- •Глава1 Что такое цифровые микросхемы. Виды цифровых микросхем
- •Глава 2 Области применения цифровых микросхем
- •Глава 3 Условные графические изображения цифровых микросхем (гост)
- •Параметры цифровых микросхем
- •Уровни логического нуля и единицы
- •Входные и выходные токи цифровых микросхем
- •Параметры, определяющие быстродействие цифровых микросхем
- •Описание логической функции цифровых схем
- •Раздел 2
- •Логический элемент "и"
- •Логический элемент "или"
- •Глава 2 Диодно-транзисторная логика (дтл)
- •Глава 3 Транзисторно-транзисторная логика (ттл)
- •Логические уровни ттл микросхем
- •Семейства ттл микросхем
- •Глава 4 Цифровые логические микросхемы, выполненные на комплементарных моп транзисторах (кмоп) Логические кмоп (кмдп) инверторы
- •Логические кмоп (кмдп) элементы "и"
- •Логические кмоп (кмдп) элементы "или"
- •Особенности применения кмоп микросхем
- •Логические уровни кмоп микросхем
- •Семейства кмоп микросхем
- •Глава 5 Согласование цифровых микросхем различных серий между
- •Согласование микросхем из различных серий между собой
- •Согласование по току
- •Согласование микросхем с различным напряжением питания
- •Глава 6 Регенерация цифрового сигнала (Триггер Шмитта)
- •Раздел 3 Арифметические основы цифровой техники.
- •Глава 1
- •Арифметические основы цифровой техники
- •Системы счисления
- •Десятичная система счисления
- •Двоичная система счисления
- •Восьмеричная система счисления
- •Шестнадцатеричная система счисления
- •Глава 2 Преобразование чисел из одной системы счисления в другую
- •Преобразование целых чисел
- •Глава 3 Преобразование дробной части числа
- •Раздел 4
- •2. Законы отрицания a. Закон дополнительных элементов
- •B. Двойное отрицание
- •C. Закон отрицательной логики
- •3. Комбинационные законы
- •A. Закон тавтологии (многократное повторение)
- •B. Закон переместительности
- •Совершенная дизъюктивная нормальная форма (сднф)
- •Совершенная конъюктивная нормальная форма (скнф)
- •Глава 3 Дешифраторы (декодеры)
- •Десятичный дешифратор (декодер)
- •Семисегментный дешифратор
- •Глава 4 Шифраторы (кодеры)
- •Глава 5 Мультиплексоры
- •Особенности построения мультиплексоров на ттл элементах
- •Особенности построения мультиплексоров на кмоп элементах
- •Глава 6 Демультиплексоры
- •Раздел 5 Генераторы
- •Глава 1
- •Генераторы периодических сигналов
- •Усилительные параметры кмоп инвертора
- •Глава 2 Осцилляторные схемы генераторов
- •Глава 3 Мультивибраторы
- •Глава 4 Особенности кварцевой стабилизации частоты цифровых генераторов
- •Глава 5 Одновибраторы (ждущие мультивибраторы)
- •Укорачивающие одновибраторы
- •Расширяющие одновибраторы (ждущие мультивибраторы)
- •Раздел 6 Последовательностные устройства (цифровые устройства с памятью)
- •Глава 1
- •Триггеры
- •Глава 2 rs триггер
- •Синхронный rs триггер
- •Глава 3 d триггеры, работающие по потенциалу (статические d триггеры)
- •Глава 4 Явление метастабильности
- •Глава 5 d триггеры, работающие по фронту (динамические d триггеры)
- •Глава 6 t триггеры
- •Глава 7 jk триггер
- •Глава 8 Регистры
- •Параллельные регистры
- •Глава 9 Последовательные (сдвиговые) регистры
- •Глава 10 Универсальные регистры
- •Глава 11 Счётчики
- •Двоичные асинхронные счётчики
- •Двоичные вычитающие асинхронные счётчики
- •Глава 12 Недвоичные счётчики с обратной связью
- •Глава 13 Недвоичные счётчики с предварительной записью
- •Глава 14 Синхронные счётчики
- •Глава 15 Синхронные двоичные счётчики
- •Раздел 7
- •Современные виды цифровых микросхем.
- •Глава 1
- •Микросхемы малой степени интеграции (малая логика)
- •Глава 2 Программируемые логические интегральные схемы (плис).
- •Классификация плис
- •Глава 3 Программируемые логические матрицы.
- •Глава 4 Программируемые матрицы логики (pal).
- •Глава 5 Сложные программируемые логические устройства (cpld).
- •Внутреннее устройство cpld
- •Разработка цифровых устройств на cpld
- •Глава 6 Программируемые пользователем вентильные матрицы (fpga).
- •Раздел 8
- •Индикаторы.
- •Глава 1
- •Виды индикаторов.
- •Малогабаритные лампочки накаливания
- •Расчет транзисторного ключа
- •Глава 2 Газоразрядные индикаторы.
- •Глава 3 Светодиодные индикаторы.
- •Глава 4 Жидкокристаллические индикаторы.
- •Принципы работы жидкокристаллических индикаторов
- •Режимы работы жидкокристаллических индикаторов
- •Параметры жидкокристаллических индикаторов
- •Формирование цветного изображения
- •Формирование напряжения для работы жидкокристаллического индикатора
- •Глава 5 Динамическая индикация.
- •Раздел 9
- •Синтезаторы частоты.
- •Глава 1
- •Цифровой фазовый детектор.
- •Глава 2 Фазовый компаратор.
- •Глава 3 Цепи фазовой автоподстройки частоты.
- •Глава 4 Умножители частоты
- •Глава 5 Частотный детектор, построенный на основе фапч
- •Раздел 10
- •Особенности аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования.
- •Глава 1
- •Квантование аналогового сигнала по времени
- •Глава 2 Погрешности дискретизатора
- •Погрешность хранения
- •Погрешность выборки
- •Глава 3 Фильтры устранения эффекта наложения спектров (Антиалайзинговые фильтры)
- •Глава 4 Дискретизация сигнала на промежуточной частоте (субдискретизация)
- •Глава 5 Параллельные ацп (flash adc)
- •Глава 6 Последовательно-параллельные ацп
- •Глава 7 ацп последовательного приближения (sar adc)
- •Глава 8 Сигма-дельта ацп
- •Глава 9 Цифроаналоговые преобразователи (цап) с суммированием токов
- •Глава 10 Цифроаналоговые преобразователи r-2r
- •Раздел 11
- •11.1 Основные блоки цифровой обработки сигналов
- •Глава 1 Двоичные сумматоры
- •Глава 2 Умножители
- •Глава 3 Постоянные запоминающие устройства.
- •Глава 4 Цифровые фильтры.
- •11.2 Микросхемы прямого цифрового синтеза радиосигналов.
- •Глава 5 Фазовые аккумуляторы
- •Глава 6 Полярные модуляторы
- •Глава 7 Квадратурные модуляторы.
- •Глава 8 Интерполирующие цифровые фильтры.
- •Глава 9 Однородные интерполирующие цифровые фильтры.
- •Микросхемы цифрового приема радиосигналов
- •Глава 10 Квадратурные демодуляторы.
- •Глава 11 Децимирующие цифровые фильтры.
- •Децимирующий фильтр с конечной импульсной характеристикой
- •Глава 12 Однородные децимирующие цифровые фильтры.
- •Раздел 12 Примеры реализации цифровых устройств
- •12.1 Электронные часы
- •Разработка структурной схемы
- •Глава 2 Разработка принципиальной схемы
- •Глава 3 Разработка принципиальной схемы индикации часов
- •12.2 Последовательные порты
- •Глава 4
- •Глава 5
Раздел 12 Примеры реализации цифровых устройств
12.1 Электронные часы
Разработка структурной схемы
Проанализируем как должно работать разрабатываемое устройство. Часы обязательно должны содержать устройство измерения времени, которое в свою очередь всегда состоит из генератора эталонных интервалов времени и счётчика этих интервалов. Структурная схема устройства измерения времени приведена на рисунке 12.1.1.
Рисунок 12.1.1 Структурная схема устройства измерения времени
В качестве генератора эталонных импульсов в различное время использовали различные устройства. Это и вытекание воды или песка из какой-либо ёмкости и движение тени от солнца по циферблату и даже горение нити в огненных китайских часах.
В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. Однако реализовать стабильный генератор такой длительности достаточно сложно. Даже в механических часах в качестве генератора импульсов эталонной длительности использовался маятник с периодом колебаний от одной до нескольких секунд.
В качестве генератора эталонных импульсов мог бы подойти кварцевый генератор, так как этот тип генераторов обладает высокой стабильностью колебаний. Но кварцевые генераторы вырабатывают колебания в диапазоне от 1 до 30 МГц. Это соответствует временным интервалам от 0.03 до 1 мкС. Тем не менее, если воспользоваться делителем частоты, выполненном на двоичном счетчике, то можно получить импульсы с периодом 1 минута.
Выберем частоту работы кварцевого генератора. Здесь можно использовать кварцевый резонатор с частотой 32768Гц, предназначенный для использования в часах. Этот резонатор специально разрабатывался для применения в часах, поэтому его частота кратна степени двойки (215 = 32768). В результате можно использовать обычный двоичный делитель.
Здесь хотелось бы отметить, какая грандиозная задача была решена разработчиками кварцевых кристаллов. Дело в том, что если посчитать длину акустической волны в кварце, то кварцевый резонатор получился бы впечатляющих размеров. Толщину кристалла кварца можно определить по общеизвестной формуле для длины волны. Как известно скорость распространения звуковой волны в кристалле кварца равна 5570м/с, тогда длина волны будет равна:
L = v/f = 5570/32768 = 17см
где v - это скорость звука в кристалле кварца;
f - резонансная частота.
То есть толщина кварцевого резонатора должна быть как минимум равна половине длины волны - 8,5см. Ну, как, впечатляет? Длина кварцевого кристалла соответственно должна быть, по крайней мере, в пять раз больше. Казалось бы, это неразрешимая проблема для малогабаритных и дешёвых устройств, однако разработчики кварцевого резонатора сумели решить её.
Первым решением проблемы является то, что низкочастотные кварцевые резонаторы изготавливаются с использованием не объемных, а поверхностных волн. Точнее крутильных колебаний. В результате в резонаторе используется вся его длина. Скорость распространения волны по поверхности кварца значительно ниже скорости распространения волны в его объеме и равна 3515м/с. Однако даже в этом случае размеры кварцевого резонатора получаются значительными:
L = v/f = 3515/32768 = 10,7см
где v - это скорость звука в кристалле кварца;
f - резонансная частота.
Решением проблемы оказалась разработка кварцевого резонатора, реализованного по принципу камертона. В таком резонаторе возбуждаются не объемные колебания, а колебания двух параллельно расположенных стержней, как это показано на рисунке 12.1.2.
В такой конструкции частота резонанса зависит от упругости кварца, длины и толщины зубьев получившейся вилки камертона.
Стоимость часовых кварцевых резонаторов оказалась минимальной из всех кварцевых резонаторов. Благодаря своей распространённости, малой цене, габаритам и малой частоте часовые кварцевые резонаторы начинают применяться практически во всех цифровых устройствах.
Для нас полезными свойствами часового кварцевого резонатора является малая цена, малые габариты, кратность частоты одному герцу и относительно малая частота резонанса. Последнее свойство определяет частоту задающего генератора, и, как следствие, малое потребление тока этим генератором от источника питания.
Итак, для формирования секундных импульсов (частота 1 Гц) потребуется делитель частоты на 32768. Для формирования из секундных импульсов минутных импульсов потребуется ещё один делитель частоты. Так как в минуте содержится 60 секунд, то нам потребуется делитель на 60. Уточнённая структурная схема разрабатываемого цифрового устройства приведена на рисунке 12.1.2.
Рисунок 12.1.2. Уточнённая структурная схема устройства измерения времени
Теперь займёмся схемой счётчика временных интервалов. Он будет состоять из счетчика минут и счётчика часов. Мы знаем, что счётчик минут должен работать по основанию 60. В то же самое время мы привыкли воспринимать числа в десятичной системе счисления. Поэтому будет удобно разбить счётчик минут на два счётчика: на десятичный счётчик и счётчик, считающий до шести.
Счетчик часов можно выполнить по основанию 12 и по основанию 24. Пусть в наших часах счётчик будет работать по основанию 24. При этом для удобства отображения информации, также как и в счётчике минут, реализуем его на двух десятичных счетчиках.
Следующий блок, который обязательно должен входить в состав часов — это устройство индикации. Ведь никого не устроят часы, которые будут точно отсчитывать время, но при этом мы не сможем увидеть результат!
Выберем в качестве устройства отображения времени светодиодные семисегментные индикаторы. В этом случае мы получим устройство, способное работать при отрицательной температуре и обладающее при этом наиболее простой схемой.
Для преобразования кода, в котором работает счётчик минутных импульсов, в семисегментный код нам потребуетсядешифратор. То есть, блок индикации будет состоять из дешифраторов и собственно индикаторов. Уточнённая структурная схема часов приведена на рисунке 12.1.3.
Рисунок 12.1.3. Структурная схема часов
И, наконец, последнее замечание. Любые часы время от времени требуют коррекции своего значения с целью синхронизации своих показаний с всемирным временем. В нашей схеме это будет делать блок коррекции, который в свою очередь будет состоять из кнопок и схемы установки внутреннего состояния счётчика временных интервалов.
На этом можно завершить разработку структурной схемы. Полная структурная схема часов с учётом блока индикации и блока коррекции времени приведена на рисунке 12.1.4.
Рисунок 12.1.4. Уточнённая структурная схема часов
Теперь, после того как составлена структурная схема часов, можно приступить к разработке их принципиальной схемы.