close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1981.Микропроцессоры, цифровые устройства и схемотехника бытовых машин и приборов

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО
УФИМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА
Кафедра «Машины, аппараты, приборы и технологии сервиса»
МИКРОПРОЦЕССОРЫ, ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
И СХЕМОТЕХНИКА БЫТОВЫХ МАШИН И ПРИБОРОВ
Лабораторный практикум для студентов
специальности 150408.65 Бытовые машины и приборы
и направления 150400.62 Технологические машины и оборудование
Уфа – 2008
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Составители: К.В. Важдаев, М.И. Хабибуллин
УДК 004.31 + 004.383.3
М 54
Микропроцессоры, цифровые устройства и схемотехника бытовых
машин и приборов: лабораторный практикум / Сост.: К.В. Важдаев, М.И.
Хабибуллин. – Уфа: Уфимск. гос. академия экономики и сервиса, 2008. – 27 с.
В лабораторном практикуме рассмотрены вопросы по моделированию
работы в программе Electronics Workbench основных цифровых элементов. В
краткой
форме
изложены
сведения
по
принципам
построения
рассматриваемых цифровых элементов, описаны принципы их работы. После
каждой лабораторной работы представлены вопросы для самостоятельной
работы по данной теме.
Практикум может быть рекомендован для студентов, изучающих
устройства и элементы цифровой электроники.
Лабораторный практикум предназначен для выполнения лабораторных
работ студентами направления 150400.62 Технологические машины и
оборудование и специальности 150408.65 Бытовые машины и приборы по
дисциплине «Микропроцессоры, цифровые устройства и схемотехника
бытовых машин и приборов».
Ил. 19. Табл. 1. Библиогр.: 4 назв.
Рецензент: канд. техн. наук, доцент Исхаков З.Ф.
© Важдаев К.В., Хабибуллин М.И.,2008
© Уфимская государственная академия
экономики и сервиса, 2008
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
1. Лабораторная работа № 1
Дешифраторы……………………………………………………………………4
2. Лабораторная работа № 2
Счетчики………………….……………………………………………………..10
3. Лабораторная работа № 3
Цифро-аналоговые преобразователи………..……...………………………...17
4. Лабораторная работа № 4
Аналого-цифровые преобразователи……………………….……………...…21
Список литературы …………………………………………………………...…….26
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 1
Дешифраторы
Цель работы: Ознакомиться с принципом действия, а также с различными
видами дешифраторов. Выявить достоинства и недостатки каждого из
представленных видов.
Теоретическая часть
Дешифраторы относятся к комбинационным схемам, которые
предназначены для преобразования двоичного или двоично-десятичного кода
в позиционный. Общепринятое условное обозначение двоичного дешифратора
показано на рисунке 1.1.
К155ИДЗ
Рис. 1.1. Условное обозначение двоичного дешифратора
Данный дешифратор имеет четыре входа и 16 выходов. В зависимости от
разрядности дешифрируемого кода и функциональных возможностей
интегральных схем (ИС), имеющихся в распоряжении разработчика,
дешифратор может быть выполнен на основе одноступенчатой (линейной) или
многоступенчатой схем дешифрации.
Линейные дешифраторы выполняются прямой схемной реализацией
системой логических выражений вида:
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Y0, Y1 , …. ,Yn-1 - выходные логические функции; X1 ,X2,..., Xm-1; Х1
X2,..., Xm-1- входные логические переменные и их отрицания; * - знак
логического умножения; n=2m
множество
комбинаций
входных
переменных (число выходов полного дешифратора).
Таким образом, линейный дешифратор представляет собой 2 m
независимых по выходам вентилей с m входами каждый. На рисунке 1.2
показана схема четырехразрядного линейного дешифратора.
Рис. 1.2. Функциональная схема
линейного четырехразрядного двоичного дешифратора
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одноступенчатые линейные дешифраторы эффективны, когда
разрядность входного кода не превышает числа входов схемы И типового
логического элемента ИС. Линейный одноступенчатый дешифратор обладает
самым высоким быстродействием в сравнении с другими типами
дешифраторов.
Одной из наиболее популярных ИС линейных дешифраторов является
двоично-десятичная схема SN7445 фирмы TEXAS (USA) (рисунок 1.3).
Это двоично-десятичный дешифратор, преобразующий двоичнодесятичный код в позиционный десятиразрядный код.
А0 - А3 - входные логические переменные; d1- d10 - выходы дешифратора
Рис.1.3. Функциональная схема
линейного двоично-десятичного дешифратора SN7445 фирмы TEXAS
Прямоугольный или матричный дешифратор (рисунок 1.4) содержит
первую ступень из нескольких линейных дешифраторов (ЛД), на каждом из
которых дешифрируется группа разрядов входного слова. Количество ЛД
определяется числом групп, на которое разбивается входное слово.
Во второй ступени прямоугольного дешифратора осуществляется парное
совпадение выходных сигналов двух линейных дешифраторов первой ступени
по матричной схеме на двухвходовых вентилях (матричный дешифратор).
На третьей ступени прямоугольного дешифратора осуществляется парное
совпадение 64-х выходных сигналов второй ступени и 4-х выходных сигналов
третьего ЛД первой ступени по матричной схеме на двухвходовых вентилях.
На рисунке 1.4 показана схема построения прямоугольного дешифратора
на 256 выходов.
При оптимальном разбиении входного слова общее число вентилей,
необходимых для построения матричного дешифратора равно 2 m +2 2+m/2
Другой разновидностью многоступенчатых дешифраторов являются
пирамидальный дешифратор. Особенностью пирамидального дешифратора
является применение во всех ступенях дешифрации двухвходовых вентилей с
обязательным подключением выхода элемента i-й ступени к входам только
двух элементов (i+1)-й ступени. Число ступеней в пирамидальном
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дешифраторе на единицу меньше разрядности дешифрируемого числа. Число
вентилей в каждой ступени равно 2 i+1, где i - номер ступени. Общее
количество вентилей на дешифратор равно (2 m+1- 4). На рисунке 1.5 показан
пирамидальный дешифратор на 16 выходов.
Рис. 1.4. Структурная схема прямоугольного дешифратора на 256 выходов
х1- х4 - входные переменные; d1- d16 - выходы дешифратора.
Рис. 1.5. Функциональная схема пирамидального дешифратора на 16 выходов
Экспериментальная часть
1. Составить схему дешифратора — комбинационной схемы (КС), имеющей 5
входов и один выход. Сигнал на выходе дешифратора должен быть равен
логической единице в трех случаях: когда двоичное число на входе равно N, а
также когда входное число равно N + М, а также когда входное число равно N +
2М. Число М равно 1 для группы 1 и 2 — для группы 2.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.6. Схема дешифратора с тремя входами
Например, схема дешифратора с тремя входами F, G, Н показана на рис.
1.6.
1. Сигналы на входы комбинационной схемы поступают от генератора
логических уровней. Десятичное число, соответствующее двоичному коду на
входе схемы, показывает семисегментный индикатор. На выходе
комбинационной схемы включен индикатор логического состояния (Red Probe).
В нашем случае он загорается только тогда, когда на входе схемы
имеется двоичный код, соответствующий трем десятичным числам 0, 1,2.
2. Перед началом моделирования необходимо заполнить данными и
установить параметры генератора логических сигналов (рис. 1.7). Для удобства
наблюдения частоту смены выходных кодов рекомендуется установить равной
1 Гц. В окне установки выходных логических сигналов устанавливаются
шестнадцатеричные числа от 0000 до 00IF (рис. 2). В этом случае при работе
генератора на входе КС будут возникать все возможные комбинации двоичных
сигналов, соответствующие десятичным числам от 0 до 31.
Для того чтобы в циклическом режиме (Cycle) или в режиме пачки кодов
(Burst) на выходе генератора возникали только внесенные данные,
рекомендуется установить начальное (Initial = 0000) и конечное (Final = 00IF)
значение адреса данных. Для получения десятичного числа, на выходе
генератора рекомендуется подключить цифровые индикаторы (как на рис.
1.6).
3. Для создания схемы дешифратора рекомендуется использовать
логический преобразователь (Logic Converter) программы EWB.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.7. Параметры генератора логических сигналов
Предварительно необходимо записать логическую функцию КС в совершенной нормальной дизъюнктивной форме. Логическое отрицание
переменной вводится одновременным нажатием клавиш Shift и стрелка вправо.
Логическую функцию КС (без оптимизации) преобразовать в первую схему
дешифратора.
4. Подключить первую схему к генератору и убедиться в правильной
работе дешифратора
5. Используя, логический преобразователь программы EWB, синтезировать вторую оптимизированную схему дешифратора. Подключить ее
к генератору логических сигналов и убедиться в правильной работе схемы.
6. Синтезировать комбинационную схему с тремя выходами. Сигналы на
каждом из этих выходов появляются только при одной описанной выше
комбинации входных уровней. Используя схему ИЛИ, объединить эти
выходы. Какая из разработанных комбинационных схем получилась сложнее?
Оптимизировать схему, используя, логический преобразователь
программы. Есть ли возможность дальнейшей оптимизации всей
комбинационной схемы?
Контрольные вопросы:
1 . Опишите принципы построения линейных дешифраторов.
2 . Поясните принцип действия матричного дешифратора как
на функциональном, так и на уровне логических элементов.
3 . От чего зависят сложность и быстродействие дешифратора?
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 2
Счетчики
Цель работы: Ознакомиться с принципом действия, а также с различными
видами счетчиков. Выявить достоинства и недостатки каждого из
представленных видов.
Теоретическая часть:
Счетчиком называется узел для подсчета числа входных сигналов и
хранения двоичного кода числа подсчитанных сигналов.
Счетчики — это конечные автоматы, внутреннее состояние которых
определяется только количеством сигналов «1», пришедших на вход. Сигналы
«0» не изменяют их внутреннего состояния.
Счетчики делятся на суммирующие, вычитающие, реверсивные, т.е.
позволяющие как прибавить, так и вычесть очередную пришедшую на вход
единицу.
Модулем счета (или коэффициентом пересчета) Ксч называют количество
поступивших на вход единиц, которое возвращает счетчик в исходное
состояние.
Элементарными конечными автоматами в счетчиках являются триггеры.
Количество триггеров, необходимое для реализации счетчика или
пересчетной схемы, равно:
m  log 2 K сч ,
где т — ближайшее большее целое число.
Как и всякие дискретные автоматы, счетчики могут быть асинхронными
и синхронными (тактируемыми).
Рассмотрим работу суммирующего счетчика с Кп = 8. Для синтеза
необходимы m  log 2 K сч  log 2 8  3 триггера, соответствующие трем разрядам
двоичного выходного числа. Обозначим Q3 — старший, a Ql — младший
разряды. Выходные сигналы кодируются предельно просто: y1  Q1 , y 2  Q2 и
y 3  Q3 .Входной сигнал может быть равен только «1», так как нуль не изменяет
состояния счетчика, поэтому таблица переключений (табл. 2.1) содержит только
х = 1.
Из табл. 2.1. видно, что триггер младшего разряда переключается от
каждого входного сигнала У = 1 (нули и единицы в столбце Q1t 1 чередуются
один за другим). В столбце следующего разряда Q 2t 1 нули и единицы
чередуются парами, затем (разряда Q3t 1 ) — четверками и т.д. (если
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2.1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
Q 2t 1
Q1t 1
Q1t
Q3t 1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
0исходное
состояние
Q3t
x’
1
1
1
1
1
1
1
Q 2t
увеличивать Ксч и число разрядов). Таким образом, частота переключений
каждого следующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой
переключения предыдущего. Следовательно, счетчик можно построить как
цепочку последовательно включенных счетных триггеров (см. Т-триггер).
На рис. 2.1, а приведена схема суммирующего счетчика, синтезированная на двухступенчатых JK-триггерах, работающих в счетном
режиме. На рис. 2.1, б представлена временная диаграмма работы
суммирующего счетчика. Подсчитываемые единицы поступают на вход С
первого триггера, а на выходных шинах формируется двоичный код y 3 y 2 y1 ,
числа сосчитанных единиц. Триггеры соединены так, что сигнал с прямого
выхода предыдущего триггера поступает на вход С последующего. Так как на
входы J и K всех триггеров постоянно поданы единицы, каждый триггер
переключается в противоположное состояние в момент спада импульса,
поданного на его вход С, но после задержки tздi, определяющейся временем
переходных процессов в триггере.
Рис. 2.1. Асинхронный счетчик
с последовательным переносом и временная диаграмма его работы
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Представление счетчика цепочкой счетных триггеров справедливо как
для суммирующего, так и для вычитающего вариантов, поскольку
закономерность по отношению частот переключения разрядов сохраняется
при просмотре таблицы как сверху вниз (прямой счет), так и снизу вверх
(обратный счет). Различия при этом состоят в направлении переключения
предыдущего разряда, вызывающего переключение следующего. При прямом
счете следующий разряд переключается при переходе предыдущего в направлении 1—0, а при обратном — при переключении 0—1. Следовательно,
различие между вариантами заключается в разном подключении входов
триггеров к выходам предыдущих. Для реализации вычитающего счетчика на
входы С последующих триггеров необходимо подавать сигналы с
инверсных выходов предыдущих триггеров.
Схема реверсивного счетчика должна работать в двух режимах —
суммирующем и вычитающем. Чтобы сделать счетчик реверсивным,
необходимо обеспечить подачу на входы триггеров импульсов либо с
прямого, либо с инверсного выхода предыдущего триггера в зависимости от
управляющего сигнала. Это легко можно сделать с помощью схемы И-ИЛИ
(рис. 2.2). Счетчики, рассмотренные на рис. 2.1 и 2.2, называют счетчиками с
последовательным переносом. Переключение каждого последующего триггера
происходит с некоторой задержкой tзд только после того, как переключится
предыдущий. В результате задержка накапливается и триггер самого старшего
разряда т переключается спустя время t = mtзд. Таким образом, время
установления кода на выходе счетчика прямо пропорционально его
разрядности.
Рис. 2.2. Реализация реверсивного счетчика
с использованием схем И-ИЛИ для межразрядных связей
Для повышения быстродействия счетчики выполняют синхронными с
параллельным (сквозным) переносом. Особенностью таких счетчиков является
то, что выходы всех предшествующих разрядов подаются на входы триггера
последующего (старшего) разряда, поэтому длительность переходного
процесса (время установки кода) определяется длительностью переходного
процесса одного разряда и не зависит от количества т триггеров.
Для синтеза счетчика с параллельным переносом обратим внимание на
такую закономерность двоичных чисел: изменение старшего разряда на
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
противоположное происходит тогда, когда все предыдущие разряды
переходят из состояния «1» в состояние «0». Например, число «семь» в
двоичном коде — 0111, а число «восемь» — 1000, число «тридцать один» —
011111, а число «тридцать два» — 100000. Таким образом, чтобы
сформировать параллельный перенос, достаточно на информационные входы
триггеров подавать конъюнкцию сигналов с выходов всех предыдущих
триггеров (если использовать JK-триггеры, то одновременно на два входа J и
К), а на синхронизирующие входы всех триггеров — импульсы
синхронизации, т.е. Qi  Q0 Q1 ...Qi 1 .Схема синхронного четырехразрядного
суммирующего счетчика с параллельным переносом представлена на рис. 1.3.
Импульсы синхронизации в этом счетчике становятся счетными импульсами.
На входы J и К первого триггера, соответствующего младшему разряду,
подается «1».
Рассмотренные счетчики были двоичными, т.е. имели модуль счета,
кратный 2". Так, например, все триггеры счетчика на рис. 2.3 перейдут в
исходное нулевое состояние после прихода шестнадцатого импульса. Значит,
модуль счета этого счетчика Ксч = 16 = 2 4 . У двоичных счетчиков сброс всех
триггеров происходит с приходом очередного счетного импульса после того,
как триггеры установятся в «1». Очевидно, что могут быть построены счетчики с
любым модулем счета. Для этого необходимо обеспечить сброс всех триггеров
в «0» после достижения максимально возможного числа. Это возможно
осуществить двумя путями. Первый связан с традиционным синтезом счетчика
на основе его таблицы переключений, второй — с формированием сигнала
управляемого сброса всех триггеров в зависимости от модуля счета. В первом
случае схема счетчика будет оригинальной для каждого модуля счета, во
втором — типовой, построенной на основе обычных двоичных счетчиков. Для
управляемого сброса может быть использован, например, вход R асинхронной
установки триггера в нуль. Сигнал управляемого сброса легко сформировать с
помощью схемы И. Для этого на ее входы подаются сигналы с прямых или
инверсных выходов триггеров в зависимости от того, каков модуль счета.
Пусть, например, необходимо синтезировать счетчик с модулем счета К сч =12.
За основу может быть взят четырехразрядный счетчик. С приходом
двенадцатого импульса все триггеры должны быть установлены в «О», значит
максимальное число, хранящееся в счетчике, на единицу меньше, т.е. 11.
Двоичный эквивалент числа «11» — 1011. Этому числу соответствуют
состояния триггеров Q3Q2 Q1Q0 Соответствующие выходы триггеров подаются на
четыре входа схемы И. Поскольку сброс должен происходить в момент подачи
счетного импульса, необходима пятивходовая схема И, на пятый вход которой
подаются счетные импульсы. Таким образом, для синтеза счетчика требуется
типовая схема четырехразрядного двоичного счетчика и один конъюнктор на
пять входов.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.3. Счетчик с параллельным переносом
На основе счетчиков в системах управления технологическими
процессами формируют генераторы линейно изменяющихся напряжений, а
также генераторы пилообразных напряжений. Действительно, счетчик
обеспечивает суммирование числа посту пивших на его вход импульсов —
в режиме прямого счета, или вычитание — в режиме обратного счета. Если на
вход счетчика импульсы будут поступать равномерно с определенной
частотой, значит на выходе будет формироваться линейно нарастающая
либо спадающая последовательность кодов. В момент перехода счетчика от
кода 11....1 до 00....0 (в режиме прямого счета) или от 00....0до 11....1 (в режиме
обратного счета) на выходе будет формироваться мгновенный скачок.
Соединив выходы счетчика с цифроаналоговым преобразователем, получим
генератор ступенчато изменяющегося напряжения, величина ступеньки
которого будет соответствовать цене деления младшего разряда ЦАП. У
современных ЦАП цена деления младшего разряда может составлять
несколько милливольт, такая форма напряжения с высокой степенью
приближения соответствует линейно изменяющемуся напряжению (рис. 2.4).
Вниз
Рис. 2.4. Схема генератора
линейно-изменяющегося и пилообразного
напряжения на основе реверсивного счетчика и цифроаналогового
преобразователя
Крутизна выходного напряжения определяется частотой генератора
импульсов. Если использовать генератор с регулируемой переменной
частотой, схема будет способна формировать квазилинейное напряжение,
скорость нарастания которого может изменяться в самых широких
пределах. Наконец, за счет использования реверсивного счетчика можно
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
формировать как нарастающее, так и спадающее напряжения. Команда
«Вверх» обеспечивает прохождение импульсов на суммирующий вход, и
напряжение будет линейно нарастающим, а команда «Вниз» — на
вычитающий вход, формируя ниспадающее выходное напряжение. Скачки
напряжения формируются в моменты, соответствующие переполнению и
сбросу счетчика. Если такие скачки нужно исключить, с помощью логики
формируют запрет на прохождение импульсов при достижении критического
значения кода.
Экспериментальная часть
1. Используя пять JK-триггеров, составить схемы суммирующего (для
гр.1) и вычитающего (для гр. 2) счетчиков. Максимальные показания
суммирующего счетчика равны N+5 (модуль счета равен N+ 6).
Минимальные показания вычитающего счетчика равны N+ 4.
Для сброса счетчика в нулевое состояние или установки всех его
триггеров в единичное состояние используются комбинационное устройство и
дополнительные входы R или S JK-триггеров. Комбинационное устройство
управления работой счетчиков можно собрать с использованием элемента И с
увеличенным числом входов. (Число входов устанавливается с помощью
панели свойств элемента И.)
Например, электрические схемы суммирующего и вычитающего
счетчиков, выполненные на основе двух JK-триггеров, показаны на рис. 2.5 а,
б соответственно. Сигналы с выходов счетчика подаются на анализатор
логических уровней.
Рис. 2.5. Электрические схемы суммирующего и вычитающего счетчиков
2. Промоделировать работу счетчика с помощью программы EWB.
Входной импульсный сигнал подать от генератора логических сигналов с
выхода Data ready. Частоту входного сигнала рекомендуется установить равной
1...5 Гц. С помощью анализатора логических сигналов получить временные
диаграммы работы счетчика и убедиться в правильности его работы. Для
удобства наблюдения показаний счетчика к его выходам подключить два
семисегментных индикатора.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Составить таблицу состояний счетчика и выделить в этой таблице
номер импульса, соответствующий установке триггеров счетчика в
исходное состояние.
4.
Составить
логическое
уравнение,
описывающее
работу
комбинационной схемы управления счетчиком. Используя логический
преобразователь программы EWB, синтезировать новую схему управления
счетчиком. Подключить ее к счетчику и убедиться в правильной работе
счетчика. Провести оптимизацию схемы управления. Проверить правильность
работы счетчика с оптимизированной схемой управления.
5. Обратите внимание, что в некоторых случаях счетчик начинает
правильно работать только после первого цикла, когда хотя бы один раз
отработают все триггеры схемы. Это объясняется тем, что в программе EWB
при запуске анализа схемы первоначальные состояния триггеров не
определены.
С помощью генератора логических сигналов, используя синхронизирующий сигнал и один из логических выходов, организовать первоначальный
сброс (или установку) триггеров счетчика в нулевое (или единичное) состояния
и правильную последующую работу счетчика.
6. Увеличивая частоту входного сигнала, исследовать быстродействие
счетчика. Найти наибольшую частоту, при которой счетчик функционирует
правильно.
Контрольные вопросы
1. Что такое счетчик?
2. Описать принцип работы счетчика.
3. Описать виды счетчиков и их отличие друг от друга.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 3
Цифро-аналоговые преобразователи
Цель работы: Ознакомиться с принципом действия цифро-аналоговых
преобразователей
Теоретическая часть
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) обеспечивают прием от
цифрового устройства двоичного кода и преобразование его в напряжение
постоянного тока, пропорциональное этому коду, для последующей передачи
его аналоговым устройствам.
На рис. 3.1 пояснен принцип цифроаналогового преобразования с
помощью суммирующего операционного усилителя (ОУ). Вследствие
большого входного сопротивления входной ток ОУ пренебрежимо мал,
поэтому сумма токов  I i притекающих к точке А, равна току 1oc,
вытекающему из этой точки. Разность потенциалов между инвертирующим и
неинвертирующим входами вследствие большого коэффициента усиления
собственно ОУ (при условии, что он находится на линейном участке
характеристики) также пренебрежимо мала, поэтому потенциал точки А
оказывается близким к нулевому потенциалу корпуса. С учетом этих допущений выходное напряжение равно
U  I R
i oc
Рис. 3.1. ЦАП на основе операционного усилителя
Предположим, что с помощью ключей Кл i к точке А могут быть поданы
токи, значения которых пропорциональны весу разрядов двоичного кода (если
младшему разряду соответствует ток I, то ток каждого следующего разряда в 2
n 1
раза больше, т. е. 2I,4I, 8Iи т.д. до 2 I для старшего разряда п). Если при
значении i-го разряда, равном 1, ключ Кл i замкнут, а при 0 — разомкнут, то
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сумма токов 2I, а значит и Uвых, окажутся пропорциональны значению nразрядного двоичного числа, код которого управляет ключами.)
Для создания токов, пропорциональных весу двоичных разрядов,
используется так называемая матрица R—2R (рис. 3.2, а), которую
подключают к источнику стабильного напряжения Uоп. Нетрудно убедиться,
Рис. 3.2. Матрица R-2R (а), схема коммутации токов (б)
что для каждого узла матрицы сопротивление всей цепи, расположенной
правее узла, всегда равно 2R. Поэтому ток, втекающий в узел, разделяется
поровну между резистором 2R (вниз) и параллельной ему цепью (вправо). В
следующем узле опять происходит деление втекающего тока пополам, но
поскольку он в два раза меньше, чем ток, втекающий в предыдущий узел, то и
через резистор 2R будет течь в два раза меньший ток. Таким образом, токи,
текущие через резисторы 2R, будут пропорциональны весу двоичных
разрядов аi Для коммутации токов используется схема, изображенная на рис.
3.2, б. Роль ключей выполняет пара полевых транзисторов, при этом VT1
направляет ток в точку А операционного усилителя, a VT2 — на корпус. На
затвор VT1 поступает непосредственно напряжение двоичного разряда a i , а
на затвор VT2 — напряжение с инвертора. Если соответствующий разряд
двоичного кода a i равен единице, то транзистор VT1 открывается, a VT2
закрывается. При этом ток соответствующего двоичного разряда будет
принимать участие в формировании выходного напряжения. Если же a i =0, то
закрытым будет транзистор VTI, a открытым — VT2, и соответствующий ток
замыкается на корпус.
Экспериментальная часть
1. Собрать схему четырехразрядного (для гр. 1) или пятиразрядного
(для гр. 2) цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), построенного на
основе цепочки R-2R (рис. 3.3).
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.3. Цифроаналоговый преобразователь
Например, схема трехразрядного ЦАП показана на рис. 1. Три
входных двоичных сигнала управляют переключателями 0, 1, 2. Положение
переключателей, показанное на схеме, соответствует подаче на усилитель
напряжения, соответствующего шагу квантования Δ. Сопротивление
резистора (2 кОм) в цепи обратной связи операционного усилителя (ОУ)
равно сопротивлению в поперечной ветви цепочки R-2R. Поэтому коэффициент
передачи усилителя равен 1, и выходное напряжение ЦАП будет также равно
шагу квантования Δ. Величина шага квантования зависит от опорного
напряжения Ео и от числа звеньев в цепочке R-2R. Шаг квантования равен Δ =
40N мВ для гр. 1 и Δ = 20N мВ для гр. 2. Рассчитать и установить опорное
напряжение Ео.
2. Подключая на выходе ЦАП осциллограф (или мультиметр) и
коммутируя переключатели, измерить величину шага квантования Δэ и
максимальную величину выходного напряжения ЦАП U max . Проверить
равенства Δ= Δ и U max = (24 - 1)Δ (гр. 1) или U max = (25 - 1)Δ (гр. 2). Занести в
таблицу увеличивающиеся по величине входные двоичные коды и
соответствующие им выходные напряжения (измерить первые 5...6 значений,
начиная с нулевого напряжения, и 2...3 значения меньших или равных U max ).
Построить ступенчатый график зависимости выходного напряжения от входного
кода (от 0 до U max ).
3. Для измерения быстродействия ЦАП включить в схему вместо
идеального ОУ реальный ОУ, например, LM741 из библиотеки 1m7хх.
Установить все переключатели так, чтобы на вход ОУ напряжение не
поступало. Заменить переключатель 0 на переключатель с задержкой времени
(Time-Delay Switch), установив для последнего время включенного состояния
(Time on) 1,5...2 мкс и время выключенного состояния (Time off) 0,5 мкс.
Измерить и зарисовать возникающий на выходе ЦАП искаженный импульс
напряжения. Определить и записать длительность переднего фронта
импульса. Эта длительность примерно равна основному динамическому
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
параметру ЦАП — времени установления выходного напряжения t уст . В
исследуемой схеме время t уст в основном определяется быстродействием
операционного усилителя.
4. Исследовать влияние погрешности изготовления резисторов цепочки
R-2R и других элементов ЦАП на шаг квантования.
4.1. Расчет методом Монте-Карло. Восстановить схему ЦАП: включить в
схему обычный переключатель. Установить все переключатели схемы в
положение, при котором на выходе ЦАП возникает наибольшее напряжение.
Используя меню Analysis / Monte Carlo, получить статистику, описывающую
разброс значений выходного напряжения. При этом число испытаний (Number
of runs) установить не менее 10, разброс параметров элементов (Tolerance)
задать равным 5% (такая погрешность задается для элементов современной
аппаратуры на интегральных микросхемах), выбрать гауссовское распределение
и правильно указать номер выходного узла ЦАП. Расчет провести в режиме DC.
Максимальное значение погрешности выходного напряжения определяет один
из параметров ЦАП — абсолютную погрешность.
4.2. Расчет на наихудший случай. Установить на выходе ЦАП
напряжение, равное шагу квантования. Используя меню Analysis / Worst Case,
получить наименьшее и наибольшее значение шага квантования. При этом
разброс параметров элементов (Tolerance) задать равным 5%, выбрать расчет на
максимум, а затем на минимум значения и правильно указать номер выходного
узла ЦАП. Расчет провести в режиме DC. Разность между максимальной и
минимальной величиной напряжения часто определяет другой параметр ЦАП
— его дифференциальную нелинейность.
5. Подключить параллельно резистору в цепи обратной связи ОУ
конденсатор. В этом случае усилитель одновременно является фильтром низких
частот (активный фильтр). Определить минимальную емкость конденсатора,
при которой в выходном сигнале при изменении входного кода будут
практически отсутствовать ступеньки напряжения.
6. Заменяя каждый переключатель в схеме рис. 1 двумя переключателями,
управляемыми напряжениями, составить новую схему ЦАП с управлением
сигналами, поступающими от генератора логических уровней. Получить на
выходе ЦАП пилообразное (треугольное) напряжение.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается принцип действия ЦАП?
2. В чем смысл применения ЦАП?
3. Объяснить схему представленную на рис. 3.3.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа №4
Аналого-цифровые преобразователи
Цель работы: Ознакомиться с принципом действия аналого-цифровых
преобразователей; выявить различия между способами аналого-цифрового
преобразования.
Теоретическая часть
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 ряд способов такого преобразования, обладающих своими
преимуществами и недостатками; рассмотрим их.
В способе последовательного приближения схема формирует пробные
коды, поступающие на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), выходной
сигнал которого сравнивается с помощью компаратора с входным аналоговым
сигналом (рис. 4.1).
Рис. 4.1. АЦП последовательного приближения
Выходной двоичный код формируется в регистре, управляемом
устройством управления (УУ). Регистр связан с ЦАП, который формирует
напряжение, пропорциональное коду, подаваемое на один из входов
компаратора. На другой вход компаратора подается напряжение Uвх,
подлежащее преобразованию в код. В исходном состоянии устройство
управления устанавливает все разряды регистра в «0». Затем в старший разряд
заносится «1». Если при этом Uвх >UЦАП, то устройство управления оставляет
«1» в старшем n-м разряде, если же Uвх<UЦАП, то в старший разряд заносится
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«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 Uвх с UЦАП
на 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.
В АЦП, использующем способ пилообразного напряжения, нет
цифроаналогового преобразования (рис. 4.2). Принцип его работы основан
Рис. 4.2. АЦП, использующий способ пилообразного напряжения
на измерении интервала времени, в течение которого линейно нарастающее
напряжение достигнет уровня Uвх. По команде «Начало преобразования»
одновременно запускается генератор пилообразного напряжения и
взводится триггер, разрешающий прохождение тактовых импульсов на вход
счетчика. Линейно нарастающее напряжение Un, формируемое ГПН, поступает на один из входов компаратора, на другой вход которого подается
напряжение
Un ,
подлежащее
преобразованию
в
код.
В
момент, когда напряжение Un сравняется с Uвх, компаратор выдаст команду,
сбрасывающую триггер и запрещающую прохождение тактовых импульсов
на вход счетчика. Таким образом, код на выходе счетчика будет прямо
пропорционален отрезку времени, в течение которого напряжение Un
достигнет уровня Uвх, т.е. самой величине Uвх.
Как следует из принципа работы данного АЦП, он имеет невысокое
быстродействие. Точность преобразования определяется стабильностью
ГПН, которая в основном зависит от температурной нестабильности
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
параметров времязадающей RС-цепи. Самым быстродействующим и, в то же
время, самым сложным является АЦП, использующий способ параллельного
кодирования (рис. 4.3). Входное напряжение Uвх подается одновременно на
верхние входы всех компараторов. На нижние входы компараторов подается
напряжение с делителя, 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.
Рис. 4.3. АЦП параллельного кодирования
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  10 4 активных элементов, потребляющих примерно 2,5 Вт.
Экспериментальная часть
1. Собрать схему простейшего параллельного двухразрядного аналогоцифрового преобразователя (АЦП), показанную на рис. 4.4. Такие АЦП часто
используются при обнаружении импульсных сигналов, так как для обнаружения
такого сигнала большое число разрядов не требуется. В АЦП используются 3
компаратора (UCOMP) с включенными на их выходах повторителями
логических сигналов, комбинационная схема — шифратор (CD), источник
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
опорного напряжения Ео, и три прецизионных резистора с сопротивлениями 1
кОм. Шифратор CD выполнен в виде подсхемы.
Шаг квантования равен Δ = 55N мВ для группы 1 и А = 45N мВ для
группы 2. Шаг квантования в схеме устанавливается выбором опорного
напряжения Ео.
Рис. 4.4. Параллельный двухразрядный аналого-цифровой преобразователь
(АЦП)
2. Шифратор CD с тремя входами и двумя выходами проектируется с
помощью логического преобразователя (Logic Converter) программы EWB.
Предварительно необходимо записать две логические функции для младшего
и старшего разряда шины данных в совершенной нормальной дизъюнктивной
форме. Логическое отрицание переменной вводится одновременным
нажатием клавиш Shift и стрелка вправо. Логические функции после
оптимизации необходимо конвертировать в схему шифратора. Выделяя входы
и выходы шифратора, преобразовать его в подсхему и включить в состав АЦП.
3. Подключая к входу АЦП генератор треугольных импульсов с очень
низкой частотой 0,1 Гц и амплитудой положительных импульсов, несколько
превышающей Ео (при этом параметры: Amplitude > E0 / 2 , Offset> E0 / 2 ),
убедиться в правильной работе АЦП, наблюдая последовательную смену
показаний семисегментного индикатора, изменение логических уровней на
выходе АЦП и согласованные изменения входного сигнала.
Примечание. По умолчанию в программе EWB установлено слишком
большое значение параметра Input offset voltage компаратора, равное 0,7 В. При
таком напряжении смещения компаратора АЦП работает неправильно. Для
обеспечения правильной работы АЦП установите напряжение Input offset
voltage компаратора равным нулю.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Включить на входе АЦП источник постоянного напряжения.
Увеличивая (от нуля) напряжение на входе АЦП, получить зависимость кода на
выходе от входного напряжения. Проверить величину шага квантования А и
найти максимальное входное напряжение U max = (22- 1)Δ АЦП. Занести в
таблицу увеличивающиеся по величине двоичные коды и соответствующие им
входные напряжения. Построить ступенчатый график зависимости выходного
кода от входного напряжения.
5. Подключить на входе АЦП генератор гармонического сигнала с
амплитудой, превышающей Ео. Увеличивая частоту колебаний, получить сбои в
работе АЦП. Найти частоты, при которых возникают сбои в показаниях
семисегментного индикатора, сбои в выходных данных и сбои в работе
компараторов. Оценить быстродействие АЦП.
Используя генератор положительных треугольных импульсов, оценить
при какой скорости нарастания входного сигнала возникают сбои в работе
АЦП.
Определить, какой из элементов АЦП вносит основной вклад в снижение
его быстродействия.
Изменяя параметры повторителей (или шифратора), добиться того, чтобы
повторители (шифратор) определяли быстродействие АЦП.
6. Исключить из схемы АЦП повторители уровней. Что изменилось в
работе схемы?
7. Включить в схему АЦП вместо компараторов операционные
усилители (ОУ). Добиться правильного функционирования схемы АЦП при
использовании ОУ. Оценить быстродействие АЦП с ОУ.
Контрольные вопросы
1. В чем состоит аналого-цифровое преобразование?
2. В чем отличие способа последовательного приближения от других
представленных способов аналого-цифрового преобразования?
3. В чем отличие способа пилообразного напряжения от других
представленных способов аналого-цифрового преобразования?
4. В чем отличие способа параллельного кодирования от других
представленных способов аналого-цифрового преобразования?
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баев Б.П. Микропроцессорные системы бытовой техники. Учебник
для вузов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. –
480с.
2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов /
С.И. Баскаков. – изд. 5-е, стер. – М.: Высшая школа, 2005.– 462 с.
3. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – СПб.: Питер, 2003. –
608 с.
4. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника: Учебное пособие. 2-е
изд. перераб. и доп. – М.: Гелиос АРВ, 2004. – 336 с.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Составители: ВАЖДАЕВ Константин Владимирович,
ХАБИБУЛЛИН Марат Ильгизович
МИКРОПРОЦЕССОРЫ, ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
И СХЕМОТЕХНИКА БЫТОВЫХ МАШИН И ПРИБОРОВ
Лабораторный практикум
для студентов специальности 150408.65 Бытовые машины и приборы
и направления 150400.62 Технологические машины и оборудование
Технический редактор: Р.С. Юмагулова
Подписано в печать 23.05.2008. Формат 60х84 1/16.
Бумага писчая. Гарнитура «Таймс».
Усл. печ. л. 1,60. Уч.-изд. л. 2. Тираж 200 экз.
Цена свободная. Заказ № 42.
Отпечатано с готовых авторских оригиналов
на ризографе в издательском отделе
Уфимской государственной академии экономики и сервиса
450078, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145, к. 227; тел. (347) 241-69-85.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
28
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа