10.14. Сумматоры. Устройство, принцип работы

Сумматорами называют логические устройства, выполняющие арифметические суммирование кодов двоичного числа. Символическое изображение одноразрядного двоичного сумматора показано на рис.10.29. Сумматор имеет три входа, где - слагаемые одинакового разряда, – слагаемое переноса; на выходе формируется – сумма cлагаемых и – слагаемое переноса в старший разряд.

Функционирование однозарядного сумматора показано в таблице, приведённой на рис.10.30. В этом случае при сложении слагаемых используется перевод десятичных чисел в двоичные числа.

Pиc.10.29. Символическое изображение одноразрядного двоичного сумматора

Рассмотрим пример:

При сложении слагаемых 0+1+0 получается десятичное число 1. Такому числу соответствует двоичное число 01, при этом Аналогично, 1+1+0 = 2, которому соответствует двоичное число 10, при этом . При сложении чисел 1+1+1 = 3, которому соответствует двоичное число 11, при этом и так далее.

Сумматоры могут быть последовательного и параллельного действия. В сумматорах последовательного действия коды двоичных чисел вводятся в последовательной форме слагаемое за слагаемым, начиная с младшего разряда.

На рис.10.31 изображена схема сумматора последовательного действия, предназначенного для суммирования четырёхразрядных двоичных чисел. Сумматор построен на трёх регистрах сдвига, D-триггере и на одноразрядном сумматоре.

Рис.10.30. Таблица функционирования одноразрядного сумматора

Рис.10.31. Схема сумматора последовательного действия

Функционирование сумматора приведено в таблице рис.10.32.

Рис.10.32. Таблица функционирования сумматора

Для ускорения операции сложения используются сумматоры параллельного действия, которые состоят из нескольких однозарядных сумматоров. В таких сумматорах слагаемые поступают одновременно на соответствующие входы однозарядных сумматоров, при этом каждый из однозарядных сумматоров формирует на своих выходах суммы соответствующих разрядов и слагаемые переноса, передаваемых на входы старших разрядов. Схема четырёхразрядного сумматора параллельного действия приведена на рис.10.33.

Рис.10.33. Схема четырёхразрядного сумматора параллельного действия

10.15. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для преобразования сигналов из аналоговой формы в цифровой код. На рис.10.34 изображена структурная схема аналого-цифрового преобразователя, а на рис.10.35 временные зависимости работы узлов преобразователя. Преобразователь (АЦП) состоит из следующих основных блоков: блока управления (БУ), генератора пилообразного напряжения (ГПН), счётчика импульсов (СЧ), генератора тактовых импульсов (ГТИ), устройства сравнения (УС), а также включает логические элементы: инвертор, асинхронный RS-триггер и элемент И.

Аналого-цифровой преобразователь функционирует следующим образом. При включении преобразователя с блока управления запускаются генераторы пилообразного напряжения и тактовых импульсов, одновременно счётчик импульсов устанавливается в нулевое состояние. На вход устройства сравнения поступают непрерывный аналоговый сигнал и сигнал пилообразной формы с выхода генератора пилообразного напряжения . Если эти сигналы не совпадают, то инвертор установит RS-триггер в единичное состояние и в промежутке времени на выходе логического элемента И появятся импульсы, количесво которых совпадает с чередованием тактовых импульсов.

Рис.10.34. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя

Эти импульсы поступают на вход счётчика. При совпадении аналогового сигнала с первым пилообразным импульсом, на выходе устройства сравнения появляется прямоугольный импульс, соответствующий интервалу , который устанавливает RS-триггер в нулевое состояние и счётчик прекращает счёт импульсов. С интервала времени триггер снова устанавливается в единичное состояние и процесс работы устройства повторяется. При этом с выхода логического элемента И на вход счётчика будут поступать тактовые импульсы с числами _, которые преобразуются в цифровой код.

Цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) называется устройство, служащее для преобразования цифрового двоичного кода в аналоговое напряжение или ток. Рассмотрим схему цифро-аналогового преобразователя с суммированием напряжений (рис.10.36). Пусть ЦАП состоит из операционного суммирующего усилителя и регистра с четырьмя информационными входами и одним синхронизирующим входом. На информационные входы регистра поступают двоичные числа, предназначенные для перевода их в пропорциональные значения изменяющегося напряжения на выходе устройства. На выходах четырёхразрядного регистра могут быть либо лог.1, либо лог.0. Единичное напряжение на входе операционного усилителя обозначим через Е.

Рис.10.35. Временные зависимости работы узлов преобразователя

Напряжение с выходов регистра подаются на входы операционного усиления, работающего в режиме сумматора с весовыми коэффициентами R, 2R, 4R, 8R. Тогда для каждого выхода регистра предусматривается отдельный вход в сумматоре с коэффициентом передачи к_ui = R_oc/R_вxi. Напряжения, передаваемые на выход усилителя с выходов регистра отдельных разрядов, находящихся в состоянии лог.1 пропорциональны весовым коэффицентам разрядов.

Если в состоянии лог.1 находится все выходы регистра, то напряжение на входе усилителя равно сумме напряжений, передаваемых на вход от отдельных разрядов двоичного числа в регистре. Сопротивление старшего разряда равно R, младшего разряда – 8R. Тогда напряжение на выходе ЦАП при U_вх=Е будет определяться выражением:

U_вых= - ()=к_u.

В случае, если на некоторых выходах регистра (Q₁, Q₂, Q₃,Q₄) появятся лог. 1, то при этом изменится и (за счёт изменения коэффициента усиления по напряжению).

Рис.10.36. Схема цифро-аналогового преобразователя с суммированием напряжений