Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

При использовании логических и цифровых устройств в системах авто­матизированного управления возникает проблема связи их с различными элек­тронными преобразователями входных сигналов и исполнительными механиз­мами, у которых в большинстве случаев информация представлена в аналого­вой форме в виде различных уровней напряжения и тока. В этом случае для преобразования цифрового сигнала в аналоговый ис­пользуют так называемый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а для обратного преобразования – аналого-цифровой преобразователь (АЦП). ЦАП и АЦП выполняют в виде больших интегральных схем. Конструктивно ЦАП состоит из операционного усилителя (рис. 16.4 а), на вход которого с помощью электронных ключей (например, ключи на МОП-транзисторах), управляемых двоичным кодом, подключается матрица резисто­ров.

Рис. 16.4

Коэффициент передачи определяется по отношению . По входам 0, 1, 2, 3 ко­эффициенты передачи будут соответственно

, (16.1)

где – – числа, принимающие значения 0 или 1 в зависимости от положе­ния соответствующего ключа. Выходное напряжение ЦАП определяется по формуле

. (16.2)

Таким образом, двоичный код на входе ЦАП преобразуется на выходе в уровень напряжения .

Недостатками этой схемы ЦАП являются необходимость жестких требований к точности и стабильности сопротивлений матрицы, особенно старших разрядов, а также к качеству опорного напряжения источника питания при различных нагрузках. Условное обозначение ЦАП показано на рис. 16.4 б.

Аналого-цифровой преобразователь состоит из цифрового автомата (ЦА) (рис. 16.5), который по сигналу, поступающему на его вход, вырабатывает после­довательность соответствующих чисел в двоичном коде. Этот код подается на вход ЦАП, где формируется выходное напряжение , определяемое входными числами. Напряжение подается на вход компаратора, где сравнивается с входным напряжением Если напряжения и равны, то компаратор выдает сигнал, останавливающий работу цифрового автомата, и на его выходе в запоминающих буферных устройствах фиксируется соответствующий двоичный код.

Цифровой автомат представляет собой двоичный регистр (РГ), основное на­значение которого – запись и хранение информации в двоичном коде. Основными элементами регистра являются триггеры. Их число определяется числом двоич­ных разрядов, на которое рассчитан регистр. Регистр суммирует импульсы от тактового генератора (ТГ). В выходном буферном устройстве (БУ) хранятся числа в двоичном коде, поступающие от регистра. Вся схема питается от источника стабилизированного напряжения (ИсН).

Рис. 16.5

Импульсы, поступающие от тактового генератора на вход регистра, перево­дят его разряды в код 1, начиная со старшего разряда. Если старший разряд имеет код 1, ЦАП выдает на выходе соответствующее напряжение, которое сравнива­ется в компараторе с входным напряжением. Если и больше , то старший регистр получает код 0, в противном случае остается 1. Далее код 1 по­является в следующем разряде и цикл повторяется до младшего разряда регистра. После этого АЦП готов к выдаче кода из регистра.

Основными характеристиками ЦАП и АЦП являются быстродействие, погрешность и динамический диапазон изменения входного напряжения для АЦП и выходного для ЦАП.

ЦАП и АЦП являются основным связующим звеном между ЭВМ и раз­личными периферийными устройствами автоматизированных систем управле­ния технологическими процессами.

Микропроцессоры

Микропроцессор (МП) – программируемое электронное устройство, кото­рое предназначено для обработки информации, представленной в цифровом коде, и управления процессом этой обработки. Микропроцессоры изготовляют по инте­гральной технологии. Они представляют собой одну или несколько БИС (рис. 16.6).

Рис. 16.6

Микропроцессор обрабатывает входные данные с помощью команд, представленных в двоичном коде. Двоичная система исчисления (с основанием 2) использует только две цифры (1 и 2) для записи чисел. Эти цифры называются би­тами. Цифровые электронные устройства пред­ставляют биты в виде определенных уровней на­пряжения: 0 – низкое напряжение, 1 – высокое. Например, число 13 в двоичной системе представляется следующим обра­зом: 13=1·2³+1·2²+0·2¹+1·2⁰=1101. Крайний правый бит двоичного числа называ­ется младшим битом, крайний слева – старший. Микропроцессор работает с би­тами, объединенными в слова. Слово из восьми битов называется байтом.

Архитектура микропроцессора отражает структуру его строения. Микро­процессор состоит из следующих основных блоков (рис. 16.7):

Рис. 16.7

– арифметико-логическое устройство (АЛУ) – реализует арифметические (сложение и вычитание) и логические (И, ИЛИ, сравнение) операции;

– регистр временного хранения данных (РГ) – на вход его поступают ре­зультаты операций;

– регистр команд (РК) – 8-разрядный регистр, содержащий первый байт команды;

– дешифратор команд (Д) – устройство расшифровки содержимого реги­стра команд (Д определяет, что следует выполнить в данный момент);

– счетчик команд (СЧ) – устройство, содержащее 16-разрядный адрес очередной команды;

– аккумулятор (АК) – 8-разрядный регистр, используемый для выполнения и хранения промежуточных результатов арифметических и логических операций;

– регистр слова состояния процессора или файловый регистр (РФ) – группа триггеров, состояние которых зависит от результатов последней операции АЛУ – является индикатором состояния МП в данный момент времени;

– логический блок управления и синхронизации (ЛБУС) – передает сиг­налы управления и синхронизации во все остальные устройства МП и внешние устройства.

Все блоки МП связаны между собой и с внешними устройствами тремя группами параллельных проводов, называемыми шинами. Шина данных (ШД) служит для обмена исходными элементами данных (числовые данные, ко­манды). Шина адресов (ША) служит для передачи адресов – указаний местопо­ложения ячейки памяти в запоминающем устройстве. Шина управления (ШУ) служит для обмена сигналами управления между блоками МП и внешними устройствами.

Микропроцессор является основным элементом ЭВМ. Кроме него, в со­став ЭВМ (рис. 16.8) входит запоминающее устройство (ЗУ), выполненное на основе триггеров. ЗУ бывают двух типов:

Рис. 16.8

– постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), предназначенное для хранения неизменных данных – констант, программы монитора, обеспечиваю­щей функционирование системы, некоторых стандартных программ. Такую информацию ПЗУ может только считывать;

– оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – содержит изменяемые данные – программы пользователей, результаты вычислений и др. В процессе работы информация ОЗУ может удаляться и записываться в процессе выполнения программ. При отключении питания информация ПЗУ сохраня­ется, а в ОЗУ стирается.

В состав ЭВМ также входят различные устройства ввода – вывода УВВ информации. Для ввода информации используются клавиатура, преобразова­тели сигналов, датчики и т.д.

Вывод информации осуществляется с помощью индикаторов, дисплеев, печатающих устройств, средств регистрации.

Элементы ЭВМ соединяются друг с другом и с внешними устройствами при помощи специальных аппаратных средств, называемых интерфейсом. Син­хронизация работы всех элементов осуществляется генератором тактовых им­пульсов (ГТ), задающим частоту работы ЭВМ.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите несколько логических элементов цифровых цепей и укажите, какие функции они выполняют.

2. Что такое микропроцессор?

3. Перечислить состав и назначение типичных функциональных блоков микропроцессора.

4. Объясните, почему микропроцессоры имеют важное значение для развития современной вычислительной техники?