Контрольные вопросы

1. Какие цифровые устройства называются последовательностными?

2. Каково назначение и состав триггерных устройств?

3. По каким признакам классифицируются триггеры?

4. Какие виды триггеров вы знаете?

5. Нарисуйте временные диаграммы работы: а) Т-триггера; б) JK-триггера.

6. По каким признакам можно произвести классификацию регистров?

7. Приведите структурные схемы и условные обозначения параллельного, последовательного и реверсивного регистров.

8. Какой из регистров – последовательный или параллельный имеет большее быстродействие?

9. Как организован обмен информацией между регистрами?

10. Назовите основные параметры и признаки классификации счётчиков.

11. Опишите способы связи между разрядными схемами счётчиков. Чем они различаются между собой?

12. Каким образом достигается быстродействия счётчиков?

13. Как осуществляется предварительная установка счётчиков?

Лабораторная работа № 9. «исследование цап и ацп»

Цель работы:

1. Изучение теоретических сведений [1, c. 391-403; 2, c. 736-761].

2. Исследование работы ЦАП с матрицей резисторов и АЦП последовательного счёта.

9.1. Краткие теоретические сведения и описание экспериментов

Ц ифро-аналоговый преобразователь – устройство, предназначенное для преобразования двоичного цифрового сигнала в эквивалентное аналоговое напряжение. Для такого преобразования обычно формируют токи, пропорциональные весам разрядов входного двоичного кода, и затем суммируют те из токов, которые соответствуют ненулевым (единичным) разрядам входного сигнала. Указанную операцию можно осуществить, например, при помощи матрицы резисторов и операционного усилителя (Рис. 9.1). В этой схеме осуществляется суммирование токов через резисторы.

Рис. 9.1. Четырёхразрядный ЦАП с матрицей резисторов

Выходное напряжение в этой схеме можно подсчитать по формуле:

, где 0≤Z≤15.

Для увеличения числа разрядов двоичного кода следует подключить параллельно соответствующее количество резисторов R₀/16, R₀/32 и т.д. Недостаток таких АЦП – жёсткие требования к точности сопротивлений резисторов, различающихся по величине. Реализация таких резисторов представляет собой наибольшую трудность при построении ЦАП в интегральном исполнении. Эти трудности в значительной степени устраняются при использовании матрицы резисторов "R-2R" [2]. В настоящее время имеется большое количество ЦАП в интегральном исполнении с различными характеристиками (количество разрядов, быстродействие и т.п.).

Основные параметры ЦАП:

• разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала;

• время установления – время установления t_уст – интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выходной сигнал войдёт в заданные пределы, определяемые погрешностью;

• погрешность нелинейности – максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всём диапазоне преобразования и др.

Аналогово-цифровой преобразователь – устройство, предназначенное для преобразования аналогового напряжения в двоичный код. Схемы АЦП, как правило, являются более сложными, чем схемы ЦАП. Кроме того, ЦАП часто является составным звеном АЦП.

Для АЦ-преобразования осуществляют так называемое квантование аналогового сигнала, при котором мгновенные значения аналогового сигнала ограничиваются определёнными уровнями, называемыми уровнями квантования. Характеристика квантования в идеальном случае имеет вид, показанный на рис.9.2.

Рис.9.2.Характеристика квантования аналогового сигнала

Основными параметрами АЦП являются число разрядов, время преобразования, нелинейность и др.

Методы АЦ-преобразования:

1. Параллельный: входное напряжение одновременно сравнивается с рядом опорных напряжений. При этом точно определяется, в каких пределах оно лежит. Такой АЦП обладает наибольшим быстродействием, так как преобразование осуществляется за один шаг, но для его реализации требуется большое число компараторов.

2. Поразрядного уравновешивания (весовой): определяется 1 разряд двоичного числа за один шаг. При этом сравнивают входное напряжение с опорным напряжением старшего разряда Z_n. Если входное больше, то Z_n = 1. Далее от входного отнимают опорное напряжение и остаток сравнивают с соседним разрядом Z_n-1 и т.д. Число шагов равно числу разрядов и числу опорных напряжений.

3. Последовательного счёта (числовой): простейший из способов, при котором подсчитывается число суммирований опорного напряжения младшего разряда, необходимое для получения входного напряжения. При этом если максимальное число равно n, то необходимо n шагов.

Рис. 9.3. Блок-схема АЦП последовательного счёта

В данной лабораторной работе исследуется АЦП последовательного счета (рис.9.3), состоящий из генератора тактовых импульсов ГТИ (на основе мультивибратора), счётчика, ЦАП и компаратора (схемы сравнения) К. Рассмотрим подробнее работу такого устройства. На один из входов компаратора подаётся входной аналоговый сигнал u_вх. В момент включения схемы исходное состояние счётчика Z₁ = Z₂=Z₃ = Z₄ = 0. На выходе ЦАП при этом сигнал u_c = 0. При u_вх – u_c > 0 сигнал компаратора положительный, этот сигнал подаётся на вход счётчика, который работает на сложение. С каждым импульсом с ГТИ код счётчика увеличивается, пока сигнал ЦАП не превысит u_вх . После превышения компаратор переключается и счётчик переходит в режим работы на вычитание. Очередной импульс с ГТИ уменьшает код счётчика, уменьшается сигнал на выходе ЦАП, компаратор снова переключается в первоначальное положение и т.д. При этом напряжение на выходе ЦАП колеблется около значения u_вх. Напряжение u_c на выходе ЦАП однозначно связано с кодом счётчика, поэтому код счётчика соответствует значению u_вх. Выходной сигнал АЦП снимается с разрядов счётчика.