Введение в электронику. Учебное пособие

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Подобный режим работы фотодиода представлен в разделе 2 при описании принципа его действия в режиме обратного включения. Излучение вызывает увеличение обратного тока фотодиода VDф, что обусловливает включение транзисторов VTинв и VT(0). Далее появляется напряжение U вых0 логического нуля на выходе инвертора DDоэ. При отсутствии излучения светодиода VDсв обратный ток фотоди-

ода VDф мал, транзисторы VTинв и VT(0) закрыты и на выходеDDоэ появляется напряжениеU вых1 логической единицы.

Таким образом, оптоэлектронный инвертор DDоэ, показанный на рисунке 3.17, реализует логическую функцию НЕ и выполняет гальваническую развязку (электрическую изоляцию) входногоiсв и выходного uвых сигналов. Выпускаемые промышленностью оптоэлектронные инверторы обычно выполняются с одним входом, а необходимые более сложные логические операции с сигналами реализуются последующими или предыдущими обычными (не оптоэлектронными) ИМС.

3.5.Аналого-цифровые

ицифроаналоговые преобразователи

В данном разделе в качестве примера рассмотрены схемы функционально сложных узлов вычислительной техники, в которых применяются как аналоговые ИМС, так и логические.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства, предназначенные для аналогового электрического сигнала, например напряжения, в цифровой код. Существуют различныевидыАЦП,отличающиесябыстродействием,видомполучаемого цифрового кода и другими характеристиками. АЦП служат связующим звеном между аналоговой и цифровой аппаратурой и предназначены для использования в различного вида датчиках, выходной сигнал которых должен быть преобразован в цифровой вид.

Рассмотрим основные методы преобразования аналогового сигнала в логический, которые позволят оценить принципы работы большого класса АЦП.

При преобразовании информации используются три независимых операции: дискретизация, квантование и кодирование. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывной (аналоговой) функции u(t) в последовательность чисел u(tn), где n = 0, 1, …,

121

3. Интегральные микросхемы

отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. При дискретизации входная аналоговая функция u(t) преобразуется в последовательность ее отсчетов u(tn), как это показано на ри-

сунке 3.18, а.

Вторая операция (квантование) состоит в том, что мгновенные значения функции u(t) ограничиваются только определенными уровнями — уровнями квантования. В результате квантования непрерывная функция u(t) принимает вид ступенчатой кривой uk(t), показанной на рисунке 3.18, б.

Рисунок 3.18 — Процесс дискретизации (а) и квантования (б) сигнала u(t)

Третья операция (кодирование) представляет дискретные квантованные величины в виде цифрового кода, то есть в последовательности цифр, подчиненных определенному закону. Таким образом, с помощью операции кодирования осуществляется условное представление численного значения величины.

Как видно из временных диаграмм рисунка 3.18, точность воспроизведения аналоговой функции в цифроаналоговых преобразователях зависит от частоты дискретизации, а именно, от разности t = ti – ti+1. При этом для повышения точности преобразования информации в ЦАП необходимо стремиться, чтобы в относительном виде t® min. Это будет выполняться, еслиfан << fАЦП, где fан — максимальная частота преобразуемого аналогового сигнала;

fАЦП —частотаработыАЦП.ЭтожевполноймереотноситсяикАЦП. Задача определения квантованных значений функцииu(t) вы-

полняется рассмотренным выше компаратором. Один из вариантов схемы АЦП (параллельного действия) представлен на рисунке 3.19.

122

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Рассмотрим принцип действия этого АЦП. При Uвх = 0 напряжения на выходе всех компараторов К1,…К7 равны нулю. То есть все логические сигналы компараторов: Х1 = 0,… Х7 = 0. Это обусловлено тем, что для всех компараторов разность напряжений равняется: (U+ – U–) < 0, где U+ и U– — напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах компараторов. В соответствии с этим, выходные сигналы на выходах кодирующего преобразователя:

Z0 = 0, Z1 = 0, Z3 = 0. Если Uвх > 0,5U, но меньше чем (3/2) U лишь для нижнего компаратора К1: U+ – U– > 0 и лишь на его выходе по-

является сигнал Х1 = 1, что приводит к появлению на выходах кодирующего преобразователя сигналов Z0 = 1, Z2 = Z1 = 0.

Этосоответствует выходномукоду 100.Если Uвх >(3/2) U, но меньше чем (5/2) U, то на выходах компараторов К1 и К2 появляются сигналы Х1 = 1, Х2 = 1, что приводит к появлению на выходах кодирующего преобразователя кода 010. Далее при появлении других

123

3. Интегральные микросхемы

значений напряжения Uвх процессы изменения цифр выходных кодов протекают аналогично.

Кроме рассмотренного вида устройства с параллельным преобразованием информации существуют и другие виды: АЦП с последовательным преобразованием; АЦП интегрирующего типа; АЦП мгновенных значений и некоторые другие.

Цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) являются устрой-

ства, которые предназначены для преобразования цифровой информации в аналоговый сигнал, выражаемый в виде тока или напряжения. Как и рассмотренные выше АЦП, цифроаналоговые преобразователи служат связующим звеном между цифровой и аналоговой аппаратурой.

Существуют различные принципы построения ЦАП; рассмотрим два типа, наиболее широко используемые в электронике.

На рисунке 3.20 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.

Рисунок 3.20 — Схема ЦАП с суммированием весовых токов

Здесь в качестве ключей Si используются аналоговые переключатели, например, КМОП ИМС, которые управляются логическими сигналами соответствующих разрядов входного преобразуемого кода.

Ключ S5 замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S1, … S4 (при этом uвых = 0). Резисторы входной части схемы соответствуют определенному разряду двоичного числа цифрового кода. По существу работы подобный ЦАП является инвертирующим усилителем на основе операционного усилителя ОУ.

124

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Если замкнут один ключ, например, S1, то

что соответствует единице в первом и нулям в остальных разрядах цифрового сигнала.

Очевидно, что модуль выходного аналогового напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1,…S4. Токи, протекающие через эти ключи, суммируются в точке а, соответствующей инвертирующему входу ОУ. Причем токи различных ключей различны, то есть имеют разный «вес». Это и определяет название подобной схемы ЦАП. Величина аналогового выходного напряжения схемы, приведенной на рисунке 3.20:

где Si, i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и значение 0, если ключ разомкнут.

Рассмотрим схему ЦАП на основе резистивной матрицыR-2R (матрицы постоянного сопротивления), которая приведена на рисунке 3.21.

Рисунок 3.21 — Схема ЦАП на основе R-2R матрицы

125

3.Интегральные микросхемы

Всхеме использованы так называемые перекидные ключи S1, … S4, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S5 замкнут только тогда, когда все ключи S1,…S4 подключены к общей точке. Во входной цепи использованы резисторы всего с двумя различными значениями сопротивлений.

Модуль выходного напряжения схемы пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1, … S4. Предположим, что каждый из ключей S1,…S4 подключен к общей точке. Тогда напряжение относительно общей точки в каждой из точек а, b, c, d в два раза больше, чем в предыдущей точке. Например, напряжение в точке b в два раза больше, чем в точке а. На-

пряжения Ua, Ub, Uc и Ud в указанных точках определяются следующим образом:

Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках a, b, c и d не изменятся, так как напряжение между входами операционного усилителя будет практически нулевым. Тогда выходное напряжение схемы ЦАП будет определяться:

где Si, i — 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут и значение 0, если ключ разомкнут.

126

Литература

1.Степаненко И. П. Основы микроэлектроники : учеб. пособие для вузов. — 2-е изд. — Лаборатория базовых знаний, 2001. — 488 с.

2.Электротехника и электроника : учебное пособие для вузов / В.В. Кононеко и др. — Изд.5-е. — Ростов-на-Дону : Феникс, 2008. — 778 с.

3.Марченко А.Л. Основы электроники : учебное пособие для вузов. —

М. : ДМК Пресс, 2008. — 296 с.

4.Сергеев Б. С., Оськина М. А. Введение в электронику : учеб. пособие. — Екатеринбург : УрГУПС, 2009. — 116 с.

5.Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания. — М. : Радио и связь. 1992. — 224 с.

127