Аналого-цифровые преобразователи

 

Если переменные информационные величины представлены в аналоговой форме в виде изменяющегося напряжения постоянного тока, их непосредственная обработка цифровыми устройствами невозможна без предварительного представления в виде n -разрядного кода. Эту операцию осуществляют аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Существует два способа такого преобразования: параллельного и последовательного приближения.

При последовательном приближении схема формирует пробные коды, поступающие на цифроаналоговые преобразователи, выходной сигнал которого сравнивается с помощью компаратора с входным аналоговым сигналом (рис. 3.21). Выходной двоичный код формируется в регистре, управляемом устройством управления. Регистр связан с ЦАП, который формирует напряжение, пропорциональное коду, подаваемое на один из входов компаратора. На другой вход компаратора подается напряжение U _вх, подлежащее преобразованию в код. В исходном состоянии устройство управления устанавливает все разряды регистра в 0. Затем в старший разряд заносится 1. Если при этом U _вх>U_ЦАП, то устройство управления оставляет 1 в старшем n -м разряде, если же U _вх < U _ЦАП, то в старший разряд заносится 0. Затем устройство управления заносит 1 в следующий (n -1)-й разряд и вновь в зависимости от результата сравнения устройство управления либо оставляет 1 в этом разряде, либо записывает 0. Таким образом, устройство управления заносит во все разряды регистра 1 или 0, начиная от самого старшего и кончая самым младшим. Работа АЦП синхронизируется генератором тактовых импульсов (ГТИ). После n тактов сравнения U _вхс U _ЦАПна выходе АЦП получается n -разрядный двоичный код, эквивалентный входному аналоговому сигналу. Такие преобразователи имеют относительно высокую точность, однако для n -разрядного преобразования требуют n тактов. При этом, если за время преобразования входной сигнал изменяется, возникает ошибка, особенно заметная при коротких выбросах входного сигнала.

Самым быстродействующим и в то же время самым сложным является АЦП, использующий способ параллельного кодирования (рис. 3.22). Входное напряжение U _вхподается одновременно на верхние входы всех компараторов. На нижние входы компараторов подается напряжение с дели

теля, состоящего из резисторов одного номинала R. Таким образом, напряжение, с которым осуществляется сравнение входного сигнала, у двух соседних компараторов, отличается на величину, соответствующую цене самого младшего разряда. Приоритетный шифратор формирует выходной цифровой код, соответствующий самому старшему из сработавших компараторов. По единичному сигналу «Запись» n -разрядный код с шифратора через конъюнкторы поступает в параллельный регистр.

Высокое быстродействие АЦП, реализующего этот способ, достигается за счет значительных аппаратурных затрат и большой потребляемой мощности. Например, для восьмиразрядного АЦП требуется 255 компараторов и около 3•10⁴ активных элементов, потребляющих примерно 2,5 Вт. Но при этом тактовая частота может достигать 100 МГц, что позволяет преобразовывать сигналы с частотой 10 МГц.

 

                               Вопросы для самопроверки

1. У каких логических элементов быстродействие выше: у ТТЛ или КМОП?

2. К какой группе логических элементов относится ИС КР1553ЛА24?

3. Изобразите схему ИС, у которой описание имеет вид 2(2И – ИЛИ – НЕ).

4. Некоторое устройство, имеющее три входа, должно выдавать на выход сигнал, когда есть сигнал на одном, или двух, или на трех входах. Дать схему этого устройства на логических элементах.

5. Каким будет выходной сигнал, если на один из входов элемента 2И – ИЛИ – НЕ будет подан сигнал высокого уровня?

6. Каким будет состояние на выходе Q предварительно сброшенного JK -триггера с прямыми информационными входами по окончанию импульса синхронизации, если его J -вход подключить к инверсному выходу , а на вход К подать сигнал высокого уровня?

ПРОГРАММИРУЕМЫЕ УСТРОЙСТВА

           

    К программируемым устройствам электроники относятся микропроцессоры, однокристальные микроконтроллеры, программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) «система на кристалле», постоянные и оперативные запоминающие устройства. Эти схемы в той или иной комбинации входят в состав любого современного технического устройства.

 

Запоминающие устройства

 

Запоминающие устройства (ЗУ) применяют, как правило, в составе различных микропроцессорных систем. При этом различают внутренние и внешние устройства памяти. Внешней памятью называют накопители на магнитных, оптических дисках, лентах и т.п. Внутренняя память выполняется обычно на микросхемах. Внутренняя или основная память может быть двух типов: постоянные и оперативные запоминающие устройства (соответственно ПЗУ и ОЗУ).

 

Организация памяти

В зависимости от типа запоминающего устройства  элементом памяти (ЭП) может быть триггер, миниатюрный конденсатор, транзистор с «плавающим затвором» плавкая перемычка (или ее отсутствие). Упорядоченный набор ЭП образует ячейку памяти (ЯП). Количество элементов памяти в ячейке (длина слова) обычно кратно 2ⁿ (1,4,8,16,32,64..), причем величины свыше восьми достигаются обычно группировкой микросхем с меньшим количеством ЭП.

Количество ЭП в ЯП иногда называется длиной слова. Основными характеристиками микросхем памяти являются информационная емкость, быстродействие и энергопотребление. Емкость ЗУ чаще всего выражается в единицах, кратных числу 2¹⁰ = 1024 = 1K. Для длины слова, равной биту (одному двоичному разряду) или байту (набору из восьми бит), эта единица называется килобит или килобай т и обозначается Кбит или Кбай т (Kb или KB).

Каждой из 2 ⁿ ячеек памяти однозначно соответствует n -раз-рядное двоичное число, называемое адресом ЯП. Так, адресом

511-й ячейки будет число 1 1111 1111(BIN) = 511(DEC) = 1FF(HEX). В программах адреса употребляются в 16-м формате. Емкость ЗУ часто выражается произведением двух чисел 2 ⁿ × m, где 2 ⁿ - число ячеек памяти, а m – длина слова ячейки. Например, микросхема 537РУ17 имеет емкость памяти 8 K× 8, т.е. 8192 ячейки размером один байт. В некоторых справочниках для этой же микросхемы приводится обозначение емкости одной цифрой 64 Кбит, что никак не отражает внутреннюю организацию этой микросхемы, такую же емкость могут иметь микросхемы с организацией 16 K× 4, 64 K× 1