следующий цикл. Так как транзистор открывается и закрывается при нулевом токе, потери на переключение будут минимальны. В связи стем, что переход тока с диода VD2 к диоду VD3 и обратно замедлен присутствием индуктивности LF и ёмкости CR, потери энергии будут снижены и в диодах. Уменьшаются также скорости нарастания токов и напряжений, что способствует снижению уровней электромагнитных помех и перенапряжений на элементах схемы.
В рассмотренной схеме переключение силового транзистора происходит при нулевом токе через него. Существуют также схемы, в которых транзистор переключается при нулевом напряжении (ПНН-преобразователи). Схемы ПНТ лучше подходят для сетевых источников питания с повышенным питающим напряжением; схемы ПНН – для преобразователей постоянного тока с более низким напряжением питания.
В общем случае можно сформулировать следующие достоинства и недостатки резонансных преобразователей по сравнению с обычными импульсными преобразователями на ту же мощность и работающими с той же частотой переключений.
Преимущества резонансных преобразователей:
– значительно меньшие потери на переключение, в частности в режиме ПНН потери, связанные с разрядом выходной ёмкости транзистора через его открытый канал при отпирании;
– примерно пятикратное снижение уровня электромагнитных помех;
– более низкие требования к элементам, особенно в отношении максимально-допустимых скоростей нарастания напряжений и токов;
– для организации резонансных процессов переключения могут использоваться паразитные реактивности схемы.
Недостатки резонансных преобразователей:
– более сложная схема силовой части;
– узкий диапазон регулирования;
– в общем случае переменная частота переключения;
– более сложные схемы управления.
12.4 Контрольные вопросы
1. Поясните обозначения DC/DC , AC/DC , DC/AC и поясните использование этих устройств.
2. Опишите основные отличия характеристик импульсных и линейных источников питания.
7. Увеличение фиксированного напряжения стабилизации.
8. Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением.
9. Схемы повышения максимального выходного тока с включением дополнительного мощного транзистора.
10. Стабилизатор с повышенным выходным током и защитой от короткого замыкания.
11. Схема источника стабильного тока.
12. Схема двухполярного стабилизатора.
13. Основные преимущества импульсных стабилизаторов напряжения.
14. Схема понижающего ИСН.
15. Схема повышающего ИСН.
16. Схема инвертирующего ИСН.
17. Функциональная схема трансформатора постоянного напряжения.
18. Основные схемы силовых частей инверторов.
19. Схема резонансного переключателя, работающего при нулевом токе переключения.
Тема10. Цифровые компьютеры
Лекция 13
Электронные вычислительные машины (ЭВМ) являются преобразователями информации. В них исходные данные задачи преобразуются в результат ее решения. В соответствии с используемой формой представления информации при преобразовании ЭВМ делятся на два больших класса – аналоговые и дискретного действия – цифровые. Их обозначают как АВМ и ЦВМ соответственно. С 70-х годов термин ЭВМ относят именно к машинам дискретного действия - ЦВМ или цифровым компьютерам.
13.1. Принципы действия цифровых компьютеров
Рассмотрим вначале вычисления с помощью калькулятора. Предварительно на листе бумаги выписываются формулы и исходные данные, а часто и таблицы для занесения промежуточных и конечных результатов. В процессе вычисления числа с листа заносятся в регистр микрокалькулятора, а затем включается нужная по формуле операция. Полученные результаты переписываются с регистра (индикатора микрокалькулятора) на лист бумаги (в таблицу).
Таким образом, микрокалькулятор выполняет арифметические операции над числами, которые в него вводит человек. Лист бумаги выполняет в данном случае роль запоминающего устройства, хранящего программу (расчетную формулу), исходные, промежуточные и конечные результаты. Человек управляет процессом вычисления, включая перенос чисел с листа в микрокалькулятор и обратно, а также выбирает нужный вариант продолжения процесса вычисления в соответствии с полученным результатом. Интересно, что в данном случае быстродействие устройства, выполняющего арифметические операции (механического или электронного), практически не влияет на скорость вычислительного процесса, так как остальные операции выполняются очень медленно.
Принципиальный эффект достигается, если к быстродействующему арифметическому устройству добавить быстродействующую память, а также быстродействующее устройство, производящее все необходимые операции по реализации программы вычислений и пересылке чисел между арифметическим устройством и памятью. Если добавить к такому комплексу аппаратуры устройства связи с внешним миром, т.е. устройства ввода исходных данных и программы и вывода результата, то придем к классической пятиблочной структуре Неймана, несколько модифицированный вид которой показан на рис. 13.1 (первоначально устройство ввода и вывода изображалось одним блоком, а память не разделялась на основную и внешнюю).
Рис.13.1. Классическая структура цифрового компьютера
АЛУ – производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т.е. двоичными кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.
Память – хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса. В ЭВМ первых поколений память состояла только из двух существенно отличных по своим характеристикам частей – быстродействующей основной, или оперативной (внутренней), памяти (ОП) и значительно более медленной внешней памяти (ВП), способной хранить очень большие объемы информации. Память современных ЭВМ имеет более сложную структуру, поскольку внутренняя память ЭВМ разделилась на ряд иерархических уровней, обладающих различным объемом и быстродействием – ОП, кэш-память, сверхоперативная память, память каналов и т.д. Однако при первоначальном рассмотрении многоуровневость памяти можно не учитывать и считать, что внутренняя память состоит из одной ОП. Внутренняя память состоит из ячеек, каждая из которых служит для хранения одного машинного слова. Номер ячейки называется адресом. В запоминающем устройстве (ЗУ) ЭВМ, реализующем функцию памяти, выполняются операции считывания и записи информации. Причем при считывании информация не разрушается и может считываться любое число раз. При записи прежнее содержимое ячейки стирается.
Непосредственно в вычислительном процессе участвует только ОП. Обмен информацией между ОП и ВП происходит только после окончания отдельных этапов вычислений. Физическая реализация ОП и ВП будет рассмотрена в последующих разделах данного курса.
Устройство управления (УУ) – автоматически, без участия человека, управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие те или иные действия, в частности заставляет ОП пересылать необходимые данные, включать АЛУ на выполнение необходимой операции, перемещать полученный результат в необходимую ячейку ОП. Следует иметь в виду, что в современных ЭВМ АЛУ и УУ всегда объединены в одно устройство, которое называется процессор.
Пульт управления – позволяет оператору вмешиваться в процесс решения задачи, т.е. давать директивы устройству управления.
Устройство ввода – позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в ОП. В зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры (дисплей, пишущая машинка) либо должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель – перфокарты, перфоленты, магнитные карты, магнитные ленты, магнитные и оптические диски и т.д. В системах САПР осуществляется ввод графической информации.
Устройство вывода – служит для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации. Чаще всего это символьная информация, которая выводится с помощью печатающих устройств (ПчУ) или на экран дисплея. В ряде случаев это графическая информация в виде чертежей и рисунков, которые могут быть выведены с помощью графических дисплеев, графопостроителей, принтеров, и т.д.
Теперь необходимо определить понятия алгоритм и программа. Понятие алгоритма не замыкается только областью вычислительной техники (ВТ). По интуитивному определению:
Алгоритм – это совокупность правил, строго следуя которым можно перейти от исходных данных к конечному результату.
В ВТ под "совокупностью правил" понимается последовательность арифметических и логических операций. (Утверждают, что слово алгоритм произошло от имени Мухаммед аль Хорезми, написавшем в IX веке трактат по арифметике десятичных чисел.)
Программа – это запись алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Любая программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими операндами это действие производится. Программа представляет собой совокупность команд, записанных в определенной последовательности, обеспечивающих решение задачи на ЭВМ. Для того,чтобы УУ могло воспринять команды, они должны быть закодированы в цифровой форме (во всех современных ЭВМ – это двоичный код).
Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления, являющегося основной особенностью ЭВМ. (Без программного управления ЭВМ превратится в обычный быстродействующий арифмометр или калькулятор.).
Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу программа, закодированная в цифровом виде, хранится в памяти наравне с числами. Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды можно извлекать и выполнять необходимое количество раз. Более того, над кодами команд можно выполнять некоторые арифметические операции и тем самым модифицировать адреса обращения к ОП.
Команды программы выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти. Однако команды безусловного и условного переходов могут изменять этот порядок соответственно безусловно или при выполнении некоторого условия, задаваемого отношениями типа больше, меньше или равно. В большинстве случаев сравниваются результаты выполнения предыдущей операции и некоторое число, указанное в команде условного перехода. Именно команды условного перехода позволяют строить не только линейные, но также ветвящиеся и циклические программы.
13.2. Понятие о системе программного (математического) обеспечения ЭВМ
Каждая ЭВМ обладает определенными свойствами, такими как возможность обрабатывать информацию в той или иной форме, возможность выполнять арифметические и логические операции, операции, связанные с организацией совместной работы устройств машины и т.д.
Для придания определенных свойств ЭВМ используют средства двух видов – аппаратные и программные (hard & soft). Последние называются также средствами программного обеспечения.
Часть свойств ЭВМ приобретает благодаря наличию в ней электронного и электромеханического оборудования, специально предназначенного для реализации этих свойств. Примером такого устройства является АЛУ.
Ряд других свойств реализуется без специальных электронных блоков с помощью программных средств. При этом используются имеющиеся аппаратные средства ЭВМ, выполняющие действия, предписанные специальными программами.
Так, например, ЭВМ может не иметь аппаратно реализованной операции извлечения корня. Но если есть программа извлечения корня, то существующие аппаратные средства могут выполнить эту операцию. Причем, с точки зрения пользователя, ЭВМ приобретет свойство вычисления корня.
Следует иметь в виду, что с помощью аппаратных средств соответствующие функции ЭВМ выполняются значительно быстрее, чем программным путем, но при этом ЭВМ становится сложнее и дороже. Всвязи с этим в ЭВМ с достаточно простыми процессорами стремятся как можно больше функций реализовать программным путем, а в мощных ЭВМ для повышения быстродействия – по максимуму использовать аппаратные средства.
Вообще же стремятся как можно оптимальнее соотнести аппаратные и программные средства, чтобы при умеренных аппаратных затратах и стоимости достигнуть высокой эффективности и быстродействия.
Таким образом, аппаратные и программные средства являются тесно связанными компонентами современной ЭВМ. Поскольку с точки зрения пользователя, как правило, неважно аппаратно или программно выполнены те или иные функции, можно говорить о виртуальной (кажущейся) ЭВМ.
Система программного (математического) обеспечения – это комплекс программных средств, в котором можно выделить операционную систему, комплект программ технического обслуживания и пакеты прикладных программ. На рис. 113.2 изображена упрощенная структура цифрового компьютера как совокупности аппаратных и программных средств.
Рис.13.2. Цифровой компьютер как совокупность программных и аппаратных средств
Операционная система (ОС) – это центральная и важнейшая часть программного обеспечения ЭВМ, предназначенная для эффективного управления вычислительным процессом, планирования работы и распределения ресурсов ЭВМ, автоматизации процесса подготовки программ и организации их выполнения при различных режимах работы машины, облегчения общения оператора и пользователя с машиной.
ОС состоит из программ, относящихся к двум большим группам.
Управляющие программы осуществляют управление работой устройств ЭВМ, т.е. координируют работу устройств в процессе ввода, подготовки и выполнения других программ.
Обрабатывающие программы осуществляют работу по подготовке новых программ для ЭВМ и исходных данных для них, например, сборку отдельно транслируемых модулей в одну или несколько исполняемых программ, работы с библиотеками программ, перезаписи массивов информации между ВП и ОП и т.д.
ОС в большинстве случаев являются универсальными и не учитывают особенности конкретных аппаратных средств. В современных ЭВМ для адаптации универсальной ОС к конкретным аппаратным средствам используют аппаратно-ориентированную часть операционной системы, которая в персональных компьютерах называется BIOS (Basic Input / Output System – базовая система ввода/вывода).
Следует иметь в виду, что оператор и пользователь не имеют прямого доступа к аппаратным средствам ЭВМ. (В частном случае, например при работе с персональным компьютером, оператор и пользователь являются одним и тем же лицом.) Все связи осуществляются только через ОС, обеспечивающую определенный уровень общения человека и машины. А уровень общения определяется в первую очередь уровнем языка, на котором оно происходит. На схеме представлена приближенная иерархия таких языков.
Проблемно-ориентированный – это язык, строго ориентированный на какую-либо проблему (моделирование сложных технических и экономических систем, САПР самых различных направлений, задачи анимации и т.д.).
Процедурно-ориентированный – это язык, ориентированный на выполнение общих процедур переработки данных (Фортран, Паскаль, Бейсик и т.д.).
Машинный язык – это самый нижний уровень языка. Команды записываются в виде двоичных кодов. Адреса ячеек памяти – абсолютные. Программирование очень трудоемко.
Ассемблер – это язык более высокого уровня, использующий мнемокоды (т.е. команды обозначаются буквенными сочетаниями). Запись программы ведется с использованием символических адресов, т.е. вместо численных значений адреса используются имена, за исключением первого оператора программы, который жестко привязан к физическому адресу. (Вообще, более правильно говорить язык ассемблера, поскольку Ассемблер –служебная программа, преобразующая символические имена команд и символические адреса в команды в машинном коде и числовые адреса.)
Макроязык – в первом приближении его можно определить как язык процедур, написанных на языке ассемблера, т.е. когда вместо целого комплекса команд (которые часто встречаются) используется только имя (название) этого комплекса.
Язык ОС – это язык, на котором оператор может выдавать директивы ОС, вмешиваться в ход вычислительного процесса.
Пакет программно-технического обслуживания предназначен для уменьшения трудоемкости эксплуатации ЭВМ. Эти программы проводят тестирование работоспособности ЭВМ и ее отдельных устройств, определяют места неисправностей.
Пакеты прикладных программ представляют собой комплексы программ для решения определенных, достаточно широких классов задач (научно-технических, планово-экономических), а также для расширения функций ОС (управление базами данных, реализация режимов телеобработки данных, реального времени и др.).
Все это, как уже отмечалось, в совокупности с аппаратными средствами составляет цифровой компьютер. Причем при создании новых ЭВМ разработка аппаратного и программного обеспечения производится одновременно. В настоящее время программное обеспечение – такой же вид промышленной продукции, как и сама ЭВМ, причем его стоимость зачастую дороже аппаратной части.
Сложность современных цифровых компьютеров привела к возникновению понятия архитектуры компьютеров. Это понятие охватывает комплекс общих вопросов построения цифровых компьютеров, существенных в первую очередь для пользователя, интересующегося главным образом возможностями ЭВМ, а не деталями ее технического исполнения. К числу таких вопросов относятся вопросы общей структуры, организации вычислительного процесса и общения пользователя с машиной, вопросы логической организации представления, хранения и преобразования информации и вопросы логической организации совместной работы различных устройств, а также аппаратных и программных средств машины.
13.3. Большие ЭВМ общего назначения
На первых этапах внедрения ЭВМ в деятельность человека решаемые задачи, в основном, можно было разделить на два больших класса:
- научные и технические расчеты – для них типичным является возможность работы со словами фиксированной длины, относительно небольшие объемы входной информации (исходных данных) и выходной информации (результатов расчета) и очень большое количество разнотипных вычислительных операций, которые необходимо выполнить в процессе решения;
- планово-экономические расчеты, статистика носят совсем иной характер. Они связаны с вводом в машину очень большого количества (массивов) исходных данных. Сама же обработка требует сравнительно небольшого числа простейших логических и арифметических операций. Однако в результате обычно выводится и печатается большое количество информации, причем, как правило, в отредактированной форме – в виде таблиц, ведомостей, различных форм и т.д. Задачи такого типа получили название задач обработки данных. ЭВМ, предназначенные для их решения, часто называли системами автоматизированной обработки данных. Подобные ЭВМ составляли основу систем АСУ.
Для систем обработки данных важно иметь возможность ввода, хранения, обработки и вывода большого количества текстовой (алфавитно-цифровой) информации, которая представлена словами переменной длины. Кроме того, для таких систем важно наличие значительного числа периферийных запоминающих устройств, хранящих большое количество информации (накопители на дисках и лентах), а также высокопроизводительных устройств ввода и вывода данных.
Для решения этих двух типов задач первоначально строили ЭВМ, которые различались уже на уровне аппаратного обеспечения. Однако резкое расширение сферы использования ЭВМ, совершенствование аппаратного и программного обеспечения, расширение понятия научно-технических расчетов привели к стиранию границ между этими двумя типами задач, а следовательно, и типами ЭВМ. В результате появились ЭВМ общего назначения (mainframe), которые стали выполнять основной объем вычислительных работ и машинной обработки информации в различных ВЦ и АСУ.
ЭВМ общего назначения универсальны и могут использоваться как для решения научно-технических задач численными методами, так и в режиме автоматической обработки данных в АСУ. Такие ЭВМ имеют высокое быстродействие, память большого объема, гибкую систему команд и способов представления данных, широкий набор периферийных устройств. Появление персональных компьютеров на некоторое время (3-4 года) снизило интерес к подобным ЭВМ, и их производство стало сокращаться. Однако уже к концу 80-х годов стало ясно, что персональные компьютеры не могут полностью заменить мэйнфреймы. В настоящее время многие фирмы (в том числе IBM) продолжают разрабатывать и выпускать новые модели мэйнфреймов, на долю которых, по мнению некоторых авторов, и приходится основной объем перерабатываемой в мире информации.
Для того чтобы понять радикальные отличия структуры первых микро- и миниЭВМ, появившихся в начале 70 годов, от структур основных типов ЭВМ, существовавших в то время – ЭВМ общего назначения, необходимо рассмотреть структуру типичных представителей этих ЭВМ (например, ЕС–ЭВМ), прототипами которых были машины IBM 360/370. Их быстродействие составляло от 200 тысяч оп/с (ЕС 1030) до 5000 тысяч оп/с (ЕС 1065) и более для старших моделей машин этого семейства. Характерной особенностью подобных ЭВМ было наличие большого количества как "быстрых", так и "медленных" периферийных устройств, которые функционировали параллельно с центральным процессором и требовали специальных средств управления. Упрощенная структура ЭВМ серии ЕС изображена на рис. 13.3.
