- •Введение.
- •Цели и задачи дисциплины.
- •Связь с другими дисциплинами и необходимый уровень подготовки.
- •Кодирование логической и двоичной информации электрическими сигналами.
- •Характеристики электрических сигналов.
- •Простейшие логические операции и их схемотехническая реализация (диодные схемы).
- •Ттл элемент, работа схемы, основные характеристики.
- •Разновидности логических элементов и серии интегральных микросхем.
- •Соединения логических элементов и радиокомпонентов.
- •Схемотехника функциональных устройств.
- •Схемотехника последовательностных устройств.
- •Триггеры.
- •Счётчики.
- •Двоичные счетчики.
- •Недвоичные счетчики.
- •Регистры.
- •Параллельные регистры.
- •Последовательные (сдвиговые) регистры.
- •Комбинационные устройства.
- •Дешифраторы.
- •Линейный дешифратор.
- •Матричный дешифратор.
- •Пирамидальный дешифратор.
- •Дешифраторы интегрального исполнения.
- •Мультиплексор и демультиплексор.
- •Мультиплексоры интегрального исполнения.
- •Сумматоры.
- •Одноразрядные комбинационные сумматоры.
- •Многоразрядные сумматоры.
- •Последовательный многоразрядный сумматор.
- •Параллельный многоразрядный сумматор.
- •Ускоренный перенос.
- •Арифметико-логическое устройство.
- •Устройства памяти.
- •Статические элементы оперативных запоминающих устройств.
- •Запоминающий элемент на биполярных транзисторах.
- •Запоминающий элемент на полевых транзисторах.
- •Динамический запоминающий элемент оперативных запоминающих устройств.
- •Запоминающие элементы пзу.
- •Организация бис зу.
- •Построение запоминающих устройств эвм.
- •Программируемые логические матрицы.
- •Формирователи.
- •Определение интервала времени по заданным уровням сигналов в цепях первого порядка.
- •Формирователи периодических сигналов.
- •Несимметричный мультивибратор на логических элементах.
- •Формирователь фронтов (спадов) — триггер Шмитта.
- •Формирователи импульсов.
- •Формирователь на интегрирующей rc цепи.
- •Одновибратор с дифференцирующей rc цепью.
- •Одновибраторы интегрального исполнения.
- •Интерфейсные устройства.
- •Буферные устройства.
- •Передача сигналов по линиям связи.
- •Несимметричные линии связи.
- •Согласование линий связи.
- •Симметричные линии связи.
- •Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.
- •Цифро-аналоговые преобразователи (цап).
- •Цифро-аналоговый преобразователь на суммировании токов.
- •Цифро-аналоговый преобразователь на матрице r-2r.
- •Аналого-цифровые преобразователи (ацп).
- •Параллельный ацп.
- •Ацп последовательного приближения (последовательные ацп).
- •Ацп двойного интегрирования.
- •Системы индикации.
- •Индикация состояния логического элемента.
- •Индикация состояния шин.
Цифро-аналоговые преобразователи (цап).
Цифро-аналоговые преобразователи предназначены для выработки напряжения или тока соответствующего заданному многоразрядному коду.
Цифро-аналоговый преобразователь на суммировании токов.
Простейший принцип построения ЦАП состоит в использовании усилителя с регулируемым коэффициентом передачи в зависимости от входного кода. Схема такого ЦАП представлена на рис. 117.
Ключи L0 ÷ L3 управляются разрядами двоичного числа, причем L0 младшим разрядом, L3 старшим разрядом (весовые коэффициенты показаны внизу на схеме). Управление состоит в том, что при единичном значении разряда соответствующий ключ замыкается, в противном случае ключ разомкнут. Ключи подключают ко входу операционного усилителя резисторы с различными кратными Ri значениями.
Рис. 117. ЦАП на суммировании токов.
Так при входном двоичном коде 0001 на выходе схемы будем иметь , для кода 0010 --, для кода 0011 --. Как видно из приведенных соотношений коэффициент при R0 соответствует десятичному значению входного двоичного кода. Если десятичный эквивалент входного двоичного кода обозначить Ld, то выходное напряжение этого преобразователя определяется выражениемпри 0 ≤ Ld ≤ 15. Данное выражение показывает, что выходное напряжение зависит от величины опорного напряжения Uоп, соотношения резисторов и входного двоичного кода.
Рассмотренная схема простейшая и имеет много недостатков: изменяющаяся нагрузка на источник опорного напряжения, сложная коммутация, повышенные требования к погрешности резисторов, которые существенно снижают возможности ее применения.
Учитывая технологические трудности изготовления резисторов, величины которых уменьшаются на величину кратную степени двойки со все уменьшающейся погрешностью, была разработана так называемая резистивная матрица R - 2R, которая в дальнейшем используется при построении различных схем ЦАП.
О
Рис. 118. Элемент резистивной матрицы R- 2R.
Если принять коэффициент деления α = Uвых/Uвх, то для входного сопротивления будем иметь , а для сопротивления нагрузки --. В случае двоичного кодирования α = 2. Приведенные выражения позволяют определить соотношения резисторов делителя, если положить R2 = 2R, то R1 = R и Rn = 2R, где R резистор любой разумной величины.
Цифро-аналоговый преобразователь на матрице r-2r.
ЦАП на резистивной матрице R-2R показан на рис. 119. В соответствии с вышеизложенным резисторы имеют только два значения R и 2R.
К
Рис. 119. Цифро-аналоговый преобразователь
на резистивной матрице R-2R
Рис. 120. Вариант построения цифро-аналогового
преобразователя.
П
Рис. 121. Временная диаграмма работы ЦАП.
Однако цифровой двоичный код обычно образуется на выходах логических элементов, поэтому более целесообразно код числа для преобразования в аналоговую форму брать на выходах цифровых устройств, у которых каждый разряд может принимать логические значения 0 или 1. Для более точного преобразования небходимо чтобы логический 0 соответствовал нулевому напряжению. Обычно таким условиям удовлетворяют счетчики или регистры КМОП серий. Схема подобного преобразователя код-напряжение показана на рис. 108,выполненном в пакете EWB 5.0.
Д
Рис. 122. ЦАП с источниками тока на
биполярных транзисторах.
Необходимо отметить, что помимо возможности управления цифровыми микросхемами это преобразователь имеет возможность задания практически любого диапазона выходных напряжении. Для этого достаточно вместо повторителя на ОУ установить масштабный усилитель с необходимым коэффициентом пердачи. Также нужно учитывать, что выходное напряжение существенно зависит от уровня единичного выходного напряжения цифровой микросхемы.
Матрица R-2R нашла широкое применение в различных схемах включения при построении ЦАП, например микросхема 572ПА1.
С целью повышения быстродействия и уменьшение погрешностей решили совместить в одной схеме источники тока на биполярных транзисторах, матрицу R-2R и электронные ключи. Схема такого ЦАП приведена на рис. 122.
Источники напряжения V1 и V2 являются источниками питания всей схемы. С помощью резисторов R1 и R2 формируется н6апряжение на базах транзисторов Q1, Q2, Q3, Q4 и Q5, выполняющих функции источников тока. Каждый из транзисторов должен формировать ток пропорциональный весовому коэффициенту разряда управляющего двоичного числа Так если считать, что транзистор Q4 должен формировать токI0а управляется он младшим разрядом, то токи формируемые остальными транзисторами должны иметь значенияQ3 -- 2I0,Q2 -- 4I0,Q1 -- 8I0. Для этой цели эмиттеры транзисторов подключены к матрицеR-2R. Питание матрицы осуществляется от источника напряженияV2, причем напряжение в узлах матрицы слева направо уменьшается в два раза. Так как напряжение на базах транзисторов одинаково, то указанные напряжения в узлах матрицы определяют двукратное изменение тока в соседних разрядах. ДиодыD1 -D8 являются ключами, управляемыми разрядами двоичного счетчикаCoun2.
Приведенная схема отличается от реальных тем, что в ней используются одноэмиттерные транзисторы. В реальной схеме количество эмиттеров определяется весовым коэффициентом управляющего числа, так Q4 -- одноэмиттерный,Q3 -- двухэмиттерный,Q2 -- четырехэмиттерный иQ1 -- восьмиэмиттерный. Это делается для того, чтобы на эмиттерах транзисторов иметь одинаковые напряжения и как следствие иметь строго кратные двум изменения токов в соседних разрядах.
Схема обладает высоким быстродействием так как все активные элементы схемы работают в ненасыщенном режиме. Временная диаграмма работы этой схемы приведена на рис. 123.
Как видно из рисунка схема имеет шестнадцать состояний, что соответствует четырех разрядному управляющему коду.
Схема выполнена в пакете EWBи может быть повторена.
В данной схеме применены диодные ключи одноко в реальных устройствах используют в качестве ключей дифференциальный каскад, что приводит к существенному повышению быстродействия.
Рис. 123. Временная диграмма работы ЦАП.
Лекция 36.