16.2Подготовка к работе.
1. Изучить принцип работы, назначение выводов и функциональные возможности счетчика типа К155ИЕ6 и дешифратора К155ИД1.
2. Изобразить временные диаграммы, поясняющие работу счетчика в режиме суммирования и вычитания.
3. Составить таблицу состояний для дешифратора К155ИД1 (зависимость выходного кода от кода на входе).
4. Нарисовать исследуемые схемы.
5. Ознакомиться с порядком сборки и исследования схемы на стенде.
16.3План работы.
1. Собрать схему для исследования счетчика, представленную на рис. 16.5 и подать напряжение питания +5В. На входе «С» должна быть логическая «1».
2. Обнулить счетчик, подав с помощью кнопки S3 единичный сигнал на вход R-счетчика.
3. Подавая с помощью кнопки S2 одиночные импульсы на вход «+1» счетчика составить таблицу состояний кода на выходах Q0-Q3 от количества поданных импульсов. Выходной код фиксируется по индикаторам Н4-Н7.
4. По заданию преподавателя установить код на входах D0-D3 и записать заданное число в счетчик, кратковременно подав на вход С уровень логического нуля.
5. Выполнить п. 3., начиная счет с предварительно записанного числа.
6. Подать на вход "+1" счетчика прямоугольные импульсы от генератора ГС2 и зарисовать осциллограммы входных, выходных Q0-Q3 импульсов и импульсов с выхода переноса в старший разряд ">9". При оформлении осциллограмм необходимо учесть состояния входа и выходов в определенный момент времени.
7. Выполнить п.п. 2 - 6 подавая входные импульсы на вход "-1".
8. Исследования интегрального дешифратора D4 проводятся совместно со схемой счетчика D3 и индикатора H12. Подать на вход дешифратора нулевой двоичный код, обнулив счетчик.
9. Подавая на вход "+1" счетчика одиночные импульсы, составить таблицу состояний дешифратора, т.е. зависимость состояния выходов 0-9 от двоичного кода на входе. Состояние выходов дешифратора определяется по свечению соответствующей цифры на индикаторе H12.
16.4Контрольные вопросы.
1. Перечислить основные признаки классификации счетчиков.
2. Назовите и дайте краткую характеристику методов организации переноса в счетчиках.
3. Укажите из каких соображений выбирается число разрядов счетчика.
4. Перечислите основные виды счетчиков и дайте их краткую характеристику.
5. Чем отличаются двоичные и двоично-десятичные счетчики?
6. Приведите пример схемы организации счетчика с произвольным коэффициентом деления.
7. Охарактеризуйте назначение и приведите примеры дешифраторов.
8. Приведите пример схемотехнической реализации дешифратора для преобразования двоичного кода в десятичный.
Рис. 16.5. Схема исследования счетчика типа К155ИЕ6 и дешифратора К155ИД1
17Лр № 16. Исследование цифро-аналоговых преобразователей
Цель работы:
Изучение принципов построения цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП); исследование этих преобразователей на дискретных элементах; приобретение навыков по их применению.
17.1Теоретические сведения.
В электронной аппаратуре широко используются как непрерывные (аналоговые), так и дискретные (цифровые) сигналы. Для взаимодействия устройств, обрабатывающих аналоговые сигналы, с цифровыми устройствами служат цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.
ЦАП иногда называют преобразователями код-аналог, поскольку входной цифровой сигнал представляется в каком-либо коде, чаще всего в двоичном. Построение ЦАП основано на суммировании напряжений или токов, пропорциональных весам разрядов. Мгновенное напряжение на выходе ЦАП пропорционально весу входного кода (его десятичному эквиваленту). Смена входных кодов вызывает изменение выходного напряжения ЦАП. Выходной сигнал преобразователя с суммированием напряжений является суммой напряжений, каждое из которых определяется единицей в соответствующем разряде входного кода. Значения этих напряжений относятся как веса единиц разрядов входного кода. Если от единицы в первом (младшем) разряде появляется составляющая выходного напряжения 20U1 = U1, то единицы в третьем разряде – 20U1 и т. д.
Одним из наиболее простых является ЦАП с двоично взвешенными резисторами и суммированием токов (рис. 17.1.).
Рис. 17.1. ЦАП с двоично взвешенными резисторами и суммированием токов
Схема реализована в виде инвертирующего сумматора на ОУ. Число входов преобразователя (количество параллельно включенных резисторов) равно числу разрядов поступающего параллельного двоичного кода. На каждом входе имеются напряжения Uвxi = ОБ или Uвxi = Ui Б, соответствующие наличию в разрядах входного двоичного кода логического О или логической 1. Выходное напряжение определяется выражением:
Uвых = -(I1 + I2 + In)Roc,
где In, In-1,…, Ii – токи, втекающие в точку А через резисторы R, 2R, 4R, ..., 2n-1R при наличии напряжения U = 1 на том или ином входе;
n - число разрядов двоичного кода.
Преобразовав это выражение получим:
Uвых = -U1*Rос/(R2n-1)*(an*2n-1 + an-1 *2n-2 +...+ ai*20),
Где записанная в скобках сумма представляет собой десятичный эквивалент входного ДК. Поскольку U1Rос/R2n-1 = const = K, то выходное напряжение пропорционально весу действующего на входе кода.
Сопротивление резистора R1 должно соответствовать выражению
1/R1 = 1/R + 1/2R + 1/4R +...+ 1/(2n-1R) + 1/Rос.
Недостатком рассмотренной схемы является необходимость тщательного подбора резисторов, а также трудность сохранить их неизменное значение в рабочем диапазоне температур, что особенно сказывается при большом числе разрядов входного кода. Кроме того, значение U1вх должно быть одинаковым для всех входных разрядов.
Указанных недостатков во многом лишена схема ЦАП с резистивной матрицей R-2R (рис. 17.2.), содержащая резисторы только двух номиналов.
Входная цифровая информация, поступающая в параллельном ДК, записывается в параллельный регистр на RS триггерах Ti – Tn. К резисторам 2R матрицы через ключи SAi1 и SAi0 подводятся напряжения U = Uоп либо U = 0 (земля) в зависимости от наличия 1 либо 0 в определенном разряде триггеров регистра.
Рис. 17.2. ЦАП с резистивной матрицей R-2R
Если к одному из резисторов 2R (например, Rr) подводится напряжение Uоп (в первом разряде записана 1 и открыт ключ SA11), а левые выводы других резисторов 2R матрицы связаны с землей через открытые ключи SA (в этих разрядах записаны нули), то полное сопротивление между любой из точек А, Б, В, и землей равно R. Напряжение в точке Г относительно земли:
Uг = Uоп * R/(2R + R) = 1/3 * Uоп.
Из этого выражения следует, что при переходе от узла Г к Узлу, находящимся ближе к выходу схемы, напряжение
Uг = 1/3 * Uоп
каждый раз уменьшается вдвое. Тогда выходное напряжение, обусловленное наличием единиц в нескольких разрядах входного ДК, определяется сложением напряжений от каждой единицы в соответствующем разряде, т.е. пропорционально весу кода на входе ЦАП:
Uвых = (Uоп/3*2n-1)*(an*2n-1 + an-1*2n-2 +...+ a2*21 + a1*20 .
В ЦАП в интегральном исполнении широко используется принцип суммирования токов на элементах матрицы R-2R.
БИС ЦАП изготавливают по биполярной и КМОП-технологии. Первая имеет более высокое быстродействие, а вторая - меньшее потребление мощности. Как правило, БИС ЦАП содержит резистивную матрицу типа R-2R, набор токовых ключей, реализующих коэффициенты двоичных разрядов, и согласующие элементы. Для преобразования суммарного выходного тока ЦАП в уровни выходного напряжения используются внешние ОУ, не входящие в БИС.
В
настоящее время выпускается несколько
типов ЦАП в интегральном исполнении.
Среди них широко используются ЦАП 572-ой
КМОП серии, а также быстродействующие
серии 1118. Основная схема включения ЦАП
К572ПА1 приведена на рис. 17.3.
Рис. 17.3. Основная схема включения ЦАП К572ПА1
Преобразователь К572ПА1 содержит резистивную матрицу типа R-2R (R=10к), которая через токовые ключи соединяется с инвертирующим входом внешнего ОУ. Внутри ЦАП имеется резистор Rос = 10к, включенный в цепь ООС ОУ.
Рассмотренный преобразователь называют перемножающим, потому что выходное напряжение определяется произведением значения опорного сигнала Uоп на значение входного цифрового кода. Его особенностью является широкий диапазон изменения опорного сигнала (до +-17В при Еп = +-17В). Входное напряжение может быть однополярным или двухполярным. Это зависит от вида опорного напряжения и входного кода. При проектировании ЦАП важное значение имеет выбор ОУ, параметры которого при использовании совместно с К572ПА1 должны соответствовать условиям:
Iвхоу < Uоп/(R*2n+1); Uсм << Uоп/2n; Коу >> 2n+1 .