- •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
10.2.4.2 Расчет ацп max154
Микросхема MAX154 может измерять входной сигнал со скоростью изменения до 157 мВ/мкс.
Если входной сигнал изменяется по синусоидному закону
Uвх.АЦП = Um ×sin2pf×t,(10.12)
то скорость его изменения
(10.13)
При 2pf×t = 0 значение скорости будет максимальным, а cos0=1.
В этом случае выражение (10.13) примет вид
.(10.14)
Подставляя вместо значение 157мВ/мкс, а также учитывая, что максимальное значение Um, которое может обрабатываться рассматриваемым АЦП, равно 2,5В, определим значение максимальной частоты:
Максимальная частота квантования по времени fmax ограничена временем преобразования tПРБ = 2мкс и временем между преобразования (временем сброса) tСБР =0,5мкс.Тогда
(10.15)
При использовании в АЦП MAX154 четырех каналов преобразования максимальная частота дискретизации на один канал равна
(10.16)
Это значение значительно превышает требования теоремы взятия отсчетов (теоремы Котельникова): частота дискретизации должна быть не менее, чем в два раза выше, чем максимальная частота изменения входного сигнала, которая по приведеным выше соображениям равна 10 кГц.
10.3 Применение цап при выводе цифровой информации из мпс
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые и служат для сопряжения цифровых и аналоговых устройств. Они широко используются для управления аналоговыми устройствами при помощи микроконтроллеров в таких отраслях техники, как системы управления технологическими процессами (исполнительные устройства программируемых станков, роботов и т.д.); дискретная автоматика; измерительная автоматика; и т.д.
Среди различных исполнений ЦАП широкое применение находит преобразователь с резисторной матрицей (РМ) R-2R и с суммированием токов. Его упрощенная структура приведена на рисунке 10.30.
Рисунок 10.30
На инвертирующем входе операционного усилителя (ОУ) в соответствии с заданным значением входного двоичного кода суммируются токи, взвешенные по двоичному закону и пропорциональные значению опорного напряжения Uоп. Входной ток матрицы I задается источником внешнего опорного напряжения и последовательно делится в узлах РМ R-2R по двоичному закону.
На входы а0, а1, ..., аn-1 поступают цифровые сигналы, соответствующие значению i-го разряда входного двоичного кода. Если на входе i-го разряда присутствует логическая единица, то ключ Кл переключается в верхнее положение и ток данной ветви резисторной матрицы поступает на инвертирующий вход операционного усилителя. Если на вход i-го разряда поступает логический нуль, то ключ переключается в нижнее положение, и данная ветвь матрицы R-2R подключается к общей шине.
Так как матрица резисторов является линейной цепью, ее работу можно проанализировать методом суперпозиции, т.е. вклад в выходное напряжение от каждого источника (разряда) рассчитать независимо друг от друга. Вклады от каждого разряда суммируются на входе ОУ и на выходе получается результат в виде напряжения.
10.3.1 Расчет цап на матрице r-2r c суммированием токов
Рассмотрим работу ЦАП, если в старшем разряде ДК присутствует логическая единица, а в остальных разрядах – логические нули. Следовательно, ключ Клn-1 находится в верхнем положении и подключает ветвь РМ с резистором 2R ко входу ОУ, а остальные ключи находятся в нижнем положении и подключают остальные ветви матрицы к общей шине. Эквивалентная схема ЦАП для этого случая приведена на рисунке 10.31,а. Очевидно, что эквивалентное сопротивление РМ выше узла Мn-1 равно 2R. Так как потенциал инвертирующего входа ОУ близок к нулю, то входной ток I в узле Мn-1 делится на два равных тока I/2.
Для вывода выражения, определяющего выходное напряжение, примем, что ИМСОУ (DA) близка к идеальной, т.е. КU.ИМСОУ®¥; Rвх®¥, тогда DU®0, IИ®0. Выходное напряжение
(10.17)
Учитывая, что источник опорного напряжения Uоп нагружен сопротивлением Rн=2R||2R=R, то , а соотношение (10.17) можно записать в виде
.(10.18)
Рассмотрим работу ЦАП, если на вход схемы поступает комбинация ДК: 010...00 В. В этом случае ключ Клn-2 включен в верхнее положение, а остальные ключи – в нижнее. Эквивалентная схема ЦАП примет вид, представленный на рисунке 10.31,б. Ток I/2 в узле Мn-2 опять делится пополам, поэтому выходное напряжение, обусловленное разрядом (n-2) равно:
(10.19)
Тоже самое происходит при поступлении единицы в других разрядах ЦАП.
Рисунок 10.31
Выражение для определения суммарного выходного напряжения от действия единиц во всех разрядах входного ДК примет вид:
(10.20)
Если обозначить значения i-х разрядов входного ДК аi, где аi равно 0 или 1, то выражение (10.20) примет вид:
(10.21)
Сомножитель является десятичным эквивалентом входного двоичного кода (представляет значение входного цифрового кода).
Рассмотренный преобразователь называют умножающим (перемножающим), потому что выходное напряжение пропорционально произведению значения опорного сигнала Uоп на значение входного цифрового кода.
Максимальное значение выходного напряжения (напряжение в конечной точке шкалы (диапазона) при аi=1 во всех разрядах входного ДК определяется из выражения:
(10.22)
Минимальное напряжение на выходе ЦАП при аi=0 во всех разрядах кода равно:
(10.23)
Коэффициент передачи (величина шага квантования по уровню), т.е. расчетное приращение выходного напряжения при изменении входного кода на единицу младшего разряда (цена младшего значащего разряда (МЗР)) составляет:
(10.24)
10.3.2 ЦАП К572 ПА1