2018

ное состояние в него снова загружается В и процесс повторяется. Результирующий сигнал снимается с выхода переноса. Студентам предлагается самостоятельно вывести зависимость В от заданного Кдел при обоих направлениях счета для счетчика по основанию 16. При реализации этой схемы следует обратить внимание на то, что пребывание счетчика в конечном состоянии оказывается кратковременным и это может привести к незагрузке некоторых разрядов счетчика. Аналогично предыдущей схеме рекомендуется вводить в цепь "выход переноса – вход разрешения загрузки" либо схему задержки, либо дополнительный триггер.

Порядок выполнения работы

1.Предварительное задание

1.1.По конспекту лекций, литературе /3, 6, 7/ и разделу 1 данной работы ознакомьтесь с назначением, принципом действия и функциональными схемами счетчиков. Подготовьте ответы на предварительные вопросы:

Дайте общее определение счетчиков, их классификацию и функциональные возможности каждой разновидности.

Перечислите способы организации делителей на основе специальных и полных счетчиков.

Изобразите структурную схему делителя с переменным Кдел и установкой заданного исходного состояния, дайте описание его работы.

Изобразите структурную схему делителя с переменным Кдел и установкой заданного конечного состояния, дайте описание его работы.

Проведите сравнительный анализ различных схем делителей. 1.2. Составьте заготовку отчета согласно п. 1.2 раздела "Общие положения". Из справочной литературы перенесите в нее УГО и функциональную схему микросхемы К555ИЕ7, проведите ее функциональный анализ согласно п. 1.2 "Общих

положений".

31

1.3.Составьте в письменной форме план эксперимента (например, в форме таблицы) по исследованию счетчика ИЕ7

спомощью ГОИ. План должен включать разделы, перечисленные в п. 1.2 "Общих положений" и обеспечивать проверку всех функциональных возможностей счетчика, а также исследование приоритетов его функций друг относительно друга.

1.4.Разработайте на базе счетчика ИЕ7 принципиальную

схему делителя с постоянным коэффициентом Кдел и обнулением после прихода в заданное состояние на основе рис. 2.3. Докажите, что для A < 15 в качестве дешифратора можно использовать логику И с не более чем тремя входами. Для этого следует проанализировать состояния, проходимые счетчиком, от 0 до А и показать, какие комбинации не достигаются и, соответственно, какие разряды не требуют проверки на дешифраторе. Определите, какие выходы счетчика нужно подключать к дешифратору состояний (элемент И-НЕ) для каждого

значения Кдел =15…2, сведите результаты в таблицу. Укажите, для каких Кдел выходы счетчика можно непосредственно соединять со входом R без дешифратора (без учета необходимости схемы задержки).

1.5.Выберите микросхему И-НЕ в корпусе, включающем три логических элемента. Выявите неиспользуемые возможности микросхем и определите, какие сигналы нужно подавать на соответствующие входы. Разметьте схему. Составьте в письменной форме план эксперимента по исследованию этой схемы. Выберите, какие сигналы будете получать с поля констант и какие выдавать на индикацию. Определите, какие выходы счетчика нужно подключать к дешифратору состояний

(элемент И-НЕ) для каждого значения Кдел =15…2, сведите результаты в таблицу. Укажите, для каких Кдел выходы счетчика можно непосредственно соединять со входом R без дешифратора (без учета необходимости схемы задержки).

1.6.Разработайте на базе счетчика ИЕ7 принципиальную схему делителя с постоянным коэффициентом Кдел и предва-

32

рительной установкой исходного состояния, от которого счет ведется (вверх или вниз) до переполнения счетчика. В цепь "выход переноса – вход разрешения загрузки" введите триггер на логике И-НЕ, соединив его вход S# с выходом переполнения счетчика, а вход R# – с выходом схемы задержки. Схему задержки выполните на двух элементах Н-НЕ. Ее вход также соедините с выходом переполнения счетчика. Выберите микросхему И-НЕ в корпусе, включающем нужное число логических элементов. Выявите неиспользуемые возможности микросхем и определите, какие сигналы нужно подавать на соответствующие входы. Выберите, какие сигналы будете получать с поля констант и какие выдавать на индикацию. Составьте план эксперимента по исследованию этой схемы. Определите, какие коды нужно подавать на входы счетчика для каждого значения Кдел =16…2 при счете вверх и вниз, сведите результаты в таблицы.

2.Рабочее задание

2.1.Выполните в программе VirtualPCB коммутацию, необходимую для исследования счетчика по п. 1.3. Выберите, какие сигналы будете получать с поля констант и какие выдавать на индикацию, проверьте отображение всех выходных сигналов в поле индикации. Учтите, что при исследовании счета на неиспользуемый счетный вход следует подавать лог.1. Установите счетчик в разъем, проведите исследование, включая анализ приоритетов, отметьте в плане проверенные режимы, покажите преподавателю. Сохраните последний вариант схемы под именем ЛР6_1.

2.2.Получите у преподавателя 3 заданных значения коэффициента деления, скорректируйте схему, разработанную по п. 1.4-1.5, под первое из значений. Выполните в программе VirtualPCB коммутацию, необходимую для исследования делителя, причем с учетом уровней, подаваемых на неиспользуемые входы. Установите выбранные вами микросхемы в колодки согласно правилу, приведенному выше, включите пита-

33

ние стенда и щелкните «Соединиться с устройством». Проведите исследование для всех трех заданных значений, меняя коммутацию. Покажите преподавателю, выполняет ли схема функцию делителя с заданными Кдел. Сохраните последний

вариант схемы под именем ЛР6_2.

2.3.Соберите схему, разработанную согласно п. 1.6, проверьте отображение всех выходных сигналов в поле индикации. проверьте правильность коммутации и проведите исследования, выбрав по согласованию с преподавателем три значе-

ния Кдел для счета вверх и одно – для счета вниз. Сверьте результаты с разработанными вами таблицами. Подготовьте словесное описание работы схемы. Покажите преподавателю, выполняет ли схема функцию делителя с заданными Кдел.

2.4.Проверьте полноту отражения в отчете результатов экспериментов и сделайте ВЫВОДЫ по каждой схеме.

Итоговые вопросы

1.Дайте общее определение счетчиков, их классификацию и функциональные возможности каждой разновидности.

2.Сравните схемы, приведенные на рис. 2.1,а и рисунке

1.4методических указаний к ЛР по курсу «Цифровая электроника». Объясните порядок изменения состояния светодиодов в эксперименте по исследованию схемы 1.4.

3.Перечислите способы организации делителей на основе специальных и полных счетчиков.

4.Изобразите структурную схему делителя с переменным Кдел и установкой заданного исходного состояния, дайте описание его работы.

5.Изобразите структурную схему делителя с переменным Кдел и установкой заданного конечного состояния, дайте описание его работы. Объясните, почему в качестве компаратора используют элемент И, на входы которого подают выходные сигналы только с тех разрядов счетчика, которые в состоянии

34

А= Кдел имеют значения лог.1, и почему не контролируют наличие лог.0 на остальных выходах счетчика.

6.Проведите сравнительный анализ различных схем дели-

телей.

7.Приведите схемные решения, улучшающие работу делителей.

8.Перечислите функциональные возможности микросхемы ИЕ7, способы ее перевода в каждый из режимов, приоритеты.

9.Обоснуйте разработанные вами схемы и планы экспериментов, дайте описание работы каждой схемы с демонстрацией временных диаграмм.

35

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

СРЕДСТВА ВЫВОДА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Цель работы – изучение функционирования цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), определение их характеристик.

Теоретические сведения

Функциональное назначение ЦАП

Аналоговая информация, которая выводится из объекта управления (например, устройства ЧПУ), по физическому состоянию может быть либо медленно меняющимся сигналом (напряжением или током), либо импульсным сигналом с изменяющейся скважностью или фазой.

Для вывода аналоговой информации в виде напряжений стандартами предусмотрены следующие рекомендации: выходное напряжение должно находиться в пределах от минус 10 В до плюс 10 В постоянного тока; сопротивление цепей, подключенных к соответствующему выходу УЧПУ (нагрузки), должно быть не менее 2 кОм /6/, выходное сопротивление устройства вывода не более 100 Ом /7/. При этом стандарты не требуют наличия в схеме соответствующих модулей гальванической изоляции выходных цепей от других цепей СУ.

Основными элементами аналоговых модулей вывода являются цифро-аналоговые преобразователи. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП, англ. Digital-to-analog converter, DAC) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного позиционного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами. Функциональные обозначения ЦАП на УГО – #/Λ, D/A, DAC. Ниже рассмотрены принципы структурного и аппаратного построения этих преобразо-

36

вателей, а затем даны указания по их экспериментальному исследованию.

Структура ЦАП

Студентам из предшествующих курсов и /2/ известны несколько типов электронных ЦАП. Это:

•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, нагревателей и т.п., которые сами по себе являются НЧ-фильтрами;

•ЦАП передискретизации, в частности дельта-сигма ЦАП, основанные на изменении плотности импульсов. 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 (эффективная – 20 бит);

•сегментный ЦАП, который 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, т.к. для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду, их недостатки очевидны;

•взвешивающий ЦАП, в котором каждому разряду преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования (подробнее см. ниже);

•гибридные ЦАП, которые используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП

37

относится к этому типу; выбор конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.

На рис. 3.1 дана обобщенная структурная схема ЦАП напряжения (ЦАПН), в которой обозначено:

Rос

Рис. 3.1

ИОН – схема задания опорного стабильного напряжения (погрешность – единицы мВ); ЦАПТ – цифро-аналоговый преобразователь тока, который

включает в себя токозадающие резисторы, соединенные по определенной схеме /3/, и коммутирующие элементы, которые управляются от регистра Рг.

Выходной элемент ЦАПН – операционный усилитель

с необходимым диапазоном выходного напряжения и коэффициентом усиления по току.

При известных характеристиках ЦАПТ величиной ROC задается диапазон преобразования по напряжению:

38

где Ii – значение тока в i-ом разряде ЦАПТ; n – количество включенных (установленных) разрядов.

В свою очередь, разрядные токи пропорциональны величине опорного напряжения. В общем случае зависимость выходного сигнала от опорного напряжения и входного кода имеет вид

где b – разрядность прибора.

Максимально возможное значение при ai=1 для всех разрядов кода составит

Схемные решения узлов ЦАП

Операционный усилитель здесь используется в мас-

штабном включении. Сопротивление Rб устанавливается для компенсации погрешностей из-за разницы входных токов ОУ. Его величина выбирается равной эквивалентному сопротивлению младшего разряда ЦАПТ. Коэффициент усиления ОУ следует выбирать максимально возможным (около 106), входной ток должен составлять единицы наноампер. Обычно Uпит =±15 В, Uвых =±12 В. Допустимый ток нагрузки – десятки миллиампер. Таким образом, после ОУ может потребоваться дополнительный усилитель напряжения или усилитель тока.

Организация выхода ЦАП. Преобразование двоичного входного кода в аналоговый вид может быть представлено двумя способами: током, который пропорционален значениям кода или в виде напряжения. Большинство современных ЦАП имеют выход по напряжению.

Современные цифро-аналоговые преобразователи работают с однополярным питанием. Однако они могут выдавать би-

39

полярный выходной сигнал, если добавить внешний биполярный усилитель, определить среднее значение от максимального выходного напряжения ЦАП и принять его за ноль.

Основные варианты организации схем ЦАПТ рассмотрены выше.

В частности, на рис. 3.2 приведена схема взвешивающего ЦАПН с параллельной резисторной матрицей.

Рис. 3.2

Здесь S0…S(N-1) – электронные ключи, управляемые соответствующими разрядами входного кода (см. Рг на рис. 3.1). Эта схема действует по принципу суммирования токов, задаваемых R0…RN-1. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Такая схема часто используется при управлении шестнадцатеричными или восьмеричными кодами (из-за удобства выбора значений резисторов). Сопротивление Rб выбирается равным сопротивлению младшего весового резистора. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность, ибо для обеспечения заданной погрешности требуется высокая абсолютная точность значений сопротивлений резисторов (0,02 %). Это настолько существенный недостаток схе-

40