- •1. Введение
- •2. Дискретизация аналоговых сигналов
- •2.1 Квантование по уровню
- •2.2 Квантование по времени
- •2.3 Квантование по уровню и по времени
- •2.3.1 Расчет погрешности ацп
- •2.3.2 Выбор величины шага квантования по времени
- •3. Применение алгебры логики (булевой алгебры) при анализе и синтезе цифровых электронных устройств
- •3.1 Определение и способы задания переключательных функций
- •3.4 Базисные логические функции
- •3.5 Принцип двойственности булевой алгебры
- •3.8 Совершенная дизъюнктивная нормальная форма (сднф) записи булевых выражений
- •3.9 Дизъюнктивная нормальная форма (днф)
- •3.10 Совершенная конъюнктивная нормальная форма (скнф) записи булевых выражений
- •3.11 Конъюнктивная нормальная форма (кнф)
- •3.12 Минимизация логических функций
- •3.12.1 Алгебраический способ минимизации пф
- •3.12.2 Минимизация пф с использованием диаграмм Вейча (карт Карно)
- •3.12.2.1 Минимизация пф с помощью диаграмм Вейча
- •3.12.2.1.1 Общие правила минимизации
- •3.12.2.1.2 Примеры минимизации пф с помощью диаграмм Вейча
- •3.12.2.2 Минимизация пф с помощью карт Карно
- •4. Логические элементы
- •4.1 Инвертор (логический элемент не)
- •4.2 Конъюнктор (логический элемент и)
- •4.3 Дизъюнктор (логический элемент или)
- •4.4 Повторитель
- •4.7 Исключающее или
- •4.8 Сложение по модулю два (нечетность)
- •4.9 Сложение по модулю два с отрицанием (четность)
- •4.10 Эквивалентность
- •4.11 Неэквивалентность
- •4.13 Запрет
- •4.14 Логические элементы с открытым коллектором
- •4.15 Логические элементы с третьим состоянием
- •5. Реализация логических функций в разных базисах
- •5.1 Базисные наборы лэ и их взаимосвязь
- •5.2 Реализация логических функций в различных базисах
- •5.2.1 Реализация элемента “Равнозначность” (исключающее или - не)
- •5.2.2 Реализация элемента “Неравнозначность” (исключающее или, сумма по модулю два)
- •5.2.3 Реализация элемента “Запрет”
- •5.2.4 Реализация многобуквенных логических функций на элементах с небольшим количеством входов
- •6. Параметры и характеристики цифровых интегральных микросхем (имс)
- •6.1 Коэффициент объединения по входу (Коб)
- •6.2 Коэффициент разветвления по выходу (Краз)
- •6.3 Статические характеристики
- •6.4 Помехоустойчивость
- •6.5 Динамические характеристики и параметры
- •6.6 Вид реализуемой логической функции
- •6.7 Потребляемые токи и мощность
- •6.8 Входные и выходные токи, напряжения
- •6.9 Пороговые напряжения
- •6.10 Допустимые значения основных параметров
- •7. Базовые логические элементы
- •7.1 Базовый ттл (ттлш) - элемент и-не
- •7.2 Базовый эсл - элемент или/или-не
- •7.3 Базовый кмоп-элемент или-не
- •8. Генераторы тактовых импульсов (гти) на логических элементах
- •8.1 Гти на двух инверторах
- •8.2 Гти на 3-х инверторах.
- •9. Функциональные устройства компьютерной (цифровой) электроники
- •9.1 Комбинационные цифровые устройства (кцу)
- •9.1.1 Анализ и синтез кцу
- •9.1.1.1 Анализ кцу
- •9.1.1.2 Синтез кцу
- •9.1.2 Типовые кцу
- •9.1.2.1 Шифраторы и дешифраторы
- •9.1.2.1.1 Шифраторы двоичного кода
- •9.1.2.1.2 Шифраторы двоично-десятичного кода
- •9.1.2.1.3 Дешифраторы двоичного кода
- •9.1.2.1.4 Дешифратор bcd-кода в семисегментный код
- •9.1.2.1.4.1 Семисегментные индикаторы на светодиодах
- •9.1.2.2 Мультиплексоры и демультиплексоры
- •9.1.2.2.1 Мультиплексоры
- •9.1.2.2.2 Демультиплексоры
- •9.1.2.2.3 Мультиплексоры–селекторы (мультиплексоры-демультиплексоры)
- •9.1.2.3 Сумматоры и полусумматоры
- •9.1.2.4 Устройства контроля четности (укч)
- •9.1.2.5 Цифровые компараторы
- •9.1.3 Использование для проектирования кцу мультиплексоров, дешифраторов и постоянных запоминающих устройств
- •9.1.3.1 Построение кцу на мультиплексорах
- •9.1.3.2 Построение кцу на дешифраторах
- •9.1.3.3 Построение кцу на постоянном запоминающем устройстве (пзу)
- •9.2 Последовательностные цифровые устройства
- •9.2.1 Триггеры
- •9.2.1.1 Триггеры на логических элементах
- •9.2.1.1.1 Rs - триггеры
- •9.2.1.1.1.1 Асинхронные rs - триггеры
- •9.2.1.1.1.2 Синхронные rs - триггеры
- •9.2.1.1.2 Т-триггеры (триггеры со счетным входом)
- •9.2.1.1.3 D-триггеры (триггеры задержки)
- •9.2.1.1.4 Jk-триггеры
- •9.2.1.2 Триггеры в интегральном исполнении
- •9.2.2 Регистры
- •9.2.2.1 Параллельные регистры
- •9.2.2.2 Последовательные (сдвигающие) регистры
- •9.2.2.3 Регистры сдвига
- •9.2.2.4 Последовательно-параллельные и параллельно-последовательные регистры
- •9.2.2.5 Регистры в интегральном исполнении
- •9.2.3.1 Асинхронный суммирующий двоичный счетчик с последовательным переносом
- •9.2.3.2 Асинхронный вычитающий двоичный счетчик с последовательным переносом
- •9.2.3.3 Асинхронные реверсивные двоичные счетчики с последовательным переносом
- •9.2.3.4 Синхронный счетчик со сквозным переносом
- •9.2.3.5 Десятичные счетчики
- •9.2.3.6 Счетчики в интегральном исполнении
- •9.2.4 Делители частоты
- •9.2.5 Распределители
- •10. Связь мп-ра и омэвм с аналоговым объектом управления и с пк
- •10.1 Структура типичной локальной микропроцессорной системы управления (лмпсу)
- •10.1.1 Назначение и схемная реализация отдельных узлов лмпсу
- •10.1.1.1 Аналоговый мультиплексор (ампс)
- •10.1.1.2 Устройство выборки-хранения (увх)
- •10.1.1.3 Аналого-цифровой преобразователь (ацп)
- •10.1.1.4 Ведомая однокристальная микроЭвм (омэвм)
- •10.1.1.5 Шинный формирователь (шф)
- •10.1.1.6 Регистры (Рг1...Рг3)
- •10.1.1.7 Схемы согласования уровней (ссу1...Ссу3)
- •10.1.1.8 Цифро-аналоговые преобразователи (цап1...Цап3)
- •10.2 Применение ацп и увх при вводе аналоговой информации в мпс
- •10.2.1 Расчет ацп
- •10.2.2.1 Описание микросхемы к1113 пв1
- •10.2.2.2 Расчет микросхемы к1113 пв1
- •10.2.2.3 Ввод данных от ацп в мпс через ппи в режиме 0
- •10.2.3 Устройство выборки и хранения (увх)
- •10.2.3.1 Обоснование применения увх
- •10.2.3.2 Принцип действия, схема и основные параметры увх
- •10.2.3.3 Функциональные возможности и схема включения микросхемы увх к1100ск2 (кр1100ск2)
- •10.2.4.1 Описание микросхемы max154. Временные диаграммы и режимы работы
- •10.2.4.2 Расчет ацп max154
- •10.3 Применение цап при выводе цифровой информации из мпс
- •10.3.1 Расчет цап на матрице r-2r c суммированием токов
- •10.3.2.1 Описание микросхемы к572 па1
- •10.3.2.2 Расчет цап к572 па1
- •10.3.3.1 Описание микросхемы max506
- •10.3.3.2 Расчет цап max506
- •10.4 Особенности аппаратной и программной реализации модуля ацп-цап мпс
- •10.4.1 Аппаратный уровень:
- •10.4.2 Программный уровень:
- •10.5 Обмен между мп-м (омэвм) и пк по последовательному каналу связи с помощью интерфейса rs-232с
- •10.5.1 Устройство асинхронное программируемое приёмопередающее (уапп)
- •10.5.2 Устройство преобразования уровней (упу)
- •10.5.3 Разъём rs-232с
- •10.5.4 Буферный регистр адреса rs-232c
- •10.5.5 Шинный формирователь
- •10.6 Выбор и расчет датчиков, нормирующих преобразователей и фильтров нижних частот (фнч)
- •10.6.1 Выбор и расчет датчиков и нормирующих преобразователей
- •10.6.1.1 Выбор датчиков
- •10.6.1.2 Выбор нормирующих преобразователей
- •10.6.2 Выбор фнч
- •10.6.3 Расчет фнч
- •10.7 Разработка схемы алгоритма и управляющей программы
10.2.1 Расчет ацп
В АЦП осуществляется квантование (дискретизация) по уровню и времени (рисунок 10.12).
Рисунок 10.12
На вход преобразователя поступает аналоговое напряжение Uвх, которое преобразуется в дискретную величину, определяемую в фиксированные моменты времени ближайшим к непрерывной величине уровнем квантования.
На выходе АЦП каждому дискретному значению соответствует комбинация двоичного кода, число разрядов которого обозначим буквой Np. Величина Np зависит от числа дискретных значений Nд на выходе АЦП, включая нулевое. Выбор Np производится в соответствии с соотношением:
(10.1)
Число дискретных значений (уровней квантования) зависит от погрешности квантования по уровню.
Абсолютная погрешность квантования по уровню:
(10.2)
где DU – величина шага квантования по уровню, равная
(10.3)
Из приведенного соотношения следует, что максимальная абсолютная погрешность равна половине шага квантования по уровню. Относительная погрешность квантования по уровню:
.(10.4)
В приведенной формуле из Nд вычитается единица, т.к. одним из дискретных значений является нулевое. Отсюда требуемое число дискретных значений, которое отражает нашу непрерывную функцию с заданной точностью определяется из выражения:
(10.5)
Например, при d отн £0,2% Nд должно быть не менее 251. Принимая Nд=256 определяем, что число разрядов Np в этом случае должно быть равно 8 (28=256). Если входная непрерывная величина изменяется, например, в диапазоне от 0 до 2,55 В, то величина шага квантования по уровню при Nд=256 равна DU=10 мВ; dабс. £5 мВ; dотн. £ 50/255 < 0,2%.
При проектировании АЦП важное значение имеет выбор величины шага квантования по времени Dt=Т. Значение Т определяет требуемое быстродействие АЦП и тракта обработки информации.
По теореме Котельникова значения Dt=T должно удовлетворять выражению:
,(10.6)
где fмах - частота высшей гармоники спектра входного сигнала АЦП.
Физически это выражение следует трактовать следующим образом: на один период максимальной гармоники входного аналогового сигнала необходимо взять не менее двух отсчетов при переходе к дискретной величине.
10.2.2 АЦП К1113 ПВ1
10.2.2.1 Описание микросхемы к1113 пв1
Микросхема К1113 ПВ1 (рисунок 10.13) представляет собой функционально-законченный АЦП последовательного приближения с временем преобразования £30 мкс, рассчитанный на входные напряжения (0...10,23)В (униполярный сигнал) или (-5,12 ...+5,11)В (биполярный сигнал).
Переключение диапазонов входных напряжений производится по входу LZ. Если LZ=0, то преобразуются униполярные входные сигналы от 0 до 10,23В, если же LZ=1, то преобразователь работает в двухполярном режиме (Uвх = [-5,12...+5,11] В). Коэффициент передачи АЦП Кпер= .
Если использовать не все десять разрядов выходного двоичного кода рассматриваемого АЦП, то существует несколько вариантов его подключения. Например, если Np = 8, то можно подключить восемь выходов АЦП, соответствующих младшим разрядам. Остальные два разряда не подключаются. В этом случае коэффициент передачи Кпер= , а Uвх.max=10∙255=2550мВ=2,55В. Если использовать восемь выходов АЦП, соответствующих старшим разрядам, то Кпер= , а Uвх.max=40∙255=10,2В.
Если Np=7, и выходной ДК снимается с семи старших выходов, то Кпер= , а Uвх.max=80∙127=10,16В.
Рисунок 10.13
Процесс аналого-цифрового преобразования осуществляется при нулевом сигнале на входе START(СТАРТ) (рисунок 10.5). Входной аналоговый сигнал подается на вход AIN. По окончании преобразования на выходе READY (ГОТОВНОСТЬ) появляется логический нуль. Одновременно с этим сигналом на информационных выходах D0...D9 устанавливается цифровой двоичный эквивалент входной аналоговой величины. Уровни выходных цифровых сигналов соответствуют уровням цифровых ТТЛ-схем. Для сброса текущего выходного кода преобразователя необходимо подать единицу (минимум на 2мкс) на вход START. В процессе сброса и преобразования на выходе READY присутствует логическая единица, а кодовые выходы АЦП находятся в высокоимпедансном состоянии. Сказанное отображают временные диаграммы работы АЦП, приведенные на рисунке 10.5. Для повышения точности преобразования АЦП имеет два отдельных земляных вывода: аналоговая земля (GNDA) и цифровая земля (GNDD). Разность потенциалов между ними должна быть £200мВ. Регулировку чувствительности АЦП можно производить с помощью переменного резистора (100...200 Ом), включаемого между источником входного сигнала Uвх и аналоговым входом AIN АЦП (рисунок 10.4). Для регулировки смещения нуля в пределах +1/2 значения младшего значащего разряда (МЗР) можно включать переменный резистор (5...50 Ом) между выводом GNDA АЦП и внешней землей.
Микросхема выполнена по n-МОП технологии, питается от двух источников +5В и -15В и потребляет токи 10 и 18 мА соответственно.