ШПОРЫ Схемотехника

№_____1______
1. Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу, в
зависимости от двоичного кода на адресной шине. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и
имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует двоичному коду (это устройство, преобразующее параллельный код в последовательный), (цифровые многопозиционные переключатели, по-другому, коммутаторы). У мультиплексора
может быть, например, 16 информационных входов, 4 управляющих входа (входа селекции) и один выход. Это означает, что если к этим 16
входам присоединены 16 источников цифровых сигналов – генераторов последовательных цифровых слов, то байты от любого из генераторов
можно передавать в единственный выходной провод. Для этого нужный нам вход требуется выбрать, подав на четыре входа селекции (т.е выбора номера канала, т.к 2 в четвертой степени = 16) двоичный код адреса. Так, для передачи на выход данных от канала номер 9 следует установить код адреса 1001. Мультиплексоры способны выбирать (селектировать) определенный канал. Поэтому их иногда называют селекторами.
Мультиплексоры различаю по способам адресации, наличию входов разрешения и инверсных выходов.
Без применения мультиплексоров невозможно построить высокоскоростные сети связи, эффективно резервировать передаваемый по
сетям трафик и масштабировать эксплуатируемые сети.
D01
D02
X0
X0
&
X1
X1
&
1
D03
D04
D05
D06
X2
&
X3
&
Y
X2
X3
A0
A0
1
A1
A1
1
Y
D0-D3 информационными входами.
А0-А1 адресными входами.
2. Операционный усилитель. Характеристики идеального ОУ. Обозначение на схемах.
Операционный усилитель —дифференциальный усилитель постоянного тока, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти
всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью
определяет коэффициент передачи полученной схемы.
В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к
идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных схем.
Идеальный операционный усилитель - является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.
Идеальный ОУ обладает следующими характеристиками:
Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи.
Бесконечно большое входное сопротивление входов V- и V+. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.
Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.
Способность выставить на выходе любое значение напряжения.
Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ (насыщение).
Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.
Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах. Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство 𝑈+ − 𝑈− = 0
Обозначение операционного усилителя на схемах
На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:
V+: неинвертирующий вход
V−: инвертирующий вход
Vout: выход
VS+: плюс источника питания (также может обозначаться как VDD, VCC, или VCC + )
VS−: минус источника питания (также может обозначаться как VSS, VEE, или VCC − )
Нередко на схемах опускают обозначение питающего напряжения с целью упрощения принципиальной схемы.
3. Зная значение напряжение полной шкалы, мы можем найти напряжения, соответствующие каждому разряду. В нашем случае
Uпш=10В и количество разрядов n=6:
N разряд = Uпш/2N, N= ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
1, N;
1 разряд = 5В;
2 разряд = 2,5В;
3 разряд = 1,25В;
4 разряд = 0,625В;
5 разряд = 0,3125В;
6 разряд = 0,15625В;
Зная цифровой код на входе ЦАП можно найти напряжение на выходе:
101011 -> Uвых= 5+1,25+0,3125+0,15625= 6,71875В.
№_____2______
1. ПЗУ.
Постоянным запоминающим устройством называется энергонезависимая память, используемая для хранения массива неизменяемых
данных. Такие устройства необходимы для замены простейших логических элементов низкой степени интеграции, хранения программ в микроконтроллерах, таблиц цифровых отображений сигналов (в генераторах и анализаторах сигналов), начальных загрузчиков ЭВМ, кодовых сигналов систем дистанционного управления.
По разновидностям схемотехники устройств ПЗУ делят на четыре типа:

Программируемые изготовителем ПЗУ (ROM)

Однократно программируемые пользователем ПЗУ (PROM)

Многократно программируемые пользователем ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM)

Многократно программируемые пользователем ПЗУ с электрическим стиранием (EEPROM)
Базовую структуру ПЗУ можно представить в виде дешифратора адреса и совокупности подключенных к нему элементов ИЛИ.
2. Применение ОУ. Дифференциальный усилитель (вычитатель).
На рисунке представлена схема классического дифференциального усилителя,
коэффициент усиления которого рассчитывается по формуле
выходного напряжения рассчитывается по формуле
𝑈вых =
𝐾=
𝑅2
𝑅1
. Значение
𝑅2
⁄𝑅 (𝑈2 − 𝑈1 )
1
Более подробное описание дифференциального усилителя:
Дифференциальный усилитель
Примечание: не следует путать дифференциальный усилитель с дифференциатором (см. ниже)
Данная схема предназначена для получения разности двух напряжений, при этом каждое из них предварительно умножается на некоторую константу (константы определяются резисторами).
Входное сопротивление (между входными выводами) равно Zin = R1 + R2
В случае, когда R1 = R2 и Rf = Rg, имеем:
3. Зная значение напряжение полной шкалы мы можем найти напряжения, соответствующие каждому разряду. В нашем случае
Uпш=5В и количество разрядов n=6:
N разряд = Uпш/2N, N= ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
1, N;
1 разряд = 2,5В;
2 разряд = 1,25В;
3 разряд = 0,625В;
4 разряд = 0,3125В;
5 разряд = 0,15625В;
6 разряд = 0,078125В;
Зная цифровой код на входе ЦАП можно найти напряжение на выходе:
101100 -> Uвых=2, 5+0,625+0,3125= 3,4375В.
№_____3______
1. Обратные связи (4 типа в примерах). Обратная связь – это условие функционирования физической системы, при котором
часть энергии передаётся с её выхода на вход. Введение ОС в физическую
системы, например электронную, изменяет рабочие характеристики системы.
На практике, главным образом в усилителях, ОС организована так, что часть
выходного сигнала, подаваемая на вход усилителя, вычитается из входного
сигнала. Такая связь называется отрицательной обратной связью (ООС).
Если часть выходного сигнала, подаваемая на вход, складывается с входным
сигналом, то ОС называется положительной обратной связью (ПОС) или
регенеративной.
ООС стабилизирует коэффициент усиления усилителя, расширяет его
полосу пропускания, уменьшает шумы и искажения и используется значительно
чаще, чем ПОС, которая увеличивает коэффициент усиления, но уменьшает
полосу пропускания и ухудшает стабильность усиления. ПОС применяется
обычно в генераторах.
Тип схемы
К.у. или в цепи с ОС
К. п. в цепи с ОС
𝑅𝐸
𝐴𝑢
Последовательный вход,
𝐴𝑢𝑓 ≈
последовательный выход.
𝑅𝐿
1 − 𝐵𝐴𝑢
(последовательная ОС)
𝑅𝐿
𝐴𝑖
Параллельный вход парал𝐴𝑖𝑓 ≈
лельный выход.
𝑅𝐹
1 − 𝐵𝐴𝑖
(последовательная ОС)
A
A
−𝑅𝐸
𝐴𝑢
Последовательный вход,
2
𝐴𝑢𝑓 ≈
1
параллельный выход.
𝑅𝐸 + 𝑅𝐹
1 − 𝐵𝐴𝑢
Параллельный вход, последовательный выход.
B1
𝐴𝑖𝑓 ≈
𝐴𝑖
1 − 𝐵𝐴𝑖
−𝑅𝐸
𝑅𝐸 − 𝑅𝐹
B2
Многокаскадный усилитель с несколькими обратными связями.
2. Применение ОУ. Инвертирующий усилитель.
Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка кОм. Использование резисторов с сопротивлением
менее 1 кОм нежелательно, так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий выход ОУ. Резисторы более 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов смещения.
Инвертирующий усилитель
Инвертирует и усиливает напряжение (то есть умножает напряжение на отрицательную
константу).
Zin = Rin (Поскольку V − является виртуальной землей)
Третий резистор с сопротивлением, равным
(сопротивление параллельно
соединенных резисторов Rf и Rin), устанавливаемый (при необходимости) между неинвертирующим входом и землей, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения.
3. Зная значение напряжение полной шкалы, мы можем найти напряжения, соответствующие каждому разряду. В нашем случае
Uпш=20В и количество разрядов n=6:
N разряд = Uпш/2N, N= ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
1, N;
1 разряд = 10В;
2 разряд = 5В;
3 разряд = 2,5В;
4 разряд = 1,25В;
5 разряд = 0,625В;
6 разряд = 0,3125В;
Зная цифровой код на входе ЦАП можно найти напряжение на выходе:
111011 -> Uвых= 10+5+2,5+0,625+0,3125= 18,4375В.
№_____4______
1. Дешифратор. Применение.
Дешифраторы – микросхемы средней степени интеграции, предназначенные для преобразования двоичного кода в напряжение логического уровня, появляющееся в том выходном проводе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Например, входной код
должен сделать активным провод с номером 9. Во всех остальных проводах дешифратора сигналы должны быть нулевыми.
Дешифраторы также различают по емкости, по числу каналов, по типу построения (линейные, матричные) а также по формату входного кода (двоичный, двоично-десятичный).
Дешифраторы находят различное применение в вычислительной и информационно-вычислительной технике. Одно из них – управление индикаторами, отражающими знаковую информацию.
Дешифраторы применяют в различных устройствах обработки и передачи информации: в телемеханике, в вычислительной технике
(декодирующие устройства, преобразователи представления величин), в радиотехнике и измерительной технике (детекторы, демодуляторы), в
системах телефонной и телеграфной связи. Назначение предопределяет структуру, число входов и выходов, форму и последовательность входных и выходных сигналов.
D01
X1
1
&
&
&
Y0
X1
X2
Y1
Y2
Y0
Y1
Y2
D02
X2
1
&
Y3
Y3
Здесь представлен линейный дешифратор на 2 входа и, соответственно, 4 выхода и временные диаграммы, поясняющие его работу.
Линейные дешифраторы обладают высоким быстродействием, однако из-за ограниченного количества входов типового элемента серии
разрядность дешифрируемого кода не велика.
При интегральном исполнении дешифратора количество выходов микросхемы лимитировано, поэтому на вход подается прямой код Xl+
Xm. Инверсные разряды кода формируются инверторами, находящимися внутри кристалла микросхемы. Во избежание искажений результатов
дешифрации целесообразно синхронизировать работу дешифратора. С этой целью кодовая комбинация поступает на вход дешифратора по
стробирующему импульсу, который подается только после установления разрядов кодов на входных винтелях. Используя входы управления при
параллельном включении микросхемы, можно дешифрировать код большей разрядности.
2. Применение ОУ. Неинвертирующий усилитель.
Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка кОм. Использование резисторов с сопротивление
менее 1 кОм нежелательно, так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий выход ОУ. Резисторы более 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов
смещения.
Неинвертирующий усилитель
Усиливает напряжение (умножает напряжение на константу, большую единицы)
1 MОм до 10 TОм)
(на практике — входное сопротивление операционного усилителя: от
Третий резистор с сопротивлением, равным
(сопротивление параллельно соединенных резисторов R1 и R2), устанавливаемый (при необходимости) между точкой подачи входного сигнала Vin и неинвертирующим входом, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока
смещения.
3. Зная значение напряжение полной шкалы, мы можем найти напряжения, соответствующие каждому разряду. В нашем случае
Uпш=14В и количество разрядов n=6:
N разряд = Uпш/2N, N= ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
1, N;
1 разряд = 7В;
2 разряд = 3,5В;
3 разряд = 1,75В;
4 разряд = 0,875В;
5 разряд = 0,4375В;
6 разряд = 0,21875В;
Зная цифровой код на входе ЦАП можно найти напряжение на выходе:
011011 -> Uвых= 3,5+1,75+0,4375+0,21875= 6,125В.
№_____5______
1. Асинхронные счётчики.
Асинхронные схемы счётчиков обладают общей проблемой, связанной с последовательной «сквозной» сменой состояний триггеров.
Этот эффект свойственен некоторым двоичным сумматорам и схемам преобразования данных, и обусловлен накапливающимися задержками при
прохождении сигнала от одного элемента логического вентиля к другому. Когда выход Q триггера переключается с 1 на 0, он отдаёт команду на
переключение следующему триггеру. Если следующий триггер переходит с 1 на 0, то он также подаёт команду на переключение следующему
триггеру и т. д. Однако, поскольку всегда существует небольшая задержка при прохождении сигнала между командой на переключение (синхроимпульс) и действительным переключением (смена состояний выходов Q и Q'), а, следовательно, каждый последующий триггер, который
должен поменять состояние, сменит его спустя некоторое время, после того как предыдущий триггер уже поменял своё состояние. Следовательно, при переключении состояний нескольких триггеров, смена состояния происходит не одновременно:
Чем больше триггеров переключается по данному синхроимпульсу, тем большим становится накопленное время задержки от младшего
до старшего разряда. По синхроимпульсу в подобной точке смены состояний (например, при переходе с 0111 на 1000), будет происходить
«сквозное“ изменение состояний от младшего к старшему разряду, по мере того как происходит смена каждого бита, и подаётся команда для
перемены состояния следующего, с небольшой задержкой между двумя соседними триггерами. Если мы внимательнее посмотрим на этот эффект при переходе с 0111 на 1000, то увидим, что в течение короткого периода счётчик будет выдавать неверные значения:
Вместо перехода с "0111“ на "1000”, схема будет очень быстро менять состояния в следующей последовательности: 0111-01100100-0000 и лишь затем 1000 (в десятичной системе: 7-6-4-0 и затем
8). Из-за такой последовательной (“насквозь") смены состояний триггеров, подобная схема называется счётчиком со сквозным переносом или асинхронным счётчиком.
Во многих случаях этот эффект приемлем, поскольку период
неверных выходных значений происходит чрезвычайно быстро (для
лучшего понимания этого эффекта степень задержки на рисунках преувеличена). Если бы нам потребовалось подать сигнал, например, на
ряд светодиодов, то этот промежуток неверных выходных сигналов не
внёс бы в работу схемы каких-бы то ни было искажений. Однако это
неприемлемо, если бы нам потребовалось использовать счётчик для
«выбора» входов мультиплексора или выполнения какой-либо иной
задачи, когда ложные выходные сигналы приведут к ошибкам в работе
схемы.
2. Применение ОУ. Повторитель напряжения (Буферный усилитель) (5 билет продолжение)
Бу́ ферный усилитель в электронике — усилитель, предназначенный для согласования выходного сопротивления источника сигнала со входным сопротивлением нагрузки.
Буферный усилитель напряжения понижает выходное сопротивление источника, в идеале являясь генератором напряжения с нулевым выходным сопротивлением. Выходное напряжение такого усилителя, как правило, равно входному; такие буферные усилители называют
повторителями. В простейшем случае эмиттерного повторителя выходное напряжение даже несколько меньше входного.
Буферный усилитель тока, напротив, повышает выходное сопротивление относительно низкоомного источника - в идеале, до бесконечности, при этом буферный усилитель тока является генератором тока. Если выходной ток такого устройства (управляемого генератора тока)
равен входному, его называют повторителем тока (в частных случаях - токовым зеркалом).
Буферные усилители и напряжения, и тока (в том числе повторители) усиливают мощность. На практике, под словосочетанием буферный усилитель чаще всего понимается именно буферный усилитель напряжения.
В зависимости от требуемого диапазона выходных токов и напряжений, буферные усилители могут строиться на дискретных транзисторах, повторители переменного напряжения - также на лампах, на операционных усилителях общего назначения на специализированных ИС
буферных усилителей. Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка кОм. Использование резисторов с
сопротивление менее 1 кОм нежелательно, так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий выход ОУ. Резисторы более 1 МОм могут
внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов смещения.
Повторитель напряжения
Используется как буферный усилитель, для исключения влияния низкоомной нагрузки
на источник с высоким выходным сопротивлением.
1 MОм до 10 TОм)
(на практике — входное сопротивление операционного усилителя: от
3. Зная значение напряжение полной шкалы мы можем найти напряжения, соответствующие каждому разряду. В нашем случае
Uпш=8В и количество разрядов n=6:
N разряд = Uпш/2N, N= ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
1, N;
1 разряд = 4В;
2 разряд = 2В;
3 разряд = 1В;
4 разряд = 0,5В;
5 разряд = 0,25В;
6 разряд = 0,125В;
Зная цифровой код на входе ЦАП можно найти напряжение на выходе:
101101 -> Uвых= 4+1+0,5+0,125= 5,625В.
№_____6______
1. Счетчик-определение. Классификация.
Счетчиком называется схема, выполняющая функции подсчета количества единичных сигналов, поступивших на ее вход, а также
функции формирования и запоминания некоторого кода, соответствующего этому количеству. Счетчики также иногда могут выполнять функции
приема и выдачи кода. Схемы счетчиков можно классифицировать по следующим признакам:
1)Основание системы счисления. В вычислительных системах используются двоичные и десятичные счетчики. Двоичные счетчики в
свою очередь подразделяются на счетчики с модулем пересчета равным 2n. и модулем пересчета, не равным 2n, где n - разрядность счетчика.
2)Направление переходов счетчика. Счетчики принято разделять на простые (суммирующие или вычитающие), которые могут вести
счет только в одном направлении, то есть только прибавлять или вычитать входные сигналы, и реверсивные, которые в зависимости от управляющих сигналов могут вести счет в прямом или обратном направлениях.
3)Способ построения цепей переноса. Различают счетчики с последовательным, сквозным, параллельным и групповым переносом.
4)Способ организации счета. Счетчики могут быть асинхронными и синхронными. В асинхронных счетчиках изменение состояния счетчика осуществляется с поступлением информации только на вход первого каскада. В синхронных счетчиках информационный сигнал поступает
одновременно на синхронные входы всех разрядов.
5)Тип элементов, используемых для построения счетчика. Различают счетчики на импульсных, импульсно потенциальных и потенциальных элементах. Хотя в современной электронной аппаратуре используется все эти три типа.
6)Тип организации счетного элемента. Счетчики могут бы ть построены на триггерах со счетным входом и на запоминающих элементах с использованием логических суммирующих схем.
Особую группу составляют счетчики, работающие по принципу циклического сдвигающего регистра (кольцевые счетчики). Однако эти счетчики отличаются низкой устойчивостью к помехам и сбоем и в ЭВМ практически не применяются.
2. Применение ОУ. Суммирующий усилитель. Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка
кОм. Использование резисторов с сопротивление менее 1 кОм нежелательно, так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий выход
ОУ. Резисторы более 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов
смещения.
Суммирующий усилитель
Суммирует (с весом) несколько напряжений. Сумма на выходе инвертирована, то есть
все веса отрицательны.
Если
Если
, то
, то
Выход инвертирован
Входной импеданс n-го входа равен Zn = Rn (Поскольку V − является виртуальной землей)
3. Чтобы найти необходимое количество разрядов для получения требуемой разрешающей способности, при заданном напряжении полной шкалы, необходимо произвести следующие действия: напряжение полной шкалы делится на 2 до тех пор, пока не будет получена
нужная разрешающая способность. При этом следует подсчитать количество делений на 2, что и будет являться НЕОБХОДИМЫМ количеством
разрядов (N).
Способ №1:
N=10/2=5/2=2,5/2=1,25/2=0,625/2=0,3125/2=0,15625/2=0,078125/2=0,0390625/2=0,01953125/2=0,009765625/2=0,005В, итак N=11.
Способ №2:
10/2N=0,005 решим уравнение и найдём N.
10/0,005=2N
//прологорифмируем Л. и П. части
ln(2000)=N*ln2
N=11.
№_____7______
1. Асинхронные счётчики.
Асинхронные схемы счётчиков обладают
общей проблемой, связанной с последовательной «сквозной» сменой состояний
триггеров. Этот эффект свойственен
некоторым двоичным сумматорам и схемам преобразования данных, и обусловлен накапливающимися задержками при
прохождении сигнала от одного элемента
логического вентиля к другому. Когда
выход Q триггера переключается с 1 на
0, он отдаёт команду на переключение
следующему триггеру. Если следующий
триггер переходит с 1 на 0, то он также
подаёт команду на переключение следующему триггеру и т. д. Однако, поскольку всегда существует небольшая задержка при прохождении сигнала между командой на переключение (синхроимпульс) и действительным переключением
(смена состояний выходов Q и Q'), а, следовательно, каждый последующий триггер, который должен поменять состояние, сменит его спустя некоторое время, после того как предыдущий триггер уже поменял своё состояние. Следовательно, при переключении состояний нескольких
триггеров, смена состояния происходит не одновременно (рисунок):
Чем больше триггеров переключается по данному синхроимпульсу, тем
большим становится накопленное время
задержки от младшего до старшего разряда. По синхроимпульсу в подобной точке
смены состояний (например, при переходе
с 0111 на 1000), будет происходить
«сквозное“ изменение состояний от младшего к старшему разряду, по мере того
как происходит смена каждого бита, и
подаётся команда для перемены состояния следующего, с небольшой задержкой
между двумя соседними триггерами. Если
мы внимательнее посмотрим на этот эффект при переходе с 0111 на 1000, то
увидим, что в течение короткого периода
счётчик будет выдавать неверные значения:
Вместо перехода с "0111“ на
"1000”, схема будет очень быстро менять
состояния в следующей последовательности: 0111-0110-0100-0000 и лишь затем 1000 (в десятичной системе: 7-6-4-0 и затем 8). Из-за такой последовательной (“насквозь") смены состояний триггеров, подобная схема называется счётчиком со сквозным переносом или асинхронным
счётчиком.
Во многих случаях этот эффект приемлем, поскольку период неверных выходных значений происходит чрезвычайно быстро (для лучшего понимания этого эффекта степень задержки на рисунках преувеличена). Если бы нам потребовалось подать сигнал, например, на ряд
светодиодов, то этот промежуток неверных выходных сигналов не внёс бы в работу схемы каких-бы то ни было искажений. Однако это неприемлемо, если бы нам потребовалось использовать счётчик для «выбора» входов мультиплексора или выполнения какой-либо иной задачи,
когда ложные выходные сигналы приведут к ошибкам в работе схемы.
2. Применение ОУ. Интегратор.
Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка
кОм. Использование резисторов с сопротивление
менее 1 кОм нежелательно, так как они могут
вызвать чрезмерный ток, перегружающий выход
ОУ. Резисторы более 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов
смещения.
Интегратор интегрирует (инвертированный) входной сигнал по времени.
где Vin и Vout — функции времени,
Vinitial — выходное напряжение интегратора в момент времени t = 0.
Данный четырехполюсник можно также рассматривать как фильтр нижних частот.
3. Чтобы найти необходимое количество разрядов для получения требуемой разрешающей способности, при заданном напряжении полной шкалы, необходимо произвести следующие действия: напряжение полной шкалы делится на 2 до тех пор, пока не будет получена нужная
разрешающая способность. При этом следует подсчитать количество делений на 2, что и будет являться НЕОБХОДИМЫМ количеством разрядов
(N).
Способ №1:
N=10/2=5/2=2,5/2=1,25/2=0,625/2=0,3125/2=0,15625/2=0,078125/2=0,0390625/2=0,01953125/2=0,010, итак N=10.
Способ №2:
10/2N=0,010 решим уравнение и найдём N.
10/0,010=2N
//прологорифмируем Л. и П. части
ln(1000)=N*ln2
N=10.
№_____8______
1. Синхронные счетчики
.
Быстродействие счетных схем можно повысить благодаря специальной организации цепей переноса и подаче счетных импульсов на
все разряды счетчика одновременно. Как правило, в таких схемах счетные импульсы выполняют роль импульсов синхронизации, поэтому рассматриваемые иже счетчики относятся к классу синхронных.
В схеме со сквозным переносом переключение каждого j-ого разряда JK-триггера возможно в том случае, если на его информационных
входах J и K присутствует 1. В противном случае j-ый триггер находится в режиме запоминания.
На входы J и K младшего разряда счетчика подается константа «1», поэтому он постоянно работает в режиме асинхронного T-триггера,
то есть изменяет свое состояние на противоположное под воздействием каждого счетного импульса. Изменение состояния старших разрядов
счетчика возможно только в том случае, если все предшествующие триггеры младших разрядов находится в единичном состоянии.
Отличительной особенностью схемы счетчика с параллельным переносом является то, что выходы всех предшествующих i-му триггеру
разрядов подаются на вход данного триггера. Для построения данного счетчика используется многовходовые JK-триггеры. С возрастанием порядкового номера триггера учитывается число входов J и K, необходимых для организации схемы. Так как число входов триггера и его нагрузочная способность ограничены, то разрядность счетчика с параллельным переносом обычно не превышает четырех. При построении счетчиков
большей разрядности разряды счетчика разбивают на группы по четыре триггера, и внутри каждой группы строят цепи параллельного переноса. Перенос между группами организуется, например, методом сквозного переноса. Такой способ образования сигналов переноса называется
групповым.
2. Применение ОУ. Дифференциатор.
Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка кОм. Использование резисторов с сопротивление
менее 1 кОм нежелательно, так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий выход ОУ. Резисторы более 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов смещения.
Дифференциатор
Дифференцирует (инвертированный) входной сигнал по времени.
где Vin и Vout — функции времени.
Данный четырехполюсник можно также рассматривать как фильтр высоких частот.
3. Для того чтобы определить, какие переключатели замкнуты, воспользуемся методом последовательного приближения.
Коммутируемые выводы обеспечивают напряжения:
1 разряд = 5В (Uопорное/2n);
2 разряд = 2,5В;
3 разряд = 1,25В;
4 разряд = 0,625В;
5 разряд = 0,3125В;
6 разряд = 0,15625В;
Так как 6,875В>5В, следовательно 1 разряд = 1. После замыкания 2 разряда напряжение на выходе повысится до 7,5В, а это высокое
напряжение, следовательно 2 разряд = 0. Если замкнуть 3 разряд, напряжение на выходе повысится до 6,25В. Замыкая на выходе получаем
напряжение 6,875В, что соответствует коду 101100.
№_____9______
1. Регистр. Классификация.
Регистром называется устройство, предназначенное для записи и хранения дискретного «слова» - двоичного числа или другой кодовой
комбинации, а также для преобразований кодов чисел, поразрядное логическое сложение и умножение двух чисел и т.д.
Основные элементы регистра – двоичные ячейки, в качестве которых применяются триггеры. Количество двоичных ячеек определяется количеством двоичных разрядов слов (длиной слова), на которую рассчитан регистр. Обычно регистры выполняют на основе RS, D, JK триггеров.
Регистр – один из основных элементов цифровой ЭВМ и многих других устройств вычислительной техники. Конкретные регистры обычно являются специализированными и реализуют лишь некоторые операции.
Классификация регистров.

По возможности смещения информации различают сдвигающие регистры и регистры памяти (регистры без сдвига).

По количеству тактов управления, необходимых для записи информации, различают однотактные регистры (с приемом информации в парафазном коде), двухтактные (со сбросом информации перед записью) и многотактные (сдвигающие) регистры.

По способу записи информации различают три типа регистров. В параллельных регистрах (регистрах памяти) запись информации осуществляется одновременно во все разряды (каждому разряду соответствует отдельная линия). В последовательных регистрах запись
сдвигается тактовыми импульсами от разряда к разряду (используется одна линия для последовательной во времени передачи комбинации нулей и единиц). Для записи и хранения информации в последовательных кодах применяют сдвиговые регистры. В параллельнопоследовательных регистрах имеются входы как для параллельной, так и для последовательной записи.

Регистры могут быть однофазными с одним каналом входа (прямым или инверсным) для каждого разряда, парафазными– в
них информация поступает на каждый разряд по двум каналам (прямому и инверсному).
2. Применение ОУ. Компаратор.
Электронное устройство, предназначенное для сравнения двух аналоговых сигналов (напряжений).
Сравнивает два напряжения и выдает на выходе одно из двух состояний в зависимости
от того, какое из входных напряжений больше.
VS + — положительное напряжение питания;
VS − — отрицательное напряжение питания.
Проходная характеристика неинвертирующего компаратора
Компаратор (аналоговых сигналов) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую
«1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше чем на инверсном входе.
Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от
линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:
Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться
при изменении знака этого напряжения. В ОУ, охваченном обратной связью, это требование некритично, так как
дифференциальное входное напряжение измеряется милливольтами и микровольтами.
Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором
(совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).
При подаче эталонного напряжения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером).
При подаче эталонного напряжения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором).
Компараторы, построенные на двух дифференциальных усилителях, можно условно разделить на двухвходовые и трёхвходовые. Двухвходовые компараторы применяются в тех случаях, когда сигнал изменяется достаточно быстро (не вызывает дребезга), и на выходе генерируют один из потенциалов, которыми запитаны операционные усилители (как правило — +5В или 0). Трёхвходовые компараторы имеют более
широкую область применения и обладают двумя опорными потенциалами, за счёт чего их вольт-амперная характеристика может представлять
собой прямоугольную петлю гистерезиса.
3. Чтобы найти необходимое количество разрядов для получения требуемой разрешающей способности, при заданном напряжении полной шкалы, необходимо произвести следующие действия: напряжение полной шкалы делится на 2 до тех пор, пока не будет получена
нужная разрешающая способность. При этом следует подсчитать количество делений на 2, что и будет являться НЕОБХОДИМЫМ количеством
разрядов (N).
Способ №1:
N=10/2=5/2=2,5/2=1,25/2=0,625/2=0,3125/2=0,15625/2=0,078125/2=0,0390625/2=0,01953125/2=0,009765625/2=0,0048828125/2=2,5В
Способ №2:
10/2N=0,0025 решим уравнение и найдём N.
10/0,0025=2N
//прологорифмируем Л. и П. части
ln(4000)=N*ln2
N=12.
№_____10______
1. 4-х разрядный параллельный однофазный регистр на основе D-триггеров.
Регистром называется устройство, предназначенное для записи и хранения дискретного «слова» - двоичного числа или другой кодовой
комбинации, а также для преобразований кодов чисел, поразрядное логическое сложение и умножение двух чисел и т.д.
Основные элементы регистра – двоичные ячейки, в качестве которых применяются триггеры. Количество двоичных ячеек определяется количеством двоичных разрядов слов (длиной слова), на которую рассчитан регистр. Обычно регистры выполняют на основе RS, D, JK триггеров. Регистр – один из основных элементов цифровой ЭВМ и многих других устройств вычислительной техники. Конкретные регистры обычно
являются специализированными и реализуют лишь некоторые операции.
D – входы для записи данных, С – разрешение на запись данных (как правило, запись производится не побитно или потетрадно – по 4
бита, поэтому все входы соединины между собой), Q – выходы для чтения данных.
В отличии от записи данных, где запись производится только при наличии 1 на входе «разрешение на запись» считывание возможно в
любой момент времени. Также возможно считывание по 1 биту и предусмотрены выходы для считывания инвертированного сигнала (выходы
над Q1, Q2, Q3, Q4).
2. ЦАП. Применение. Цифро-аналоговый преобразователь
D1
(ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно
двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или
&
заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интер1
фейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми
сигналами.
C
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит обратную операцию.
Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в имQ1 пульсно-кодовой модуляции (англ. PCM, pulse-code modulation).
Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM
1
выполняется соответствующими кодеками.
&
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для
1
преобразования числа, определенного, как правило, в виде
двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преD2
образователей весьма разнообразна. На рис. 1 представлена
&
классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам.
1
Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:
По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в
виде напряжения
По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с
параллельным вводом входного кода
Q2 По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные
1
По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия
&
Применение
ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из
1
цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компактD3
дисков (Audio CD).
&
Сигнал с ЦАП без
интерполяции на
фоне идеального
сигнала.
1
1
Q3
&
1
D4
&
1
1
&
1
Q4
3. Чтобы найти необходимое количество разрядов для
получения требуемой разрешающей способности, при заданном
напряжении полной шкалы, необходимо произвести следующие
действия: напряжение полной шкалы делится на 2 до тех пор,
пока не будет получена нужная разрешающая способность. При
этом следует подсчитать количество делений на 2, что и будет
являться НЕОБХОДИМЫМ количеством разрядов (N).
Способ №1:
N=20/2=10/2=5/2=2,5/2=1,25/2=0,625/2=0,3В
Способ №2:
20/2N=0,3 решим уравнение и найдём N.
20/0,3=2N
//прологорифмируем Л. и П. части
ln(66,7)=N*ln2
N=6.
№_____11______
1. Шифратор. Применение.
Шифраторы – микросхемы средней степени интеграции, предназначенные для перевода сигнала, поданного только в один входной
провод, в выходной параллельный двоичный код, который появится на выходе шифратора. Чтобы шифратор откликался на входной сигнал
только одного провода, его схему делают приоритетной. Тогда выходной код должен соответствовать номеру «старшего» входа, получившего
сигнал. Предположим, активные уровни поступили на входы 3, 4, 9. Старший по номеру вход здесь 9, он обладает приоритетом, поэтому выходной код шифратора 1001.
Шифраторы различают по емкости, по числу каналов, а также по формату входного кода (двоичный, двоично-десятичный).
Шифраторы находят различные применение в вычислительной и информационно-измерительной технике. Одно из них – преобразование чисел, вводимых пользователем, например, на калькуляторе, в двоичный код.
Шифраторы широко используются в разнообразных устройствах ввода информации в цифровые системы. Такие устройства могут
снабжаться клавиатурой, каждая клавиша которой связана с определенным входом шифратора. При нажатии выбранной клавиши подается сигнал на определенный вход шифратора, и на его выходе возникает двоичное число, соответствующее выгравированному на клавише символу.
Например: трёхразрядный шифратор
0
1
2
3
4
5
6
7
D01
D02
D03
D04
D05
D06
D07
D08
Y1
1
1
1
Y0
Y2
0
1
2
3
4
5
6
7
Y0
Y1
Y2
Приоритетный (на всякий пожарный)
2. Типы ЦАП.
Наиболее общие типы электронных ЦАП:
широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на
время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов.
ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный
сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования.
Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости.
Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH
(англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;
взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует.
Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов. По этой причине взвешивающие
ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;
цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП,
так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости;
сегментный ЦАП содержит по одному источнику тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Так, например, восьмибитный ЦАП этого типа содержит 255 сегментов, а 16-битный — 65535. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, так как для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду;
гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор
конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.
3. Зная значение напряжение полной шкалы, мы можем найти напряжения, соответствующие каждому разряду. В нашем случае
Uпш=14В и количество разрядов n=6:
N разряд = Uпш/2N, N= ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
1, N;
1 разряд = 7В;
2 разряд = 3,5В;
3 разряд = 1,75В;
4 разряд = 0,875В;
5 разряд = 0,4375В;
6 разряд = 0,21875В;
Зная цифровой код на входе ЦАП можно найти напряжение на выходе:011011 -> Uвых= 3,5+1,75+0,4375+0,21875= 6,125В.
№_____12______
1. Линейный трёхразрядный шифратор.
Шифраторы – микросхемы средней степени интеграции, предназначенные для перевода сигнала, поданного только в один входной
провод, в выходной параллельный двоичный код, который появится на выходе шифратора. Чтобы шифратор откликался на входной сигнал
только одного провода, его схему делают приоритетной. Тогда выходной код должен соответствовать номеру «старшего» входа, получившего
сигнал. Предположим, активные уровни поступили на входы 3, 4, 9. Старший по номеру вход здесь 9, он обладает приоритетом, поэтому выходной код шифратора 1001. Шифраторы различают по емкости, по числу каналов, а также по формату входного кода (двоичный, двоичнодесятичный). Шифраторы находят различные применение в вычислительной и информационно-измерительной технике. Одно из них – преобразование чисел, вводимых пользователем, например, на калькуляторе, в двоичный код.
Шифраторы широко используются в разнообразных устройствах ввода информации в цифровые системы. Такие устройства могут
снабжаться клавиатурой, каждая клавиша которой связана с определенным входом шифратора. При нажатии выбранной клавиши подается сигнал на определенный вход шифратора, и на его выходе возникает двоичное число, соответствующее выгравированному на клавише символу.
Существуют приоритетные шифраторы. Если запрос поступает одновременно от двух клавиш, то будет активизирован выход той из них, который соответствует более высокой десятичной величине.Например: линейный трёхразрядный шифратор
0
1
2
3
4
5
6
7
D01
D02
D03
D04
D05
D06
D07
D08
0
1
2. Характеристики
ЦАП.
1
1
1
ЦАП находятся в
начале аналогового тракта
любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы
5
в целом. Далее перечислены
6
наиболее важные характеристики ЦАП.
7
Точность абсолютY0
ная – разность между имеюY1
щимся на выходе аналоговым
сигналом и выходным сигнаY2
Y0
Y1
Y2
лом, который ожидают получить при подаче на вход преобразователя
данного цифрового кода. Источниками ошибок являются погрешность
коэффициента передачи, погрешность смещения нуля, нелинейность и шум. Погрешность обычно взаимосвязана с разрешающей способностью,
т.е. она всегда меньше ½ МР полной шкалы (ПШ).
Точность относительная – отклонение аналогового напряжения, соответствующего данному коду (отнесённого к полному интервалу
аналоговых значений характеристик передачи прибора) от его теоретического значения (отнесённого к тому же интервалу) после калибровки
интервала полной шкалы. Единицами измерения являются проценты. Относительную погрешность можно интерпретировать как меру нелинейности.
Коэффициент передачи – аналоговый масштабный коэффициент, обеспечивающий нормальное соотношение преобразования.
Младший разряд (МР) – разряд, обозначающий наименьшее значение или вес. Его аналоговый вес относительно ПШ составляет 2 -n ,
где n – количество двоичных цифр. Характеризует наименьшее значение аналогового сигнала, которое можно получить на выходе n-разрядного
преобразователя.
Старший разряд (СР) – разряд, соответствующий наибольшему значению или весу. Его аналоговый вес относительно интервала ПШ
ЦАП составляет 1/2 .
Разрядность — количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах; количество бит есть логарифм по основанию 2 от количества уровней. Например, однобитный ЦАП способен воспроизвести два (2 1) уровня, а
восьмибитный — 256 (28) уровней. Разрядность тесно связана с эффективной разрядностью (англ. ENOB, Effective Number of Bits), которая показывает реальное разрешение, достижимое на данном ЦАП.
Время установления – время, требуемое для того, чтобы в ответ на заданное изменение цифрового сигнала выходной сигнал ЦАП
достигал определённого значения, отличающегося от окончательного на некоторую величину (обычно ±1/2 МР).
Время переключения – время, требуемое для изменения состояния переключателей (время задержки + время нарастания сигнала
от 10 до 90 %).
Максимальная частота дискретизации — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный
результат. В соответствии с теоремой Котельникова для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо,
чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего
слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения
данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество
сигнала.
Монотонность — свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.
Динамический диапазон — соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в
децибелах. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.
Статические характеристики:
DNL (дифференциальная нелинейность) - характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МР), отличается от правильного значения;
INL (интегральная нелинейность) - характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная характеристика строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики;
Частотные характеристики:
SNDR (отношение сигнал/шум+искажения) - характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной
мощности шума и гармонических искажений;
HDi (коэффициент i-й гармоники) - характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;
HD (коэффициент гармонических искажений) - отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.
3. Формула для расчета выходного напряжения на ОУ, работающем в режиме инвертора, имеем:
𝑉1 𝑉2
𝑉𝑛
𝑉𝑜𝑢𝑡 = −𝑅𝑓 ( +
+ ⋯ + ).
𝑅1 𝑅2
𝑅𝑛
Подставим в это выражение условие, получим:
5
10
7
𝑉𝑜𝑢𝑡 = −1000 (
+
+
) = 1001,5В.
6000 10 10000
2
3
4
№_____13______
1. Дешифратор. Применение.
Дешифраторы – микросхемы средней степени интеграции, предназначенные для преобразования двоичного кода в напряжение логического уровня, появляющееся в том выходном проводе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Например, входной код
должен сделать активным провод с номером 9. Во всех остальных проводах дешифратора сигналы должны быть нулевыми.
Дешифраторы также различают по емкости, по числу каналов, по типу построения (линейные, матричные) а также по формату входного кода (двоичный, двоично-десятичный).
Дешифраторы находят различное применение в вычислительной и информационно-вычислительной технике. Одно из них – управление индикаторами, отражающими знаковую информацию.
Дешифраторы применяют в различных устройствах обработки и передачи информации: в телемеханике, в вычислительной технике
(декодирующие устройства, преобразователи представления величин), в радиотехнике и измерительной технике (детекторы, демодуляторы), в
системах телефонной и телеграфной связи. Назначение предопределяет структуру, число входов и выходов Д., форму и последовательность
входных и выходных сигналов.
D01
X1
1
&
&
&
D02
X2
1
&
Y0
X1
X2
Y1
Y2
Y0
Y1
Y2
Y3
Y3
Здесь представлен линейный дешифратор на 2 входа и, соответственно, 4 выхода и временные диаграммы, поясняющие его работу.
Линейные дешифраторы обладают высоким быстродействием, однако из-за ограниченного количества входов типового элемента серии
разрядность дешифрируемого кода не велика.
При интегральном исполнении дешифратора количество выходов микросхемы лимитировано, поэтому на вход подается прямой код Xl+
Xm. Инверсные разряды кода формируются инверторами, находящимися внутри кристалла микросхемы. Во избежание искажений результатов
дешифрации целесообразно синхронизировать работу дешифратора. С этой целью кодовая комбинация поступает на вход дешифратора по
стробирующему импульсу, который подается только после установления разрядов кодов на входных винтелях. Используя входы управления при
параллельном включении микросхемы, можно дешифрировать код большей разрядности.
2. АЦП. Применение.
Аналого-цифровой преобразователь — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП.
Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.
Применение АЦП в звукозаписи. АЦП встроены в большую часть современной звукозаписывающей аппаратуры, поскольку обработка звука делается, как правило, на компьютерах; даже при использовании аналоговой записи АЦП необходим для перевода сигнала в PCMпоток, который будет записан на компакт-диск.
Современные АЦП, используемые в звукозаписи, могут работать на частотах дискретизации до 192 кГц. Многие люди, занятые в этой
области, считают, что данный показатель избыточен и используется из чисто маркетинговых соображений (об этом свидетельствует теорема
Котельникова-Шеннона). Можно сказать, что звуковой аналоговый сигнал не содержит столько информации, сколько может быть сохранено в
цифровом сигнале при такой высокой частоте дискретизации, и зачастую для Hi-Fi-аудиотехники используется частота дискретизации 44,1 кГц
(стандартная для компакт-дисков) или 48 кГц (типична для представления звука в компьютерах). Однако широкая полоса упрощает и удешевляет реализацию антиалиасинговых фильтров, позволяя делать их с меньшим числом звеньев или с меньшей крутизной в полосе заграждения, что
положительно сказывается на фазовой характеристике фильтра в полосе пропускания.
АЦП для звукозаписи, используемые в компьютерах, бывают внутренние и внешние. Также существует свободный программный комплекс PulseAudio для Linux, позволяющий использовать вспомогательные компьютеры как внешние ЦАП/АЦП для основного компьютера с гарантированным временем запаздывания.
Другие применения. Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется обрабатывать, хранить или передавать
сигнал в цифровой форме.
АЦП являются составной частью систем сбора данных.
Быстрые видео АЦП используются, например, в ТВ-тюнерах. (это параллельные и конвеерные АЦП)
Медленные встроенные 8, 10, 12 или 16-битные АЦП часто входят в состав микроконтроллеров. (как правило они строются по принципу поразрядного уравновешивания, точность их невысока)
Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах. (параллельные и конвеерные)
Современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика.
(сигма-дельта АЦП)
АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных, где используются совместно с процессором ЦОС в качестве демодулятора.
Сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций (в так называемых SMART-антеннах) и в антенных решётках
РЛС.
3. Чтобы найти необходимое количество разрядов для получения требуемой разрешающей способности, при заданном напряжении полной шкалы, необходимо произвести следующие действия: напряжение полной шкалы делится на 2 до тех пор, пока не будет получена
нужная разрешающая способность. При этом следует подсчитать количество делений на 2, что и будет являться НЕОБХОДИМЫМ количеством
разрядов (N).
Способ №1:
N=5/2=2,5/2=1,25/2=0,625В
Способ №2:
5/2N=0,625 решим уравнение и найдём N.
5/0,625=2N
//прологорифмируем Л.и П. части
ln(8)=N*ln2
N=3.
№_____14______
1. Двухразрядный линейный дешифратор.
Дешифраторы – микросхемы средней степени интеграции, предназначенные для преобразования двоичного кода в напряжение логического уровня, появляющееся в том выходном проводе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Например, входной код
должен сделать активным провод с номером 9. Во всех остальных проводах дешифратора сигналы должны быть нулевыми.
Дешифраторы также различают по емкости, по числу каналов, по типу построения (линейные, матричные) а также по формату входного кода (двоичный, двоично-десятичный).
Дешифраторы находят различное применение в вычислительной и информационно-вычислительной технике. Одно из них – управление индикаторами, отражающими знаковую информацию.
Дешифраторы применяют в различных устройствах обработки и передачи информации: в телемеханике, в вычислительной технике
(декодирующие устройства, преобразователи представления величин), в радиотехнике и измерительной технике (детекторы, демодуляторы), в
системах телефонной и телеграфной связи. Назначение предопределяет структуру, число входов и выходов Д., форму и последовательность
входных и выходных сигналов.
D01
X1
X1
1
&
&
&
D02
X2
1
&
Y0
X2
Y1
Y0
Y2
Y1
Y2
Y3
Y3
Здесь представлен линейный дешифратор на 2 входа и, соответственно, 4 выхода и временные диаграммы, поясняющие его работу.
Линейные дешифраторы обладают высоким быстродействием, однако из-за ограниченного количества входов типового элемента серии
разрядность дешифрируемого кода не велика.
При интегральном исполнении дешифратора количество выходов микросхемы лимитировано, поэтому на вход подается прямой код Xl+
Xm. Инверсные разряды кода формируются инверторами, находящимися внутри кристалла микросхемы. Во избежание искажений результатов
дешифрации целесообразно синхронизировать работу дешифратора. С этой целью кодовая комбинация поступает на вход дешифратора по
стробирующему импульсу, который подается только после установления разрядов кодов на входных винтелях. Используя входы управления при
параллельном включении микросхемы, можно дешифрировать код большей разрядности.
2. Типы АЦП.
Ниже перечислены основные способы построения электронных АЦП:
АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своём выходе
сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают на логический шифратор, генерирующий бинарный цифровой код в зависимости
от количества логических единиц, присутствующих на его входе. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре, и, в общем случае, частота дискретизации АЦП может зависеть лишь от аппаратных характеристик логических и аналоговых элементов, а также от частоты
требуемой выборки значений. Параллельные АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов), так как влекут за собой большие аппаратные затраты. АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и
могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов, а также широко
применяются в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени.
Последовательно-параллельные АЦП сохраняя высокое быстродействие позволяет значительно уменьшить количество компараторов, требуещееся для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Содержат в своем составе два — три параллельных АЦП. Второй АЦП
служит для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путем оцифровки этой ошибки. Для увеличения скорости выходного оцифрованного
потока данных в последовательно-параллельных АЦП применяется конвейерная работа параллельных АЦП.
АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный
ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N — разрядность АЦП. На
каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от СЗР и заканчивая МЗР. Последовательность действий по
определению очередного бита заключается в следующем. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов,
уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, более младшие биты установлены в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала
больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае 0. Таким образом, определение итогового цифрового значения напоминает двоичный поиск. АЦП этого типа обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением.
Однако при отсутствии устройства выборки хранения погрешность будет значительно больше (представьте, что после оцифровки самого большого разряда сигнал начал меняться).
АЦП дифференциального кодирования
АЦП сравнения с пилообразным сигналом
АЦП с уравновешиванием заряда
Конвейерные АЦП
АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов.
3. Рассчитать выходное напряжение на ОУ, работающего в режиме вычитателя, если V2=10, V1=5, Rf=1000, Rg=25000, R1=5 и
R2=10.
Формула для расчета выходного напряжения на ОУ, работающем в режиме вычитателя, имеем:
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉2 (
(𝑅𝑓 + 𝑅1 )𝑅𝑔
𝑅𝑓
) − 𝑉1 ( )
𝑅1
(𝑅𝑔 + 𝑅2 )𝑅1
Подставим в это выражения, условие, получим:
(1000+5)25000
1000
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 10 ( (25000+10)5 ) − 5 (
)=
5
1009В.
№_____15______
1. Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу,
в зависимости от двоичного кода на адресной шине. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом
и имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует двоичному коду (это устройство, преобразующее параллельный код в последовательный), (цифровые многопозиционные переключатели, по-другому, коммутаторы). У мультиплексора
может быть, например, 16 информационных входов, 4 управляющих входа (входа селекции) и один выход. Это означает, что если к этим 16
входам присоединены 16 источников цифровых сигналов – генераторов последовательных цифровых слов, то байты от любого из генераторов
можно передавать в единственный выходной провод. Для этого нужный нам вход требуется выбрать, подав на четыре входа селекции (т.е выбора номера канала, т.к 2 в четвертой степени = 16) двоичный код адреса. Так, для передачи на выход данных от канала номер 9 следует установить код адреса 1001. Мультиплексоры способны выбирать (селектировать) определенный канал. Поэтому их иногда называют селекторами.
Мультиплексоры различаю по способам адресации, наличию входов разрешения и инверсных выходов.
Без применения мультиплексоров невозможно построить высокоскоростные сети связи, эффективно резервировать передаваемый по
сетям трафик и масштабировать эксплуатируемые сети. D0-D3 информационными входами. А0-А1 адресными входами.
D01
D02
X0
X0
&
X1
X1
&
1
D03
X2
Y
X2
&
X3
D04
X3
&
A0
D05
D06
A0
1
A1
A1
1
Y
2. Характеристики АЦП.
Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.
Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных
АЦП измеряется в битах, в троичных АЦП измеряется в тритах. Например, двоичный АЦП, способный выдать 256 дискретных значений, имеет
разрядность 8 бит, поскольку 28 = 256, троичный АЦП, имеющий разрядность 8 трит, способен выдать 6 561 дискретное значение, поскольку 38
= 6561.
Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой
на количество выходных дискретных значений. Например:
Пример
Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт
Разрядность двоичного АЦП 12 бит: 212 = 4096 уровней квантования
Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-0)/4096 = 0,00244 вольт = 2,44 мВ
Разрядность троичного АЦП 12 трит: 312 = 531 441 уровень квантования
Разрешение троичного АЦП по напряжению: (10-0)/531441 = 0,0188 мВ = 18,8 мкВ
На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП
различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью, которая меньше, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумлённого сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношение С/Ш входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности.
Точность. Ошибки квантования являются следствием ограниченного разрешения АЦП. Этот недостаток не может быть устранён ни
при каком типе аналого-цифрового преобразования. Абсолютная величина ошибки квантования при каждом отсчёте находится в пределах от
нуля до половины МЗР.
Как правило, амплитуда входного сигнала много больше, чем МЗР. В этом случае ошибка квантования не коррелирована с сигналом и имеет равномерное распределение. Её среднеквадратическое
значение совпадает с среднеквадратичным отклонением распределения, которое равно . В случае 8битного АЦП это составит 0,113 % от полного диапазона сигнала.
Нелинейность. Всем АЦП присущи ошибки, связанные с нелинейностью, которые являются
следствием физического несовершенства АЦП. Это приводит к тому, что передаточная характеристика (в указанном выше смысле) отличается от
линейной (точнее от желаемой функции, так как она не обязательно линейна). Ошибки могут быть уменьшены путём калибровки.
Важным параметром, описывающим нелинейность, является интегральная нелинейность (INL) и дифференциальная нелинейность (DNL).
Частота дискретизации. Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с
которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.
Непрерывно меняющийся сигнал с ограниченной спектральной полосой подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T — период дискретизации) и исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции. Точность восстановления ограничена ошибкой квантования. Однако в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона
точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.
Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно
удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения — УВХ. УВХ, как правило,
хранит входное напряжение в конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка
входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании — хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем содержат встроенное УВХ.
3. Для того чтобы определить, какие переключатели замкнуты, воспользуемся методом последовательного приближения.
Коммутируемые выводы обеспечивают напряжения: 1 разряд = 5В; 2 разряд = 2,5В; 3 разряд = 1,25В; 4 разряд = 0,625В;
5 разряд = 0,3125В;
6 разряд = 0,15625В;
Так как 5,9735В>5В, следовательно 1 разряд = 1. После замыкания 2 разряда получаем высокое напряжение. Замыкаем 3 разряд, также получаем высокое напряжение. Замыкаем 4 разряд, на выходе получаем напряжение, равное 5,625В. Замыкаем 5 разряд получаем на выходе
требуемое напряжение, это соответствует коду 100110.
№_____16______
1. Демультиплексор - устройство, обратное мультиплексору. Т. е., у демультиплексора один вход и куча выходов. Демультиплексор
— устройство, в котором сигналы с одного информационного входа поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Ко входу подключается тот выход, чей номер соответствует состоянию двоичного кода (устройство, которое
преобразует последовательный код в параллельный).
Демультиплексоры – цифровые многопозиционные переключатели, также называемые коммутаторами. У демультиплексора может
быть, например, 1 информационный вход, 4 управляющих входа (входа селекции) и 16 выходов. Это означает, что если на этот единственный
вход подается какой-то цифровой сигнал, то его можно коммутировать на любой из этих 16 выходов. Для этого требуется выбрать нужный нам
вход, подав на четыре входа селекции (т.е выбора номера канала, т.к 2 в четверной степени = 16) двоичный код адреса. Так, для передачи на
выход данных от канала номер 9 следует установить код адреса 1001. Демультиплексоры также способны выбирать, селектировать определенный канал. Поэтому их иногда называют селекторами.
Демультиплексоры различаю по способам адресации, наличию входов разрешения и инверсных выходов.
Демультиплексоры (размножители сигналов) могут применяться в составе автоматизированных систем управления технологическими
процессами, энергетических объектов, в аппаратуре технической диагностики, для комплексной автоматизации объектов атомной энергетики и в
других областях промышленности.
D01
Демультиплексор на 4 выхода
X
&
Y0
X
&
Y1
A0
&
Y2
A1
Y0
&
D02
D03
Y3
Y1
A0
1
Y2
A1
1
Y3
Из-за схожести структур мультиплексора и демультиплексора в КМОП сериях есть микросхемы, которые одновременно являются мультиплексорром и демультиплексором, смотря с какой стороны подавать сигналы.
2. 6-разрядный ЦАП.
Основными параметрами и элементами полного ЦАП являются:
опорное напряжение, резисторы для обеспечения набора взвешенных
напряжений, токов или коэффициентов усиления, переключатели для определения того, из каких "разрядов" будет складываться выходной сигнал, и преобразователь для получения желаемого формата выходных данных (напряжение или ток), уровня и полного сопротивления. К тому же преобразователь требует наличия управления переключателями и логического перевода
входного цифрового формата и уровней (на схеме не показано).
Поскольку суммирующая точка находится в схеме на рис. 15.9 на
виртуальной "земле", при замыкании переключателя на соответствующем
резисторе оказывается напряжение UОП. В результате ток, равный UОП/Rt
протекает от суммирующей точки через сопротивление, переключатель и источник опорного напряжения обратно к земле. Аналогично протекают токи от суммирующей точки операционного усилителя через другие цепи, в которых замкнуты переключатели. Единственный путь для суммарного
тока - это резистор RВЫХ в цепи обратной связи. Напряжение UВЫХ должно
иметь соответствующее значение, при котором выполняется условие:
Следовательно, вклад i-го разряда в выходное напряжение:
Отношение RВЫХ/Ri эквивалентно "вкладу" в выходной сигнал разряда 2-i. На практике для преобразователей со средней или высокой
разрешающей способностью эта схема применяется довольно редко. Здесь она приведена только для пояснения принципа действия. Широкий диапазон требуемых сопротивлений эффективно реализовать очень трудно. Кроме того, серьезные требования предъявляются к переключателям, у которых должно обеспечиваться высокое отношение сопротивления утечки в разомкнутом состоянии к последовательному сопротивлению в замкнутом состоянии.
3. Рассчитать выходное напряжение на ОУ, работающего в режиме вычитателя, если V2=10, V1=5, Rf=1000, Rg=25000, R1=5 и
R2=10.
𝑅𝑓
(𝑅𝑓 + 𝑅1 )𝑅𝑔
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉2 (
) − 𝑉1 ( )
𝑅1
(𝑅𝑔 + 𝑅2 )𝑅1
Подставим в это выражения, условие, получим:
(1000+5)25000
1000
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 10 ( (25000+10)5 ) − 5 (
) = 1009В.
5
№_____17______
1. Мультиплексор из 4 в 1.
Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу, в
зависимости от состояния двоичного кода. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует двоичному коду (это устройство, преобразующее параллельный код в последовательный), (цифровые многопозиционные переключатели, по-другому, коммутаторы). У мультиплексора может быть, например, 16 информационных входов, 4 управляющих входа (входа селекции) и один выход. Это означает, что если к этим 16 входам
присоединены 16 источников цифровых сигналов – генераторов последовательных цифровых слов, то байты от любого из генераторов можно
передавать в единственный выходной провод. Для этого нужный нам вход требуется выбрать, подав на четыре входа селекции (т.е выбора номера канала, т.к 2 в четвертой степени = 16) двоичный код адреса. Так, для передачи на выход данных от канала номер 9 следует установить
код адреса 1001. Мультиплексоры способны выбирать (селектировать) определенный канал. Поэтому их иногда называют селекторами.
Мультиплексоры различаю по способам адресации, наличию входов разрешения и инверсных выходов.
Без применения мультиплексоров невозможно построить высокоскоростные сети связи, эффективно резервировать передаваемый по
сетям трафик и масштабировать эксплуатируемые сети.
D01
D02
X0
X0
&
X1
X1
&
1
D03
X2
Y
X2
&
X3
D04
D05
D06
X3
&
A0
A0
1
A1
A1
1
Y
D0-D3 информационными входами.
А0-А1 адресными входами.
2. ЦАП с делителем типа R-2R. ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь.
Многозвенная схема типа R-2R состоит из нескольких последовательно включенных резисторов R12, R23 и R34 с сопротивлением R и ряда параллельно включенных резисторов R1, R2, R3, R4 с сопротивлением 2R. Выходной согласующий резистор RC имеет сопротивление 2R.
Переключатели располагаются последовательно с параллельно включенными резисторами, и ток в каждой параллельной ветви схемы направлен или к суммирующей точке усилителя (в виртуальную "землю"), или к общей линии, которая заземлена.
Работу схемы типа R-2R легче понять, если проанализировать ее в "обратном направлении" и записать (15.7):
Поскольку R4 и RC равны и включены параллельно, их общее сопротивление
составляет R34, следовательно (15.9):
Кроме того, R3 = R4, а ток через резистор R з (15.9):
Продолжая рассуждения подобным образом, получаем (15.10-12):
Следовательно, токи через параллельные ветви и напряжения в узлах образуют прогрессию. Очевидно, что на характер этой
прогрессии не влияет количество "ячеек", будь их 4,10 или 12.
Управляемые переключателями двоично-взвешенные токи I1 - I4 вносят свой вклад в общий ток или, проходя через операционный усилитель, в выходное напряжение. Если считать, что переключатели, находящиеся в состоянии, соответствующем 1, направляют токи в линию
суммирующей точки, а в состоянии, соответствующем 0, - в общую линию, то ток в общей линии является дополнением тока в линии суммирующей точки. В случае биполярного сигнала ток общей линии подается вместо земли на суммирующую точку второго инвертирующего операционного усилителя.
В КМОП-переключателях транзисторы VT1и VT2, VT4 и VT5, VT6 и V7 представляют собой набор логических инверторов.
Транзисторы VTS и VT9 осуществляют аналоговую коммутацию. Транзистор VT3 обеспечивает положительную обратную связь,
ускоряющую переключение. Поскольку напряжения в точках В и С находятся в противофазе, переключающие транзисторы включаются не в
фазе: когда транзистор VT8 заперт, транзистор VT9 находится в проводящем состоянии.
На практике необходимо учитывать сопротивления замкнутых переключателей (Rвкл), действующих последовательно с сопротивлениями Ri параллельно включенных резисторов. Если значением Rвкл нельзя пренебречь по сравнению с Ri, то ЦАП может
оказаться нелинейным. Ситуацию легко исправить, построив переключатели таким образом, чтобы Rвкл возрастало от ветви к ветви в двоичной прогрессии. Поскольку токи убывают в двоичной прогрессии, падение напряжения на всех Rвкл будет одинаковым, и в результате погрешность вычисления окажется незначительной.
Показанная схема может работать от логических уровней ТТЛ или КМОП. Диоды VD1 и VD2 защищают КМОП-переключатели от разрушения при приложении напряжений обратной логики или суммирующей точки (перегрузки). Так как доля UОП приходящаяся на переключатели,
весьма мала, ЦАП можно использовать в качестве умножителей как при положительных, так и при отрицательных входных аналоговых сигналах.
Достоинством КМОП-приборов является небольшая потребляемая мощность в стационарном режиме.
3. Для того чтобы определить, какие переключатели замкнуты, воспользуемся методом последовательного приближения. Коммутируемые выводы обеспечивают напряжения:
1 разряд = 5В;
2 разряд = 2,5В;
3 разряд = 1,25В;
4 разряд = 0,625В;
5 разряд = 0,3125В;
6 разряд = 0,15625В;
Так как 6,875В>5В, следовательно 1 разряд = 1. После замыкания 2 разряда напряжение на выходе повысится до 7,5В, а это высокое
напряжение, следовательно 2 разряд = 0. Если замкнуть 3 разряд, напряжение на выходе повысится до 6,25В. Замыкая на выходе получаем
напряжение 6,875В, что соответствует коду 101100.
№_____18______
1. Демультиплексор на 4 входа.
Демультиплексор. Демультиплексор - устройство, обратное мультиплексору. Т. е., у демультиплексора один вход и куча выходов.
Демультиплексор — устройство, в котором сигналы с одного информационного входа поступают в желаемой последовательности по нескольким
выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Ко входу подключается тот выход, чей номер соответствует состоянию двоичного кода
(устройство, которое преобразует последовательный код в параллельный).
Демультиплексоры – цифровые многопозиционные переключатели, также называемые коммутаторами. У демультиплексора может
быть, например, 1 информационный вход, 4 управляющих входа (входа селекции) и 16 выходов. Это означает, что если на этот единственный
вход подается какой-то цифровой сигнал, то его можно коммутировать на любой из этих 16 выходов. Для этого требуется выбрать нужный нам
вход, подав на четыре входа селекции (т.е выбора номера канала, т.к 2 в четверной степени = 16) двоичный код адреса. Так, для передачи на
выход данных от канала номер 9 следует установить код адреса 1001. Демультиплексоры также способны выбирать, селектировать определенный канал. Поэтому их иногда называют селекторами.
Демультиплексоры различаю по способам адресации, наличию входов разрешения и инверсных выходов.
Демультиплексоры (размножители сигналов) могут применяться в составе автоматизированных систем управления технологическими
процессами, энергетических объектов, в аппаратуре технической диагностики, для комплексной автоматизации объектов атомной энергетики и в
других областях промышленности.
D01
X
&
Y0
X
&
Y1
A0
&
Y2
A1
Y0
&
D02
D03
Y3
Y1
A0
1
Y2
A1
1
Y3
Из-за схожести структур мультиплексора и демультиплексора в КМОП сериях есть микросхемы, которые одновременно являются мультиплексором и демультиплексором, смотря с какой стороны подавать сигналы.
2. АЦП прямого преобразования.
Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП.
В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е последовательного сравнения измеряемой величины с
1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от возможного максимального значения ее. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить
весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2N-1 при использовании последовательного счета и получить
существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до
105...106 преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 кГц (например, DSP101 фирмы Burr-Brown).
Рассмотрим принципы построения и работы
АЦП последовательного приближения на примере классической структуры (рис. 9а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора,
регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.
После подачи команды "Пуск" с приходом первого тактового импульса РПП принудительно задает на
вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4разрядного ЦАП это 10002=810). Благодаря этому
напряжение Uос на выходе ЦАП (рис. 9б)
Uос=23h. , где h - квант выходного напряжения
ЦАП, соответствующий единице младшего разряда
(ЕМР). Эта величина составляет половину возможного
диапазона преобразуемых сигналов. Если входное
напряжение больше, чем эта величина, то на выходе
компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В
этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние нуля.
Непосредственно вслед за этим остаток Uвх - d3 23 h таким же образом сравнивается с ближайшим младшим
разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения
оказывается двоичное число, из которого после цифроаналогового преобразования получается напряжение,
соответствующее Uвх с точностью до 1 ЕМР. Выходное
число может быть считано с РПП в виде параллельного
двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе
преобразования на выходе компаратора, как это видно из рис. 9б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.
Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления tуст ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора tк и задержки распространения сигнала в регистре последовательного
приближения tз. Сумма tк + tз является величиной постоянной, а tуст уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации fтакт возможно уменьшение времени преобразования tпр на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.
При работе без устройства выборки-хранения апертурное время равно времени между началом и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути зависит от входного сигнала, т.е. является переменным. Возникающие при
этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИМС АЦП
последовательного приближения (например, 12-разрядный МАХ191, 16-разрядный AD7882 и др.), имеет встроенные устройства выборки-
хранения или, чаще, устройства слежения-хранения (track-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения-хранения отличается
тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.
Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.
3. Формула для расчета выходного напряжения на ОУ, работающем в режиме инвертора, имеем:
𝑉1 𝑉2
𝑉𝑛
𝑉𝑜𝑢𝑡 = −𝑅𝑓 ( + + ⋯ + )
𝑅1 𝑅2
𝑅𝑛
Подставим в это выражение условие, получим:
5
10
7
𝑉𝑜𝑢𝑡 = −1000 (
+ +
) = −1001,5В.
6000
10
10000
№_____19______
1. ПЗУ.
Постоянным запоминающим устройством называется энергонезависимая память, используемая для хранения массива неизменяемых
данных. Такие устройства необходимы для замены простейших логических элементов низкой степени интеграции, хранения программ в микроконтроллерах, таблиц цифровых отображений сигналов (в генераторах и анализаторах сигналов), начальных загрузчиков ЭВМ, кодовых сигналов систем дистанционного управления.
По разновидностям схемотехники устройств ПЗУ делят на четыре типа:

Программируемые изготовителем ПЗУ (ROM)

Однократно программируемые пользователем ПЗУ (PROM)

Многократно программируемые пользователем ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM)

Многократно программируемые пользователем ПЗУ с электрическим стиранием (EEPROM)
Базовую структуру ПЗУ можно представить в виде дешифратора адреса и совокупности подключенных к нему элементов ИЛИ.
2. Интегрирующий АЦП.
Теория и решение. а) Интегрирующий АЦП измеряет время, необходимое для того, чтобы выходной сигнал интегратора прошел с постоянной
(опорной) скоростью через весь диапазон значений напряжений, пропорциональных среднему входному сигналу.
Схем на рис. 15.17, а. В начальный момент времени на интегратор
подается входное напряжение и начинается интегрирование входного сигнала Ui . Одновременно счетчик начинает подсчет тактовых импульсов. Отсчитав за время t1 несколько тактовых импульсов N1 счетчик переключает вход
интегратора.
Теперь на интегратор подается опорное напряжение UОП, имеющее
полярность, противоположную входному сигналу. Он начинает интегрировать в противоположном направлении с постоянной скоростью, а счетчик
снова подсчитывает тактовые импульсы. Когда выходной сигнал интегратора
достигает своего исходного значения, компаратор отключается и преобразование завершается. Прекращается следование тактовых импульсов, интегратор фиксируется на исходном значении. Можно показать, что количество
отсчетов отражающее время пропорционально среднему входному напряжению Ui. Выходной сигнал интегратора показан на рис. 15.17, б.
𝑄
𝑄
𝐼𝑡
𝐼𝑡
𝑈𝑡
𝑈 𝑡
𝑈1 = 𝑈2 = 1⁄𝐶 = 2⁄𝐶 = 1 1⁄𝐶 = 2 2⁄𝐶 = 𝑖 1⁄𝑅𝐶 = оп 2⁄𝑅𝐶 .
Поскольку выходной сигнал интегратора после первого такта интегрирования U1 равен изменению выходного сигнала после второго такта
интегрирования U2 можно записать, что
𝑡
𝑈
Следовательно, 2⁄𝑡 = 𝑖⁄𝑈 .
1
Так как время пропорционально количеству отсчетов, то 𝑁2 =
𝑈𝑖⁄
𝑈оп ∙ 𝑁1 .
До тех пор пока значения R, С и частоты тактовых импульсов
остаются неизменными во время преобразования, точность преобразования от них не зависит. Она определяется смещением усилителя, дрейфом напряжения смещения, нелинейностью динамических
характеристик переключателей, интегратора и компаратора.
Выходной сигнал счетчика может быть двоичным или двоично-десятичным. Главным образом интегрирующие АЦП применяются в
щитовых измерительных приборах с цифровой индикацией, и чаще
употребляется двоично-десятачная форма записи.
б)
Интегрирующие АЦП работают гораздо медленнее,
чем АЦП последовательных приближений, но они имеют значительно
оп
большую потенциальную точность, исключают потерю кодов, обладают помехоустойчивостью, а также вследствие использования меньшего
количества высокоточных элементов гораздо дешевле.
в)
Погрешности интегрирующих преобразователей минимизируются двумя способами: аналоговым и цифровым. Оба требуют
времени для коррекции ошибок. Наиболее хорошо известен метод коррекции нуля - после завершения преобразования вход отсоединяется от
источника опорного напряжения и заряжается конденсатор C1 (рис. 15.18), напряжение которого через буферное устройство подается на вход
интегратора. Компаратор и интегратор соединены друг с другом местной цепью обратной связи с коэффициентом передачи 1. Второй конденсатор С2 заряжается до напряжения, равного сумме опорного напряжения и напряжений смещения буферного устройства и интегратора. Интегрирующий конденсатор заряжается до напряжения смещения компаратора.
При получении команды на начало преобразования конденсатор С1 отсоединяется от источника опорного напряжения и земли. На ранее заземленный вывод подается входной сигнал. Конденсатор С2 отсоединяется от выхода компаратора. К интегрирующему резистору прикладывается напряжение, равное входному, и далее происходит процесс интегрирования. Выходной сигнал интегратора изменяется в соответствующем направлении (в зависимости от полярности входного сигнала) относительно напряжения нулевого смещения компаратора.
После отсчета N1 тактовых импульсов на выходе интегратора появляются проинтегрированное суммарное напряжение сигнала и
напряжение смещения компаратора. Вход буферного устройства переключается или на землю, или на источник опорного напряжения. Направление интегрирования определяется полярностью входного напряжения. Когда напряжение на выходе интегратора становится равным напряжению смещения компаратора, преобразование заканчивается.
г) Метод интегрирования обеспечивает подавление шума, любой высокочастотный шум усредняется. К тому же происходит полное
(теоретически) подавление основной и всех остальных гармоник частоты, период которых равен периоду интегрирования сигнала. Следовательно, что бы получить достаточно е подавление наводки с частотой 60 Гц и ее гармоник, период интегрирования устанавливают равным 16,7 мкс
или кратным этому значению.
3. Для того чтобы определить, какие переключатели замкнуты, воспользуемся методом последовательного приближения.
Коммутируемые выводы обеспечивают напряжения:
1 разряд = 5В;
2 разряд = 2,5В;
3 разряд = 1,25В;
4 разряд = 0,625В;
5 разряд = 0,3125В;
6 разряд = 0,15625В;
Так как 8,75В>5В, следовательно 1 разряд = 1. После замыкания 2 разряда напряжение на выходе повысится до 7,5В. Если замкнуть 3
разряд, то на выходе мы получим удовлетворяющее нас напряжение, эквивалентно коду 111000.
№_____20______
1. ОЗУ. Принципиальная схема однокоординатного ОЗУ типа 4х1.
Оперативным запоминающим устройством называется техническое устройство, предназначенное для временного хранения данных. Без
этого вида памяти невозможно функционирования большинства цифровых вычислительных устройств. Для создания оперативной памяти, кэша,
буферов используется ОЗУ.
Классифицируются ОЗУ по следующим признакам: Объем хранимых данных, Принцип организации ячеек памяти, Скорость доступа к
произвольной ячейке, Принцип адресации. По принципу организации ячеек памяти различают два типа ОЗУ: Динамическая память (DRAM),
Статическая память (SRAM). DRAM-память представляет собой набор запоминающих ячеек, которые состоят из конденсаторов и транзисторов,
расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти.
При отсутствии подачи электроэнергии к памяти этого типа происходит разряд конденсаторов, и память опустошается (обнуляется).
Для поддержания необходимого напряжения на обкладках конденсаторов ячеек и сохранения их содержимого, их необходимо периодически
подзаряжать, прилагая к ним напряжения через коммутирующие транзисторные ключи. Такое динамическое поддержание заряда конденсатора
является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM. Конденсаторы заряжают в случае, когда в «ячейку» записывается единичный бит, и разряжают в случае, когда в «ячейку» необходимо записать нулевой бит.
Статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM, static random access memory) — полупроводниковая оперативная
память, в которой каждый двоичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние сигнала
без постоянной перезаписи
2. АЦП последовательного приближения.
Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП.
В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е последовательного сравнения измеряемой величины с
1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от возможного максимального значения ее. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить
весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2N-1 при использовании последовательного счета и получить
существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до
105...106 преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 кГц (например, DSP101 фирмы Burr-Brown).
Рассмотрим принципы построения и работы
АЦП последовательного приближения на примере
классической структуры (рис. 9а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения
(РПП) и ЦАП.
После подачи команды "Пуск" с приходом
первого тактового импульса РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для
4-разрядного ЦАП это 10002=810). Благодаря этому
напряжение Uос на выходе ЦАП (рис. 9б)
Uос=23h. , где h - квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда
(ЕМР). Эта величина составляет половину возможного
диапазона преобразуемых сигналов. Если входное
напряжение больше, чем эта величина, то на выходе
компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В
этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние
нуля. Непосредственно вслед за этим остаток Uвх - d3 23
h таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, из которого
после цифро-аналогового преобразования получается
напряжение, соответствующее Uвх с точностью до 1
ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде
параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно из рис. 9б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.
Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления tуст ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора tк и задержки распространения сигнала в регистре последовательного
приближения tз. Сумма tк + tз является величиной постоянной, а tуст уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации fтакт возможно уменьшение времени преобразования tпр на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.
При работе без устройства выборки-хранения апертурное время равно времени между началом и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути зависит от входного сигнала, т.е. является переменным. Возникающие при
этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИМС АЦП
последовательного приближения (например, 12-разрядный МАХ191, 16-разрядный AD7882 и др.), имеет встроенные устройства выборкихранения или, чаще, устройства слежения-хранения (track-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения-хранения отличается
тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.
Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.
3. Зная значение напряжение полной шкалы, мы можем найти напряжения, соответствующие каждому разряду. В нашем случае
Uпш=10В и количество разрядов n=6:
N разряд = Uпш/2N, N= ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
1, N;
1 разряд = 5В;
2 разряд = 2,5В;
3 разряд = 1,25В;
4 разряд = 0,625В;
5 разряд = 0,3125В;
6 разряд = 0,15625В;
Зная цифровой код на входе ЦАП можно найти напряжение на выходе:
101011 -> Uвых= 5+1,25+0,3125+0,15625= 6,71875В.
№_____21______
1. Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу,
в зависимости от двоичного кода на адресной шине. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом
и имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует двоичному коду (это устройство, преобразующее параллельный код в последовательный), (цифровые многопозиционные переключатели, по-другому, коммутаторы). У мультиплексора
может быть, например, 16 информационных входов, 4 управляющих входа (входа селекции) и один выход. Это означает, что если к этим 16
входам присоединены 16 источников цифровых сигналов – генераторов последовательных цифровых слов, то байты от любого из генераторов
можно передавать в единственный выходной провод. Для этого нужный нам вход требуется выбрать, подав на четыре входа селекции (т.е выбора номера канала, т.к 2 в четвертой степени = 16) двоичный код адреса. Так, для передачи на выход данных от канала номер 9 следует установить код адреса 1001. Мультиплексоры способны выбирать (селектировать) определенный канал. Поэтому их иногда называют селекторами.
Мультиплексоры различаю по способам адресации, наличию входов разрешения и инверсных выходов. Без применения мультиплексоров невозможно построить высокоскоростные сети связи, эффективно резервировать передаваемый по сетям трафик и масштабировать эксплуатируемые сети. D0-D3 информационными входами. А0-А1 адресными входами.
D01
D02
X0
&
X1
X0
X1
&
1
D03
X2
Y
X2
&
X3
D04
X3
&
A0
D05
D06
A0
1
A1
A1
1
Y
2. Закон Ома. Законы Кирхгофа.
Закон Ома для всей цепи выражает соотношение между электродвижущей силой (ЭДС), сопротивлением и током. Согласно этому закону ток в замкнутой цепи равен ЭДС источника деленной на сопротивление всей цепи:
I
E
RГ  RЦ
I - ток, протекающий по цепи; E - ЭДС, генератора, подключенного к электрической цепи; Rг - сопротивление генератора; Rц - сопротивление цепи. Закон Ома для участка цепи. Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению между началом и
концом участка и обратно пропорционален сопротивлению участка. Аналитически закон выражается в следующем виде:
I
U
R
где I - ток, протекающий на участке цепи; R - сопротивление участка цепи; U - напряжение на участке цепи. Обобщенный закон Ома. Сила тока в контуре цепи прямо пропорциональна алгебраической сумме ЭДС всех источников цепи и обратно пропорциональна
арифметической сумме всех активных сопротивлений цепи.
m
i
E
k 1
n
k
R
j 1
j
где m и n – количество источников и резисторов в контуре цепи. При алгебраическом суммировании со знаком “плюс” берутся те ЭДС, направление которых совпадает с направлением тока, а со знаком “минус”– те ЭДС, направление которых не совпадает с направлением тока
Первый закон Кирхгофа
Рассматривая разветвленные электрические цепи, состоящие из нескольких контуров, нам необходимо установить соотношения между
токами, приходящими к любому узлу, и токами, уходящими от него. Из физической сущности электрического тока следует, что общее количество носителей тока, притекающее к узлу в течении некоторого промежутка времени, равно количеству носителей, утекающему от узла за тоже
время. Если предположить, что это положение не выполняется, то в узловой точке должно происходить накопление зарядов или убыль - утечка
зарядов. На практике эти явления не наблюдаются, следовательно, мы можем утверждать, что сумма величин токов, притекающих к точке
разветвления, равна сумме величин токов, утекающих от нее. Это положение и является формулировкой первого закона Кирхгофа.
Условимся токи, притекающие к точке разветвления, считать положительными, а токи, утекающие от нее, - отрицательными и сформулируем окончательно первый закон Кирхгофа:
Алгебраическая сумма величин токов в точке разветвления равна нулю.
I  0
Второй закон Кирхгофа
Второй закон Кирхгофа связывает между собой э. д. с., действующие в любом замкнутом контуре, и падения напряжения на сопротивлениях, входящих в данный контур.
Исходя из принципа электрического равновесия, можно сделать логический вывод, что в установившемся режиме, когда токи в контуре не изменяются, все э. д. с. уравновешиваются падениями напряжения.
В самом деле, если предположить, что сумма э. д. с. превышает сумму падений напряжения, то ток в цепи должен возрасти. Наоборот,
если сумма падений напряжения превышает сумму э. д. с., то ток должен уменьшиться.
Таким образом, алгебраическая сумма э. д. с., действующих в любом замкнутом контуре, равна алгебраической сумме
падений напряжения на всех участках этого контура.
Математически второй закон Кирхгофа выражается формулой:
 E   IR
3. Зная значение напряжение полной шкалы, мы можем найти напряжения, соответствующие каждому разряду. В нашем случае
Uпш=10В и количество разрядов n=6:
N разряд = Uпш/2N, N= ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
1, N;
1 разряд = 5В; 2 разряд = 2,5В; 3 разряд = 1,25В;
4 разряд = 0,625В;
5 разряд = 0,3125В;
6 разряд = 0,15625В;
Зная цифровой код на входе ЦАП можно найти напряжение на выходе:
101011 -> Uвых= 5+1,25+0,3125+0,15625= 6,71875В.
№_____22______
1. Счетчик-определение. Классификация.
Счетчиком называется схема, выполняющая функции подсчета количества единичных сигналов, поступивших на ее вход, а также
функции формирования и запоминания некоторого кода, соответствующего этому количеству. Счетчики также иногда могут выполнять функции
приема и выдачи кода. Схемы счетчиков можно классифицировать по следующим признакам:
1)Основание системы счисления. В вычислительных системах используются двоичные и десятичные счетчики. Двоичные счетчики в
свою очередь подразделяются на счетчики с модулем пересчета равным 2n. и модулем пересчета, не равным 2n, где n - разрядность счетчика.
2)Направление переходов счетчика. Счетчики принято разделять на простые (суммирующие или вычитающие), которые могут вести
счет только в одном направлении, то есть только прибавлять или вычитать входные сигналы, и реверсивные, которые в зависимости от управляющих сигналов могут вести счет в прямом или обратном направлениях.
3)Способ построения цепей переноса. Различают счетчики с последовательным, сквозным, параллельным и групповым переносом.
4)Способ организации счета. Счетчики могут быть асинхронными и синхронными. В асинхронных счетчиках изменение состояния счетчика осуществляется с поступлением информации только на вход первого каскада. В синхронных счетчиках информационный сигнал поступает
одновременно на синхронные входы всех разрядов.
5)Тип элементов, используемых для построения сч етчика. Различают счетчики на импульсных, импульсно потенциальных и потенциальных элементах. Хотя в современной электронной аппаратуре используется все эти три типа.
6)Тип организации счетного элемента. Счетчики могут быть построены на триггерах со счетным входом и на запоминающих элементах с использованием логических суммирующих схем.
Особую группу составляют счетчики, работающие по принципу циклического сдвигающего регистра (кольцевые счетчики). Однако эти счетчики отличаются низкой устойчивостью к помеха м и сбоем и в ЭВМ практически не применяются.
2. Схема квантования.
Чтобы преобразовать аналоговый сигнал в цифровую форму, используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Процедуру
аналого-цифрового преобразования сигнала обычно представляют в виде последовательности трех операций: дискретизации, квантования и
кодирования.
Операция дискретизации заключается в определении выборки моментов времени измерения сигнала. Операция квантования состоит в считывании значений координаты сигнала в выбранные моменты измерения с заданным уровнем точности, а операция
кодирования – в преобразовании полученных измерений сигнала в соответствующие значения некоторого цифрового кода или кодовой комбинации, которые затем передаются по каналам связи.
При квантовании по уровню непрерывное множество значений функции f(t) заменяется множеством дискретных значений. Для этого в диапазоне непрерывных значений функции f(t) выбирается конечное число дискретных значений этой функции (дискретных
уровней) и в процессе квантования значение функции f(t) в каждый момент времени заменяется ближайшим дискретным значением. В результате квантования образуется ступенчатая функция 𝑓𝑔 (𝑡).
Расстояние между дискретным соседними уровнями называется интервалом
или шагом квантования ∆𝒇. Различают равномерное квантование по
уровню, при котором шаг квантования постоянен, и неравномерное, когда
шаг непостоянен. На практике широкое распространение получило равномерное квантование в связи с простотой его технической реализации. Вследствие
квантования функции по уровню появляются методические погрешности, так
как действительное мгновенное значение функции заменяется дискретным.
Эта погрешность, которая получила название погрешности квантования по
уровню или шума квантования, имеет случайный характер. Абсолютное ее
значение в каждый момент времени определяется разностью между квантованным значением 𝑓𝑔 (𝑡) и действительным мгновенным значением функции f(t).
𝛿𝑘 (𝑡) = |𝑓𝑔 (𝑡) − 𝑓(𝑡)|
Схема квантования по уровню при амплитудно-импульсной модуляции с единичной скважностью.
1- представляет собой суммирующий
операционный усилитель.
(2 -3) - представляет собой спаренный
суммирующий ОУ.
4 - представляет собой суммирующий
операционный усилитель.
5 - представляет собой инвертирующий ОУ. В данной схеме предназначен
для реверса фазы выходного сигнала
перед подачей его на вход интегрирующего усилителя.
6 - представляет собой интегрирующий операционный усилитель..
7 - представляет собой инвертирующий ОУ, необходимый для возврата
фазы квантованного сигнала.
Выходной сигнал системы
представляет собой дискретную реализацию входного сигнала одного знака,
без сдвигов в фазе и искажений по амплитуде и
частоте.
3. Зная значение напряжение полной шкалы, мы можем найти напряжения, соответствующие каждому разряду. В нашем случае
Uпш=5В и количество разрядов n=6:
N разряд = Uпш/2N, N= ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
1, N;
1 разряд = 2,5В; 2 разряд = 1,25В;
3 разряд = 0,625В; 4 разряд = 0,3125В;
5 разряд = 0,15625В; 6 разряд =
0,078125В;
Зная цифровой код на входе ЦАП можно
найти напряжение на выходе:
101100 -> Uвых=2, 5+0,625+0,3125=
3,4375В.
№_____23______
1. Асинхронные счётчики.
Счетчиком называется схема, выполняющая функции подсчета количества единичных сигналов, поступивших на ее вход, а также
функции формирования и запоминания некоторого кода, соответствующего этому количеству. Счетчики также иногда могут выполнять функции
приема и выдачи кода. Схемы счетчиков можно классифицировать по следующим признакам:
1)Основание системы счисления. В вычислительных системах используются двоичные и десятичные счетчики. Двоичные счетчики в
свою очередь подразделяются на счетчики с модулем пересчета равным 2n. и модулем пересчета, не равным 2n, где n - разрядность счетчика.
2)Направление переходов счетчика. Счетчики принято разделять на простые (суммирующие или вычитающие), которые могут вести
счет только в одном направлении, то есть только прибавлять или вычитать входные сигналы, и реверсивные, которые в зависимости от управляющих сигналов могут вести счет в прямом или обратном направлениях.
3)Способ построения цепей переноса. Различают счетчики с последовательным, сквозным, параллельным и групповым переносом.
4)Способ организации счета. Счетчики могут быть асинхронными и синхронными. В асинхронных счетчиках изменение состояния счетчика осуществляется с поступлением информации только на вход первого каскада. В синхронных счетчиках информационный сигнал поступает
одновременно на синхронные входы всех разрядов.
5)Тип элементов, используемых для построения счетчика. Различают счетчики на импульсных, импуль снопотенциальных и потенциальных элементах. Хотя в современной электронной аппаратуре используется все эти три типа.
6)Тип организации счетного элемента. Счетчики могут быть построены на триггерах со счетным входом и на запоминающих элементах с использованием логических суммирующих схем.
Особую группу составляют счетчики, работающие по принципу циклического сдвигающего регистра (кольцевые счетчики). Однако эти счетчики отличаются низкой устойчивостью к помехам и сбоем и в ЭВМ практически не применяются.
2. Операционный усилитель. Характеристики идеального ОУ. Обозначение на схемах.
Операционный усилитель —дифференциальный усилитель постоянного тока, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти
всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью
определяет коэффициент передачи полученной схемы.
В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к
идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных схем.
Идеальный операционный усилитель - является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.
Идеальный ОУ обладает следующими характеристиками:
Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи.
Бесконечно большое входное сопротивление входов V- и V+. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.
Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.
Способность выставить на выходе любое значение напряжения.
Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ (насыщение).
Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.
Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах. Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство 𝑈+ − 𝑈− = 0
Обозначение операционного усилителя на схемах
На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:
V+: неинвертирующий вход
V−: инвертирующий вход
Vout: выход
VS+: плюс источника питания (также может обозначаться как VDD, VCC, или VCC + )
VS−: минус источника питания (также может обозначаться как VSS, VEE, или VCC − )
Нередко на схемах опускают обозначение питающего напряжения с целью упрощения принципиальной схемы.
3. Зная значение напряжение полной шкалы, мы можем найти напряжения, соответствующие каждому разряду. В нашем случае
Uпш=20В и количество разрядов n=6:
N разряд = Uпш/2N, N= ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
1, N;
1 разряд = 10В;
2 разряд = 5В;
3 разряд = 2,5В;
4 разряд = 1,25В;
5 разряд = 0,625В;
6 разряд = 0,3125В;
Зная цифровой код на входе ЦАП можно найти напряжение на выходе:
111011 -> Uвых= 10+5+2,5+0,625+0,3125= 18,4375В.
№_____24______
1. Синхронные счетчики.
Быстродействие счетных схем можно повысить благодаря специальной организации цепей переноса и подаче счетных импульсов на
все разряды счетчика одновременно. Как правило, в таких схемах счетные импульсы выполняют роль импульсов синхронизации, поэтому рассматриваемые иже счетчики относятся к классу синхронных.
В схеме со сквозным переносом переключение каждого j-ого разряда JK-триггера возможно в том случае, если на его информационных
входах J и K присутствует 1. В противном случае j-ый триггер находится в режиме запоминания.
На входы J и K младшего разряда счетчика подается константа «1», поэтому он постоянно работает в режиме асинхронного T-триггера,
то есть изменяет свое состояние на противоположное под воздействием каждого счетного импульса. Изменение состояния старших разрядов
счетчика возможно только в том случае, если все предшествующие триггеры младших разрядов находится в единичном состоянии.
Отличительной особенностью схемы счетчика с параллельным переносом является то, что выходы всех предшествующих i-му триггеру
разрядов подаются на вход данного триггера. Для построения данного счетчика используется многовходовые JK-триггеры. С возрастанием порядкового номера триггера учитывается число входов J и K, необходимых для организации схемы. Так как число входов триггера и его нагрузочная способность ограничены, то разрядность счетчика с параллельным переносом обычно не превышает четырех. При построении счетчиков
большей разрядности разряды счетчика разбивают на группы по четыре триггера, и внутри каждой группы строят цепи параллельного переноса. Перенос между группами организуется, например, методом сквозного переноса. Такой способ образования сигналов переноса называется
групповым.
2. Применение ОУ. Дифференциальный усилитель (вычитатель).
На рисунке представлена схема классического дифференциального усилителя,
𝑅
коэффициент усиления которого рассчитывается по формуле 𝐾 = 2 . Значение
выходного напряжения рассчитывается по формуле
𝑅
𝑈вых = 2 (𝑈2 − 𝑈1 )
𝑅1
𝑅1
Более подробное описание дифференциального усилителя:
Дифференциальный усилитель
Примечание: не следует путать дифференциальный усилитель с дифференциатором (см. ниже)
Данная схема предназначена для получения разности двух напряжений, при
этом каждое из них предварительно умножается на некоторую константу (константы
определяются резисторами).
Входное сопротивление (между входными выводами) равно Zin = R1 + R2
В случае, когда R1 = R2 и Rf = Rg, имеем:
3. Чтобы найти необходимое количество разрядов для получения требуемой разрешающей способности, при заданном напряжении полной шкалы, необходимо
произвести следующие действия: напряжение полной шкалы делится на 2 до тех пор, пока
не будет получена нужная разрешающая способность. При этом следует подсчитать количество делений на 2, что и будет являться НЕОБХОДИМЫМ количеством разрядов (N).
Способ №1: N=10/2=5/2=2,5/2=1,25/2=0,625/2=0,3125/2=0,15625/2=0,078125/2=0,0390625/2=0,01953125/2=0,009765625/2=0,005В,
итак N=11.
Способ №2:
10/2N=0,005 решим уравнение и найдём N.
10/0,005=2N
//прологорифмируем Л. и П. части
ln(2000)=N*ln2
N=11.
№_____25______
1. Шифратор. Применение.
Шифраторы – микросхемы средней степени интеграции, предназначенные для перевода сигнала, поданного только в один входной
провод, в выходной параллельный двоичный код, который появится на выходе шифратора. Чтобы шифратор откликался на входной сигнал
только одного провода, его схему делают приоритетной. Тогда выходной код должен соответствовать номеру «старшего» входа, получившего
сигнал. Предположим, активные уровни поступили на входы 3, 4, 9. Старший по номеру вход здесь 9, он обладает приоритетом, поэтому выходной код шифратора 1001.
Шифраторы различают по емкости, по числу каналов, а также по формату входного кода (двоичный, двоично-десятичный).
Шифраторы находят различные применение в вычислительной и информационно-измерительной технике. Одно из них – преобразование чисел, вводимых пользователем, например, на калькуляторе, в двоичный код.
Шифраторы широко используются в разнообразных устройствах ввода информации в цифровые системы. Такие устройства могут
снабжаться клавиатурой, каждая клавиша которой связана с определенным входом шифратора. При нажатии выбранной клавиши подается сигнал на определенный вход шифратора, и на его выходе возникает двоичное число, соответствующее выгравированному на клавише символу.
Существуют приоритетные шифраторы. Если запрос поступает одновременно от двух клавиш, то будет активизирован выход той из них, который соответствует более высокой десятичной величине.
Например: трёхразрядный шифратор
0
1
2
3
4
5
6
7
D01
D02
D03
D04
D05
D06
D07
D08
Y1
1
1
1
Y0
Y2
0
1
2
3
4
5
6
7
Y0
Y1
Y2
Приоритетный (на всякий пожарный)
2. Применение ОУ. Инвертирующий усилитель.
Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка кОм. Использование резисторов с сопротивление
менее 1 кОм нежелательно, так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий выход ОУ. Резисторы более 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов смещения.
Инвертирующий усилитель
Инвертирует и усиливает напряжение (то есть умножает напряжение на отрицательную
константу).
Zin = Rin (Поскольку V − является виртуальной землей)
Третий резистор с сопротивлением, равным
(сопротивление параллельно соединенных резисторов Rf и Rin), устанавливаемый (при необходимости) между неинвертирующим
входом и землей, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения.
3. Чтобы найти необходимое количество разрядов для получения требуемой разрешающей способности, при заданном напряжении полной шкалы, необходимо произвести следующие действия: напряжение полной шкалы делится на 2 до тех пор, пока не будет получена
нужная разрешающая способность. При этом следует подсчитать количество делений на 2, что и будет являться НЕОБХОДИМЫМ количеством
разрядов (N).
Способ №1:
N=10/2=5/2=2,5/2=1,25/2=0,625/2=0,3125/2=0,15625/2=0,078125/2=0,0390625/2=0,01953125/2=0,010, итак N=10.
Способ №2:
10/2N=0,010 решим уравнение и найдём N.
10/0,010=2N
//прологорифмируем Л. и П. части
ln(1000)=N*ln2
N=10.
№_____26______
1. Счетчик-определение. Классификация.
Счетчиком называется схема, выполняющая функции подсчета количества единичных сигналов, поступивших на ее вход, а также
функции формирования и запоминания некоторого кода, соответствующего этому количеству. Счетчики также иногда могут выполнять функции
приема и выдачи кода. Схемы счетчиков можно классифицировать по следующим признакам:
1)Основание системы счисления. В вычислительных системах используются двоичные и десятичные счетчики. Двоичные счетчики в
свою очередь подразделяются на счетчики с модулем пересчета равным 2n. и модулем пересчета, не равным 2n, где n - разрядность счетчика.
2)Направление переходов счетчика. Счетчики принято разделять на простые (суммирующие или вычитающие), которые могут вести
счет только в одном направлении, то есть только прибавлять или вычитать входные сигналы, и реверсивные, которые в зависимости от управляющих сигналов могут вести счет в прямом или обратном направлениях.
3)Способ построения цепей переноса. Различают счетчики с последовательным, сквозным, параллельным и групповым переносом.
4)Способ организации счета. Счетчики могут быть асинхронными и синхронными. В асинхронных счетчиках изменение состояния счетчика осуществляется с поступлением информации только на вход первого каскада. В синхронных счетчиках информационный сигнал поступает
одновременно на синхронные входы всех разрядов.
5)Тип элементов, используемых для построения счетчика. Различают счетчики на импульсных, импульсн опотенциальных и потенциальных элементах. Хотя в современной электронной аппаратуре используется все эти три типа.
6)Тип организации счетного элемента. Счетчики могут быть построены на триггерах со счетным входом и на запоминающих элементах с использованием логических суммирующих схем.
Особую группу составляют счетчики, работающие по принципу циклического сдвигающего регистра (кольцевые счетчики). Однако эти счетчики отличаются низкой устойчивостью к помехам и сбоем и в ЭВМ практически не применяются.
2. Применение ОУ. Интегратор.
Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка кОм. Использование резисторов с сопротивление
менее 1 кОм нежелательно, так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий выход ОУ. Резисторы более 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов смещения.
Интегратор
Интегрирует (инвертированный) входной сигнал по времени.
где Vin и Vout — функции времени, Vinitial — выходное напряжение интегратора в момент
времени t = 0.
Данный четырехполюсник можно также рассматривать как фильтр нижних частот.
3. Для того чтобы определить, какие переключатели замкнуты, воспользуемся методом последовательного приближения. Коммутируемые выводы обеспечивают напряжения:
1 разряд = 5В;
2 разряд = 2,5В;
3 разряд = 1,25В;
4 разряд = 0,625В;
5 разряд = 0,3125В;
6 разряд = 0,15625В;
Так как 8,75В>5В, следовательно 1 разряд = 1. После замыкания 2 разряда напряжение на выходе повысится до 7,5В. Если замкнуть 3
разряд, то на выходе мы получим удовлетворяющее нас напряжение, эквивалентно коду 111000.
№_____27______
1. Асинхронные счётчики.
Асинхронные схемы счётчиков обладают общей проблемой, связанной с последовательной «сквозной» сменой состояний триггеров.
Этот эффект свойственен некоторым двоичным сумматорам и схемам преобразования данных, и обусловлен накапливающимися задержками при
прохождении сигнала от одного элемента логического вентиля к другому. Когда выход Q триггера переключается с 1 на 0, он отдаёт команду на
переключение следующему триггеру. Если следующий триггер переходит с 1 на 0, то он также подаёт команду на переключение следующему
триггеру и т. д. Однако, поскольку всегда существует небольшая задержка при прохождении сигнала между командой на переключение (синхроимпульс) и действительным переключением (смена состояний выходов Q и Q'), а, следовательно, каждый последующий триггер, который
должен поменять состояние, сменит его спустя некоторое время, после того как предыдущий триггер уже поменял своё состояние. Следовательно, при переключении состояний нескольких триггеров, смена состояния происходит не одновременно:
Чем больше триггеров переключается по данному синхроимпульсу, тем большим становится накопленное время задержки от младшего
до старшего разряда. По синхроимпульсу в подобной точке смены состояний (например, при переходе с 0111 на 1000), будет происходить
«сквозное“ изменение состояний от младшего к старшему разряду, по мере того как происходит смена каждого бита, и подаётся команда для
перемены состояния следующего, с небольшой задержкой между двумя соседними триггерами. Если мы внимательнее посмотрим на этот эффект при переходе с 0111 на 1000, то увидим, что в течение короткого периода счётчик будет выдавать неверные значения:
Вместо перехода с "0111“ на "1000”, схема будет очень быстро менять состояния в следующей последовательности: 0111-0110-01000000 и лишь затем 1000 (в десятичной системе: 7-6-4-0 и затем 8). Из-за такой последовательной (“насквозь") смены состояний триггеров, подобная схема называется счётчиком со сквозным переносом или асинхронным счётчиком.
Во многих случаях этот эффект приемлем, поскольку период неверных выходных значений происходит чрезвычайно быстро (для лучшего понимания этого эффекта степень задержки на рисунках преувеличена). Если бы нам потребовалось подать сигнал, например, на ряд светодиодов, то этот промежуток неверных выходных сигналов не внёс бы в работу схемы каких-бы то ни было искажений. Однако это неприемлемо, если бы нам потребовалось использовать счётчик для «выбора» входов мультиплексора или выполнения какой-либо иной задачи, когда
ложные выходные сигналы приведут к ошибкам в работе схемы.
2. Типы ЦАП.
Наиболее общие типы электронных ЦАП:
широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на
время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi (класс
аппаратуры) аудиотехнике;
ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный
сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования.
Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости.
Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH
(англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;
взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует.
Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов. По этой причине взвешивающие
ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;
цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП,
так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости;
сегментный ЦАП содержит по одному источнику тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Так, например, восьмибитный ЦАП этого типа содержит 255 сегментов, а 16-битный — 65535. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, так как для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду;
гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор
конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.
3. Формула для расчета выходного напряжения на ОУ, работающем в режиме инвертора, имеем:
𝑉1 𝑉2
𝑉𝑛
𝑉𝑜𝑢𝑡 = −𝑅𝑓 ( + + ⋯ + )
𝑅1 𝑅2
𝑅𝑛
Подставим в это выражение условие, получим:
5
10
7
𝑉𝑜𝑢𝑡 = −1000 (
+
+
) = −1001,5В.
6000 10 10000
№_____28______
1. 4-х разрядный параллельный однофазный регистр на основе D-триггеров.
Регистром называется устройство, предназначенное для записи и хранения дискретного «слова» - двоичного числа или другой кодовой
комбинации, а также для преобразований кодов чисел, поразрядное логическое сложение и умножение двух чисел и т.д.
Основные элементы регистра – двоичные ячейки, в качестве которых применяются триггеры. Количество двоичных ячеек определяется количеством двоичных разрядов слов (длиной слова), на которую рассчитан регистр. Обычно регистры выполняют на основе RS, D, JK триггеров. Регистр – один из основных элементов цифровой ЭВМ и многих других устройств вычислительной техники. Конкретные регистры обычно
являются специализированными и реализуют лишь некоторые операции.
D – входы для записи данных, С – разрешение на запись данных (как правило, запись производится не побитно или потетрадно – по 4
бита, поэтому все входы соединины между собой), Q – выходы для чтения данных.
В отличии от записи данных, где запись производится только при наличии 1 на входе «разрешение на запись» считывание возможно в
любой момент времени. Также возможно считывание по 1 биту и предусмотрены выходы для считывания инвертированного сигнала (выходы
над Q1, Q2, Q3, Q4).
2. Типы ЦАП.
D1
Наиболее общие типы электронных ЦАП:
&
широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП.
1
Стабильный источник тока или напряжения периодически включается
на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее
полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым
C
фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi
(класс аппаратуры) аудиотехнике;
Q1
ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, ос1
нованы на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позво&
ляет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения боль1
шей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП
строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является
D2
практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульс&
ный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной
1
длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с
использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчеQ2
тов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с моду1
лированной плотностью импульсов может быть использован простой
&
дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка
1
как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному
D3
фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;
взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуе&
мого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, под1
ключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом.
Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различQ3
ных прецизионных источников или резисторов. По этой причине взве1
шивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;
&
цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего
1
ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме,
состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет суD4
щественно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим
ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных эле&
ментов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является бо1
лее низкая скорость вследствие паразитной емкости;
сегментный ЦАП содержит по одному источнику тока или
резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Так,
например, восьмибитный ЦАП этого типа содержит 255 сегментов, а 16битный — 65535. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое
Q4
быстродействие, так как для преобразования достаточно замкнуть один
1
ключ, соответствующий входному коду;
&
гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных
1
выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу;
выбор конкретного набора способов является компромиссом между
быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.
3. Для того чтобы определить, какие переключатели замкнуты, воспользуемся методом последовательного приближения. Коммутируемые выводы обеспечивают напряжения:
1 разряд = 5В;
2 разряд = 2,5В;
3 разряд = 1,25В;
4 разряд = 0,625В;
5 разряд = 0,3125В;
6 разряд = 0,15625В;
Так как 9.0625В>5В, следовательно 1 разряд = 1. После замыкания 2 разряда напряжение на выходе повысится до 7,5В. Замыкаем 3
разряд, напряжение на выходе повысится до 8,75В. Замыкаем 4 разряд получаем на выходе высокое напряжение. Замыкаем 5 разряд получаем
на выходе требуемое напряжение, это соответствует коду 011010.
№_____29______
1. Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу,
в зависимости от двоичного кода на адресной шине. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом
и имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует двоичному коду (это устройство, преобразующее параллельный код в последовательный), (цифровые многопозиционные переключатели, по-другому, коммутаторы). У мультиплексора
может быть, например, 16 информационных входов, 4 управляющих входа (входа селекции) и один выход. Это означает, что если к этим 16
входам присоединены 16 источников цифровых сигналов – генераторов последовательных цифровых слов, то байты от любого из генераторов
можно передавать в единственный выходной провод. Для этого нужный нам вход требуется выбрать, подав на четыре входа селекции (т.е выбора номера канала, т.к 2 в четвертой степени = 16) двоичный код адреса. Так, для передачи на выход данных от канала номер 9 следует установить код адреса 1001. Мультиплексоры способны выбирать (селектировать) определенный канал. Поэтому их иногда называют селекторами.
Мультиплексоры различаю по способам адресации, наличию входов разрешения и инверсных выходов.
Без применения мультиплексоров невозможно построить высокоскоростные сети связи, эффективно резервировать передаваемый по
сетям трафик и масштабировать эксплуатируемые сети. D0-D3 информационными входами. А0-А1 адресными входами.
X0
D01
&
X0
D02
X1
X1
&
1
D03
D04
X2
Y
X2
&
X3
X3
&
A0
D05
D06
A0
1
A1
A1
1
Y
2. Закон Ома. Законы Кирхгофа.
Закон Ома для всей цепи выражает соотношение между электродвижущей силой (ЭДС), сопротивлением и током. Согласно этому закону ток в замкнутой цепи равен ЭДС источника деленной на сопротивление всей цепи:
I
E
RГ  RЦ
I - ток, протекающий по цепи; E - ЭДС, генератора, подключенного к электрической цепи; Rг - сопротивление генератора;
Rц - сопротивление цепи.
Закон Ома для участка цепи. Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению между началом и концом участка и обратно
пропорционален сопротивлению участка. Аналитически закон выражается в следующем виде:
I
U
R
где I - ток, протекающий на участке цепи; R - сопротивление участка цепи; U - напряжение на участке цепи.
Обобщенный закон Ома. Сила тока в контуре цепи прямо пропорциональна алгебраической сумме ЭДС всех источников цепи и обратно пропорциональна арифметической сумме всех активных сопротивлений цепи.
m
i
E
k 1
n
k
R
j 1
j
где m и n – количество источников и резисторов в контуре цепи.
При алгебраическом суммировании со знаком “плюс” берутся те ЭДС, направление которых совпадает с направлением тока, а со знаком “минус”– те ЭДС, направление которых не совпадает с направлением тока
Первый закон Кирхгофа
Рассматривая разветвленные электрические цепи, состоящие из нескольких контуров, нам необходимо установить соотношения между
токами, приходящими к любому узлу, и токами, уходящими от него. Из физической сущности электрического тока следует, что общее количество носителей тока, притекающее к узлу в течении некоторого промежутка времени, равно количеству носителей, утекающему от узла за тоже
время. Если предположить, что это положение не выполняется, то в узловой точке должно происходить накопление зарядов или убыль - утечка
зарядов. На практике эти явления не наблюдаются, следовательно, мы можем утверждать, что сумма величин токов, притекающих к точке
разветвления, равна сумме величин токов, утекающих от нее.
Условимся токи, притекающие к точке разветвления, считать положительными, а токи, утекающие от нее, - отрицательными и сформулируем окончательно первый закон Кирхгофа:
Алгебраическая сумма величин токов в точке разветвления равна нулю.
I  0
Второй закон Кирхгофа
Второй закон Кирхгофа связывает между собой э. д. с., действующие в любом замкнутом контуре, и падения напряжения на сопротивлениях, входящих в данный контур.
Исходя из принципа электрического равновесия, можно сделать логический вывод, что в установившемся режиме, когда токи в контуре не изменяются, все э. д. с. уравновешиваются падениями напряжения.
В самом деле, если предположить, что сумма э. д. с. превышает сумму падений напряжения, то ток в цепи должен возрасти. Наоборот,
если сумма падений напряжения превышает сумму э. д. с., то ток должен уменьшиться.
Таким образом, алгебраическая сумма э. д. с., действующих в любом замкнутом контуре, равна алгебраической сумме
падений напряжения на всех участках этого контура. Математически второй закон Кирхгофа выражается формулой:
 E   IR
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑜𝑢𝑡
3. Формула для расчета выходного напряжения на ОУ, работающем в режиме инвертора, имеем:
𝑉1 𝑉2
𝑉𝑛
= −𝑅𝑓 ( + + ⋯ + )
𝑅1 𝑅2
𝑅𝑛
Подставим в это выражение условие, получим:
5
10
7
= −1000 (
+
+
) = −1001,5В.
6000 10 10000
№_____30______
1. Демультиплексор - устройство, обратное мультиплексору. Т. е., у демультиплексора один вход и куча выходов. Демультиплексор
— устройство, в котором сигналы с одного информационного входа поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Ко входу подключается тот выход, чей номер соответствует состоянию двоичного кода (устройство, которое
преобразует последовательный код в параллельный).
Демультиплексоры – цифровые многопозиционные переключатели, также называемые коммутаторами. У демультиплексора может
быть, например, 1 информационный вход, 4 управляющих входа (входа селекции) и 16 выходов. Это означает, что если на этот единственный
вход подается какой-то цифровой сигнал, то его можно коммутировать на любой из этих 16 выходов. Для этого требуется выбрать нужный нам
вход, подав на четыре входа селекции (т.е выбора номера канала, т.к 2 в четверной степени = 16) двоичный код адреса. Так, для передачи на
выход данных от канала номер 9 следует установить код адреса 1001. Демультиплексоры также способны выбирать, селектировать определенный канал. Поэтому их иногда называют селекторами.
Демультиплексоры различаю по способам адресации, наличию входов разрешения и инверсных выходов.
Демультиплексоры (размножители сигналов) могут применяться в составе автоматизированных систем управления технологическими
процессами, энергетических объектов, в аппаратуре технической диагностики, для комплексной автоматизации объектов атомной энергетики и в
других областях промышленности.
D01
X
&
Y0
X
&
Y1
A0
&
Y2
A1
Y0
&
D02
D03
Y3
Y1
A0
1
Y2
A1
1
Y3
Из-за схожести структур мультиплексора и демультиплексора в КМОП сериях есть микросхемы, которые одновременно являются мультиплексорром и демультиплексором, смотря с какой стороны подавать сигналы.
2. Характеристики ЦАП. ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом. Далее перечислены наиболее важные характеристики ЦАП.
Точность абсолютная – разность между имеющимся на выходе аналоговым сигналом и выходным сигналом, который ожидают получить при подаче на вход преобразователя данного цифрового кода. Источниками ошибок являются погрешность коэффициента передачи, погрешность смещения нуля, нелинейность и шум. Погрешность обычно взаимосвязана с разрешающей способностью, т.е. она всегда меньше ½
МР полной шкалы (ПШ).
Точность относительная – отклонение аналогового напряжения, соответствующего данному коду (отнесённого к полному интервалу
аналоговых значений характеристик передачи прибора) от его теоретического значения (отнесённого к тому же интервалу) после калибровки
интервала полной шкалы. Единицами измерения являются проценты. Относительную погрешность можно интерпретировать как меру нелинейности.
Коэффициент передачи – аналоговый масштабный коэффициент, обеспечивающий нормальное соотношение преобразования.
Младший разряд (МР) – разряд, обозначающий наименьшее значение или вес. Его аналоговый вес относительно ПШ составляет 2 -n ,
где n – количество двоичных цифр. Характеризует наименьшее значение аналогового сигнала, которое можно получить на выходе n-разрядного
преобразователя.
Старший разряд (СР) – разряд, соответствующий наибольшему значению или весу. Его аналоговый вес относительно интервала ПШ
ЦАП составляет 1/2 .
Разрядность — количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах; количество бит есть логарифм по основанию 2 от количества уровней. Например, однобитный ЦАП способен воспроизвести два (21) уровня, а
восьмибитный — 256 (28) уровней. Разрядность тесно связана с эффективной разрядностью (англ. ENOB, Effective Number of Bits), которая показывает реальное разрешение, достижимое на данном ЦАП.
Время установления – время, требуемое для того, чтобы в ответ на заданное изменение цифрового сигнала выходной сигнал ЦАП
достигал определённого значения, отличающегося от окончательного на некоторую величину (обычно ±1/2 МР).
Время переключения – время, требуемое для изменения состояния переключателей (время задержки + время нарастания сигнала
от 10 до 90 %).
Максимальная частота дискретизации — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный
результат. В соответствии с теоремой Котельникова для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо,
чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего
слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения
данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество
сигнала.
Монотонность — свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.
Динамический диапазон — соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в
децибелах. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.
Статические характеристики:
DNL (дифференциальная нелинейность) - характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МР), отличается от правильного значения;
INL (интегральная нелинейность) - характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная характеристика строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики;
Частотные характеристики:
SNDR (отношение сигнал/шум+искажения) - характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной
мощности шума и гармонических искажений;
HDi (коэффициент i-й гармоники) - характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;
HD (коэффициент гармонических искажений) - отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.
3. Для того чтобы определить, какие переключатели замкнуты, воспользуемся методом последовательного приближения.
Коммутируемые выводы обеспечивают напряжения: 1 разряд = 5В; 2 разряд = 2,5В; 3 разряд = 1,25В; 4 разряд = 0,625В; 5 разряд = 0,3125В; 6
разряд = 0,15625В; Так как 8,75В>5В, следовательно 1 разряд = 1. После замыкания 2 разряда напряжение на выходе повысится до 7,5В. Если
замкнуть 3 разряд, то на выходе мы получим удовлетворяющее нас напряжение, эквивалентно коду 111000.