Основы схемотехники. 2011

зависимости от результата сравнения, выдает выходной цифровой сигнал – нуль или единицу. Компаратор работает с большим диапазоном входных напряжений и имеет высокое быстродействие (задержка порядка единиц наносекунд).

Рис. 11 – Компаратор напряжения

Выпускается множество самых разнообразных микросхем АЦП, различающихся скоростью работы (частота преобразования от сотен килогерц до сотен мегагерц), разрядностью (от 6 до 24), допустимыми диапазонами входного сигнала, величинами погрешностей, уровнями питающих напряжений, методами выдачи выходного кода (параллельный или последовательный), другими параметрами. Обычно микросхемы с большим количеством разрядов имеют невысокое быстродействие, а наиболее быстродействующие микросхемы имеют небольшое число разрядов. Область применения любой микросхемы АЦП во многом определяется использованным в ней принципом преобразования, поэтому необходимо знать особенности этих принципов. Для выбора и использования АЦП необходимо пользоваться подробными справочными данными. Существует два основных принципа построения АЦП: последовательный и параллельный.

В последовательном АЦП входное напряжение последовательно сравнивается одним единственным компаратором с несколькими эталонными уровнями напряжения, и в зависимости от результатов этого сравнения формируется выходной код. Наибольшее распространение получили АЦП на основе так называемого регистра последовательных приближений (рис. 12).

Рис. 12 – АЦП последовательного типа

Входное напряжение подается на вход компаратора, на другой вход которого подается эталонное напряжение, ступенчато изменяющееся во времени. Выходной сигнал компаратора подается на вход регистра последовательных приближений, тактируемого внешним тактовым сигналом. Выходной код регистра последовательных приближений поступает на ЦАП, которое из опорного напряжения формирует меняющееся эталонное напряжение. Регистр последовательных приближений работает так, что в зависимости от результата предыдущего сравнения выбирается следующий уровень эталонного напряжения по следующему алгоритму.

В первом такте входной сигнал сравнивается с половиной опорного напряжения. Если входной сигнал меньше половины опорного напряжения, то на следующем такте он сравнивается с четвертью опорного напряжения (то есть половина опорного напряжения уменьшается на четверть). Одновременно в регистр последовательных приближений записывается старший разряд выходного кода, равный нулю.

Если же входной сигнал больше половины опорного напряжения, то на втором такте он сравнивается с 3/4 опорного напряжения (то есть половина увеличивается на четверть). Одновременно в регистр последовательных приближений записывается старший разряд выходного кода, равный единице.

Затем эта последовательность сравнений повторяется нужное число раз с уменьшением на каждом такте вдвое ступени изменения эталонного напряжения (на третьем такте – 1/8 опорного напряжения, на четвертом – 1/16 и т.д.). В результате опорное напряжение в каждом такте приближается к входному напряжению. Всего преобразование занимает n тактов. В последнем такте вычисляется младший разряд.

Понятно, что процесс этот довольно медленный, требует нескольких тактов, причем в течение каждого такта должны успеть сработать компаратор, регистр последовательных приближений и ЦАП с выходом по напряжению. Поэтому последовательные АЦП довольно медленные, имеют сравнительно большое время преобразования и малую частоту преобразования.

Второй тип АЦП – АЦП параллельного типа – работает по более простому принципу. Все разряды выходного кода вычисляются в них одновременно (параллельно), поэтому они гораздо быстрее, чем последовательные АЦП. Правда, они требуют применения большого количества компараторов (2n–1), что вызывает чисто технологические трудности при большом количестве разрядов (например, при 12-разрядном АЦП требуется 4095 компараторов).

Схема такого АЦП (рис. 13) включает в себя резистивный делитель из 2n одинаковых резисторов, который делит опорное напряжение на (2n–1) уровней. Входное напряжение сравнивается с помощью компараторов с уровнями, формируемыми делителем напряжения. Выходные сигналы компараторов с помощью

шифратора преобразуются в n-разрядный двоичный код. Шифратор выдает на выход номер последнего из сработавших (то есть выдавших сигнал логической единицы) компараторов.

Рис. 13 – 3- разрядный АЦП параллельного типа

Например, в случае 3-разрядного АЦП при величине входного напряжения от 0 до 1/8 опорного напряжения выходной код будет 000, при входном напряжении от 1/8 до 2/8 опорного напряжения сработает первый компаратор, что даст выходной код 001, при входном напряжении от 2/8 до 3/8 опорного напряжения сработают компараторы 1 и 2, что даст выходной код 010, и т.д. Процесс преобразования в параллельном АЦП происходит очень быстро, поэтому частота преобразования может достигать сотен мегагерц.

Для повышения быстродействия в параллельном АЦП иногда применяется конвейерный принцип: выходной код компараторов записывается в (2n–1)- разрядный параллельный регистр, показанный на рис. 13. Выходной код шифратора также записывается в n-разрядный параллельный регистр. Оба регистра в этом случае тактируются одним и тем же тактовым сигналом. Это снижает требования к быстродействию компараторов и шифратора. Правда, выходной код АЦП задерживается из-за таких регистров на два периода таковой частоты.

Громоздкость структуры параллельного АЦП приводит к тому, что в некоторых АЦП применяется смешанный параллельно-последовательный принцип. Это несколько снижает быстродействие подобного АЦП по сравнению с обычным параллельным АЦП, но зато позволяет получить большое число разрядов, не увеличивая количество компараторов до (2n–1).

Для того чтобы АЦП любого типа работал с использованием всех своих возможностей, необходимо обеспечить согласование диапазона изменения входного аналогового сигнала с допустимым диапазоном (динамическим диапазоном) входного напряжения АЦП.

Для уменьшения количества разрядов АЦП нужное количество младших разрядов выходного кода микросхемы просто не используется. На рис. 14 показано использование 10-разрядного АЦП в качестве 8-разрядного.

Рис. 14 – Уменьшение количества разрядов выходного кода АЦП

Применение АЦП

Рассмотрим несколько типичных схем включения АЦП, используемых в аналого-цифровых системах.

Первая схема (рис. 15) предназначена для фиксации момента превышения входным аналоговым сигналом заданного порогового напряжения. Схема вырабатывает выходной сигнал (положительный фронт) тогда, когда входной аналоговый сигнал становится больше установленного уровня, причем уровень этот задается цифровым кодом порога. Код порога сравнивается с выходными кодами АЦП с помощью микросхемы компаратора кодов. Выходной сигнал компаратора кодов записывается в триггер по сигналу RDY с АЦП, что позволяет исключить влияние коротких импульсов, возникающих на выходе компаратора в момент изменения входных кодов. Применение этого триггера задерживает выходной сигнал на один такт.

Рис. 15 – Фиксатор превышения входным сигналом установленного порога

Может показаться, что применение АЦП в данном случае не оправданно, избыточно. Но надо учитывать, что в аналого-цифровых системах АЦП, преобразующий входной сигнал в последовательность кодов, как правило, уже есть, по-

этому дополнительного АЦП не требуется, достаточно только включить компаратор кодов и триггер.

АЦП также применяется в схемах вычисления амплитуды входного аналогового сигнала. Для такого вычисления можно использовать схему вычислителя экстремального значения входного кода. В качестве источника последовательности входных кодов в данном случае выступает АЦП (рис. 16).

Рис. 16 – Вычислитель амплитуды аналогового сигнала

В регистр со входом разрешения записи записывается код с выхода АЦП по сигналу RDY в том случае, если текущее значение кода больше значения кода, записанного ранее в регистр. В результате уже после одного периода входного сигнала в регистре будет код амплитуды входного сигнала. За период преобразования АЦП должны успеть сработать компаратор кодов и регистр.

Если такой вычислитель амплитуды входного сигнала используется в составе сложной аналого-цифровой системы, в которой уже присутствует АЦП, непрерывно преобразующий входной сигнал в коды, то дополнительно требуются только цифровые микросхемы: компаратор кодов и регистр.

Наиболее часто встречающееся использование АЦП – это преобразование входного сигнала в поток кодов, причем коды эти обычно записываются в буферную память. В данном случае наиболее подходящим является однонаправленный буфер с периодическим режимом работы. То есть сначала в буферную память заносится массив кодов выборок входного сигнала, а затем этот массив читается для дальнейшей обработки. Именно так, например, строится цифровой осциллограф, предназначенный для наблюдения аналоговых сигналов на экране.

Схема включения АЦП в этом случае показана на рис. 17. В качестве строба записи в буферную память используется сигнал RDY с АЦП.

Конечно, в реальных аналого-цифровых устройствах все гораздо сложнее, в них требуются схемы синхронизации процесса записи со входным сигналом, схемы предварительной обработки аналогового сигнала, но суть остается той же – буферная память, записывающая последовательность кодов с выхода АЦП. Чем больше объем памяти, тем больший фрагмент входного аналогового сигнала она

может запомнить. Например, если память имеет организацию 64Кх8 и работает с 8-разрядным АЦП, то при частоте преобразования АЦП 10 МГц буфер сможет хранить в себе фрагмент аналогового сигнала длительностью 6,5536 мс.

Рис. 17 – Включение буферной памяти для запоминания кодов с выходов АЦП

Помимо упомянутых здесь АЦП последовательно и параллельного типов существуют еще и АЦП с промежуточным преобразованием. В них входной аналоговый сигнал с помощью аналогового интегратора преобразуется во временной интервал между цифровыми импульсами или в частоту следования цифровых импульсов. Выходной цифровой код, соответствующий входному аналоговому сигналу формируется в результате измерения длительности временного интервала или частоты следования импульсов (рис. 18). Если используется выходная частота, то такой АЦП называется "преобразователем напряжения-частота" (ПНЧ).

Рис. 18 – АЦП с промежуточным преобразованием

Такой подход позволяет с помощью сравнительно простых аппаратных средств получить высокую точность преобразования, не зависящую от многих параметров используемых компонентов и от характеристик окружающей среды. Измерение временных интервалов и частоты следования импульсов осуществляется простейшими цифровыми схемами. Измерения эти могут осуществляться с высокой точностью вследствие того, что существует очень хороший временной эталон – кварцевый генератор. Отметим, что достоинством ПНЧ является также возможность простой передачи его выходного цифрового сигнала на большие расстояния.

ЛЕКЦИЯ 15 ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ И ИНДИКАЦИЯ

Типы соединений

Рассматривая различные схемы предыдущих разделов, предполагалось, что цифровые сигналы передаются от одной микросхемы к другой без искажений. Однако при большой крутизне фронтов сигнальных импульсов нельзя пренебрегать влиянием межэлементных соединений.

Согласно эмпирическому правилу, простой соединительный провод становится непригодным, если время прохождения по нему сигнала становится того же порядка, что и время нарастания сигнала в схеме. Следовательно, допустимая длина подобных соединений составляет приблизительно 10 см на каждую наносекунду времени нарастания.

При превышении такой длины проводника возникают серьезные искажения импульсов, отражения и более или менее затухающие колебания. Подобные погрешности устраняются путем применения проводников с определенным волновым сопротивлением (коаксиального или оптоволоконного кабеля, витой пары, полосковой линии), нагруженных согласующим сопротивлением – обычно оно лежит в пределах от 50 до 300 Ом.

Полосковые линии реализуются, например, прокладкой всех межсоединений на нижней стороне печатной платы, а также ее сплошной металлизации со стороны навесных компонентов с мелкими пробелами для их выводов. Благодаря этому все соединительные полоски на нижней стороне приобретают свойства микрополосковой линии. Если относительная диэлектрическая постоянная печатной платы εr = 5, а ее толщина d = 1,2 мм, волновое сопротивление соединительной полоски шириной w = 1 мм составит 75 Ом.

Соединения между платами можно выполнять с помощью коаксиального кабеля, однако его трудно провести через межплатные разъемы. Гораздо удобнее пропустить сигнал по паре обычных свитых изолированных проводов, соединив их с соседними контактами обычного разъема. Если пара витых проводов имеет около 100 скруток на 1 м, ее волновое сопротивление составляет около 110 Ом.

Простейший способ передачи данных по витой паре демонстрируется на рис. 1. Поскольку необходимо применять низкоомную нагрузку, передающий логический элемент должен выдавать значительный выходной ток. Такие элементы входят в состав микросхем в качестве драйверов линии (буфера). Роль приемника играет элемент с триггером Шмитта для восстановления фронтов сигнальных импульсов.

Рис. 1. Передача данных по несимметричной согласованной витой паре

Несимметричная линия на рис. 1 довольно чувствительна к внешним помехам, например в виде импульсов напряжения в заземленном проводнике. Поэтому в больших системах предпочитают использовать симметричную передачу данных (рис. 2). Здесь комплементарные сигналы пропускают по обоим проводам витой пары, а функцию приемника выполняет компаратор. При таком способе передачи данные характеризуются не абсолютным значением уровня, а полярностью разностного сигнала. Импульс помехи вызывает лишь синфазное воздействие, но оно остается без последствий благодаря дифференциальной схеме компаратора.

Перед формированием комплементарного сигнала необходимо удостовериться в отсутствии временного сдвига между исходными сигналами. Поэтому в случае ТТЛ схем вместо простого инвертора применяется специальная схема с комплементарными выходами.

Рис. 2. Передача данных по симметричной согласованной витой паре

Подобные комплементарные выходы изначально заложены в элементах типа ЭСЛ, что делает их особенно удобными для симметричной передачи данных. Чтобы воспользоваться преимуществом их высокой скорости, в качестве компаратора включают простой дифференциальный усилитель – линейный приемник, выход которого совместим с входом ЭСЛ элемента. Схема линии передачи с таким приемником показана на рис. 3.

Рис. 3. Передача данных в ЭСЛ системе по симметричной согласованной витой паре

Оптические индикаторы

Оптические индикаторы для отображения цифровой информации реализуются в различных вариантах: на лампах накаливания, лампах тлеющего разряда, светодиодах, жидких кристаллах. Наибольшее распространение получили светодиодные и жидкокристаллические индикаторы благодаря низким напряжениям и слабым токам в рабочем режиме. Применение подобных индикаторных элементов облегчается благодаря наличию множества интегральных драйверов. Оптические индикаторы делятся на двоичные (дискретные), цифровые и буквенно-цифровые.

Двоичные индикаторы

Светодиоды изготавливают не из кремния или германия, а из арсенида – фосфида галлия (соединение элементов III и V групп периодической системы Д. И. Менделеева). Такие диоды при протекании прямого тока излучают свет. Спектр светового потока сравнительно узок и зависит от материала подложки. Условное обозначение светодиода показано на рис. 4.

Рис. 4. Условное обозначение светодиода

У стандартных типов светодиодов КПД составляет только 0,05%. Новейшие образцы с повышенной отдачей характеризуются его значением 2%, то есть он столь же низок, как и у ламп накаливания. Гораздо эффективнее люминесцентные лампы, обладающие КПД около 10%. Яркость пропорциональна прямому току в широком диапазоне его изменения. Ток в несколько миллиампер достаточен для отчетливой индикации. Поэтому светодиоды особенно хорошо подходят для применения в качестве элементов индикации в полупроводниковых схемах и в этом случае изготавливаются в виде семисегментных или матричных блоков.

Светодиодные индикаторы обеспечивают нормальную читаемость при дневном свете, если через них течет прямой ток 5…20 мА. Такие токи проще всего получить с помощью логических элементов по образцу схем, показанных на рис. 5, 6. На рис. 5 светодиод излучает свет, когда на выходе логического элемента имеет место высокий уровень, а на входе – низкий. На схеме рис. 6 все обстоит противоположным образом. В обеих схемах ток ограничивается внутренними сопротивлениями логических элементов, однако в случае ТТЛ элемента на рис. 6 требуется внешний резистор для ограничения тока. В силу значительной нагрузки, обусловленной светодиодами, на выходах логических элементов не поддерживается нормальный уровень напряжения. Он не требуется и в остальной части схемы. Это обстоятельство отмечено крестиком на выходе логического элемента.

Для управления интенсивностью свечения применяют второй вход логического элемента, на который подают переменное напряжение прямоугольной формы. При соответствующей скважности этого напряжения средний ток диода нетрудно свести к нулю. Во избежание мерцаний частота напряжения должна быть не ниже 100 Гц.

Жидкокристаллические индикаторы не относятся к полупроводниковым элементам. Оптический эффект достигается здесь благодаря тому, что жидкокристаллический элемент без приложенного к нему напряжения прозрачен, но теряет свою прозрачность при наличии напряжения, и потому кажется темным.

Жидкокристаллический элемент состоит из пары прозрачных электродов, между которыми помещено органическое вещество. В нем вкраплены кристаллы, ориентация которых меняется в электрическом поле, так что состояние элемента зависит от напряженности поля, и он ведет себя подобно конденсатору.

Элемент управляется переменным напряжением, частота которого достаточно высока, чтобы не наблюдались мерцания. Вместе с тем ее выбирают не слишком высокой для того, чтобы ток, протекающий через конденсатор, оставался слабым. На практике частота составляет от 30 до 100 Гц. Управляющее переменное напряжение не должно иметь постоянной составляющей, так как электролитические процессы возникают уже при 50 мВ, что сокращает ресурс элемента.

Зависимость контраста от эффективного значения приложенного переменного напряжения показана на рис. 7. При переменном напряжении Uaus eff ≈ 1,5 В изображение на индикаторе практически незаметно, а максимальный контраст имеет место при напряжении Uein eff ≈ 2,5 В и выше.

Рис. 7. Зависимость контраста от эффективного значения приложенного