1 ЦИФРОВАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМОТЕХНИКА

1.1 Общие понятия, термины и определения

Любой электрический прибор по форме преобразования информации, ее передачи и представления может быть либо аналоговым, либо цифровым.

АНАЛОГОВЫЙ прибор – устройство, в тракте преобразования которого электрические сигналы распространяются в непрерывной форме (для их математического описания используются непрерывные, аналоговые функции). Другими словами каждому значению входного физического параметра аналогового прибора в любой момент времени соответствует вполне конкретное (пропорциональное входному) значение сигнала на его выходе (см. рисунок 1.1. а). Аналоговый сигнал передает информацию в виде значения напряжения, тока, частоты, фазы.

ЦИФРОВОЙ прибор – устройство, в котором непрерывно изменяющаяся во времени входная физическая величина представляется дискретными (отдельными) значениями сигнала на выходе, фиксируемыми в определенные моменты времени (см. рисунок 1.1. б). Информационная составляющая цифрового параметра определяется числом импульсов, их полярностью, частотой и фазой.

а

Рисунок 5.3– Приоритетный шифратор К555ИВ1

б

t

a

Рисунок 1.1 – Информационное представление аналогового (а) и цифрового (б) сигналов.

ИМПУЛЬС – перепад, временное отклонение физического параметра (электрического, механического, светового и т.д.) от начального U₀, условно называемого НУЛЕВЫМ до условно граничного Um, принимаемого за ЕДИНИЧНЫЙ уровень, при этом, как правило, амплитудное значение Um не несет никакой информации.

На рисунке 1.2. представлен импульсный сигнал свободной формы.

Um – максимальное отклонение сигнала от уровня нуля;

U – спад вершины импульса;

Uобр – амплитуда обратного выброса;

t_ф, t_с – длительность фронта и спада (среза) импульса – временной интервал между моментами времени, в которые значение сигнала удовлетворяет условию 0,1 Um ≤ u ≤ 0,9 Um. В некоторых случаях t_ф определяют как ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ перепад, а t_с – ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ.

0,1 Um

U

T

t_ф

t_c

0,1 Um

t_и

t_п

Uобр

t_х

Рисунок 1.2 – Основные параметры импульсов

t_х – длительность хвоста импульса;

t_и – длительность импульса - временной интервал между моментами времени на интервалах t_ф и t_с , для которых u = 0,5 Um;

T – период следования импульсов - временной интервал между моментами времени на соседних интервалах t_ф или t_с , для которых u = 0,5 Um;

t_п = T - t_и - пауза между импульсами;

f = 1/Т – частота следование импульсов;

q = T/t_и – скважность импульсов. Иногда находит применение параметр обратный скважности – коэффициент заполнения К_з = 1/q.

В тех случаях, когда t_ф + t_с << t_и (), говорят о прямоугольных импульсах. При условииt_и = t_п импульсный сигнал называют МЕАНДРОМ.

К достоинствам цифровых (дискретных) средств можно отнести:

- усилительные элементы цепей передачи и преобразования информации работают в ключевом режиме, т.е. в режимах насыщения и отсечки, при которых рассеиваемая на них мощность P_вн минимальна, что поднимает к.п.д. () всего устройства, поскольку:

,

где P_н – мощность отдаваемая в нагрузку (полезная), следовательно при снижении P_вн  растет;

- уменьшение среднего значения мощности цифрового сигнала за счет времени паузы, позволяет передавать в импульсе большее ее значение, т.к.

и, как следствие, значительное снижение влияние помех и габаритных показателей аппаратуры;

- коммутирующие элементы в гораздо меньшей степени подвержены влиянию параметров внешней среды, особенно температуры, что чувствительно расширяет температурный рабочий диапазон цифровых устройств:

- элементы в трактах преобразования передачи и хранения информации являются однотипными, что за счет массовости применения удешевляет их изготовление при постоянно растущей надежности и малогабаритности в интегральном исполнении.

В качестве недостатков следует отметить частичную потерю информации в периоды между дискретами. Хотя современные средства цифровой техники за счет уменьшения времени дискретизации до наносекундного диапазона этот недостаток в значительной степени нивелируют.

Большинство физических параметров имеют аналоговую форму. Для использования преимуществ цифровой техники аналоговая форма сигналов преобразуется в цифровую путем квантования или дискретизации.

Дискретизации (квантование) аналогового сигнала осуществляется в двух формах: по уровню (см.рисунок 1.3 б) и по времени (см. рисунок 1.3.в).

Дискретизация по времени в свою очередь делится на три группы: амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), широтно-импульсная модуляция (ШИМ), фазо-импульсная модуляция (ФИМ).

ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ - преобразование аналоговой величины в последовательность импульсов.

В АИМ (см. рисунок 1.4. а) информационной (модулируемой) является амплитуда импульса

Um(nT_k) =  [ x (nT_k].

При ШИМ (см. рисунок 1.4 б) модулируемой величиной является время импульса t_и при неизменном Т (изменяется скважность):

t_и(nT_k) =  [ x (nT_k].

При ФИМ (см. рисунок 1.4 в) модулируемой величиной является фаза импульса относительно исходной синхропоследовательности:

(nT_k) =  [ x (nT_k].

АИМ ШИМ и ФИМ (время-импульсное квантование) применяют в преобразовательных каскадах цифровых устройств, датчиках различных физических величин с цифровым выходом.

U(t)

a

t

U (t)

б

t

U(t)

в

t

Рисунок 1.3 – Дискретизация аналогового сигнала U(t) (а) по времени (б), по уровню (в)

Квантование аналогового сигнала по уровню применяется в релейных электронных устройствах, которые в отличие от времяимпульсного квантования сохраняют значение изменяющегося входного физического параметра в течении времени дискретизации (Тк). Изменение уровня цифрового (выходного) сигнала осуществляется либо по фиксированному уровню, либо по фиксированному времени.

Указанный способ получения цифрового сигнала чаще всего применяется в усилительных выходных каскадах, например частотных преобразователях. В них выходная величина хотя и является непрерывной, но за счет ступенчатой формы отличается от входного параметра.

Особенное место в цифровой преобразовательной технике занимают устройства, в которых значению входной физической величины противопоставляется не какой либо параметр импульса, а конкретное число, выраженное определенным кодом. Подобные устройства обьединяют в своем составе время- и амплитудно-импульсное преобразования.

U(t)

а

t

U(t)

б

t

U(t)

в

t

U(t)

г

t

а – изменяющийся входной параметр; б – амплитудно модулированный сигнал (АИМ); в – широтно модулированный сигнал (ШИМ); г – фазо модулированный сигнал (ФИМ).

Рисунок 1.4 – Группы время импульсной модуляции

Достоинством представления величины цифровым кодом является высокая помехозащищенность информации, надежность передачи, простота преобразования, хранения, возможность наращивания архитектуры, эффективность экономическая и энергетическая (высокий к.п.д.) и, что немаловажно, совместимость с микро и нано технологиями.

2. ИМПУЛЬСНАЯ И ЦИФРОВАЯ ТЕХНИКА

2.1. Типы импульсных сигналов

Любой импульсный сигнал с той или иной степенью приближения можно отнести к различным видам. В зависимости от соотношения t_и, t_ф, t_с и Т сигнал может быть представлен как прямоугольным, трапециидальным, треугольным, пилообразным либо колоколоподобным (см. рисунок 2.1).

Реальная форма цифровых сигналов может быть самой разнообразной. Для практических целей, чаще всего, ее идеализируют, приводя к одному из типов указанных выше. При этом необходимо помнить, что именно форма импульса оказывает влияние на энергетические и временные (скоростные) показатели работы устройства в целом.

а

U(t)

U(t)

в

t

t

U(t)

U(t)

б

г

t

t

U(t)

д

t

а – прямоугольный; б – трапециидальный; в – треугольный; г – пилообразный; д – колоколоподобный

Рисунок 2.1 – Вид импульсов

Цифровые электронные устройства (именно о них в дальнейшем пойдет речь) помимо активных (коммутирующих) элементов содержат и элементы пассивные (резисторы, электрические емкости, индуктивности). Наличие этих элементов при распространении цифровых сигналов приводит к появлению искажения формы импульсов.

Поэтому при разработке цифровых устройств одной из самых сложных и трудоемких задач является как раз учет параметров всех составляющих. Для пассивных - основной влияющей величиной является фактическое значение R, L и C, для активных – значения входных и выходных сопротивлений, индуктивностей и емкостей (сравнительно малых, но конечных). Особенно внимательно необходимо проводить анализ схем для высокочастотных сигналов, когда t_и сравнимо с t_ф и t_с.

2.2.Анализ переходных процессов в импульсных схемах

По определению ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС – форма изменения параметра при его переходе из одного статического (неизменного, равновесного) состояния в другое статическое состояние. В отношении импульсных сигналов переходным процессом называют форму положительного и отрицательного перепадов, наличие и вид хвоста импульса. Термин ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС является синонимом термина ДИНАМИКА.

Для уяснения особенностей переходных процессов в цифровых электронных схемах средней сложности их анализ выполняется в упрощенном формате.

При упрощенном анализе используют следующие допущения:

- электронная схема является линейной или квазилинейной (линейной на выбранном участке), т.е. для описания прохождения электрического сигнала достаточно использовать линейные дифференциальные уравнения порядка не выше первого;

- в схеме отсутствуют элементы, нарушающие действие законов коммутации (напряжение на емкости и ток в индуктивности не могут изменяться скачком);

- на вход приложен один из типовых сигналов (типовое входное воздействие), среди которых наиболее часто используют ЕДИНИЧНОЕ СТУПЕНЧАТОЕ воздействие (см. рисунок 2.2 а), ЕДИНИЧНЫЙ спад (см. рисунок 2.2 б), ИМПУЛЬСНОЕ воздействие (t_и  0, Um   - так называемая -функция, см. рисунок 2.2 в).

Как правило, в цифровой электронике используют первые два воздействия и в этом смысле прямоугольный импульс является и носителем информации и универсальным типовым воздействием: положительный перепад моделирует единичное ступенчатое воздействие, обратный фронт – единичный спад.

В случае, когда схема является сложной, ее разбивают на несколько функционально законченных элементарных частей (блоков) и осуществляют анализ поблочно.

Как известно, решением линейного дифференциального уравнения первого порядка является экспонента и с точки зрения экономии времени не обязательно проводить расчеты, а достаточно в графической

а

б

Uвх

Uвх

t

t

Uвх

Uвх

в

t

t

Рисунок 2.2 – Виды типовых входных воздействий

форме представить эпюры напряжений и токов с соответствующими амплитудно-временными значениями. Для корректного изображения экспоненты достаточно знать начальную ее точку (ноль или Um), конечную точку (Um или ноль) и постоянную времени  .

Например, для замкнутого контура (см. рисунок 2.3 а), содержащего источник цифрового сигнала Е и последовательно связанные резистор R и емкость C ( = RC) при входном сигнале в форме прямоугольника динамика напряжений на R и C U_R, U_C соответственно представлена на рисунке 2.3 б. Постоянные времени ₁ и ₂ определяют крутизну кривых нарастания и спада фронтов импульсов напряжения на элементах последовательного контура.

Математическая модель изменения тока в указанном контуре имеет вид:

(1)

для положительного перепада и

(2)

для отрицательного перепада, где  = RC.

2.3. Прохождение цифровых сигналов через RC-цепи

В цифровых схемах, как и в аналоговых, очень часто используются резисторы и электрические емкости. При прохождении импульсных сигналов через RC-цепи форма напряжений и токов закономерно изменяются.

Наличие отдельных резисторов, используемых для подачи смещения на входы элементов, в цепях обратных связей, для ограничения тока (например, в цепях логической индикации) изменяет только амплитудные характеристики напряжения на R или протекающего тока. Наличие емкости в цепи изменяет, как уже говорилось, формы напряжения и токов и зависят эти изменения от вида соединения резистора и емкости по отношению к входному сигналу, друг к другу и сигналу выхода.

Uвх

U_R

t

R

C

Uc

1

1 < 2

E

Uc

2

U_R

t

а

t

б

а – последовательный контур; б – Uвх (t), U_R(t) и Uc(t)

Рисунок 2.3 – Эпюры напряжения U_R и Uc при импульсном воздействии

В зависимости от вида соединения R и C различают дифференцирующие (разделительные) и интегрирующие цепи.

2.4 Дифференцирующие RC цепи

Дифференцирующей называется цепь, сигнал на выходе которой пропорционален производной входного сигнала.

Из курса электротехники известно, что идеальными дифференцирующими элементами являются емкость и индуктивность. На рисунке 2.4 изображены схемные решения дифференцирующих цепей, реализованных посредством емкости и индуктивности.

R_Н

С

R_Н

Uвых

r_ВН

r_ВН

R_Н

R_Н

Uвых

Uвых

Е_ГИ

Е_ГИ

Е_ГИ

Uвых

а

б

Uвых

Е_ГИ

t

t

Uвых

Е_ГИ

t

в

а – емкостная цепь; б – индуктивная (трансформаторная) цепь; в – эпюры напряжений на входе (импульсный генератор Е_ГИ) и на выходе R_Н (U_ВЫХ); r_ВН – внутреннее сопротивление импульсного генератора

Рисунок 2.4 – Дифференцирующие цепи

Рассмотрим поподробнее функционирование RC цепочки, поскольку наиболее часто в импульсной технике используются именно подобные схемные решения. Аргумент в этом отношении один – простота реализации, хотя иногда индуктивно трансформаторные дифференцирующие цепи являются предпочтительнее – они позволяют электрически отделить контуры формирования управляющего сигнала от силовых контуров, например, в схемах управления тиристорами.

Для представленного на рисунке 2.4 а RC контура напряжение выхода U_ВЫХ снимается с сопротивления нагрузки R_Н. Согласно закону Ома для участка цепи U_ВЫХ определяется:

, но , а, где

При условии имеет место укорачивание импульса и цепь в этом случае называется укорачивающей. ЕслиRC цепь делит импульсный сигнал на переменную и постоянную составляющие – сигнал напряжения на R_Н будет только переменным (см. рисунок 2.5).

E_ГИ

t

t

τ>>t_И

t

Uвых

Uвых

τ<<t_И

а

б

в

а – напряжение импульсного генератора; б – выходной сигнал на R_Н при τ<<t_И (укороченный импульс); в – выходной сигнал при τ>>t_И (режим выделения переменной составляющей на R_Н)

Рисунок 2.5 – Влияние постоянной времени τ= R∙C на форму выходного

сигнала

В аналогичной форме можно проследить зависимость формы напряжения на R_Н от соотношения τ и времени паузы (t_П).

Наличие дифференцирующей RC цепи в контуре при любом соотношении постоянной времени τ, времени импульса (t_И) и времени паузы (t_П) не пропускает постоянную составляющую в нагрузку (R_Н), при этом форма напряжения за t_И и t_П зависит только от постоянной времени цепи заряда и разряда конденсатора (С). При разделении входного сигнала с помощью дифференцирующей последовательной RC цепи можно отметить, что площадь положительной полуволны сигнала, выделяемого на нагрузке равна площади отрицательной полуволны.

2.5. Интегрирующие RC цепи

Интегрирующей называют цепь (обьект), в которой значение выходного параметра пропорционально интегралу входного. Если, например, входной и выходной сигналы выражены напряжением, то сказанное имеет математическую форму:

Для электрических цепей классическим примером интегрирующей цепи является параллельное включение емкости и активного сопротивления (см. рисунок 2.6 а).

r_ВН

С

t

Uвых

Е_ГИ

τ2

Uвых

t

Е_ГИ

R_Н

б

а

τ1

а – пассивная интегрирующая цепь, б – эпюры напряжений для различных значений постоянной времени (τ = RC) интегрирующей цепи (τ2 > τ1)

Рисунок 2.6 – Принципиальная схема интегрирующей RC цепи

Интегрирующая цепь применяется для:

- выделения постоянной составляющей входного напряжения;

- удлинения t_ф импульса;

- получения напряжения близкого к линейному.

Для представленной принципиальной схемы интегрирующего звена при условии U_ВЫХ = U_С << U_ВХ математическая модель примет вид:

Интегрирующие цепи применяют в простейших фильтрах высоких частот (эквивалентное сопротивление емкости обратно пропорционально частоте). В фильтрующих элементах (особенно в обычных выпрямителях) постоянную времени выбирают как можно больше и в этом случае в качестве емкостей используют электролитические конденсаторы (С → 10000 мкФ).

Удлинение фронта употребляют в цифровой технике в элементах задержки положительного или смещения отрицательного фронтов импульса.

Получение линейного фронта напряжения используется в генераторах пилообразного напряжения (ГП). В ГП линейный рост выходного сигнала определяется соотношением τ = RC >> t_И.

В реальных условиях напряжение на выходе ГП (U_С)отличается от линейного (U_Л). Погрешность преобразования меандра в пилообразную форму с линейным участком нарастающего напряжения может быть вычислена (см. рисунок 2.7):

- абсолютная погрешность линейности;

- относительная погрешность линеаризации,

где – тангенс угла наклона в точкеt = 0 соответствующий первой производной напряжения на выходе интегрирующего звена.

Разложив exp(x) в степенной ряд и ограничившись тремя членами преобразования, получим:

Следовательно:

При t_и<< =>

И для  =10t _и ,

для  =100t _и .

2

U_C

_U

t

t_И

1

1. реальная характеристика интегрирующего звена;

2. характеристика идеального интегратора

Рисунок 2.7 – Схема для расчета погрешности интегрирующей цепи

3. Цифровое представление информации

При обозначении различной информации (предметов, действий, качественных характеристик) человек издавна пользуется системой символов – словами и предложениями. Для выражения слов соответственно применяют буквы алфавита и знаки препинания.

В цифровой технике информацию выражают кодовыми словами. Они, как и буквенные слова, состоят из определенного алфавитного набора, но в отличии от языкового алфавита, цифровой имеет в составе только два символа - 0 и 1. Длина цифровых слов тоже отличается от обычных - имеет строго фиксированный размер. Следовательно, цифровая информация передается словами, содержащими разные комбинации нулей и единиц.

Каждая позиция «цифровой буквы» (0 или 1) называется цифровым разрядом или просто разрядом. Таким образов цифровое слово содержит “n” разрядов, причем величина “n” строго фиксирована. Например, слово может состоять из восьми разрядов – 00101011, или из четырех – 0101. Из сложившейся практики минимальное количество разрядов – четыре, остальные получают путем умножения предыдущего “n” на два, т.е. … .

Если с помощью цифровой комбинации кодируется информация, то максимальная ее величина, вмещаемая данным количеством разрядов “n” легко определяется, как 2ⁿ. Для примера, в восьми разрядное слово мы можем закодировать 2⁸ = 256, в шестнадцати разрядное слово - 2¹⁶ = 256∙256 = 65536 различных комбинаций и т.д.

Информация, передаваемая в сложном цифровом устройстве, представлена цифровым словом или строго определенным по количеству числом 0 и 1. На входы внутренних блоков цифрового устройства приходят различные кодовые слова (комбинации), а на выходе этих блоков формируются каждые раз новая кодовая комбинация, определяемая функцией блока. Блоки, которые реализуют некоторую функцию над входными цифровыми словами, называют цифровыми блоками или логическими блоками.

По способу ввода цифровых комбинаций (соответственно и вывода ее) цифровые устройства делятся на последовательного и параллельного действия.

Устройства последовательного действия устроены таким образом, что символы кодовых слов поступают не одновременно, а последовательно во времени, по очереди. На выходе в такой же очередности появляются символы с учетом функции преобразования устройства. На рисунке 3.1 а представлен пример реализации цифрового устройства последовательной обработки сигналов по двум входам. Логическая функция устройства – выявление совпадений единичных уровней на входах Вх1 и Вх2. На выходе появляется сигнал «1», при условии наличия единицы на Вх1 и Вх2

На рисунке 3.1 б показано логическое устройство параллельного типа, в котором реализована та же функция, что и в предыдущем случае, но только для двухразрядных кодовых комбинаций (цифровые комбинации А и В). При этом на выходе соответствующего разряда двухразрядного слова «1» появляется в том случае, когда единицы присутствуют на первых (вторых) входах А и В.

Существуют устройства смешанного типа позволяющие последовательный цифровой сигнал (одноразрядный) преобразовывать в параллельный (многоразрядный), например двоичный счетчик импульсов. И наоборот – для получения одноразрадной комбинации из многоразрядной (например, устройство сравнения по модулю два).

Вх1

t

Вх1

Вых

Вых