Электроника. Часть II. Основы схемотехники цифровых устройств. Тема 1. Общие сведения о цифровых устройствах

1.

ЭЛЕКТРОНИКА
ч.II
Основы схемотехники
цифровых устройств

2.

Тема 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О ЦИФРОВЫХ
УСТРОЙСТВАХ

3.

Классификация ИМС

4.

1. По технологии изготовления
Полупроводниковые микросхемыэлементы расположены в объеме
или на поверхности кристалла
полупроводника.

5.

Пленочные микросхемы –
элементы выполнены в виде
пленок из полупроводниковых
и диэлектрических материалов.
Гибридные микросхемы –
сочетают в себе компоненты
кристалла полупроводника и
пленки.

6.

2. По сложности и степени
интеграции
Микросхемы с малой
степенью интеграции –
до 100 элементов.
Микросхемы со средней
степенью интеграции –
от 100 до 1000 элементов.

7.

Микросхемы с большой
степенью интеграции (БИС) от 1000 до 10 000 элементов.
Микросхемы со сверхбольшой
степенью интеграции (СБИС) более 10 000 элементов.

8.

3. По типу корпусов
С штыревыми выводами.
Выводы микросхем
выполнены в виде линий
штырьков, припаиваемых в
отверстия в плате или
монтируемых в
специальные сокеты.

9.

DIP (Dual In-line Package, DIL) - имеет
прямоугольную форму с двумя
рядами выводов по длинным
сторонам микросхемы.
SIP (Single In-line Package) – с одним
рядом выводов по длинной
стороне микросхемы.
ZIP (Zigzag-In-line Package) – выводы
расположены зигзагообразно.
PGA (Pin Grid Array) - выводы
выполнены массивом штырьков по
нижней поверхности микросхемы.

10.

С планарными выводами
для поверхностного монтажа.
Имеют меньшие габариты,
больше элементов на плате,
не вставляются в сокеты.

11.

SOIC (Small-Outline Integrated Circuit), а
также SOP (Small-Outline Package)
занимаетна печатной плате на 3050% меньше площади, чем корпус
DIP, а также имеющий на 50-70%
меньшую толщину.
TSOP (Thin Small-Outline Package) тонкий
малогабаритный корпус. Часто
применяется для упаковки
низковольтных микросхем из-за их
малого объёма и большого
количества штырьков.
QFP (Quad Flat Package) — плоский
квадратный корпус с четырьмя
рядами контактов расположенными
по краям. Есть также варианты
TQFP (Thin QFP),
LQFP (Low-profile QFP) и др.

12.

С J-образными выводами
PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)
СLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier)
- квадратный корпус с
расположенными по краям
контактами,
предназначенные для
установки в специальную
панель, а так же их
различные варианты.

13.

С шариковыми контактами
BGA (Ball grid array) ,
выводы выполнены массивом шариков
из припоя по нижней поверхности
микросхемы, припаиваемых
инфракрасным излучением к
специальным площадкам.
Используются для
высокотехнологичного монтажа
многослойных плат.

14.

4. По типу применяемых
электрических ключей
(по типу логики)
На основе ключей с
биполярными транзисторами
РТЛ – резистивно-транзисторная
логика;
РЕТЛ – резистивно-емкостная
транзисторная логика;

15.

ДТЛ – диодно-транзисторная логика;
ТТЛ – транзисторно-транзисторная
логика
(серии 155, 133, 134, 130, 131);
ТТЛШ - транзисторно-транзисторная
логика Шоттки
(серии 555, 530, 531);
улучшенная ТТЛШ
(серии 1530, 1531, 1533);

16.

ЭСЛ – эмиттерно связанная
логика;
ЭСТЛ – эмиттерно связанная
транзисторная логика.

17.

На основе ключей с
униполярными транзисторами
р-МОП - на основе р-канальных
полевых транзисторов;
n-МОП - на основе n-канальных
полевых транзисторов;

18.

КМОП - на основе
комплементарных пар
транзисторов
(серии 561, 564, 1561, 1564,
1554, 1594).

19.

• L – малая потребляемая мощность,
• H – повышенное быстродействие,
• C – использование КМОП транзисторов,
• S – серия ТТЛШ,
• F – с самым высоким быстродействием
• A – улучшенная серия ТТЛШ,
• T – КМОП с уровнями ТТЛ.

20. Соответствие популярных серий отечественных микросхем зарубежным аналогам

21.

22.

Тема 2
ТРАНЗИСТОРНЫЕ
КЛЮЧИ

23.

ПРИНЦИП РАБОТЫ
ЦИФРОВОГО
КЛЮЧА

24.

Ключ разомкнут:
Uвх – управляет
проводимостью ключа,
Е=const – определяет
диапазон изменения Uвых

25.

Ключ замкнут:
Uвх – управляет
проводимостью ключа,
Е=const – определяет
диапазон изменения Uвых

26.

Ключ разомкнут:
транзистор закрыт,
режим отсечки
ВЫКЛЮЧЕН

27.

Ключ замкнут:
транзистор открыт,
режим насыщения
ВКЛЮЧЕН

28.

29. Тема 3

ПЕРЕХОДНЫЕ
ПРОЦЕССЫ
В КЛЮЧЕ
НА БИПОЛЯРНОМ
ТРАНЗИСТОРЕ

30.

UВХ=URБ+UБЭ=IБRБ+UБЭ
ВХ=RВХ CВХ=CВХ(rГ+RБ+rБЭ)
CВХ=CБЭ+СБК+СМ
ВЫХ=RВЫХ CВЫХ=CВЫХ(RК║rКЭ║RН)

31.

32.

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ
БЫСТРОДЕЙСТВИЯ
ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА
1. Увеличение входного
напряжения.
2. Включение в цепь базы
ускоряющей емкости Сб.

33.

3. Использование ненасыщенных
ключей с нелинейной
обратной связью.
Монолитная структура,
состоящая из
транзистора
и диода Шоттки,
называется
ТРАНЗИСТОРОМ
ШОТТКИ

34.

Недостатки ключа на БТ:
- ограниченное быстродействие из-за
конечной скорости рассасывания
неосновных носителей в базе;
- значительная мощность потребления
в статическом режиме;
- слабая термостабильность, связанная
с увеличением Iк при увеличении
температуры;
- низкий КПД схемы;
- усложнение схемы при параллельном
включении транзисторов.

35.

36. Тема 4

АНАЛИЗ РАБОТЫ
ТРАНЗИСТОРНОГО
КЛЮЧА

37.

Статический режим
Ключ разомкнут:
Ключ замкнут:

38.

Динамический режим
Ключ разомкнут:
ЗАР=RЭКВ CВЫХ
Ключ замкнут:
rВЫХ << RЭКВ
РАЗР << ЗАР

39.

Сложный транзисторный ключ (сложный инвертор)

40.

41. Тема 5

ОСНОВНЫЕ
ПАРАМЕТРЫ
ЦИФРОВЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ

42.

Статические параметры
1. Напряжение питания и допуск
на его изменение
2. Входные и выходные
допустимые напряжения
логического 0 и 1

43.

3. Входные и выходные допустимые
токи
логического 0 и 1
4. Коэффициент разветвления
по выходу
(нагрузочная способность)

44.

5. Коэффициент объединения
по входу
6. Потребляемая мощность.

45.

7. Помехоустойчивость
(шумовой иммунитет)
Статическая помехоустойчивость
по низкому уровню:
Статическая помехоустойчивость
по высокому уровню:

46.

Передаточная характеристика инвертора ТТЛ
Гарантированная
помехоустойчивость:
U0пом =│0,4-0,8│=0,4 В
U1пом =│2,4-2,0│=0,4 В
Реальная
помехоустойчивость:
U+пом = 1,4-0,4=1 В
U-пом = 2,4-1,4=1 В

47.

Поля допусков логических уровней
напряжения

48.

Динамические параметры
t10 – время перехода выходного
сигнала из состояния
логической 1 в состояние
логического 0,
t01 – время перехода выходного
сигнала из состояния
логического 0 в состояние
логической 1,

49.

t10здр – время задержки
распространения
сигнала при
включении,
t01здр – время задержки
распространения
сигнала при
выключении,

50.

t10зд – время задержки
включения,
01
t зд – время задержки
выключения,

51.

52.

53.

54.

tздр ср – среднее время
задержки
распространения
сигнала

55.

Fраб – рабочая частота ИМС,
- степень искажения выходного
прямоугольного сигнала
0,1…0,3

56.

Эксплуатационные
параметры
Ударные нагрузки.
Устойчивость к
воздействию
электромагнитных
помех.
Относительная влажность
воздуха.

57.

Характеристики надежности.
Время наработки на отказ,
интенсивность отказов.
Предельно допустимые
режимы эксплуатации
по току,
по напряжению,
частоте,
емкости нагрузки,
температуре…

58.

Диапазоны рабочих
температур.
Коммерческий
0 …+70ОС
Расширенный -40 …+85ОС
Военный
-55 …+125ОС
Индустриальный –
по промышленным
стандартам

59.

60. Тема 6

ЛОГИЧЕСКИЕ
ЭЛЕМЕНТЫ
ТТЛ И ТТЛШ
В ЦИФРОВЫХ
УСТРОЙСТВАХ

61.

Базовая схема логического элемента ТТЛ
со сложным инвертором

62.

Схема логического элемента ТТЛ
с открытым коллектором

63.

Схема логического элемента ТТЛ
с трехстабильным выходом

64.

65.

Работа на одну нагрузку

66.

Передача данных от А к В

67.

Передача данных от В к А

68. Базовый элемент ТТЛШ

69.

70. Тема 7

ЛОГИЧЕСКИЕ
ЭЛЕМЕНТЫ
КМОП
В ЦИФРОВЫХ
УСТРОЙСТВАХ

71.

Базовый элемент КМОП

72.

Схемотехника элементов ИС КМОП
2И-НЕ

73.

Схемотехника элементов ИС КМОП
2ИЛИ-НЕ

74.

Реализация третьего состояния в
схемотехнике ИС КМОП

75. ДОСТОИНСТВА ИМС КМОП

Большой диапазон напряжения
питания 3…15 В
Хороший запас помехоустойчивости
Uпор 0,5 Еп
Возможность использования в
длинных линиях связи и в условиях
перекрестных наводок

76.

Низкая потребляемая мощность в
статическом режиме
Высокое входное сопротивление
Большая нагрузочная способность
коэффициент разветвления 50…100
Малая зависимость характеристик от
температуры

77. НЕДОСТАТКИ ИМС КМОП

Повышенное выходное
сопротивление
Большое время задержки 200 нс
Значительный разброс
параметров

78. ОСОБЕННОСТИ ИМС КМОП

Чувствительность к статическим
зарядам
Наличие диодно-резистивной
цепочки на входе
Малая токовая отдача

79.

80.

Тема 8
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ
БАЗА
ЦИФРОВЫХ
УСТРОЙСТВ

81.

82.

1 Дискретные компоненты
К ним относятся
резисторы,
конденсаторы,
диоды,
транзисторы
и др.

83.

2 Логические элементы
Схемы, предназначенные для
выполнения основных
операций булевой алгебры
логики
И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ
и др.

84.

3 Комбинационные схемы (КС)
Устройства, у которых состояние
выходов однозначно
определяется состоянием
входных сигналов в данный
момент времени.

85.

К ним относятся
шифраторы,
дешифраторы,
мультиплексоры,
демультиплексоры,
сумматоры,
устройства сравнения
(цифровые компараторы).

86.

4 Последовательностные
устройства
Значения выходных функций
определяются не только
состоянием входных переменных
в данный момент,
но и внутренним состоянием
устройства
в предыдущий момент времени.

87.

К основным типам относятся
триггеры,
регистры,
счетчики.

88.

5 Аналого-цифровые
устройства
Используются в цифровых
устройствах для формирования
аналоговых сигналов или при
необходимости ввода
информации в аналоговых
величинах,
например, с датчиков или
линии связи.

89.

Основные типы:
аналого-цифровые
преобразователи (АЦП),
цифро-аналоговые
преобразователи (ЦАП),
компараторы,
устройства выборки-хранения,
коммутаторы,
аналоговые мультиплексоры,
и др.

90.

6 Импульсные устройства
Предназначены для
формирования импульсных
сигналов или их преобразования.
К ним относятся
генераторы,
мультивибраторы,
одновибраторы
и др.

91.

7 Запоминающие устройства
Предназначены для постоянного
или временного хранения
информации.
Делятся на два основных типа
ОЗУ (RAM) и ПЗУ (ROM),
которые отличаются друг от
друга назначением и
энергозависимостью.

92.

8 Микропроцессоры
и микроконтроллеры
Микропроцессор (МП) –
СБИС, способная выполнять
определенный набор
элементарных действий (команд).

93.

9 Интерфейсные БИС
К этому классу устройств относят
ИМС микропроцессорных
комплектов:
шинные контроллеры,
контроллеры прерываний,
сетевые контроллеры,
видеоконтроллеры,
ИМС последовательных
интерфейсов и др.

94.

10 Программируемые логические
интегральные схемы (ПЛИС)
Позволяют на базе интегральной
микросхемы, программируя её
внутреннюю логическую структуру,
создавать устройства различного
функционального назначения.
При синтезе логических схем
используется описание на языке
программирования VHDL.

95.

96. Тема 9

КОМБИНАЦИОННЫЕ
И
АРИФМЕТИЧЕСКИЕ
УСТРОЙСТВА

97.

МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ
ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ
ШИФРАТОРЫ
ДЕШИФРАТОРЫ
СУММАТОРЫ
ПОЛУСУММАТОРЫ
СУБСТРАКТОРЫ (вычитатели)
СХЕМЫ КОНТРОЛЯ ЧЕТНОСТИ
КОМПАРАТОРЫ (устройства сравнения)
АЛУ
ПЗУ

98.

СПОСОБЫ ОПИСАНИЯ КС
Словесное описание
Временные диаграммы
Таблица состояний
Уравнения переключательных
функций
Схема внутренней структуры
на базе ЛЭ
УГО

99. МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ (СЕЛЕКТОРЫ, КОММУТАТОРЫ) -

МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ
(СЕЛЕКТОРЫ, КОММУТАТОРЫ) осуществляют передачу сигнала
с одного из входов, определяемого
комбинацией адресных сигналов.
Имеют n адресных входов,
2n информационных и 1 выход.
Так же мультиплексоры могут иметь
трехстабильный выход и управляющие
(разрешающие) входы.

100.

101.

E
0
1
1
1
1
А1 А0
Х Х
0
0
0
1
1
0
1
1
Y
0
D0
D1
D2
D3

102.

КАСКАДНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
МУЛЬТИПЛЕКСОРОВ
В этом случае несколько очередей ИМС,
работают одновременно
(по общему разрешающему сигналу Е).
На адресные линии всех мультиплексоров
одной очереди подключаются линии
адреса, количество которых соответствует
разрядности базового мультиплексора.

103.

А3А2А1А0 = 1110b = 14
А2А1А0 =110b = 6
D0 = D6
D1 = D14
А0 = 1_
Y = D14

104.

МУЛЬТИПЛЕКСОР КАК
УНИВЕРСАЛЬНАЯ
ЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
Мультиплексор с n адресными
входами можно использовать
для реализации произвольной
логической функции n или n+1
переменных.

105.

Реализовать функцию равнозначности
для двух переменных при n=2
X2 X1
D0 0 0
D1 0 1
D2 1 0
D3 1 1
Y
1 Y=1
0 Y=0
0 Y=0
1 Y=1

106.

В общем случае для реализации
произвольной функции n+1переменных
достаточно к мультиплексору добавить
инвертор.
На адресные входы подаются n
переменных, определяющие номер
информационного входа.
Младшая переменная X1 выбирается из
двух значений – X1 и Х1.
Тогда состояние информационных
входов может соответствовать значениям
0, 1, Х1, Х1

107.

Реализовать произвольную функцию
для трех переменных при n=2
X3 X2 X1
0 0 0
D0
0 0 1
0 1 0
D1
0 1 1
1 0 0
D2
1 0 1
1 1 0
D3
1 1 1
Y
1
Y=1
1
0
Y=X1
1
1
Y=X1
0
0
Y=0
0

108. ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ -

ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ устройства распределяющие сигнал
с 1 информационного входа на один из
2n выходов, выбираемый комбинацией
n адресных сигналов.
При использовании демультиплексора
указывают его режим работы как
1 вход работающий на количество
информационных выходов.
На схемах обозначают DMX или DMS.

109.

Демультиплексор 1х4
Q Q
E A1 A0
0 1
Q
2
Q
3
1
X
X
0
0
0
0
0
0
0
D
0
0
0
0
0
1
0
D
0
0
0
1
0
0
0
D
0
0
1
1
0
0
0
D

110. ДЕШИФРАТОРЫ (ДЕКОДЕРЫ)-

ДЕШИФРАТОРЫ (ДЕКОДЕРЫ)служат для преобразования кодовой
комбинации входных сигналов в
активный сигнал на одном из
выходов.
При использовании двоичного
дешифратора указывают его режим
работы как n входов работающих на
2n выходов.
На схемах обозначают DС.

111.

Дешифратор 2х4 / Демультиплексор 1х4
C D0 D1 0
1
2
3
1
X
X
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
0

112.

113.

Дешифраторы/демультиплексоры
1533ИД3 и 1533 ИД7

114.

115. Тема 10

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ
УСТРОЙСТВА

116.

ТРИГГЕРЫ логические схемы
с обратными связями,
обеспечивающими два
устойчивых состояния.
Переключение триггера
происходит под воздействием
пускового импульса.

117.

RS-триггеры
Симметричный
асинхронный
RS-триггер.
Бистабильная
ячейка
на ЛЭ ИЛИ-НЕ,
охваченных
перекрестной
положительной
обратной связью

118.

119.

D-триггеры
Триггер задержки, триггер с запоминанием,
триггер-защёлка.
Используются только синхронные
устройства со статической или
динамической синхронизацией.
При разрешающем тактовом сигнале на
выходе фиксируется потенциал входа D
и остаётся неизменным до очередного
момента синхронизации.

120.

121.

122.

Получение D-триггера из RS-триггера

123.

Т-триггеры
имеют один счетный Т-вход.
Смена его состояний происходит при
изменении значения входного сигнала.
По способу ввода информации
Т-триггеры могут быть асинхронными
и синхронными.
Различают Т-триггеры с прямым и
инверсным динамическим управлением.

124.

Получение
Т-триггера
из
D-триггера

125.

JK-триггеры

126.

127.

Регистры
устройства, предназначенные для
хранения и преобразования
многоразрядных двоичных чисел.
Используются в качестве
управляющих и запоминающих
устройств, генераторов,
преобразователей кодов, узлов
временной задержки, часто имеют
трехстабильные выходы.

128.

Регистры памяти
предназначены для хранения
двоичной информации в течение
некоторого промежутка времени.
Ввод и вывод информации
производится параллельным кодом
под управлением общего тактового
сигнала.
Обновление данных происходит с
каждым новым тактовым импульсом

129.

Наращивание разрядности регистров
осуществляется добавлением триггеров,
у которых объединяются тактовые входы
и входы сброса.
Схема четырехразрядного регистра
памяти на D-триггерах

130.

131.

Регистры сдвига
помимо хранения данных,
осуществляют преобразование
последовательного двоичного кода
в параллельный и наоборот,
а так же используются как элементы
задержки.
С каждым тактовым импульсом
содержимое триггера
перезаписывается (сдвигается)
в соседний разряд без изменения.

132.

Регистры сдвига по способу ввода
и вывода информации делятся на
параллельные,
последовательные
комбинированные.

133.

По направлению сдвига делятся на
однонаправленные,
реверсивные.
При сдвиге вправо данные
перезаписываются от младшего
разряда к старшему,
при сдвиге влево – от старшего к
младшему

134.

Схема четырехразрядного регистра
сдвига вправо на D-триггерах

135.

ИР13 Восьмиразрядный,
реверсивный сдвиговый
регистр с параллельной
загрузкой,
сдвигом вправо и влево.

136.

Счетчики устройства, на выходе которых
формируются сигналы,
в определенном коде отображающие
число импульсов, поступивших на
счетный вход.
Элементарной структурной единицей
счетчика является Т-триггер,
считающий до двух, и образующий
один разряд счетчика.

137.

Коэффициент счета это число
устойчивых состояний, которое
счетчик проходит до начала
следующего цикла.
Счетчик, образованный из m
триггеров реализует
коэффициент счета
КСЧ = 2m

138.

Кроме подсчета входных
импульсов счетчики
используются для деления
частоты.
КДЕЛ
зависит от обратных связей
реализованных в схеме.

139.

По коэффициенту счета:
– двоичные,
– двоично-десятичные,
– с произвольным модулем
счета,
– с переменным модулем
счета.

140.

По направлению счета:
– суммирующие,
– вычитающие,
– реверсивные.

141.

По способу организации
внутренних связей:
– с последовательным
переносом,
– с параллельным
переносом,
– с комбинированным
переносом,
– кольцевые.

142.

Счетчики с последовательным
переносом
состоят из цепочки асинхронных
Т-триггеров.
Счетные импульсы подаются на вход
первого триггера.
Увеличение разрядности производится за
счет подключения дополнительных
триггеров к выходу последнего.
При последовательном соединении
триггеров (счетчиков) их КСЧ
перемножаются.

143.

Логическая структура микросхемы 1533ИЕ5

144.

Временные диаграммы работы счетчика
ИЕ5 при Ксч=8

145.

Счетчики с параллельным
переносом
состоят из синхронных триггеров.
Счетные импульсы подаются на все
входы одновременно.
Срабатывание триггеров происходит
одновременно, а задержка
переключения соответствует
времени срабатывания одного
триггера.

146.

Микросхема 1533ИЕ9 синхронный десятичный
счетчик с возможностью
параллельной записи
информации.
R асинхронный вход сброса,
EWR разрешение
параллельной записи,
ЕСТ разрешение счета,
ECR разрешение переноса.
Изменение состояния
счетчика происходит в
двоично-десятичном коде
от 0 до 9 по фронту
импульсов на входе Т.

147.

1
0
0
1
0
Kсч=6
Счет
производится от
4 до 9
с циклической
перезагрузкой
по выходу
переноса CR.

148.

СИНТЕЗ СЧЕТЧИКОВ
Для получения счетчика с
произвольным Ксч, необходимо
произвести его синтез.
Самый простой вариант –
синтез двоичного счетчика
с последовательным переносом
и коэффициентами 1-2-4-8.

149.

Алгоритм синтеза
1. Перевести заданный Ксч
в двоичный код.
Количество разрядов в
полученном числе соответствует
количеству необходимых
триггеров.
Количество единиц в числе –
количеству входов ЛЭ.

150.

2. Подключить входы ЛЭ к прямым
выходам триггеров, состояния
которых соответствуют логической
1 в двоичном числе.
Если триггеры опрокидываются по фронту,
то входы ЛЭ подключают к инверсным
выходам предыдущих триггеров.
3. Подключить выход ЛЭ к
объединенным входам установки
триггеров в ноль.

151.

4. Определить тип ЛЭ.
Если установка триггеров в ноль
производится логической
единицей – используется
элемент И,
если логическим нулем –
элемент И-НЕ.

152.

Ксч=12=1100b

153.

Если требуется изменить Ксч
имеющегося счетчика,
то используют его
принудительный сброс
по достижении определенного
числа на выходе
в зависимости от направления
счета.
ЛЭ подбирается также,
как в предыдущем случае.

154.

Установить для счетчика ИЕ5 Ксч=12
12=1100b

155.

Для получения больших Ксч
используют принцип
перемножения коэффициентов,
последовательно включенных
счетчиков.
Например,
ИЕ2 и ИЕ5 - 10х16=160
Ксч=160

156.

157.

Тема 11
АНАЛОГОЦИФРОВЫЕ
УСТРОЙСТВА

158.

Основные функции аналогоцифровых устройств.
1. Преобразование сигналов из
цифровой формы
представления в аналоговую.
2. Преобразование сигналов из
аналоговой формы
представления в цифровую.

159.

3. Сравнение аналоговых
сигналов с выдачей результата в
виде дискретного сигнала.
4. Коммутация аналоговых
сигналов с помощью дискретных
управляющих сигналов.
5. «Фиксация» аналоговых
сигналов на время их
последующей обработки.

160.

6. Усиление или ослабление
аналоговых сигналов на
заданную величину под
воздействием дискретных
управляющих сигналов.
7. Модуляция и демодуляция
аналоговых сигналов цифровыми
методами.

161.

В системах автоматики часто
требуется
1.Сформировать аналоговые
сигналы цифровыми
методами.
Это управление аналоговыми
исполнительными устройствами,
генерация тональных, речевых
сигналов, сигналов специальной
формы, модуляция сигналов и т.п.

162.

2. Произвести обработку
аналоговых сигналов
цифровыми методами.
Ввод сигналов с аналоговых
датчиков, анализ свойств
тональных, речевых сигналов,
демодуляция сигналов и т.п.

163.

Основные типы аналогоцифровых устройств
1. Цифро-аналоговые
преобразователи.
2. Аналого-цифровые
преобразователи.
3. Компараторы.
4. Аналоговые мультиплексоры
и аналоговые ключи.

164.

5. Устройства выборки-хранения.
6. Цифровые потенциометры и
масштабирующие усилители.
7. Интегральные модуляторы,
демодуляторы и модемы.
8. Кодеки и кофидеки.
9. Синтезаторы и анализаторы
речевых сигналов.
10. Синтезаторы частоты.

165. АНАЛОГОВЫЙ КОМПАРАТОР

166.

Аналоговый компаратор –
аналого-цифровое устройство
с дифференциальными входами
и одиночным или парафазным
дискретным выходом.
Выполняет функцию сравнения
аналоговых сигналов на входах.
Результатом сравнения является
дискретный сигнал на выходе.

167.

+Eп
Пример схемы включения
аналогового компаратора
Uвх
+
-
==
+Eп
- Еп
GND
КР521СА1, КМ597СА1, К1401СА2
Если напряжение Uвх
на прямом входе
превышает
фиксированное
напряжение на
инверсном входе,
то на выходе
формируется
логическая 1.
Если меньше либо
равно - логический 0.

168. АНАЛОГОВЫЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР

169.

Аналоговый мультиплексор –
аналого-цифровое устройство,
имеющее N аналоговых входов,
M дискретных адресных входов
и один аналоговый выход.
N=2M
Выполняет функцию коммутации
аналогового сигнала с одного из
входов на выход,
в зависимости от состояния
дискретных адресных входов.

170.

Условно-графическое обозначение
аналогового мультиплексора
0
1
MUX
7
#
0
1
2
К591КН1
К590КН3
К543КН1

171. АНАЛОГОВЫЙ КЛЮЧ

172.

Аналоговый ключ –
аналого-цифровое устройство,
имеющее N аналоговых входов,
N аналоговых выходов
и N дискретных управляющих
входов.
При подаче на управляющий вход
сигнала активного логического уровня
аналоговый вход коммутируется на
соответствующий аналоговый выход.

173.

Условно-графическое обозначение
аналогового ключа
0
1
2
3
#
0
1
2
3
SW
0
1
2
3
К590КН2
К590КН5
К590КН10

174. УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ

175.

Устройство выборки-хранения
(УВХ) –
аналого-цифровое устройство,
предназначенное для фиксации
в момент подачи на дискретный вход
управляющего сигнала
мгновенного значения входного
аналогового сигнала
на заданное время хранения tхр

176.

УВХ имеет два режима работы:
выборки и хранения.
В режиме выборки (слежения) выходной
сигнал достигает значения
преобразуемого сигнала Uвх(t) и затем
отслеживает его до получения команды
на хранение.
С этого момента УВХ запоминает на
выходе мгновенное значение
преобразуемого входного сигнала.

177.

Условно-графическое обозначение УВХ
КР1100СК2
IN
OUT
CT
C
GND
+12В
- 12В
CХР

178.

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

179.

Цифро-аналоговый
преобразователь (ЦАП) устройство, предназначенное
для преобразования сигналов
из цифровой формы
представления в аналоговую.

180.

ЦАП используются для :
формирования гармонических
сигналов (тональные вызовы,
речевые сигналы);
формирования сигналов
специальной формы;
управления аналоговыми
исполнительными устройствами
(электродвигатели,
электромеханические приборы и пр.)

181.

Классификация ЦАП
1. По назначению:
• быстродействующие;
• прецизионные;
• универсальные;
• интерполирующие;
• перемножающие;
• специального назначения.

182.

2. По способу построения:
•с прецизионными резистивными
матрицами
- ЦАП с суммированием токов;
- ЦАП с делением напряжений;
•безматричного типа
- ЦАП с активными делителями тока;
- стохастические ЦАП;
- ШИМ.

183.

3. По типу выхода:
• с выходом по напряжению;
• с токовым выходом.
4. По способу записи дискретной
информации:
• с параллельными входами;
• с последовательным входом.

184.

5. По способу подачи опорного
напряжения:
• с внешним входом опорного
напряжения;
• с встроенным источником
опорного напряжения;
• комбинированные.

185.

Условно-графическое обозначение
ЦАП К572ПА1

186.

Преобразование токового выхода в
выход по напряжению

187.

Значение напряжения на выходе
n-разрядного ЦАП:
UВЫХ = D · UREF/2n,
где D – десятичный эквивалент числа на
входе ЦАП,
UREF – величина опорного напряжения,
2n – количество уровней квантования
при n-разрядном преобразовании.

188.

Для преобразования непрерывного сигнала
в дискретный необходимо произвести его
дискретизацию и квантование.
Дискретизация – разбиение непрерывного
сигнала по времени на отсчёты, функция
которых соответствует значению сигнала в
данный момент. Длительность отсчетов
задается частотой дискретизации.
Квантование - разбиение диапазона
изменения сигнала на отрезки равной
длины, т.е. деление значения функции на
постоянную величину - шаг квантования с округлением до целого.

189.

Чем больше значения уровней квантования и
глубины дискретизации, тем точнее цифровой
сигнал соответствует аналоговому.

190.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦАП
Разрядность - количество уровней
выходного сигнала, задается в
битах.
Разрешающая способность среднее значение минимального
изменения сигнала на выходе ЦАП,
является мерой измерения всех
основных статических
характеристик, обозначается как
МР (младший разряд).

191.

Динамический диапазон соотношение максимального и
минимального сигналов,
воспроизводимых ЦАП, выражается в
децибелах.
Абсолютная погрешность
преобразования в конечной точке
шкалы - отклонение реального
максимального значения выходного
сигнала от значения,
соответствующего конечной точке
идеальной характеристики
преобразования.

192.

Нелинейность - отклонение
действительной характеристики
преобразования от идеальной
линейной.
Напряжение смещения нуля напряжение, присутствующее на
выходе при подаче на вход
нулевого кода.

193.

Максимальная частота
преобразования - наибольшая
частота дискретизации, при которой
заданные параметры соответствуют
установленным норме.
Время установления выходного
сигнала - интервал от момента
изменения кода на входе ЦАП до
момента окончательного входа
выходного сигнала в зону заданной
ширины.

194.

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

195.

Аналого-цифровой
преобразователь –
устройство, предназначенное
для преобразования
аналогового сигнала в
цифровую форму
представления

196.

НАЗНАЧЕНИЕ АЦП
1.Исследование формы
непрерывных сигналов цифровыми
методами.
2. Измерение параметров
непрерывных сигналов.
3. Оцифровка аналоговых сигналов
для их последующей демодуляции.
4. Построение многоканальных
систем сбора аналоговой
информации.

197.

Классификация АЦП
1. По назначению:
• быстродействующие,
• прецизионные,
• многоканальные,
• специализированные,
• универсальные.

198.

2. По способу построения:
• АЦП с применением ЦАП
- следящий;
- последовательного счета;
- поразрядного уравновешивания
на основе регистра
последовательного
приближения(РПП);
• АЦП без применения ЦАП:
- прямого преобразования;
- двойного интегрирования;
- параллельного действия.

199.

Основные характеристики АЦП
Разрядность.
Разрешающая способность.
Динамический диапазон.
Точность преобразования.
Быстродействие
и др.

200.

Условно-графическое обозначение АЦП
К1113ПВ1
- 15В
+5В
Аналоговый вход
Сдвиг нуля
Гашение/Преобразование
Готовность
Фильтр
Uвх
CD0
B&C
RDY
AGND
DGND
/#
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D9