Лабораторная работа № 8

Тема: “Изучение и практическое использование цифровых электронных устройств ”

Цель работы: знакомство с цифровыми электронными устройствами, их назначением, классификацией, основными параметрами и характеристиками, методикой расчета, практическое исследование цифро-аналоговых преобразователей с суммированием весовых токов и матрицей R-2R, двоичного и двоично-десятичного счетчиков.

1. ТеоретическИе сведения

К цифровым электронным устройствам относятся приборы, основанные на съеме, преобразовании, передаче и воспроизведении информационных сигналов, представленных в цифровой форме.

Цифровые электронные устройства строятся на основе микросхем, выполняющих разные функциональные преобразования сигналов, к которым относятся логические элементы: И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, НЕ и др; комбинационные цифровые устройства: шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов, мультиплексоры и демультиплексоры, сумматоры и цифровые компараторы; последовательностные цифровые устройства: триггеры, счетчики импульсов, регистры; цифровые запоминающие устройства: оперативные запоминающие устройства и постоянные запоминающие устройства; устройства аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования и микропроцессоры.

Логические элементы (логические вентили) – электронные устройства, выполняющие определенные простейшие логические операции: И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, НЕ и др. (рис. 1).

Логические элементы И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ могут выполняться на два, три, четыре и восемь входов.

Н а выходе элемента И сигнал (логическая единица) будет формироваться лишь при условии, что на все входы одновременно подаются сигналы (логические единицы). Выходной сигнал элемента ИЛИ будет формироваться при условии, что хотя бы на один вход подается сигнал. В элементе НЕ на выходе всегда формируется сигнал, инверсный (противоположный) входному: если на входе – логическая единица, то на выходе – логический нуль и наоборот.

Элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ отличаются от элементов И и ИЛИ, соответственно, тем, что в них дополнительно осуществляется инверсия выходного сигнала, так, например, на выходе элемента И-НЕ будет формироваться сигнал низкого уровня (логический нуль) лишь при условии, что на все входы одновременно подаются сигналы высокого уровня (логические единицы).

Для обозначения микросхем с логическими элементами используются следующие буквы: ЛИ – элемент И (К176ЛИ3), ЛЛ – элемент ИЛИ (К176ЛЛ4), ЛА – элементы И-НЕ (К155ЛА3, К561ЛА4), ЛЕ – элементы ИЛИ-НЕ (К155ЛЕ3, К561ЛЕ4), ЛН – элементы НЕ (К561ЛН1).

Комбинационными устройствами называют устройства, в которых выходные сигналы в определенные моменты времени однозначно определяются входными сигналами, имеющими место в эти моменты времени.

Шифратор – комбинационное устройство (рис. 2), преобразующее десятичные числа в двоичную систему счисления, причем каждому входу может быть поставлено в соответствие десятичное число, а набор выходных логических сигналов соответствует определенному двоичному коду.

Шифратор иногда называют “кодером” и используют для перевода десятичных чисел, набранных на клавиатуре кнопочного пульта управления в двоичные числа. Шифратор имеет десять входов Х₀   Х₉ для подачи сигнала, соответствующего десятичному числу от 0 до 9 и четыре выхода Y₁, Y₂, Y₄, Y₈, каждый из которых соответствует одному разряду двоичного числа.

При работе шифратора входной сигнал подается только на один определенный вход, а на выходах формируются сигналы, соответствующие двоичному коду преобразуемого десятичного числа. На входах и выходах шифратора микросхем некоторых серий могут выполняться операции инверсии, при этом на соответствующих входах (выходах) на схеме ставится значок инверсии (о).

Дешифратором называется комбинационное устройство, преобразующее n-разрядный двоичный код входных сигналов Х₁, Х₂, Х₄, Х₈ в логический сигнал Y₀  Y₉, формируемый на том выходе (0  9), десятичный номер которого соответствует двоичному коду преобразуемого сигнала (рис. 3). Дешифратор является одним из широко используемых логических устройств. Его применяют для построения различных комбинационных устройств. Шифраторы и дешифраторы являются примерами простейших преобразователей кодов сигналов.

Преобразователи кодов – устройства, предназначенные для преобразования одного кода в другой, при этом они как правило выполняют нестандартные преобразования кодов. Их обозначают аналогично шифраторам (дешифраторам) с функциональным обозначением на элементе Х/Y.

Для обозначения микросхем шифраторов, дешифраторов и преобразователей кодов используются две буквы ИД.

Промышленность выпускает разнообразные микросхемы шифраторов, дешифраторов и преобразователей кодов, таких как шифратор 4х16 со стробированием – К555ИД3, дешифраторы К155ИД1, К176ИД1, преобразователь кодов для управления светодиодной матрицей 7 х 5 – К155ИД8, преобразователь кода для управления шкальным индикатором – К155ИД15 и др.

Мультиплексоры и демультиплексоры.

Мультиплексор – комбинационное устройство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке цифровой информации, поступающей по нескольким входам на один вход. Их на схемах обозначают надписью MUX (рис. 4).

М ультиплексор можно рассматривать в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (информационных входов Х₁  Х_п) к одному выходу Y устройства. Кроме информационных входов в мультиплексоре имеются адресные входы А_i и, как правило, разрешающие Р_j (стробирующие) входы.

Сигналы А_i на адресных входах определяют, какой конкретно информационный вход X подключается к выходу. Разрешающие входы (обычно бывает один, а иногда два и более) могут разрешать и запрещать подключение определенного входа к выходу.

Мультиплексоры являются универсальными логическими устройствами, на основе которых создаются различные комбинационные и последовательностные схемы. Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др.

Наиболее часто мультиплексоры используются для преобразования параллельного двоичного кода в последовательный. Для этого надо подать на информационные входы мультиплексора параллельный двоичный код, а сигналы на адресные входы подавать в такой последовательности, чтобы к выходу поочередно подключались входы, начиная с первого и кончая последним. При обозначении микросхем мультиплексоров используются две буквы КП, например К155КП1, К561КП1, К555КП17 и др.

Демультиплексором называют устройство, в котором сигналы с одного информационного входа поступают в желаемой последовательности на несколько выходов (рис. 5). Демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. Демультиплексоры на схемах обозначают буквами DMX или DMS.

В демультиплексорах аналогично мультиплексорам кроме информационного входа Х имеются адресные А_i и разрешающие Р_i входы. Для наращивания числа выходов часто используют каскадное включение демультиплексоров, подключая к выходам первого демультиплексора дополнительные демультиплексоры.

При использовании КМДП технологии в микросхемах создаются двунаправленные ключи, позволяющие пропускать ток в обоих направлениях (со входа на выход и с выхода на вход), и передавать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Благодаря этому можно строить мультиплексоры-демультиплексоры на оной и той же микросхеме. Мультиплексоры-демультиплексоры на схемах обозначают буквами МХ. Промышленность выпускает различные мультиплексоры, демультиплексоры, а также мультиплексоры-демульти-плексоры, среди которых можно выделить мультиплексоры-демультиплексоры К561КП1, К561КП2, К590КП1 и др.

Сумматорами называют комбинационные устройства, предназначенные для сложения чисел. При суммировании только двоичных одноразрядных чисел используются устройства, называемые полусумматорами, которые имеют только два входа А и В и выход S.

П ри суммировании многоразрядных чисел для каждого разряда (кроме младшего), необходимо использовать устройство, имеющее дополнительный вход (выход) переноса Р_вх (Р_вых), чтобы учитывать результат сложения предыдущих разрядов. Такие устройства называют полными сумматорами и их можно рассматривать как объединение двух полусумматоров.

На схемах сумматоры обозначают аналогично другим цифровым устройствам, используя для обозначения сумматора букв SM (рис. 6). Сумматоры выпускаются на разное число суммируемых разрядов. На рис. 6 в качестве примера приведен сумматор на 4 разряда – четырехразрядный сумматор.

Цифровые компараторы выполняют сравнение двух чисел, заданных в двоичном коде. Они могут определять равенство двух двоичных чисел А и В с одинаковым числом разрядов, либо вид неравенства: А > B или А < B.

Цифровые компараторы выпускаются в виде самостоятельных микросхем, например, микросхема К561ИП2 является четырехразрядным компаратором (рис. 7). Данная микросхема имеет кроме информационных входов А и В три выхода, сигнал на которых (логическая единица) появляется при выполнении условий: А < B, A = B или A > B, а также расширяющие аналогичные входы (что позволяет наращивать число разрядов сравниваемых чисел).

Последовательностные цифровые устройства также называют конечными автоматами (цифровыми автоматами, автоматами с памятью).

Состояние этих элементов зависит как от входных сигналов, поступающих на элементы в данный момент времени, так и от предыстории поступления входных сигналов. При этом выходные сигналы последовательностных устройств зависят не только от сигналов, воздействующих на их входы в данный момент времени, но и состоянием элементов памяти. Т.е. реакция последовательностных устройств на определенные входные сигналы зависит от предыстории работы этих устройств.

Триггеры. Триггер – простейшее последовательностное цифровое устройство, которое может находиться в одном из двух возможных состояний и переходить из одного состояние в другое под воздействием входных сигналов. Триггер является базовым элементом последовательностных логических устройств.

Входы триггера разделяются на информационные и управляющие (вспомогательные). Информационные входы используются для управления состоянием триггера. Управляющие входы используются для предварительной установки триггера в некоторое состояние и для синхронизации работы триггера. Триггеры могут иметь два выхода: прямой Q и инверсный , на которых выходные сигналы инвертированы друг относительно друга.

Различают асинхронные и синхронные триггеры. В асинхронных триггерах состояние выходных сигналов изменяется непосредственно в момент появления соответствующих входных информационных сигналов. Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только в момент подачи соответствующего сигнала на вход синхронизации С.

По функциональным возможностям триггеры разделяются на следующие классы: с раздельной установкой состояния 0 и 1 (RS - триггеры); универсальные (JK – триггеры); с приемом информации по одному входу D (D – триггеры, или триггеры задержки); со счетным входом Т (Т – триггеры).

Т риггеры также разделяются на одноступенчатые и двухступенчатые. В одноступенчатых триггерах имеется одна ступень запоминания информации, в двухступенчатых – две ступени: сначала информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе. Одноступенчатые триггеры на схемах обозначают буквой Т, а двухступенчатые – буквами ТТ.

Входы триггеров обозначают буквами: S – вход для установки состояния “1”; R – вход для установки состояния “0”; J – вход разрешения установки в состояние “1” в универсальном триггере; К – вход разрешения установки в состояние “0” в универсальном триггере; Т – счетный (общий) вход; D – вход для установки в состояние “1” или в состояние “0”.

На рис. 8 приведены графические обозначения одноступенчатого RS триггера (одного из двух триггеров микросхемы типа К155ТМ2) и двухступенчатого JK триггера (микросхемы типа К155ТВ1).

Счетчики импульсов – это последовательностные цифровые устройства, обеспечивающие хранение слова информации и выполнение над ним микрооперации счета, заключающейся в изменении значения числа в счетчике на 1. По существу счетчик представляет собой совокупность соединенных определенным образом триггеров. Основной параметр счетчика – это модуль счета – максимальное число единичных сигналов, которые могут быть сосчитаны счетчиком. Счетчики обозначают буквами СТ.

По модулю счета счетчики разделяют на: двоично-десятичные; двоичные; с произвольным постоянным модулем счета; с переменным модулем счета.

По направлению счета счетчики разделяют на: суммирующие; вычитающие и реверсивные.

По способу формирования внутренних связей счетчики разделяются на: счетчики с последовательным переносом информации; с параллельным переносом; с комбинированным переносом и кольцевые.

Суммирующий счетчик содержит JK триггеры, входы синхронизации С, которых подключены к прямым выходам Q предыдущих триггеров. При наличие на входах JK логического сигнала “1” триггеры переключаются в моменты появления на соответствующих входах синхронизации С отрицательных перепадов напряжения выходного сигнала с соответствующего выхода Q. В результате этого происходит суммирование входных импульсов. Последовательное включение выходов триггеров счетчика с входами последующих триггеров определяет название счетчика – счетчик с последовательным переносом.

В вычитающем счетчике с последовательным переносом с каждым входом синхронизации следующего триггера соединяется инверсный выход предыдущего триггера, что определяет при поступлении на вход счетчика каждого импульса уменьшение числа, записанного в счетчик на единицу.

Реверсивный счетчик в зависимости от режима, определяемого подачей на вход управления соответствующего логического сигнала, может работать как суммирующий (в режиме прямого счета) так и вычитающий (в режиме обратного счета) счетчик. Для этого в счетчике предусмотрено переключение с помощью мультиплексоров входов синхронизации на прямые или инверсные выходы соответствующих триггеров.

В двоично-десятичных счетчиках модуль счета определяется десятичным числом при представлении информации в двоично-десятичном коде.

Отличие счетчиков с параллельным переносом сводится к тому, что изменение состояния последующих триггеров счетчика проводится не после переключения предыдущих триггеров как в счетчиках с последовательным переносом, а непосредственно после подачи импульса на вход счетчика. Для этого в счетчиках с параллельным переносом организуются специальные каналы передачи импульсов со входа счетчика на входы последующих триггеров. Это обеспечивает максимальное быстродействие счетчика. В счетчиках с комбинированным переносом используются цепи как последовательного так и параллельного переноса импульсов.

Н а схеме (рис. 9) приведено обозначение четырехразрядного реверсивного двоичного счетчика. Здесь выходы счетчиков обозначаются буквами с индексами: Q₁, Q₂ Q₄, Q₈ и т.д. Для передачи информации на следующий счетчик имеется выход  9 ( 0), а для переключения направления счета в реверсивном счетчике – входы +1 и –1, R – вход обнуления (сброса) счетчика, D – информационные входы, позволяющие предварительно записывать в счетчик четырехразрядное двоичное число при подаче разрешающего сигнала на вход синхронизации С

П ромышленностью выпускаются разнообразные микросхемы счетчиков импульсов, среди которых можно выделить: К176ИЕ1 – шестиразрядный двоичный счетчик; К176ИЕ2 – четырехразрядный двоичный счетчик, К155ИЕ6 – двоично-десятичный реверсивный счетчик; К155ИЕ7 – двоичный реверсивный счетчик; К561ИЕ11 – четырехразрядный двоичный реверсивный счетчик и др.

В лабораторной работе проводится исследование пятиразрядного двоичного / четырехразрядного двоично-десятичного счетчика К176ИЕ2 (рис. 10). При логической единице на входе переключения режима (2/10 – входе “в”) счетчик работает как пятиразрядный двоичный счетчик, при логическом нуле – четырехразрядный двоично-десятичный счетчик.

На схеме (рис. 10) также показан генератор прямоугольных импульсов (мультивибратор), выполненный на двух логических элементах И-НЕ (DD_1.1 и DD_1.2) с частотозадающей цепью R₁, C₁, выходные импульсы которого подаются на счетный вход С (вход синхронизации) счетчика DD₂, и два логических элемента: DD_1.3 – схема И-НЕ и DD_1.4 - элемент НЕ, обеспечивающие сброс счетчика путем одновременной подачи сигналов на шины “а”, “б”.

П ри подключении шин “а”, “б” к выходам Q₂ и Q₈ и логической единице на входе 2/10 сброс счетчика будет происходить при записи в счетчик десятичного числа 10 (1010), т.е. счетчик превратится из пятиразрядного двоичного в четырехразрядный двоично-десятичный счетчик. Это же можно осуществить при подаче логического нуля на шину “в” и при подключении шин “а”, “б” к общему проводу (-Е₁). Если на вход 2/10 подать логическую единицу (подключить к +Е), а шины “а”, ”б” подключить к –Е, то счетчик будет работать как пятиразрядный двоичный счетчик. Для сброса счетчика на входы “а”, “б” необходимо одновременно подать логические единицы.

При необходимости обеспечения управления генератором импульсов необходимо отсоединить вывод 5 элемента DD_1.2 от вывода 6 и использовать его в качестве входа управления. При этом генератор будет работать только при подаче на вход управления логической единицы и будет выключен – при подаче логического нуля (отмеченное используется в лабораторной работе при составлении схемы АЦП).

На рис. 11 приведена схема четырехразрядного двоичного реверсивного счетчика К561ИЕ11.

В счетчике дополнительно имеется вход 1, при подаче на который логической единицы счетчик будет работать в режиме прямого счета (сложения), логического нуля – в режиме обратного счета (вычитания). С помощью входа С₁ можно разрешать счет (при подаче логического нуля) и запрещать счет импульсов – (при подаче на вход логической единицы).

При подаче на вход сброса R логической единицы, будет происходить сброс (обнуление) счетчика, при логическом нуле на входе R осуществляется нормальная работа счетчика. Выход >9 служит для подключения к входу другого счетчика. В микросхеме предусмотрены еще четыре информационных входа D₁  D₄ (выводы 4, 12, 13, 3) и вход разрешения записи информации РЕ (вывод 1) (на схеме не показаны), позволяющие проводить предварительную запись информации в счетчик в параллельном коде. Для подключения напряжения питания счетчика используются выводы 16 и 8 (+Е и –Е, соответственно).

Регистры – последовательностные логические устройства, используемые для хранения n – разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром связано комбинационное цифровое устройства, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.

Типичными для регистра являются следующие операции: прием слова в регистр; передача слова из регистра; поразрядные логические операции; сдвиг слов влево или вправо на заданное число разрядов; преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно; установка регистра в начальное состояние (сброс).

Регистры классифицируются по следующим видам: накопительные (регистры памяти, хранения) и сдвигающие. В свою очередь сдвигающие регистры делятся: по способу ввода – вывода информации: на параллельные; последовательные; комбинированные; по направлению передачи информации на: однонаправленные и реверсивные.

О сновой регистров являются D – триггеры, которые на своих выходах повторяют значения сигналов на информационных входах.

В качестве примера на рис. 12 приведено графическое обозначение сдвигающего регистра типа К155ИР15. На схемах регистры обозначаются буквами RG.

Вход R является входом сброса, при подаче на который разрешающего сигнала происходит обнуление всех триггеров регистра. Вход С является синхронизирующим – по фронту импульса, подаваемому на этот вход осуществляется запись информации в те триггеры, для которых на соответствующий вход D подан разрешающий сигнал.

При подаче разрешающего сигнала на вход S₁ в момент поступления импульса синхронизации на вход C осуществляется сдвиг влево, на вход S₀ – сдвиг вправо. При подаче на вход Е₁ и (или) Е₂ логической единицы регистр переходит в режим хранения информации, при котором запрещаются все операции над числом, записанным в регистр.

Цифровые запоминающие устройства – устройства, предназначенные для записи, хранения и считывания информации, представленной в цифровом виде.

По назначению запоминающие устройства ЗУ разделяют на оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). ОЗУ обеспечивают режим записи, хранения и считывания информации в процессе ее обработки. ПЗУ в рабочем режиме допускают только считывание информации.

К основным параметрам ЗУ относится информационная емкость, потребляемая мощность, время хранения информации и быстродействие.

Информационная емкость определяется числом ячеек памяти ЗУ и указывает максимальный объем хранимой информации. Если ЗУ рассчитано на хранение n чисел (слов), каждое из которых имеет m разрядов, то информационная емкость N определяется произведением: N = m n.

Так, если ЗУ предназначено для хранения 16 слов, каждое из которых содержит 4 разряда, то ЗУ имеет структурную организацию 16 ^х 4 и информационную емкость N равную:

N = 16 ^х 4 = 64 бит.

Емкость часто выражают в байтах (1 байт = 8 бит). Емкость используемых ЗУ составляет от нескольких десятков до миллионов и более бит.

Основой любого ЗУ является матрица памяти (накопитель), которая состоит из n строк. Каждая строка имеет m ячеек памяти, образующих m - разрядное слово. Соответствующие шины в матрице памяти управляются от дешифратора строк и столбцов. Выбор требуемой ячейки осуществляется с помощью дешифраторов строк и столбцов путем подачи на них соответствующих адресных сигналов.

ОЗУ на схемах обозначают буквами RAM. ОЗУ разделяются на статические и динамические. В статических ОЗУ запоминающая ячейка представляет собой триггер, выполненный на биполярных или полевых транзисторах. В динамических ОЗУ элементом памяти является емкость (например затвора полевого транзистора – флэш-память), что требует периодического восстановления (регенерации) записанной информации. При этом ОЗУ динамического типа позволяют реализовать большой объем памяти.

Примерами статических ОЗУ являются микросхемы К155РУ2, К561РУ2, динамического ОЗУ – микросхема К565РУ5.

Микросхема К155РУ2 – статическое ОЗУ, выполненное на основе ТТЛ структуры емкостью 64 бит (структура 16 ^х 4), микросхема К561РУ2 – статическое ОЗУ, выполненное на основе КМДП структуры емкостью 256 бит (структура 256 ^х 1), микросхема К565РУ5 – динамическое ОЗУ на основе n – МОП структуры с емкостью 64 К (килобайт) ^х 1.

На рис. 13 изображены ОЗУ, выполненные на микросхемах К155РУ2, К561РУ2. Входы и выходы микросхем, имеют названия: А – адресные входы; D – информационные входы; Q – информационные выходы; V и W – входы управления режимами записи, считывания и хранения информации; W/R – вход переключения режимов записи / считывания; CE – вход разрешения записи информации.

В микросхеме К155РУ2 выбор адреса соответствующей четырехразрядной ячейки памяти осуществляется подачей логических нулей и единиц на адресные входы А₁  А₄. При этом для считывания информации необходимо подать на входы V, W сигналы: V = 0, W = 1, для записи информации: V = 0, W = 0, для хранения информации: V = 1, W = 1. При записи информации на информационные входы D₁  D₄ подается записываемое число.

В одноразрядном ОЗУ К561РУ2 адрес ячейки памяти задается подачей логических нулей и единиц на две четверки адресных входов А₁  А₄ и А₅  А₈. Информационный сигнал (один разряд) подается на вход D. Для записи информации на входы W/R и СЕ необходимо подать сигналы: W/R = 1, СЕ = 0, для считывания информации: W/R = 0, СЕ = 0, для хранения информации: W/R = 0, СЕ = 1.

В данном ОЗУ снимать информации можно как с неинвертирующего выхода Q, так и с инвертирующего выхода .

Программируемые запоминающие устройства ПЗУ разделяются на группы: программируемые при изготовлении (обозначают ПЗУ или ROM); с однократным программированием (ППЗУ или PROM); перепрограммируемые (репрограммируемые) – с возможностью многократного электрического перепрограммирования (РПЗУ или RPROM). При графическом обозначении ПЗУ используется английские буквы, соответствующие обозначениям микросхем (ROM, PROM, RPROM) при этом они изображаются аналогично ПЗУ (рис. 13).

Промышленность выпускает большое количество микросхем ПЗУ, среди которых в качестве примера можно выделить ППЗУ с однократным программированием (микросхемы К155РЕ21, К155РЕ22 и К155РЕ23; репрограммируемое ПЗУ (микросхема К573РФ5), однократно программируемое ПЗУ (микросхемы К155РЕ3, К556РТ5) и др.

Для передачи информации с аналоговых устройств на цифровые и с цифровых на аналоговые используются специальные преобразователи цифровых сигналов в аналоговые – цифроаналоговые преобразователи ЦАП и аналоговых сигналов в цифровые – аналого-цифровые преобразователи АЦП, которые могут быть выполнены как на дискретных элементах, так и в виде специализированных микросхем.

Цифроаналоговые преобразователи разделяются на:

 ЦАП с суммированием весовых токов;

 ЦАП, выполненные на основе резистивной матрицы R-2R (матрицы постоянного сопротивления).

ЦАП с суммированием весовых токов.

П рактическая схема ЦАП с суммированием весовых токов, исследуемого в лабораторной работе приведена на рис. 14. ЦАП выполнен на основе инвертирующего усилителя (сумматора) на операционном усилителе DA₁.

>

Код подаваемого на ЦАП числа (параллельный код) задается переключателями S₁  S₄. В общем случае вместо переключателей к резисторам R₁  R₄ подключаются выходы устройства, цифровой код которого необходимо преобразовать в аналоговый сигнал (счетчик, регистр и т.п.). Каждый переключатель, а соответственно, и шина его подключения имеет определенный весовой код, что для двоичных чисел соответствует:

S₁: (0001) = 2⁰ = 1; S₂: (0010) = 2¹ = 2; S₃: (0100) = 2² = 4;

S₄: (1000) = 2³ = 8.

Таким образом, включение одного из переключателей S₁  S₄ соответствует подаче на ЦАП десятичного числа 1, 2, 4 и 8, соответственно, а одновременное включение нескольких переключателей – числу, соответствующему сумме определенных включенными переключателями чисел: 1, 2, 4 и 8.

На вход переключателей S₁  S₄ должно подаваться эталонное стабилизированное напряжение, на схеме (рис. 14) – это напряжение (–Е₂).

Если состояние “включено” переключателей обозначить единицей, а “выключено” – нулем, то выходное напряжение АЦП – как инвертирующего сумматора будет равно:

U_вых = -Е₂ R_ос( _{+ + +} ). (1)

Если сопротивления резисторов R₁  R₄ выбрать из соотношения:

R₁ = R = 2R₂ = 4R₃ = 8R₄, (2)

то выражение (1) примет вид:

U_вых = -Е₂ (8S₄ + 4S₃ + 2S₂ + S₁). (3)

Таким образом выходное напряжение ЦАП будет определяться включенными переключателями – двоичным числом, подаваемым на ЦАП.

Недостатком ЦАП с суммированием весовых токов является необходимость использования разных значений сопротивлений резисторов, что вносит определенные сложности при построении многоразрядных ЦАП.

Эти недостатки устранены в ЦАП на основе резистивной матрицы R-2R.

ЦАП на основе резистивной матрицы R-2R.

С хема ЦАП, выполненного на основе резистивной матрицы R-2R приведена на рис. 15. Матрица R-2R состоит из резисторов с сопротивлением R: R₁, R₂ и R₃, и с сопротивлением 2R: R₄ R₈. Здесь в качестве переключателей S₁  S₄ используются так называемые перекидные ключи, каждый из которых в выключенном состоянии подключен к общей шине устройства. Выходное напряжение для данного ЦАП определяется выражением (4):

U_вых = -Е₂ (8S₄ + 4S₃ + 2S₂ + S₁). (4)

Легко показать, что входное сопротивление матрицы R-2R всегда равно R независимо от того в каком положении находятся переключатели, что позволяет при построении ЦАП на несколько десятичных декад использовать в каждой декаде одинаковые значения сопротивлений, разделяя декады резистором с сопротивлением, равным 8,1R и подключая параллельно резистору R₈ младшей декады резистор с сопротивлением, равным 9R.

В настоящее время к наиболее распространенным ЦАП относятся микросхемы 572, 694, 1108 и 1118 серий (К594ПА1, К1108ПА1, К572ПА1 и др), имеющие число двоичных разрядов 10  12.

Аналого-цифровые преобразователи АЦП по методу преобразования делятся на АЦП параллельного и последовательного действия.

При параллельном преобразовании входного напряжения его одновременно сравнивают с n опорными напряжениями и определяют между какими опорными напряжениями находится уровень преобразуемого напряжения. А затем с помощью кодирующего преобразователя преобразуют полученное значение в цифровой код. Такие АЦП называют АЦП кодо-импульсного преобразования.

При этом для преобразования требуется минимальное время, но схема АЦП получается достаточно сложной.

АЦП последовательного действия – с последовательным преобразованием входного сигнала разделяются на:

 АЦП со следящей связью;

 АЦП время-импульсного преобразования;

 АЦП с двухтактным интегрированием.

АЦП со следящей связью - АЦПСС реализуется в виде АЦП (рис. 16).

В АЦП используется ЦАП и реверсивный счетчик, на вход которого с генератора импульсов подаются прямоугольные импульсы. Реверсивный счетчик может считать импульсы генератора импульсов в режиме прямого и обратного счета.

Переключение режима счета осуществляется выходным сигналом схемы сравнения – компаратора напряжения, который включает режим обратного счета (реверса) лишь в том случае, если выходное напряжение ЦАП превышает преобразуемое АЦП напряжение U_x, и выключает режим обратного счета (включает режим прямого счета), если выходное напряжение ЦАП становится меньше преобразуемого АЦП напряжения.

В результате этого в АЦП поддерживается режим, при котором U_x = U_АЦП, а следовательно, код выходного числа Y соответствует входному напряжению U_x.

А ЦП время-импульсного преобразования - АЦПВИП (рис. 17) содержит генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, схему сравнения – компаратор напряжений, генератор импульсов и счетчик импульсов.

Для преобразования входного напряжения АЦП U_x в соответствующий код Y подается команда (входной запускающий импульс) “Пуск”. По этой команде выходное напряжение ГЛИН становится равным нулю и сбрасывается (обнуляется) счетчик импульсов.

С помощью схемы сравнения входное преобразуемое напряжение U_x сравнивается с выходным напряжением U_ГЛИН, и при условии, что U_x > U_ГЛИН на выходе схемы сравнения вырабатывается выходной сигнал, разрешающий работу генератора импульсов. В результате этого импульсы генератора импульсов поступают на счетный вход счетчика импульсов и считаются им.

Счет импульсов происходит до момента, при котором выходное напряжение ГЛИН не станет равным преобразуемому напряжению: U_x = U_ГЛИН, и на выходе схемы сравнения выключается управляющий сигнал. При этом код числа Y на выходе счетчика будет соответствовать преобразуемому напряжению U_x.

Для запуска нового цикла преобразования напряжения U_x необходимо снова подать команду “Пуск”.

Недостатком рассмотренного АЦП является относительно низкое быстродействие и низкая стабильность преобразований.

АЦП с двойным интегрированием АЦПДИ (двухтактного интегрирования) находят широкое применение в современных электронных изделиях, что определяется их высокой стабильностью.

АЦП двухтактного интегрирования (рис. 18) включает схему сравнения – компаратор напряжения, интегратор, генератор импульсов и реверсивный счетчик импульсов.

Р абота АЦП разбивается на два такта. В первом такте после запуска АЦП командой “Пуск” на выходе триггера формируется управляющий сигнал U_упр, который переводит реверсивный счетчик в режим прямого счета, а коммутатор подключает к входу интегратора эталонное напряжение U_o. Пропорционально U₀ на выходе интегратора формируется линейно-изменяющееся напряжение U_ЛИН.

С помощью схемы сравнения формируется управляющий сигнал при условии, что U_ЛИН  0. Этим сигналом разрешается работа генератора импульсов, выходные импульсы которого считаются счетчиком в режиме прямого счета. При записи в счетчик максимального числа импульсов, соответствующего модулю счета, сигналом с выхода счетчика изменяется состояние триггера, что приводит к выключению управляющего сигнала U_упр.

В результате этого с помощью коммутатора на вход интегратора подается преобразуемое напряжение U_x, и на выходе интегратора напряжение линейно изменяется от максимального значения до нуля. При равенстве выходного напряжения интегратора нулю выключается управляющий сигнал на выходе схемы сравнения и выключается генератор импульсов. В результате этого в счетчике остается записанным число Y, значение которого будет пропорционально отношению U_x/U₀, а следовательно при постоянном значении U₀, и пропорциональным U_x.

В настоящее время используются микросхемы АЦП как параллельного действия (К1107ПВ1, К1107ПВ2), так и последовательного действия (КР572ПВ1А, КР572ПВ3, КР572ПВ4, К1108ПВ1А, К1138ПВ1А).

Рассмотренные выше цифровые интегральные схемы и электронные устройства на цифровых микросхемах относятся к устройствам с жесткой логикой обработки информации. При необходимости изменения алгоритма обработки информации такими устройствами требуется либо изменение структуры устройства, либо применение другого устройства.

Для создания устройств, позволяющих обрабатывать информацию по различным алгоритмам в соответствии с текущей необходимостью необходимо включать в устройство процессоры, аналогичные процессорам ЭВМ.

В настоящее время для различных цифровых устройств выпускаются специальные процессоры, получившие название микропроцессоров.

Микропроцессоры входят в состав микропроцессорных комплексов (микропроцессорных наборов), представляющих собой совокупность электрически, функционально и архитектурно сопрягаемых интегральных схем, обеспечивающих возможность их совместного применения для построения устройств и систем управляющей и вычислительной техники.

Микропроцессоры разделяются на универсальные и специализированные. Наиболее широко в электронных устройствах используются специализированные микропроцессоры, к которым относя микроконтроллеры, широко применяемые в устройствах автоматики.

В настоящее время в состав микропроцессоров включают устройства АЦП и ЦАП, что позволяет получать информацию в аналоговой форме и формировать аналоговые управляющие сигналы. К микропроцессорным комплексам отечественного производства относятся микросхемы серии 580, включающие 24 специализированные микросхемы с микропроцессором КР580ИК80А.