Понятие цифро-аналогового преобразования

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) могут применяться как в составе отдельных функциональных звеньев, так и как самостоятельный узел. Классификаций ЦАП существует много. Простейшая из них – это деление на матричные и безматричные. Матричные ЦАП делятся на приведённые ниже группы. Первая из них – с делением напряжения, рисунок 3.13.

Рисунок 3.13 – Кодоуправляемый делитель напряжения

В процессе развития такие кодоуправляемые делители напряжения разбивались на m группс целью минимизации величины исходных сопротивлений резисторов. Для увеличения точности при их изготовлении увеличивают число групп до значения, равного числу двоичных разрядов, используя схему по рисунку 3.14. Здесь число групп m равно числу двоичных разрядов n. Резисторы имеют два номинальных значения R и 2R.

Рисунок 3.14 – Делитель напряжения типа R-2R

Для такой схемы дискретного делителя напряжения выходное напряжение определяетсяследующим образом:

(3.10)

где –квант ЦАП; N – число, код которого подается на кодоуправляемый делитель напряжения.

Для этой схемы выходное сопротивление R_вых = R = const. Входное сопротивление изменяется в широких пределах в зависимости от состояния ключей. Показано, что R_{вх min} будет при чередовании состояний (0; 1) в разрядах:

R_{вх min} » 9R / (n + 1). (3.11)

Быстродействие ЦАП лимитируют:

– переходные процессы из-за паразитных ёмкостей и индуктивностей резисторов, соединительных проводов;

–задержки, обусловленные выходом из насыщения транзисторов в переключателях.

Уменьшение величин паразитных ёмкостей и индуктивностей достигается за счёт тонкоплёночных наборов резисторов в виде матриц. Изготавливаются они для ЦАП с использованием взвешенных резисторов, сопротивление которых зависит от номера разряда: R_n = 2^n-mR. Их типы: R–2R– 4R–8R– … ; R– 2R. В матрицах номинальная величина R выдерживается с погрешностью несколько процентов, но отношение выдерживается с малой погрешностью, менее 0,01 %. Матрицы выпускаются размерностью до 16 двоичных разрядов в корпусах ИС.

Так как паразитные ёмкости и индуктивности сказываются только при изменении тока через резистор, то надо сделать, чтобы при смене кодов не изменялись токи, протекающие через резисторы. Также увеличивает быстродействие замена активных элементов в переключателях на ненасыщенные (ДБШ, ПТШ, ДБШ + биполярный транзистор). Схему такого преобразователя «код-напряжение» (ПКН) можно представить в виде по рисунку 3.15.Здесь суммирование напряжений заменяется суммированием токов. Для получения токов в разрядах I_i применяются схемы, по своим свойствам приближающиеся к идеальным источникам тока.

Рисунок 3.15 – Преобразователь по параметру «сила тока»

Таким образом, вторая группа матричных ЦАП – токовые ЦАП. Токовый ЦАП со взвешенными резисторами имеет схему, представленную на рисунке 3.16. На инвертирующем входе операционного усилителя (ОУ) напряжение равно нулю, независимо от состояния переключателей. Ток в i-м разряде может быть:

, (3.12)

или I_i = 0 (по коду). Ток , а u_o = –I_åR_oc пропорционально коду N.

Рисунок 3.16 – ЦАП со взвешенными резисторами

Формирование выходного напряжения токового ЦАП производится различными способами,например, приведёнными ниже. При малой С_н и малом u_вых – по рисунку 3.17.

Рисунок 3.17 – ЦАП с малым выходным напряжением

Для большого диапазона выходного напряжения или малых величинR_н и больших C_н применяют схемы по рисунку 3.18.

Рисунок 3.18 – ЦАП с большим выходным напряжением

Для получения большого значения u_вых и увеличенного быстродействия заменяют выходные узлы ОУ. Характеристики ЦАП можно разделить на две группы: динамические и преобразования. Характеристики преобразования даны на рисунке 3.19.

Рисунок 3.19 – Характеристики преобразования ЦАП

На рисунке 3.20 приведены возможные разновидности нелинейности характеристики преобразования ЦАП.

Рисунок 3.20 – Нелинейность характеристики преобразования ЦАП

Ниже на рисунке 3.21 приведены основные динамические параметры ЦАП.

А)Время установления выходного сигнала: время от момента изменения кода на входе от минимального до максимального до момента, когда значение выходного сигнала отличается от установившегося на заданную величину (0,5 ЕМР).

Б)Время задержки распространения: время от момента достижения входным сигналом уровня 0,5 своего значения до момента достижения выходным сигналом уровня 0,5.

В)Время нарастания – время, за которое выходной сигнал изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения.

Д) Время переключения – время от момента изменения входного кода до достижения на выходе уровня 0,9.

Рисунок 3.21 – Основные динамические характеристики ЦАП

Микропроцессоры

Микропроцессор – это устройство цифровой обработки информации, осуществляемой по программе.По назначению он близок к процессору ЭВМ, однако обладает меньшими функциональными возможностями. Микропроцессор реализуется в виде одной или нескольких микросхем высокой степени интеграции и применяется совместно с электронным запоминающим устройством программы(3УП) и запоминающим устройством данных (ЗУД), а также с устройством ввода-вывода (УВВ) [2]. По аналогии с ЭВМ система, состоящая из микропроцессора и указанных устройств, получила название микро-ЭВМ или микропроцессорной системы (рисунок 3.22).

Рисунок 3.22 – Функциональная схема микро-ЭВМ

Устройство ЗУ программ предназначено для хранения команд, составляющих программу работы микропроцессора, и выполняется таким образом, что информация, записанная в нем, не теряется при перерывах в напряжении питания. Устройство ЗУ данных используется для хранения данных, предназначенных для обработкимикропроцессором. Устройство УВВ обеспечивает ввод данных в ЗУД и их вывод к внешним приборам и устройствам. Микропроцессор состоит:

а) из схем, обеспечивающих выборку команд из ЗУП, их дешифрирование и выполнение;

б)арифметическо-логического устройства (АЛУ), представляющего собой совокупность схем, реализующих арифметические и логические операции над данными;

в)устройства управления, предназначенного для управления операциями и имеющего связи с ЗУП, ЗУД, и УВВ;

д)различных регистров, служащих местом временного хранения и преобразования данных и команд.

Блоки микропроцессорной системы связаны трактом передачиадресов для выборки микропроцессором команд из ЗУП и данных из ЗУД или УВВ, а также трактом передачи команд из ЗУП в микропроцессор и данных из ЗУД или УВВ в микропроцессор и от него. Оба тракта передачи информации состоят из некоторого количества проводников, каждый из которых может подключаться к соответствующим приемникам и источникам микропроцессорной системы, осуществляя многократное использование каждого проводника для создания связи между узлами блоков микропроцессорной системы. Это достигается устройством управления микропроцессора, осуществляющим разделение во времени соответствующих связей (мультиплексирование).

Система с микропроцессором оперирует информацией в двоичной системе счисления. Каждый разряд двоичного числа называется битом. Крайний слева бит имеет наибольший вес, в связи с чем он называется старшим битом(разрядом). Крайний справа бит имеет наименьший вес, поэтому его называют младшим битом(разрядом). Обозначение битов 16-разрядного двоичного числа показано на рисунке 3.23.

Информация, которую обрабатывает микропроцессор, представляется группой битов, составляющих слово.

Рисунок 3.23 – Структура двоичного кода микропроцессорной системы

Количество битов в слове, несущем информацию о данных, зависит от типа микропроцессора.Наиболее распространены слова для передачи данных длиной в 4, 8, 12, 16 и 32 бит. Количеством битов в слове для передачи данных определяется, в частности, число разрядов приемных регистров, входящих в сверхоперативную память микропроцессора. Длина слова, предназначенного для передачи адресов (адресации) к ЗУП и ЗУД, может превышать длину слова для передачи данных (соответственно может быть больше и число проводников в тракте передачи адресов). Это позволяет существенно увеличить объем памяти ЗУП и ЗУД. Так, при 16-битовом адресном слове(16 проводников в тракте передачи адресов) может быть опрошено 2ⁿ = 65536 ячеек ЗУ.

Биты, образующие слово, подразделяют на группы. Группа, состоящая из 8 бит, называется байтом (рисунок 3.23). Делениеслова на байты позволяет упростить представление двоичного слова, применив шестнадцатеричную форму записи(шестнадцатеричный код). Так, двоичное число, представленное на рисунке 3.23, будет иметь в шестнадцатеричном коде запись в виде E57D₁₆.

Функционирование всех узлов и блоков микропроцессорной системы (см. рисунок 3.22) инициируется генератором тактовых импульсов. Для выполнения микропроцессором одной команды, хранящейся в ЗУП, требуется несколько периодов тактовых импульсов. Время выполнения команды называетсякомандным циклом. Командный цикл может составлять один или несколько машинных циклов. В машинный цикл входятцикл выборки и исполнительный цикл (рисунок 3.24). Во время цикла выборки микропроцессор определяет адрес команды, находящейся в ЗУП, и считывает эту команду в микропроцессор. За время исполнительного цикла микропроцессор осуществляет выполнение считанной команды.

Рисунок 3.24 – Цикл работы микропроцессора

Функциональная схема микропроцессора. Микропроцессор представляет собой сложное цифровое устройство, состоящее из большого количества функциональных узлов. Но независимо от типа микропроцессора можно выделить отдельные функциональные узлы, составляющие основу его построения, рисунок 3.25.

Рисунок 3.25 – Обобщённая функциональная схема микропроцессора

А)Счетчик команд создаёт адрес (0, 1, 2, ...) команды, выбираемой микропроцессором из ЗУП в текущий момент времени. Он представляет собой суммирующий счетчик, содержание которого увеличивается на единицу к концу выполнения текущей команды. Этим достигается выбор адреса следующей команды из ЗУП. Микропроцессор может работать с подпрограммами: в этом случае в счетчик команд принудительно записывается число, соответствующее адресу первой команды подпрограммы, а к завершению последней команды в подпрограмме счетчик команд устанавливается на адрес команды основной программы. Количество ячеек (битов), из которых состоит счетчик команд, зависит от типа микропроцессора. Так, при 16-битовом счетчике команд микропроцессор имеет возможность обращаться к ЗУП, содержащему 2¹⁶ адресов (команд).

Б)Регистр команд предназначен для хранения в микропроцессоре команды, считанной из ЗУП, на период ее выполнения. Выполнение команды осуществляется блоком управления (управление машинным циклом), который получает с выходов дешифратора необходимые сигналы для приведения в действие требуемых узлов микропроцессора.

В) Формирователь адресовоперандов состоит из одного или нескольких регистров, в которых составляется адрес данных (операнда) перед обращением к ЗУД.

Д) АЛУ – арифметическо-логическое устройство – осуществляет операции сложения, вычитания, сравнения, а также операции И, ИЛИ над двумя числами (операндами) с выдачей результата по одному выходу. Вид операции задается командным кодом, содержащимся в регистре команд.

Е) Аккумулятор представляет собой основной регистр, предназначенныйдля ввода данных в микропроцессор и вывода их от него. В аккумулятор поступает операнд из ЗУД перед проведением соответствующей операции в АЛУ. В аккумулятор вводится результат проведенной в АЛУ операции.

Ж) Регистры сверхоперативной памяти предназначены для временного хранения данных перед проведением операций в АЛУ. Если, например, требуется провести операцию арифметического сложения двух чисел, то одно число предварительно хранится в аккумуляторе, а второе – в одном из регистров сверхоперативной памяти.

К началу выполнения программы микропроцессор должен находиться в исходном состоянии. С этой целью предусматривается подача сигнала «Установка нуля», которым все регистры микропроцессора, в том числе счетчик команд, устанавливаются в исходное нулевое состояние. Регистр адреса команд (счетчик команд), устанавливается на соответствующий адрес ЗУП. Старт-адрес первого слова команды обычно представляется числом ноль.