3.2. Основные узлы цип.

Ключи и логические элементы.

Ключи – это устройства, выполняющие функции электрически управляемых выключателей и переключателей. Различают аналоговые (измерительные) и цифровые (логические) ключи. Аналоговые ключи предназначены для коммутации целей прохождения сигналов, уровень которых может изменяться непрерывно или принимать множество дискретных значений, а цифровые – для коммутаций цепей прохождения логических сигналов.

Любой аналоговый ключ состоит из коммутирующего элемента и схемы управления. В цифровых приборах применяются как электромеханические ключи на основе магнитоуправляемых контактов (герконовые реле), так и электронные ключи на диодах, биполярных и полевых транзисторах, операционных усилителях и оптронах. Аналоговые ключи должны иметь малое сопротивление закрытого ключа, высокое сопротивление открытого и большое сопротивление закрытого ключа, высокое быстродействие и хорошую развязку между цепями управляющего и коммутируемого сигнала.

Цифровые ключи выполняются на логических элементах, реализующих различные логические функции. Типичным примером их являются двоичные элементы И, ИЛИ, НЕ. Более подробно аналоговые и цифровые ключи рассматриваться в дисциплине “Цифровые и микропроцессорные устройства”.

Операционные усилители.

Усилитель называется операционным, если он имеет два входа (инвертирующий U1 и не инвертирующийU2) и один выход (рис.3.2) и позволяет усиливать

Рисунок 3.2 – Схема операционного усилителя

Напряжение постоянного и переменного тока, обеспечивая при этом Uвых = κ(U2-U1). В идеальном случае κ=∞ при бесконечно большом входном и нулевом выходном импедансах, а также бесконечно широкой полосе пропускания. Характеристики реальных усилителей и особенности их построения рассматриваются в дисциплине “Электронные приборы и усилители”.

Триггеры

Триггер - один из наиболее распространенных узлов ЦИП. Основное свойство триггера – способность скачкообразно изменять своё состояние при подаче соответствующей комбинации сигналов на соответствующие входы и сохранять новое состояние после окончания действия этих сигналов. Триггеры принято классифицировать по способу записи информации и организации логических связей.

По способу записи информации триггеры подразделяются на асинхронные (не тактируемые) и синхронные (тактируемые). Асинхронный триггер изменяет своё состояние сразу после появления соответствующей комбинации сигналов на управляющих входах. Состояние синхронного триггера изменяется при наличии соответствующей комбинации сигналов на управляющих входах только в момент действия сигнала на тактовом входе. Различают тактирование импульсом (потенциалом) и фронтом (перепадом потенциала). В первом случае тактовый вход называется статическим, а во втором динамическим.

Способ организации логических связей является основой классификации триггеров на RS-триггеры (с раздельной установкой), Т-триггеры (счётные),D-триггеры (задержки) и т.д. Все эти виды триггеров подробно рассматриваются в дисциплине “ЦиМПУ”.

Сравнивающие устройства

Сравнивающие устройства (СУ) предназначены для сравнения двух напряжений и формирования в момент равенства этих напряжений выходного сигнала, который подаётся на другие узлы ЦИП. В зависимости от специфики работы СУ называются также компараторами, нуль-детекторами. обобщённая структурная схема СУ приведена на рис.3.3.

Рисунок 3.4 Структурная схема сравнивающего устройства

Усиленная разность сравнимых напряжений подаётся на формирующее устройство (ФУ), включающее пороговый элемент и схему, определяющую знак разности выходного сигнала СУ. СУ должны иметь высокую чувствительность, малое время и высокую стабильность момента сравнения.

Интеграторы

Интегратор – основной функциональный узел время-импульсных и частотно-имульсных цифровых вольтметров. Нелинейность выходного напряжения интегратора существенно влияет на точность импульсно-цифровых вольтметров. Лучшими в этом отношении является схема Миллера (рис. 3.4, а) и схема с эмиттерным повторителем (рис.3.4, б).

С помощью ключей (Кл) устанавливаются начальные условия интегрирования, а в процессе интегрирования Uн изменяется в зависимости от полярностиUx. Однако реальное интегрирование является экспоненциальным, причём степень

Рисунок – 3.4. Структурные схемы интеграторов:

а – схема Миллера; б – схема с эмиттерным повторителем;

линейности зависит в первую очередь от параметров усилителя. Минимальную нелинейность удаётся получить в интеграторах Миллера на операционных усилителях, которые получили наибольшее распространение.

Цифро-аналоговые (аналого-цифровые) преобразователи (ЦАП) (АЦП).

Цап предназначен для преобразования кода в квантованную по уровню аналоговую величину (например, напряжение или сопротивление).

АЦП- предназначен для преобразования аналоговой величины в кодовую комбинацию, посредствам выполнения трёх операций – дискретизация, квантование и кодирование. Функциональными узлами АЦП и ЦАП, определяющими точность и стабильность этого преобразования, является электронные ключи, источник образцового напряжения и резистивная матрица. АЦП и ЦАП рассматриваются в дисциплине ”ЦиМПУ”.

Счётчики импульсов

Счётчики импульсов могут быть в соответствии с применяемым кодом двоичными, двоично-десятичными, а также с любым другим заданным коэффициентом пересчёта. Если счётчик работает не только на сложение, но и на вычитание, он называется реверсивным.

Простейшим двоичным счётчиком является Т-триггер, имеющий коэффициент пересчёта κ=2. последовательное (каскадное) соединение nтриггеров образуетn-разрядный счётчик с κ=2^n.

Двоично-десятичный счётчик представляет собой каскадное соединение счётчиков, имеющих kп=10. Такие схемы называются декадными счётчиками. Каждая декада соответствует одному разряду десятичного исчисления и позволяет вести счёт входных импульсов от 0 до 9. Десятый импульс вызывает появление импульса переноса в следующую декаду и возвращает эту декаду в исходное состояние. Счётные ячейки могут при этом соединяться последовательно или образовывать кольцевую схему.

Отсчётные устройства

В отсчётных устройствах осуществляется преобразование двоично-десятичного кода, поступающего с выхода счётчика, в визуальную информацию в цифровой форме. Поэтому любое отсчётное устройство (ОУ) содержит дешифратор (ДШ) и знаковый индикатор (ЗИ). ОУ классифицируются по способности хранить информацию на ОУ без заполнения, с запоминанием на ограниченное время и с долговременным запоминанием.

С помощью дешифратора осуществляется переход от двоично-десятичной системы счисления к десятичной. Поэтому ДШ можно рассматривать как преобразователь двоично-десятичного кода в десятичный. Он включается на выходе каждой декады и имеет десять выходов.Знаковый индикатор, входящий в состав ОУ должен обеспечивать удобство отсчёта и возможность вести визуальное наблюдение на достаточно большом расстоянии и под большим углом зрения, обладать минимальным потреблением энергии, иметь достаточную яркость и разрешающую способность. ОУ современных ЦИП достаточно сложные (технологически) устройства, которые строятся чаще всего на базе ЖКИ.

Микропроцессоры

Микропроцессор – это программно-управляемые устройство, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС) и способное выполнять функции интегрального процессора ЭВМ. В зависимости от состава выполняемых функций МП подразделяются на универсальные и специализированные. В электрорадиоизмерительных приборах применяются оба типа МП, причём специализированные МП с фиксированными разностью слов и системой команд, а также специализированные, имеющие возможность наращивания разрядности и микропрограммное управление.

Структура МП с фиксированной разрядностью слов объединяет арифметически-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), группу внутренних рабочих регистров (Рг) и шины ввода-вывода (рис. 3.5).

АЛУ	Рг
УУ	Интерфейс

Шины

Рисунок 3.5 - Структурная схема МП

Рисунок 3.6 – Структурная схема МПС

Ядром любого МП является АЛУ, выполняющее арифметические и логические операции при обработке данных. Управление работой АЛУ и других узлов МП производиться с помощью УУ. При микропрограммном управлении в состав УУ включается специальное ЗУ, хранящее набор микропрограмм, соответствующих кодам операции. Состав группы регистров включает в себя: счётчик (СК), регистр команд (РК), регистр адреса (РА), регистры общего назначения, стек, аккумулятор, индексные регистры (ИР) и регистр состояний (РС). СК хранит адрес ячейки памяти, в которой записана следующая за выполняемой команда, а РК-код выполняемой команды. Адресная часть командного слова содержится в РА. РОН могут выполнять различные функции, устанавливаемые программой (например, временное хранение данных или адресов ). Стек специальный регистр с магазинной организацией, позволяющий реализовать безадресный способ обращения по принципу “последним записан – первым прочитан”. Благодаря этому данные могут обрабатываться в порядке, обратном по порядку записи. Аккумулятор (регистр операндов) предназначен для временного хранения данных и результатов промежуточных вычислений, выполняемых АЛУ. Ир служат для временного хранения адресов ЗУ и вместе с УУ организуют процесс обработки информации в МП. С помощью РС фиксируется состояние МП в каждый момент выполнения программы. Содержимое РС может использоваться для организации условных переходов - команды переходов к выполнению заданного участка программы по признакам и условиям. Это позволяет принимать альтернативные решения и выбирать различные пути выполнения программы.

Регистры связаны друг с другом, с АЛУ и УУ путём помощи внутренних шин. Шина – это совокупность линий связи по которым информация передаётся от любого из нескольких источников к любому из нескольких приёмников. Обычно для связи узлов МП между собой используется шины данных, команд и результатов. Они входят в состав внутреннего интерфейса МП.

Сам МП не может решить ту или иную вычислительную задачу. Для этого его необходимо запрограммировать и соединить с внешним ЗУ и устройствами ввода-вывода. Совокупность всех этих устройств, ориентирована на решение определённых задач, образует МПС или микро-ЭВМ (рис. 3.6). сопряжение между устройствами МПС и сопряжение МПС с различными периферийными устройствами (цифропечать, дисплей и др.) осуществляется через внешний интерфейс.

Интерфейс включает аппаратные средства для обмена всеми видами сигналов и протокол – совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия под систем. Для МПС и микро-ЭВМ характерна магистральная организация интерфейса, весь обмен информацией осуществляется с помощью трёх шин: адресов, данных и управления (см. рис. 3.5). иногда изменяется двух и одношинная организация интерфейса. При этом распределение связей заменяется временным (мультиплексирование шин).