Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЭЛЕКТРО / Лекция 14 Мультиплексор. Цифро-аналоговые преобразователи

.doc
Скачиваний:
57
Добавлен:
12.02.2015
Размер:
283.14 Кб
Скачать

7.10. Мультиплексор. Демультиплексор

Мультиплексором называется электронное устройство, имеющее несколько вводов и один вывод и предназначенное для передачи информации из одного из его вводов на выход. Демультиплексором называется устройство, имеющее один ввод и несколько выводов и предназначенное для передачи поступающей на вход информации в один из его выводов. Оба устройства представляют собой электрически управляемые интегральные микросхемы, имеющие специальные входы для приема команды, (определенного кода сигналов), под действием которой происходит перераспределение информационного потока, т.е. подключение соответствующего ввода к выводу мультиплексора и ввод к соответствующему выводу в демультиплексоре.

В качестве примера рассматривается мультиплексор с четырьмя входами Х1, Х2, Х3, Х4 и с одним выходом F. Кроме того, он имеет два специальных входа S1 и S2, на которые подаются команды управления распределением информационного потока в виде двухразрядного двоичного числа. Состояния такого мультиплексора отражены в табл. 7.17.

Таблица 7.17

S1

S2

F

0

0

Х1

0

1

Х2

1

0

Х3

1

1

Х4

Согласно этой таблице логическая функция имеет вид:

F = Х1 12 + Х2 1S23 S12 + Х4 S1S2.

Следовательно, мультиплексор должен включать четыре трехвходовых элемента «И», два элемента «НЕ» и один четрехвходовой элемент «ИЛИ», как показано на рис. 7.40.

Рисунок 7.40. Схема мультиплексора с четырьмя входами

Участок схемы рис. 7.40 с элементами «НЕ», осуществляющий управление, аналогичный тому, который был в схеме дешифратора на рис. 7.31, обеспечивает поступление двух логических “1” одновременно только на один из четырех логических элементов “И”, через который осуществляется передача поступающей входной информации на выход мультиплексора. Рис. 7.40 иллюстрирует случай, когда на входах S1 и S2 мультиплексора подается команда 01. Две логические “1” системы команд поданы на элемент “И” №3. В результате только на выводе данного элемента будет логическая “1”, если она поступает на его вход. Следовательно, только эта логическая “1” будет на выводе логического элемента “ИЛИ”, включенного на выходе мультиплексора. Таким образом, на выход мультиплексора будет передана информация, поступающая на вход Х3.

Возможные состояния демультиплексора «из 1 в 4» отображены табл. 7.18, где Х – входная информация. Как видно, логические функции имеют вид:

F1 = Х 12; F2 = Х 1S2;

F3 = Х S12; F4 = Х S1S2.

Откуда следует, что это устройство должно быть построено на базе четырех трехвходовых элементов «И» и двух элементов «НЕ».

Таблица 7.18

S1

S2

F1

F2

F3

F4

0

0

Х

0

0

0

0

1

0

Х

0

0

1

0

0

0

Х

0

1

1

0

0

0

Х

При построении демультиплексоров и мультиплексоров обычно используются базовые элементы «ИЛИ-НЕ» и «И-НЕ», что требует изменения записи логических функций. В частности, записанные функции для демультиплексора «из 1 в 4» можно представить в виде:

F1 = ; F2 = ;

F3 = ; F4 = ,

Такая возможность следует из формулы де Моргана (7.11), откуда видно, что схема рассматриваемого демультиплексора может содержать только один тип базового элемента – трехвходовой элемент «ИЛИ-НЕ», как показано на рис. 7.41. Причем, три из семи элементов выполняют операцию «НЕ» (см. разд. 7.2).

В схеме рис. 7.41

Команда управления формируется таким же образом, как и на рис. 7.40. Однако на выводы элемента “ИЛИ-НЕ”, через который предполагается передать информацию, должны быть поданы два логических “0” команды управления, а не “1”. Как видно из рис. 7.41, таким элементом является №3 при команде управления «10». Поскольку входная информация на выходные элементы “ИЛИ-НЕ” передается через элемент, выполняющий операцию “НЕ”, то только на выводе элемента №3 будет “1” при “1” на входе демультиплексора.

Рисунок 7.41. Схема демультиплексора “из 1 в 4”

Мультиплексоры и демультиплексоры, схемные обозначения которых приведены на рис. 7.42, находят широкое применение в различных микроэлектронных устройствах управления. В частности, с помощью двухвходового мультиплексора осуществляется переключение прямого и инверсного выводов Т-триггеров в составе реверсивного счетчика импульсов (см. разд. 7.6).

Рисунок 7.42. Схемное обозначение:

а – четырехвходового мультиплексора;

б – демультиплексора «из 1 в 4»

7.11. Цифроаналоговые и аналого-цифровые

преобразователи

Рассмотренные в седьмой главе устройства микроэлектроники предназначены для обработки информации в цифровой форме, которая в настоящее время нашла широкое распространение, в частности в системах управления и измерения. Однако, как правило, первичная информация об измеряемых и управляемых объектах представляется в аналоговой форме (например, температура, напряжение, давление, длина). Кроме того, большинство исполнительных устройств, с помощью которых обеспечивается непосредственное регулирование состояния объекта, управляется при непрерывном изменении параметров их режимов (например, ток электромагнита или нагревателя). В связи с этим возникают задачи преобразования информации из аналоговой формы в цифровую и, наоборот, для решения которых используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), выполняемые в виде микросхем.

На рис. 7.43.а представлена схема ЦАП, использующая инвертирующий сумматор на ОУ. К объединенному входу сумматора подведено напряжение от источника Еоп. Последовательно с каждым резистором Ri входной цепи установлен электронный ключ. Число резисторов Ri равно n - числу разрядов преобразуемой цифровой информации (для схем рис. 7.43 n = 4). Сопротивление этих резисторов таково, что выполняется условие

Ri = 2(n - i + 1) ∙ R,

где i – номер резистора, соответствующего i-му разряду числа, а R – сопротивление резистора, соответствующее старшему разряду числа. Каждый ключ схемы управляется информацией, поступающей с одного из входов преобразователя. При логической “1” на входе преобразователя ключ замкнут, Qi = 1; при “0” – ключ разомкнут, Qi = 0.

а

б

Рис.3.40. Схема цифроаналогового преобразователя

Важным параметром ЦАП является также погрешность, определяемая как максимальное отклонение величины выходного напряжения, задаваемого входной информацией, от номинального значения во всем диапазоне преобразования. Величина этого параметра во многом зависит от того, насколько действительные величины сопротивления резисторов отличаются от номиналов. Рассмотренная схема ЦАП на рис. 7.43.а проста, но обеспечивает необходимую погрешность. Это объясняется использованием в схеме резисторов с существенно отличающимися величинами сопротивлений, которые имеют технологический разброс, свойственный серийному производству. Очевидно, увеличение разрешающей способности ЦАП требует использования резисторов с более существенным различием величин сопротивлений с меньшим разбросом этих величин.

Меньшую погрешность обеспечивает схема ЦАП, приведенная на рис. 7.43.б, в которой используются резисторы только с двумя значениями сопротивлений вне зависимости от числа дискретов. Причем значения отличаются всего в два раза.

Напряжение на выходе схемы рис. 7.41.б, для которого n = 4, определяется соотношением (4.13), где аналогом входных являются напряжения, снимаемые с точек a, b, c и d и обозначенные как Ua, Ub, Uc и Ud. При замыкании ключей на «землю» сопротивление между любой из этих точек и «землей» равно 0,5. Поэтому величины напряжений Ua, Ub, Uc и Ud связаны между собой как

Поскольку Ud = Еоп, Uc = Еоп, Ub = Еоп, Uа = Еоп. Подстановка этих соотношений в (4.13) дает выражение, совпадающее с (7.16). Следовательно, принцип действия ключей в схеме рис. 7.43.б такой цепи, как и в схеме рис. 7.43.а.

Напряжение на выходе преобразователя при n = 4 равно

uвых = - Еоп Rос (Q1 + Q2 + Q3 + Q4 ) =

= - Еоп (Q1 ∙ 20 + Q2 ∙ 21+ Q3 ∙ 22 + Q4 ∙ 23). (7.16)

Сумма в скобках этого соотношения является представлением числа в двоичной системе счисления. Таким образом, уровень выходного напряжения, т.е. аналоговая величина, однозначно определяется тем, в каком состоянии находится каждый ключ, т.е. от входной информации в двоичной форме. Очевидно, данные на выходе преобразователя имеют дискретный характер. Так, в рассмотренном случае при n = 4 величина входного напряжения может принимать одно из 15 дискретных значений. Для уменьшения интервала между соседними дискретами, т.е. для повышения разрешающей способности ЦАП необходимо увеличивать число двоичных разрядов.

Структурная схема наиболее распространенного построения АЦП представлена на рис. 7.44. В ее состав входят мультивибратор (МВ), вырабатывающий тактовые импульсы, реверсивный счетчик импульсов, ЦАП и компаратор (К). Счетчик работает на сложение при подаче на его вход управления “+” логической “1” и на вычитание – при подаче на этот вход логического “0”.

Рисунок 7.44. Схема аналого-цифрового преобразователя

Входная аналоговая информация, подлежащая преобразованию в цифровую, в виде напряжения uвх подается на один из входов компаратора. На второй его вход поступают дискретные значения напряжения с ЦАП. В момент включения преобразователя счетчик (в рассматриваемом случае четырехразрядный) обнулен, так что на выводах Q1, Q2, Q3 и Q4 – логические «0» и на выходе ЦАП напряжение uс = 0. Если входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ компаратора, а напряжение с выхода ЦАП – на инвертирующий, то при uвх > uс на выходе компаратора напряжение будет положительным. Оно поступает через диод Д на вход управления реверсивного счетчика и воспринимается им как логическая “1”. Счетчик работает на сложение, и с каждым тактовым импульсом, поступающим от мультивибратора (МВ), напряжение на выходе ЦАП будет увеличиваться. Одновременно увеличивается число импульсов, регистрируемых на выходах счетчика. Увеличение напряжения uс и показания счетчика будут продолжаться до тех пор, пока напряжение на выходе ЦАП не превысит напряжение uвх. При uс > uвх напряжение на выходе компаратора становится отрицательным, и из-за наличия диода на входе управления “+” будет логический “0”.Счетчик начнет вычитать импульсы, так что показания числа импульсов будут уменьшаться.

Если входное напряжение uвх во времени не изменяется, в схеме АЦП устанавливается режим, при котором на выходах счетчика Q1, Q2, Q3, Q4 в такт выработанных импульсов чередуются числовые данные то больше, то меньше величины напряжения uвх. Если входное напряжение в течение времени изменяется, то и показания счетчика будут изменяться вслед за изменением входного напряжения. Процессы ввода в режим АЦП и отслеживания изменяющейся аналоговой величины показаниями счетчика схематически отражены на рис. 7.45. Следовательно, показания реверсивного счетчика и являются результатом преобразования аналоговой информации в цифровую, т.е. выходная информация АЦП снимается с выходных клемм счетчика.

Рисунок 7.45. Временная диаграмма, иллюстрирующая работу

аналого-цифрового преобразователя

Очевидно, что при изменении во времени аналоговой информации имеет место запаздывание появления результатов преобразования на выходах счетчика. С этим связано ограничение на скорость изменения аналоговой информации, которая отслеживается ЦАП. Для уменьшения времени запаздывания следует увеличивать частоту тактовых импульсов.

Соседние файлы в папке ЭЛЕКТРО