40170

ГЕНЕРАТОРЫ НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ И ТАЙМЕРЫ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Для защиты элемента ТТЛ от действия напряжения отрицательной полярности в его входной цепи установлен обратно включенный диод, который шунтирует резистор время задающей цепи. Длительность интервалов tи и Tг определяется

Русский

2013-10-15

766.5 KB

23 чел.

            16 ГЕНЕРАТОРЫ НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ И ТАЙМЕРЫ

16.1 Автогенератор  на основе инверторов ТТЛ

По принципу действия схема повторяет схему транзисторного мультивибратора (рис.16.1). Роль транзисторов выполняют ЛЭ, использующиеся в качестве инверторов.

;

C1=C2=C;

Для защиты элемента ТТЛ от действия напряжения отрицательной полярности в его входной цепи установлен обратно включенный диод, который шунтирует резистор время задающей цепи. Длительность интервалов tи и Tг определяется

;

.

Схема хорошо работает при использовании БЛЭ ТТЛ и КМОП. Для этой схемы условия баланса амплитуд и фаз выполняются в широком диапазоне частот.

Рассмотренное устройство является автогенератором негармонических колебаний.

16.2 Автогенератор с времязадающей RC – цепью

      Автогенератор выполнен на двух инверторах и одной времязадающей RC – цепи (рис. 16.2 а). Резистор R применяется как для перезаряда конденсатора, так и для улучшения условий самовозбуждения схемы. Резистор охватывает инвертор цепью ООС и выводит его на линейный участок передаточной характеристики. Это способствует выполнению условий самовозбуждения генератора. Схема выполнена на БЛЭ КМОП, для которых Rвх→∞, Rвых→0. Переключение элементов схемы происходит в моменты времени, когда Uвх.ДД1=Uпор. Напряжение на времязадающем конденсаторе С изменяется от Uпор- U0>0 до Uпор- U1<0.

      Согласно приведенным диаграммам (рис. 16.2 б):

1 Для интервала

,,;

2 Для интервала

    .

16.3 Автогенератор с времязадающим конденсатором

    Состоит из времязадающего конденсатора и трех инверторов. Является автогенератором негармонических колебаний (рис. 16.3 а).

      Особенности схемы: конденсатор используется при перезаряде в качестве токозадающего элемента выходных цепей инверторов ТТЛ и в процессе работы напряжение на конденсаторе не изменяет своей полярности.

      Принцип работы схемы (рис. 16.3 б).Предположим, что в некоторый момент времени t0=0 на выходе инвертора DD3 установится сигнал U1 и Uc(t0)=0. вследствие этого на выходе инвертора DD1 появится сигнал U0, который через незаряженный времязадающий конденсатор С подтвердит выходной сигнал инвертора DD3. В схеме установится квазистационарное состояние равновесия, характеризующееся тем, что на входе и выходе DD2 будет присутствовать напряжение U0, что противоречит его передаточной характеристике. Поэтому это состояние не может поддерживаться сколь угодно долго. Полагая, Uc(0) и U(t)= Uпор, определяем длительность интервала первого квазиустойчивого состояния схемы

(квазиустойчивым называется состояние схемы, для которого при неизменности выходных сигналов токи и напряжения отдельных элементов изменяются).

В этот момент Uвых инвертора DD3 уменьшается до U0, что должно привести к появлению на выходе DD1 напряжения U1. Но это невозможно, т.к. в этом случае и на входе и на выходе DD2 будут действовать напряжения «1».   Uвых инвертора DD2 должно равняться сумме Uвых DD1 и напряжения времязадающего конденсатора, достигшего к этому времени значения Uпор. На выходе DD1 устанавливается напряжение Uпор,  а Uвых DD2 скачком увеличивается до значения 2 Uпор.

Описанное состояние не может быть устойчивым, и в схеме начинается разряд времязадающего конденсатора С. Изменение напряжения времязадающего конденсатора происходит по линейному закону

.

В момент t2 напряжение конденсатора уменьшается до нуля, происходит очередное переключение инвертора DD3 и процесс работы автогенератора повторяется.

Длительность интервала разряда времязадающего конденсатора

.

Период выходных импульсов автогенератора

.

16.4 Быстродействующий генератор

В быстродействующих автогенераторах их частота соизмерима с граничной частотой БЛЭ. Схемы состоят из N последовательно включенных ЛЭ, охваченных ООС, число которых должно быть нечетным (рис.16.4 а, б).

В исходном состоянии переключатель S замкнут и схема находится в устойчивом состоянии, при котором выходные напряжения всех нечетных элементов равны U1, четных U0. размыкание в момент t0 ключа S равносильно подаче на вход первого ЛЭ двух единичных входных сигналов. Поэтому через время равное , произойдет изменение его выходного напряжения.

Сигнал U0 с входа DD1 попадает на вход второго ЛЭ, что, в свою очередь, через временной интервал  изменит и его выходное напряжение с U0 до

U1, и т.д. Переключение элементов будет происходить последовательно друг за другом. Частота выходных колебаний определяется временами задержки распространения импульса  ЛЭ. Период колебаний в таких схемах определяется выражением

.

16.5  Стабилизация частоты автогенератора

На стабильность частоты автогенератора влияет температура, параметры ЛЭ и внешних времязадающих цепей. Нестабильность бывает свыше 10 %. Чаще всего применяется кварцевая стабилизация. При этом в качестве времязадающего элемента в генераторе используют кварцевый резонатор.

Схема генератора построена на основе мультивибратора (рис.16.5). Частота выходного напряжения определяется параметрами кварцевого резонатора G. Резистор R выбирается из условия надежного возникновения колебаний (К>1). Изменением емкости конденсатора можно в незначительной степени подстраивать частоту выходных колебаний. Логический элемент DD3 является буферным и  предназначен для улучшения формы выходных колебаний.

16.6 Таймеры

Это электронное устройство, предназначенное для формирования импульсных сигналов с регулируемой длительностью и скважностью. Разделяются на однотактные и многотактные.

16.6.1 Однотактный таймер

Служит для формирования временных интервалов длительностью от единиц микросекунды до единиц часа.

Длительность формируемого этим устройством временного интервала определяется параметрами внешней времязадающей цепи (рис 16.6).

По активному значению сигнала Uзап RS – триггер устанавливается в единичное состояние, что приводит к размыканию ключа S1. начинается заряд конденсатора С внешней цепи. В момент, когда напряжение на конденсаторе достигает уровня опорного напряжения Uоп, происходит срабатывание компаратора DA1, и его выходной сигнал сбрасывает RS – триггер. Ключ S при этом замыкается и конденсатор С разряжается. Однотактый таймер может формировать только одиночные импульсы.

16.6.2 Многотактный таймер

Служит для формирования импульсов сверхнизкой частоты с продолжительностью импульсов с продолжительностью до несколих десятков часов.

Различают программируемые, в которых временной интервал задается программным способом, и специализированные таймеры, счетчик, которых имеет жестко заданный коэффициент пересчета.

Схема содержит однотактный таймер и двоичный счетчик, совместная работа которых формируется логическим блоком (рис.16.7).

В таймере происходит умножение постоянной времени внешней RC – цепи на модуль счета счетчика с Т. При подаче запускающего сигнала Uзап включается мультивибратор, выполненный на однотактном таймере. Его выходные импульсы поступают на счетный вход счетчика. На выходах последнего может быть сформировано несколько последовательностей импульсов с периодом от Т до (2N-1)TИ, где TИ – период импульсов, снимается с выхода однотактного таймера; N – число триггеров в счетчике с Т.

Наибольшее применение нашел однотактный таймер типа 1006ВИ1. На основе таймера выполнены схемы автогенератора (мультивибратора), преобразователя напряжения в частоту, ждущего мультивибратора и д.р.

17 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Служат для хранения больших объемов информации, выполненных на специализированных ИС.

17.1 Основные определения

Емкость ЗУ (М) определяет максимально возможный объем хранимой в нем информации.

Бит – единица измерения количества информации. Это количество информации, соответствующее одному разряду двоичного кодового слова. Численно бит может быть равен «0» или «1». Информация в один бит хранится в одном элементарном запоминающем элементе (ЭЗЭ).

Байт – восьмиразрядное кодовое слово.

1Кбит=210бит=1024 бит;

1Мбит=220бит=1048576 бит;

«Организация ЗУ» (N×L) – число кодовых слов (N), хранимых в ЗУ с указанием их длины (разрядности) (L).

М=NL.

Время выборки tА – временный интервал между подачей на вход памяти заданного сигнала и получением а выходе данных при условии, что все остальные сигналы поданы.

Время цикла адреса в режиме записи – минимальное время совпадения сигналов а управляющих входах памяти, необходимое для надежной записи в нее информации.

По выполняемой функции ЗУ классифицируются:

1 ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;

2 ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;

ОЗУ используется для хранения информации, получаемой в процессе работы устройства. В статических ОЗУ записанная информация постоянно хранится в выделенном для нее месте и не разрушается при ее считывании. Разрушение информации возможно только при ее принудительном стирании или отключении напряжения источника питания. В динамических ОЗУ информация постоянно циркулирует в массиве, отведенном для ее хранения. При этом считывание информации сопровождается ее разрушением. Для сохранения информации ее необходимо перезаписать заново.

Основное требование ОЗУ – обеспечение максимально возможного быстродействия.

На схемах ОЗУ обозначается RAM (Random Access Memory).

ПЗУ предназначены для хранения информации, остающейся неизменной в течении всего времени эксплуатации устройства. В зависимости от возможности записи информации ПЗУ разделяются на три класса: масочные ПЗУ, программируемые ПЗУ, репрограммируемые ПЗУ.

На схемах ПЗУ обозначается RОM (Read Only Memory).

17.2 ЗУ с одномерной адресацией

Одномерная адресация является способом нахождения нужного элемента с хранимой информацией в 1 бит в массиве других однотипных элементов.

В приведенной схеме  (рис. 17.1) ЗУ М=16, организация 4×4. структура содержит матрицу 4×4 ЭЗЭ. Каждый из которых снабжен тремя выводами: входом информации IN, выходом информации OFF и выходом разрешения работы выбора кристалла (CSchip select), дешифратор адреса, входные и выходные ключи на элементах 2И. Если на вход дешифратора подано некоторое адресное слово, на соответствующем его выходе формируется сигнал «1», который выбирает все ЭЗЭ, расположенные в одой из строк матрицы.

Дальнейшая работа устройства зависит от того, какой режим работы задан управляющими сигналами. Если подан сигнал «чтение» (), то информация из выбранных ячеек подается на первые входы выходных элементов 2И. На вторые входы этих ключей подан единичный (пассивный) логический сигнал. Информация, хранившаяся в выбранных ЭЗЭ, попадает выходные выводы DO0, DO01, DO2, DO3. Если на схему подан сигнал «запись» (), то информация с выходных шин DI0, DI1, DI2, DI3 через выходные элементы 2И подается на входы ЭЗЭ и записываются в них.

Особенностью данной структурной схемы является одновременная запись и считывание информации, хранящаяся в строке матрицы ЭЗЭ.

В ЗУ с двумерной адресацией происходит побитовая запись – чтение информации. В отличие от предыдущей схемы каждый ЭЗЭ матрицы содержит не один, а два вывода разрешения работы (CS1 и CS2). При этом информационные выводы р1 и р2 являются обратимыми, т.е. позволяют как записывать, так и считывать информацию. Для выбора нужной ячейки на оба входа CS необходимо подать активные логические уровни.

17.3  Увеличение памяти объёма ЗУ

17.3.1 Организация ЗУ при наращивании разрядности выходного слова

Увеличить разрядность хранимых в памяти слов можно параллельным включением нескольких одинаковых ИС.

На рис.17.2 показано построение ЗУ с организацией 1К×4 бит на основе ИС с организацией 1К×1. для этого один и тот же адрес необходимо подать одновременно на адресные входы четырех ИС. С выхода D0 каждой ИС по указанному адресу будет считан 1 бит информации. Следовательно, подключив выходы ИС к соответствующим разрядам четырехразрядной шины, с последней можно считать четырехразрядное слово.

Следовательно, наращивание разрядности информационных слов выполняется просты соединением имеющихся ИС.

17.3.2 Организация ЗУ при наращивании числа хранимых слов

Увеличение количества хранимых слов достигается использованием дополнительного дешифратора, предназначенного для формирования сигнала разрешения работы нескольким параллельно включенным по входам ИС.

На схеме (рис. 17.3) показано исполнение памяти 4К×1 на основе ИС с собственной организацией 1К×1. для обращения к объему памяти в 4К необходимо двенадцатиразрядное адресное слово. Интегральная схема заданного типа управляется десятиразрядным адресным словом. Два старших разряда адреса А11 и А10 подаются на адресные входы дополнительно дешифратора, выходы которого подсоединены ко входам  соответствующих ИС. Поэтому при подаче адреса дешифратор старших разрядов из четырех ИС выберет только ту, в которой хранится нужная информация. Выходы остальных ИС будут отключены от выходной шины данных, с которой будет считана только соответствующая поданному адресу информация.

17.4 Статические ОЗУ на биполярных транзисторах

ЭЗЭ применяется в ЗУ с двумерной адресацией.

Состоит из двух инверторов, выполненных на трехэммиторных транзисторах VT1 и VT2 (рис. 17.4) инверторы включены последовательно и охвачены ПОС. две пары попарно объединенных эмиттеров транзисторов образуют выводы выборки элемента CS1 и CS2. третья пара эмиттеров транзисторов образует прямой Р1 и инверсный Р2 выходы элемента.

В режиме хранения на один или оба вывода выборки (CS1, CS2) ЭЗЭ подано напряжение низкого уровня. При этом триггер, образованный инверторами, находится в одном из устойчивых состояний. Предположим, VT1 – насыщен, а VT2 – заперт. Весь ток VT1 замыкается через один из выводов выборки элемента на общую шину. Поэтому в цепи выходного вывода Р1 ток отсутствует и информация из ЭЗЭ не попадает на вход усилителя считывания.

      Для считывания информации на оба входа выборки элемента необходимо подать напряжение высокого уровня. При этом единственным путем протекания тока транзистора является выходной вывод Р1 ЭЗЭ. Этот ток создает на входном сопротивлении усилителя считывания URвх.ус., полярность которого соответствует записанной в элемент информации. При подаче на выводы выборки напряжения низкого уровня триггер остается в том же состоянии.

Для записи в элемент новой информации на него первоначально подаются сигналы выборки. После этого на внешних шинах устанавливается полярность напряжения, соответствующая новой информации. В данном случае на вывод Р1 подается напряжение высокого уровня, а на Р2 – низкого. При этом так как все цепи протекания эмиттерного тока VT1 оказываются разорванными, а на его коллекторе формируется напряжение высокого уровня. Это напряжение насыщает VT2, который, формируя на своем коллекторе напряжение низкого уровня, подтверждает запертое состояние транзистора VT1. В ЭЗЭ записывается новая информация. После снятия с эмиттера сигналов выборки новая информация в триггере будет хранится в триггере до момента очередной перезаписи.

Данный элемент позволяет соединять параллельно выходы любого числа элементов и использовать для чтения – записи одни и те же выводы.

Если из многоэмиттерных транзисторов элемента исключить по одному элементу, получим элемент с одномерной адресацией.

Применение ЭЗЭ статических ОЗУ полевых транзисторов  позволяет получить более высокую степень упаковки элементов, уменьшить стоимость и потребляемую мощность. Но при этом снижается быстродействие ОЗУ.

17.5 Динамические  ОЗУ

По сравнению со статическими, динамические ОЗУ обладают меньшим быстродействием, но они проще, дешевле и обеспечивают больший объем хранимой информации.

ЭЗЭ включает конденсатор Сn транзисторный ключ VT1, подключающий этот конденсатор к шине данных (ШД) (рис.17.5). Затвор VT1 подключен к выводу дешифратора адреса CS. Поэтому при появлении на данном выходе дешифратора напряжения высокого уровня VT1 открывается, подключая Cn к ШД. В этом случае в зависимости от режима работы можно или считать уже имеющуюся информацию, или записать новую. К ШД подключен затвор VT2, выполняющего роль усилителю считывания. После подключения нужного конденсатора к ШД с выхода усилителя снимается напряжение, пропорциональное исходному напряжению на конденсаторе Сn.

        Считывание информации включает следующие операции:

1 Перед считыванием информации фиксируют уровень напряжения ШД, для чего при помощи ключа VT3 емкость СШ заряжают до напряжения питания;

2 На нужный ЭЗЭ подают сигнал выборки CS; Сn подключается к Сш, что сопровожда  ется перераспределением заряда и соответствующим изменением напряжением на ШД;

3 С выхода усилителя считывают сигнал, пропорциональный заряду конденсатора, выбранного ЭЗЭ.

Считывание информации из ЭЗЭ всегда сопровождается ее разрушением. Поэтому при необходимости ее дальнейшего хранения информация должна быть записана заново.

Запись информации в ЭЗЭ выполняется с использованием VT3 и VT4, которые по сигналу управления подключают ШД либо к источнику питания, либо к общей шине. При выборе нужного ЭЗЭ его конденсатор заряжается до напряжения ШД.

17.6 Постоянные ЗУ (ПЗУ)

Служат для хранения информации, которая остается неизменной в течение всего времени работы устройства. Эта информация не исчезает при снятии напряжения питания. Поэтому в ПЗУ вложен только режим считывания информации, причем считывание не сопровождается разрушением.

Схема ПЗУ с организацией 4×8 (рис.17.6) включает дешифратор с двумя адресными шинами, восемь балластных резисторов Rб0Rб7 выходных шин и диоды, число которых равно числу «1» в информационных словах, записанных в ПЗУ.

При появлении на выходе дешифратора напряжения высокого уровня при наличии связи через диод между ША (адресная шина) и ШД, это напряжение прикладывается к соответствующему балластному резистору, что в положительной логике воспринимается как появление на шине сигнала «1». При отсутствии связи ток через соответствующий резистор не протекает, что при тех же допущениях классифицируется как сигнал «0».

В зависимости от типа и способа организации связи между ШД и ША все ПЗУ могут быть разбиты на три подкласса: масочные, прожигаемые (программируемые) и репрограммруемые.

17.6.1 Масочные ПЗУ

Информация в эти ПЗУ записывается непосредственно в процессе изготовления. Если соединительный транзистор выполнен полостью, то при появлении на ША напряжения активного уровня этот транзистор включается, формируя на выходной шине напряжение «0». Если соответствующий транзистор в процессе изготовления был лишен некоторых своих частей, появление напряжения на ША не сопровождается закорачиванием выходной шины, и на ней остается напряжение «1» (рис.17.7).

17.6.2 Прожигаемые ПЗУ

Прожигаемые ПЗУ – это однократно программируемые ПЗУ. Это устройство с одномерной адресацией, в котором для выделения информационного слова нужной длины используется выходной селектор (мультиплексор или демультиплексор) (рис.17.8). Первоначально по всем адресам таких ИС записаны «0» или «1». Пользователь по своему усмотрению переписывает по необходимым адресам отличные от исходных контакты. Физически процесс записи осуществляется путем пережигания специально для этого предусмотренных перемычек между линиями дешифрированного адреса и выходными выводами. Такие перемычки изготавливаются из нихрома, поликремния или титаната вольфрама и имеют собст-

венное сопротивление в несколько десятков ом. Перемычка обычно включается в эмиттерную цепь транзистора. При программировании для разрушении такой перемычки через транзистор необходимо пропустить импульс тока в 20..30 мА длительностью порядка 1 мс.

Импульс тока записи формируется путем кратковременного повышения напряжения питания ЭЗЭ до необходимого для пережигания перемычки значения. Записанная таким образом информация не может быть изменена.

Графическое обозначение ППЗУ приведено на рис.17.9.

  1.  Репрограммируемые ПЗУ

Структура ЭЗЭ РПЗУ подобна логике динамического ОЗУ. Отличие состоит в том, что носителем информации в нем является не конденсатор, а специализированный МДП – транзистор. В зависимости от типа этого транзистора различают два вида РПЗУ:

1 Устройства, использующие в качестве элемента памяти так называемый транзистор с «плавающим» затвором;

2 Устройства, использующие в качестве элемента памяти МДП – транзистор с двухслойным диэлектриком — МНОП - транзистор.

Общим для обоих видов является, помимо быстрого считывания ранее записанной информации, возможность ее неоднократной перезаписи. Перезапись информации требует изъятия ИС РПЗУ из устройства и использование специализированного оборудования. Сам процесс записи занимает временной интервал, на много порядков превышающий время ее считывания. Отличие указанных типов РПЗУ состоит в различных способах программирования.

Элементарный ЗЭ РПЗУ с одномерной адресацией приведен на рис.17.10.

Транзистор VT1 служит для выбора по сигналу с выхода дешифратора адреса соответствующего транзистора памяти ЭЗЭ – VT2. ШД через ограничительный резистор R1 подключена к выводу источника питания. При отпирании VT1 протекание тока в цепи его стока зависит от состояния транзистора VT2. наличие или отсутствие тока классифицируется как хранение «0» или «1».

1 Перезапись информации в транзистор с «плавающим» затвором. (Это обычный МДП – транзистор, у которого затвор представляет из себя проводящую область, изолированную от других частей прибора слоем диэлектрика). Состоит из двух этапов:

а) Стирание информации. При этом поверхность полупроводникового материала облучают 15…20 минут ультрафиолетовым светом. При этом происходит удаление существовавшего на затворах заряда. По этой причине этот тип РПЗУ также называют ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием.

б) Запись информации. При этом p-n – переход, образованный стоком транзистора и подложкой, смещают в обратном направлении. Приложенное напряжение должно быть достаточным для электрического пробоя перехода. Часть носителей заряда, возникших в результате пробоя, имеет энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера между полупроводником и диэлектриком. Инжектированные в диэлектрик носители дрейфуют по направлению к затвору и, захватываясь им, образуют заряд последнего.

2 Перезапись информации в МНОП – транзистор. Запись информации в ячейки на МНОП – транзисторах происходит также, как для транзистора с плавающим затвором. Однако они выгодно отличаются от вышеописанных возможностью электрического стирания информации.

      С течением времени электрический заряд а транзисторах ЭЗЭ обоих видов убывает, поэтому со временем информация в таких ПЗУ теряется.

На рис.17.11 обозначена РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием 573РФ6А. Схема имеет организацию 8К×8. гарантированное время хранения информации при подключенном источнике питания не менее 20000 часов.

Схема имеет 13 адресных выводов (А12..А0), 8 выводов, входов-выходов данных (DO7..DO0), вывод выбора ИС (), вывод разрешения по входу (), вывод сигнала программирования , вывод для подключения напряжения программирования UPR.

18 АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП),

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ЦАП)

АЦП служит для преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины в эквивалентные ей числовых кодов.

ЦАП служит для преобразования входной величины, представленной последовательностью числовых кодов, в эквивалентные им значения заданной физической величины.

Результат преобразования оценивается точностью.

18.1 Аналого – цифровое преобразование

Аналого – цифровое преобразование заключается в следующем:

1 Выборка значений исходной аналоговой величины некоторые наперед заданные дискретные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала по времени;

2 Квантование (округление до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины по уровню;

3 Кодирование – замена найденных квантованных значений некоторыми числовыми кодами.

Рассмотрим на примере. U(t) – аналоговая зависимость.

Для получения ее дискретного эквивалента U(nTД)= {U(0), U(2TД),…} необходимо провести выборку ее значений в дискретные моменты времени nTД, где n=0,1,2,… – целое число; TД – период выборки или дискретизации (рис.18.1).

Процесс замены аналоговой функции U(t) дискретной функцией U(nTД) называется дискретизацией сигнала во времени. Операция квантования по уровню дискретной функции U(nTД) заключается в отображении бесконечного множества ее значений на некоторое конечное множество

значений Un٭, называемых уровнями квантования. Для выполнения этой операции весь динамический диапазон  изменения дискретной функции U(nTД) разбивают на некоторое заданное число уровней N и производят округление каждой величины U(nTД) до ближайшего уровня Un٭. Величина h=D/N называется шагом квантования. Результатом операции квантования по уровню является функция Un٭, которая может принимать N+1 значение.

Для последней операции выбирается код К={К1, К2,…}, способный отображать не менее (N+1)-го значения, и каждому дискретному значению Un٭ поставить в соответствие код Кi. В простейшем случае в качестве кода может быть использована последовательность чисел, соответствующих порядковым номерам уровней квантования. При таком выборе кода представленная на рис.18.1функция U(t) может быть заменена последовательностью десятичных чисел: Кn={0,1,3,4,4,5,4,4,3,2,2} или в двоичной форме Кn={000, 001, 011, 100, 100, 101, 100, 100, 011, 010, 010}.

В аналитической форме процесс АЦП представляется выражением

,

где результат в скобках округлен до ближайшего целого числа, SKni – погрешность преобразования на i-том шаге.

В процессе квантования вносится погрешность εi, определяемая неравенством –h/2≤ εih/2.

Величина εi носит название шума квантования и однозначно определяется числом допустимых значений функции Un٭, т.е. разрядностью используемого числового кода.

18.2 Процесс цифро–аналогового преобразования

Процесс цифро–аналогового преобразования заключается в следующем:

1 Формирование в заданном диапазоне изменения выходного сигнала М его дискретных значений Uм٭, отличающихся на некоторое значение а, и постановка каждому сформированному уровню в соответствие некоторого кода Кi;

2 Последовательное, с заданным временным интервалом Т1, присвоение выходному сигналу значений, выделенных уровней, соответствующих входной последовательности кодов Кi.

Предположим, что а=h и Т1Д, то результатом цифро – аналогового преобразования полученной ранее последовательности кодов Kn будет, показанная на рис.18.1 ступенчатая функция Un٭. Эта функция, хотя и непрерывна во времени, но остается дискретной по уровню, что является результатом погрешности, обусловленной шумом квантования. Сам процесс ЦАП не вносит собственных погрешностей, а лишь материализует погрешности, полученные в АЦП. Возникающие при преобразовании погрешности лишь инструментальные (за счет измерительных средств).

Математически алгоритм ЦАП записывается

,

где  - погрешность преобразования на i-том шаге.

18.3 Основные характеристики преобразования

Различают статические и динамические. Статические характеристики задают конечную точность преобразования. Динамические - описывают быстродействие данного класса устройств.

      1 Динамические характеристики:

а) Максимальная частота преобразования (fc max) – наибольшая частота дискретизации, при которой заданные параметры соответствуют установленным нормам;

б) Время установления выходного сигнала (tS) – интервал от момента заданного изменения кода на выходе ЦАП до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону заданной ширины, симметрично расположенную относительно установившегося значения. отсчет времени tS ведется от момента достижения входным сигналом значения половины логического перехода (аналогичный параметр для АЦП – время преобразования tC)  (рис.18.2).

      2 Статические характеристики:

а) Число разрядов (b) – число разрядов кода, отображающего исходную аналоговую величину, которое может формироваться на выходе АЦП или подаваться на вход ЦАП;

б) Абсолютная разрешающая способность – средние значения минимального изменения сигнала на выходе ЦАП (а), или минимального изменения входного сигнала АЦП (m), обусловленные увеличением или уменьшением его кода на единицу. Значение абсолютной разрешающей способности обозначается ЕМР (единица младшего разряда) или МР (младший разряд);

3 Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы (δFS) – отклонение реальных максимальных значений входного для АЦП (UIRN) и выходного для ЦАП (UОRN) аналоговых сигналов от значений соответствующих конечной точке идеальной характеристике преобразования (UОRN_max и UIRN_max) (рис.18.3). Применительно к АЦП наличие δFS означает, что максимальный выходной код будет сформирован на выходе устройства при входном сигнале Uвх= UIRN_max- δFS. По аналогии для ЦАП – при подаче на вход максимального кода его выходное напряжение будет отличаться от UОRN_max на величину δFS (измеряется в ЕМР), которая также называется мультипликативной погрешностью;

       4 Напряжение смещения нуля U0. Для АЦП – это напряжение Uвх0, которое необходимо приложить к его входу для получения нулевого выходного кода. Для ЦАП – это напряжение, присутствующее на его выходе (Uвых0) при подаче на вход нулевого кода. Выражается в ЕМР;

      5 Нелинейность (δL) – отклонение действительной характеристики преобразования от линейной (рис.18.4). Для ЦАП это напряжение измеряется относительно центров ступеней характеристики. δ'L – абсолютное значение нелинейности. δL измеряют в ЕМР или в %;

     6 Дифференциальная нелинейность (δLД). Это отклонение действительного шага квантования δ'LД от его среднего значения (h) (рис.18.4). Измеряется в ЕМР или %. Эта величина связана с определением монотонности характеристик АЦП и ЦАП.

18.4 ЦАП с суммированием токов

ЦАП применяет метод суммирования эталонов-источников тока. Данное устройство в общем случае содержит «b» (по числу разрядов входного позиционного кода X) источников тока и «b» управляемых разрядами этого кода переключателей S. Если в i-том разряде входного кода X присутствует сигнал «1» (xi=1), соответствующий переключатель Si подключает эталонный источник тока I02i к сопротивлению нагрузки RН (вывод а схемы). В противном случае (xi=0), переключатель Si закорачивает соответствующий источник, и ток I02i не протекает через нагрузку. В результате ток резистора RН (), пропорционален значению входного кода. При условии RН=const выходное напряжение UОRN= RН IОRN также пропорционально входному коду (рис.18.5 а).

На практике для получения напряжения, пропорционального входному коду, к выводам «а» и «b» подключают операционный усилитель (ОУ). Напряжение между входами ОУ всегда равно нулю. Поэтому Ua=Ub=0 и по первому закону Кирхгофа UОRN= RООС IОRN, т.е. выходное напряжение ОУ прямо пропорционально выходному току ЦАП и сопротивлению RООС, и не зависит от сопротивления выходной нагрузки ОУ (рис.18.5 б).

  1.  АЦП последовательного счета

Состоит из генератора тактовых импульсов, элемента 2И DD1, счетчика DD2, ЦАП, компаратора DA (рис.18.6).

В исходном состоянии на вход установки в нуль счетчика DD2 подан активный логический сигнал. Счетчик сброшен, его выходной код равен нулю. Равно нулю и выходное напряжение ЦАП. Поэтому, если Uвх>0, то на выходе компаратора присутствует сигнал «1» и тактовые импульсы с выхода генератора тактовых импульсов (ГТИ) через элемент 2И DD1 поступают на вход С счетчика. Однако, так как сигнал на выходе R=0, то выходной код счетчика Х=0.

Преобразование начинается в момент снятия со входа R активного логического

сигнала (импульс «Пуск»). В этом случае с приходом каждого такового импульса с выхода ГТИ счетчик выполняет операцию инкремента. Его выходной код начинает увеличиваться. Соответственно увеличивается и выходное напряжение ЦАП (рис.18.7). Этот процесс продолжается до тех пор, пока выходное напряжение ЦАП е превысит величину Uвх. В этот момент компаратор DA сформирует на выходе сигнал «0». В результате на выходе элемента 2И DDA1 также будет сформирован сигнал «0» и увеличение выходного кода счетчика прекратится.

Значение выходного кода будет прямо пропорционально Uвх и обратно пропорционально абсолютной разрешающей способности используемого ЦАП: Nвых= Uвх/а.

Для повторения цикла преобразования необходимо импульсом «Пуск» счетчик установить в нуль.

Время преобразования в рассмотренном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов ГТИ (ТГТИ):

tC= ТГТИNвых= ТГТИUвх/а.

Рассмотренный режим работы называется циклическим, т.к. каждый раз импульс «Пуск» сбрасывает счетчик DD2 и поэтому счет (преобразование) всегда начинается с нуля.

Если в АЦП использовать реверсивный счетчик, то можно реализовать нециклический режим работы, характеризующийся более высоким быстродействием. В этом случае на выходе счетчика постоянно присутствует код, пропорциональный текущему значению выходного напряжения.

Общим недостатком рассмотренных схем является значительная длительность интервала t1, в течении которого выходной код счетчика должен достичь значения, эквивалентного выходному напряжению. Увеличение точности требует увеличения разрядности используемых счетчика и ЦАП, что ведет к падению быстродействия рассмотренных устройств. Поэтому данный тип АЦП применяется редко при разработке ИС.

  1.  АЦП параллельного преобразования

Является самым быстродействующим. Устройство содержит 2b-1 компараторов К, на объединенные инвертирующие входы подается входной преобразуемый сигнал (рис.18.8). На неинвертирующие входы компараторов подаются напряжения, численно равные уровням квантования Un٭. В результате с выходов компаратора снимается параллельный N-разрядный единичный код. Число единиц в нем равно числу уровней квантования по величине меньших значений Uвх.

Полученный единичный код подается на вход преобразователя кода (ПК), в котором он преобразуется в двоичный с числом разрядов b=lg2N. С выхода ПК двоичный код через логические переключатели на элементах 2И подается на вход статического регистра, с выхода которого он и считывается. Перезапись кода ПК в статический регистр происходит по сигналу «Запись». Этот сигнал подается в схему после того, как все переходные процессы, связанные со срабатыванием компараторов и получением двоичного кода завершены.

Для получения напряжений, равных уровням квантования в схеме, использован делитель напряжения на N одинаковых резисторах, подключенный к выходу источника эталонного напряжения UREF. Формирование в данном АЦП выходного кода одновременно по всем разрядам предполагает получение максимально возможного быстродействия. Его время преобразования определяется только структурой ПК и собственным быстродействием используемой элементной базы.

  1.  АЦП поразрядного кодирования

Основу устройства составляет регистр последовательных приближений (РПП) (рис.18.9).

      По каждому импульсу ГТИ РПП последовательно, начиная со старшего разряда, формирует на выходах Q сигнал «1», который в зависимости от сигнала, поступающего на его управляющий вход с выхода компаратора, либо остается неизменным, или заменяется сигналом «0». По временным диаграммам в момент t0 по сигналу «Пуск» в выходной статический регистр РПП, выполненный на RS – триггерах DD3.1,…,DD3.n, записывается код, содержащий единицу только в старшем разряде Qn. Этот код при помощи ЦАП преобразуется в напряжение UОRN1, которое на входе компаратора DA сравнивается с входным напряжением устройства. Если UОRN1> Uвх, то на выходе компаратора формируется единичный сигнал, если UОRN1< Uвх – то нулевой сигнал (рис.18.10). Одновременно сигналом «Пуск» в младший разряд Q0 сдвигового регистра DD1 РПП по фронту ГТИ также записывается сигнал «1». Этот сигнал открывает логический переключатель на элементах 2И DD2.1 и выходной сигнал компаратора на вход RS – триггерах DD3.1. Если UОRN1> Uвх, то триггер DD3.1 сбрасывается и на входе РПП формируется нулевой код. Если UОRN1< Uвх, то триггер DD3.1 остается установленным и на выходе РПП сохраняется код с единицей в старшем разряде.

Следующий фронт ГТИ сдвигает код, записанный в DD1 влево. В результате этого сигнал «1» перемещается в первый разряд (Q1), что устанавливает триггер DD3.2. На выходе РПП формируется код, содержащий единицу в разряде Qn-1, а на выходе ЦАП – новое значение напряжения, равное UОRN2. Это напряжение также сравнивается с Uвх. Т.к. сигнал «1» присутствует только на выходе Q1 регистра DD1, то выходной сигнал компаратора DA может воздействовать на вход R только триггера DD3.2. При этом, если UОRN2>Uвх, то DD3.2 сбрасывается, а если UОRN2< Uвх -  триггер остается установленным.

Следующий импульс ГТИ сдвигает код, записанный в DD1 влево, и процесс продолжается аналогично описанному до тех пор, пока сигнал «1» не достигнет старшего разряда Qn регистра DD1. При этом по импульсу ГТИ регистр DD1 устанавливается в нуль и процесс преобразования завершается. Искомое значение выходного кода считывается с выхода РПП. Из приведенного алгоритма следует, что число импульсов, необходимое для выполнения преобразования, равно разрядности выходного кода АЦП, т.е. время преобразования

tC=bTГТИ.

Это время меньше, чем в АЦП последовательного действия. Данное АЦП находит широкое применение при разработке ИС, т.к. отличается хорошим быстродействием и пустотой.

PAGE  143

Рис.17.3 Организация ЗУ при наращивании числа хранимых слов

A9

A10

A11

A0

Q3

Q2

Q1

Q0

A1

DC

A0

D0

RAM

EMBED Equation.3

A9

A0

б)

0

TГ

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

t

UвыхDD3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

t

UвыхDD2

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

t

UвыхDD1

Uс

Рис 16.1 Автогенератор на инверторах ТТЛ

Uвх2

Uвх1

Uвых2

C2

DD2

Uвых1

C1

DD1

R2

VD1

VD2

R1

б)

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

б)

EMBED Equation.3

С

DD3

б)

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Uпор

Рис.16.2 Автогенератор с времязадающей RC – цепью (а); Диаграмма работы

автогенератора (б)

а)

Uвых

R

DD1

DD2

C

UЛП

UвхDD1

Uс

Uвых

t

t

t

t1

t0

t2

t

Рис.16.4 Быстродействующий автогенератор (а);

Диаграмма работы (б)

а)

S

R

DD2

&

DD3

&

DD1

&

Uвых

Un

DD2

DD1

Uвых

б)

а)

Uпор

2Uпор

Uпор

Uс

t

UвыхDD2

t

U1

t

UвыхDD3

Uпор

t3

UвыхDD1

t

t1

t0

t2

Рис.16.3 Автогенератор с времязадающим конденсатором (а); Диаграмма работы (б)

D1

Рис.17.1  ЗУ с одномерной адресацией

DO3

DO2

DO1

DO0

WP/RD

OFF

IN

DI3

DI2

DI1

DI0

CS

2

3

1

0

A1

A0

DC

&

&

&

&

&

&

&

&

Рис.16.5  Стабилизация частоты автогенератора включением кварцевого резонатора

Uвых

C

G

DD1

&

DD2

&

DD3

&

R

Рис.16.6 – Однотактный таймер

Однотактный таймер

С

Uвых

Uвх

Un

Uзап

S

Комбинационное устройство

Uоп

DA1

R

S

T

R

Рис.16.7  Многотактный таймер

Qn

Qn-1

Q0

СT

С

R

Логический блок

Однотактный таймер

UСбр

Uзап

R

+Un

C

D0

RAM

EMBED Equation.3

A9

A0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

D1

D0

RAM

EMBED Equation.3

A9

A0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

D1

D0

RAM

EMBED Equation.3

A9

A0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

D1

...

...

x

EMBED Equation.3

Рис.17.2  Наращивание разрядности

выходного слова

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

x3

x2

x1

x0

A9

A0

D0

RAM

EMBED Equation.3

A9

A0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

D1

...

D0

RAM

EMBED Equation.3

A9

A0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

D1

D0

RAM

EMBED Equation.3

A9

A0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

D1

D0

RAM

EMBED Equation.3

A9

A0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

D1

...

Рис.17.4 Элементарный

запоминающий элемент

CS2

Rвх ус

Rвх ус

VT2

VT1

CS1

+Un

P1

P2

R1

R2

Рис.17.5– Фрагмент структурной схемы динамического ОЗУ

y1

y0

Выход

+Un

CS

ШД

VT4

VT3

VT2

R1

Сш

ЭЗЭ

VT1

Cn

Рис.17.6 Схема ПЗУ с организацией 4×8

DO7

DO3

DO4

DO5

DO6

DO2

DO1

DO0

A1

A0

11

10

01

00

Rб1

Rб2

Rб3

Rб4

Rб5

Rб6

Rб7

Rб0

A1

A0

DC

Рис.17.7 Фрагмент матрицы ЭЗЭ масочной  ПЗУ

DO0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

+Un

xi выб

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

An

A0

DC

An-1

Am

An-1

A0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Селектор

CS

Qn-1

Q1

Q0

DC

EMBED Equation.3

ЭЗЭ

ЭЗЭ

ЭЗЭ

ЭЗЭ

ЭЗЭ

ЭЗЭ

ЭЗЭ

ЭЗЭ

ЭЗЭ

ЭЗЭ

ЭЗЭ

ЭЗЭ

CS

Qn-1

Q1

Q0

DC

DOi

DO0

Буфер

Рис.17.8 Структура прожигаемого ПЗУ

Рис.17.9 Графическое обозначение ИС ППЗУ типа 556РТ16

EMBED Equation.3

DO0

DO7

PROM

EMBED Equation.3

A12

A0

Рис.17.10 ЭЗЭ РПЗУ с

одномерной адресацией

S - исток

G - затвор

D - сток

S

G

D

ВК

ШД

VT2

VT1

+Un

R1

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

A0

A12

EMBED Equation.3

EPROM

DO7

DO0

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Рис.17.11  РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием

Рис.18.1 Аналого – цифровое преобразование

t

U

EMBED Equation.3

U(t)

U(2ТД)

U(3ТД)

UД)

5h

4h

3h

2h

h

10ТД

Д

Д

Д

Д

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

1EMP

t

t

tS

Код

Uуст

UORN

0,5U

U

Рис.18.2 Динамические характеристики:

время установления выходного сигнала (tS)

реальная

идеальная

2в

UIRN max

δFC

δ'L

U0

UIRN

Код

Рис.18.3 Абсолютная погрешность

преобразования

Рис.18.4 Нелинейность характеристики преобразования

реальная

идеальная

δ'L

- δ'LД

+δ'LД

h

h

x

xmax

URN mах

URN

h

а)

RH

b

a

x0

x1

xb-1

xb-2

Sb-1

Sb-2

S1

S0

I02b-2

I02b-1

I021

I020

UORN

IORN

UORN

IORN

R/20

R/21

R/2b-2

R/2b-1

RООС

UREF

b

a

x0

x1

xb-1

xb-2

Sb-1

Sb-2

S1

S0

I02b-2

I02b-1

I020

I021

Рис.18.5 ЦАП с эталонными источниками тока (а); ЦАП с ОУ (б)

Рис.18.6  АЦП последовательного счета

UORN

xb-1

x0

Uвх

Пуск

                

ЦАП

DA

ГТИ

DD2

Qb-1

Q0

СT

С

DD1

&

Рис.18.7 Увеличение выходного напряжения ЦАП

tS

t

UN*

UORN

Uвх

U

Рис.18.9 АЦП поразрядного кодирования

«Пуск»

От ГТИ

Uвх

РПП

Qn

Qn-1

Q1

Q0

 ЦАП

EMBED Equation.3

DD3.1

R

T

S

DD3.n-1

R

T

S

DD3.n

R

T

S

EMBED Equation.3

1

1

1

DA

DD1

EMBED Equation.3

DD2.n

&

DD2.n-1

&

DD2.2

&

DD2.1

&

Q1

Qn

Qn-1

Q0

С

V

DD3.2

R

T

S

EMBED Equation.3

xb-1

x0

Q0

Qb-1

Db-1

&

&

&

a0

aN-2

aN-1

UREF

ПК

R

R

R

R

EMBED Equation.3

KN-1

KN-2

К

Uвх

D1

D0

RG

EMBED Equation.3

Рис.18.8 АЦП параллельного преобразования

Рис.18.10  АЦП поразрядного

кодирования

1

09

1

1

09

09

1

t

t

t

U

U

UГТИ

t0  T

ТГТИ

«Пуск»

Uвх

UORN

UORN3

UORNn

UORN2

UORN1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10809. Лексічны састаў сучасных заалагічных найменняў 114.78 KB
  РЭФЕРАТ Петраковіч Кацярына Іванаўна. Структурнасемантычная арганізацыя сучаснай заалагічнай наменклатуры. – У данай рабоце разглядаецца лексічны састаў сучасных заалагічных найменняў. Дыпломная праца складаецца з уводзін трох глаў заключэння спіс...
10810. Здабыткі, праблемы, шляхі рэалізацыі факультатыўных заняткаў па беларускай мове ў вучэбным працэсе 125.47 KB
  Змест Уводзіны. Змест факультатыўных заняткаў па бел. мове. Факультатывы скіраваныя на развіцце культуры маўлення. Факультатывы звязаныя з развіццем звязнага маўлення. Развіцце творчых здольнасцяў школьнікаў на занятках факультатыва. Развіцц...
10811. Измерение джиттера в цифровых системах передачи. Построение глазковой диаграммы 560.85 KB
  Лабораторная работа Измерение джиттера в цифровых системах передачи. Построение глазковой диаграммы Цель работы: исследовать возможность и перспективность применения глазковых диаграмм для анализа цифровых сигналов. Теоретические сведения Джиттером или фазов...
10812. Фізика - наука про природу. Фізичні тіла та фізичні явища. Механічні, теплові, електричні, магнітні та світлові явища 48 KB
  Канікули пролітають швидко, і ось уже все менше лишається «літніх» аркушів календаря. Діти, що приходять до школи 1 вересня, завжди свідомо чи підсвідомо чекають чогось зовсім нового та цікавого. Як би було чудово, якщо б ці сподівання не зникли та не забулися потроху в суєті шкільних буднів
10813. РІДНА МОВА ПЛАНИ-КОНСПЕКТИ УРОКІВ 5 клас 1.03 MB
  О.П.ГЛАЗОВА Н.М.ДИКА РІДНА МОВА ПЛАНИ-КОНСПЕКТИ УРОКІВ 5 клас Перший семестр 2003 ДО ЧИТАЧІВ Посібник містить детальні поурочні плани для навчання п’ятикласників української мови складені відповідно до п
10814. Графика на Паскале 102.5 KB
  Графика на Паскале В языке TURBO Pascal имеется значительное количество графических процедур и функций. Нам понадобятся лишь некоторые из них. Для того чтобы компилятор узнавал их названия мы должны после заголовка программы разместить строчку следующего вида: u...
10815. Основная позиция пальцев на клавиатуре 51 KB
  Конспект урока Тема: Основная позиция пальцев на клавиатуре Класс: 5а Тип урока: комбинированный Цель: познакомить учащихся с принципами расположения букв на клавиатуре правилами квалифицированного клавиатурного ввода текстовой информации. образовательная: 1...
10816. Виды анимации. Рисованная анимация 134.5 KB
  Виды анимации Рисованная анимация. Чаще всего говоря о рисованных фильмах имеют в виду те что сделаны классическим или как его еще называют диснеевским методом т.е. с использованием той технологии которая в свое время была разработана на диснеевской студии. Такие фи
10817. Вимірювання та вимірювальні прилади 105.5 KB
  Щоб скористатися вимірювальним приладом, зняти показання, спочатку необхідно визначити ціну поділки вимірювального приладу