Преобразование цифровых сигналов в аналоговые

Преобразование цифровых сигналов, а аналоговую форму является относительно простим процессом. Когда операционный усилитель в инвертирующем включении охвачен обратной связью, входной резистор и резисторы обратной связи определяют

его коэффициент усиления G:

Если схема цифро-аналогового преобразователя выполнена так, как показано на рис. 2.29, тогда «вес» каждого входа может быть задан выбором соответствующею сопротивления резистора. В случае 4-разрядного цифрового сигнала, как показано на рисунке, сигнал наиболее значимого бита будет усиливаться с коэффициентом «единица». Сигнал следующего бита будет передан с коэффициентом 1/2, следующий - как 1/4 и, наконец,

сигнал самого малого разряда будет передан с коэффициентом 1/8. Схему подобною типа часто называют сумматорам. Выходной сигнал, таким образом, пропорционален значению цифрового

кода на входе схемы.

Главная проблема такой схемы заключается в том, что точность выходного сигнала зависит от разброса сопротивления резисторов. Имеются и другие типы цифро-аналогового преобразователя,

например, матрицы R-2R, но принцип их действия похож на описанный выше.

Рис. 2.29. Схема цифро-аналогового преобразователя

Аналого-цифровое преобразование

Эта схема служит для преобразования аналогового сигнала, например, сигнала от термистора, в цифровой сигнал для обработки компьютером или логической схемой.

Рис. 2.30. АЦП с последовательным счетчиком

Большинство схем работают по принципу сравнения выходного сигнала цифро-аналогового преобразователя (ЦДЛ) с входным

напряжением. На рис. 2.30 схематически изображен аналого-цифроасй преобразователь (АЦП) линейноготипа. АЦП этого типа действуют медленнее, чем другие, но зато у них очень простая логика работы.

Выход двоичного счетчика соединен с входом ЦАП, выход которою служит эталоном. Это напряжение сравнивается с входным напряжением, и как только оба напряжения будут равны, счетчик останавливается. Значение кода счетчика, таким

образом, является цифровым представлением входного напряжения. Действие других цифровых компонентов данной схемы будет объяснено в следующем разделе.

АЦП доступны в виде интегральных схем и могут работать с очень высокой скоростью при типовых разрешениях до 1/4096 (12 разрядов). Скорость работы АЦП критична при преобразовании

переменных или осциллирующих входных сигналов. Как правило, скорость считывания кода должна быть по крайней мере вдвое больше частоты входного сигнала.

Цифровая электроника

Введение в цифровые схемы

На практике при решении каких-либо проблем результат обычно можно выразить через простой ответ «да/нет» или «истина/ложь». Давайте возьмем простой пример: если ответ на первый или второй вопрос будет «да», тоща включится индикатор тормозов, если же оба ответа будут «нет», тогда индикатор будет выключен:

1. Это сигнал включения ручного тормоза?

2. Это низкий уровень в резервуаре тормозной жидкости?

В этом случае нам нужно, чтобы выходной сигнал электрической схемы перешел в состояние «включен», когда любой из его входных сигналов находится в состоянии «включен». Входные сигналы могут быть получены благодаря простым выключателям на ручном тормозе и на бачке тормозной жидкости.

Цифровой прибор, которому предстоит решить эту задачу, является схемой «ИЛИ» (OR). Она будет описана в следующем разделе.

Как только проблема может быть описана в логических величинах, тогда подходящая цифровая или логическая схема может дать ответ на поставленную проблему. Здесь могут быть также использованы простые схемы, сохраняющие логическое состояние, соответствующее их последнему входному сигналу, —это есть, по сути, простые схемы «памяти» Благодаря комбинированию больших количеств этих «цифровых кирпичиков», схемы можно довести до уровня, позволяющего решить сложнейшую задачу в считанную долю секунды. За

счет технологии интегральных схем теперь стало возможным создавать сотни тысяч, если не миллионы, базовых элементов на одном кристалле. Это обеспечило подъем уровня современных систем управления автомобилем настолько, что все они без исключения снабжаются компьютером:

В электронных схемах логические значения «истина/ложь» соответствуют определенным значениям уровня напряжения. В одной такой логической системе, известной как ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), «истина», или логическое значение «!». представляется уровнем напряжения выше

2,4 В (в среднем 3,5 В), а «ложь», или логическое значение «0», - уровнем менее 0,4 В.

Логические вентили

Символы и таблицы истинности для базовых логических вентилей показаны на рис. 2.31. Таблица истинности описывает, какой комбинации входных сигналов будет соответствовать определенный выходной сигнал.

Схема «И» (AND) будет генерировать выходной логический сигнал «1», если оба входных сигнала также имеют уровень «1». Другими словами: выход равен «1», когда входные сигналы в выражении «Л И В» равны «1».

Схема «ИЛИ» (OR1 формирует выход «1» по выражению «А ИЛИ В», когда один или оба входных сигнала равны «1». Опять же для этой схемы могут быть использованы более двух входов.

Схема «НЕ» (NOT В является очень простым прибором, где выходной сигнал всегда будет находиться в противоположном логическом состоянии, нежели входной сигнал. В этом случае вход и выход связаны как «А = NOT В» и, конечно же, этот прибор имеет только один вход и один выход.

Каждая из схем И г ИЛИ может бить скомбинирована с вентилем НЕ, чтобы образовать схему И-НЕ (NAND) и схему ИЛЙ-НЕ (NOR), соответственно.

Оказалось, что эти две схемы являются наиболее универсальными и позволяют конструировать сложные логические цепи. Выходкой

сигнал этих схем сеть инверсия выходного сигнала первоначальных схем И и ИЛИ.

Наконец, схема, известная как «исключающее ИЛИ» {ХОК), может иметь только два входа. Эта схема будет формировать выходной сигнал «1», когда выполняется условие Л ИЛИ В, но при этом, ни один из входных сигналов не равен другому.

Комбинационная логика

Схемы, состоящие из многих логических вентилей, описанных в предыдущем разделе, пазы шлются схемами комбинационной логики. Они не имеют «памяти» или счетчиков и могут быть

представлены диаграммой состояний с N входами и Z выходами. Первая стадия в процессе создания схемы комбинационной логики заключается в том, чтобы определить требуемые соотношения между входами и выходами.

Предположим некую ситуацию, в которой нам нужна схема, чтобы сравнивать два набора из трех входов и, если они неодинаковы, обеспечить на одном выходе сигнал «1». Эта предельно упрошенная ситуация может быть использована для сравнения действия системы сдвоенных сигналов безопасности,

таких как электронный блок управления системой антиблокировки колес (ABS). Логическая схема может быть выполнена таким образом, чтобы включать индикатор предупреждения, если возникает расхождение между двумя схемами безопасности.

На рис. 2.32 приведена блок-схема и возможный вариант се реализации.

При анализе таблиц истинности для базовых логических схем выясняется, что вентиль «исключающее ИЛИ» наилучшим образом подходит для выполнения сравнения: он создаст на выходе

уровень «0» только тогда, когда оба входных сигнала одинаковы. Далее выходы с трех схем сравнения подаются на схему ИЛИ стремя входами, которая при условии значения всех входных сигналов «0» даст на выходе уровень «0». Если любой из входов изменится на «1», выходной сигнал станет«1», и тогда зажжется индикатор предупреждения.

Комбинации вентилей могут быть сконфигурированы для решения любой задачи. Одно из популярных применений —сумматор для выполнения операции сложения двух двоичных чисел. Вычитание достигается преобразованием вычитания в сложение (4 —3 = 1 то же самое, что 4 + (-3)=1). Сумматоры

также используют для того, чтобы выполнять операции умножения и деления чисел, потому что фактически это операции многократного сложения и вычитания.

Последовательная логика

Логические схемы, описанные выше, были очень простыми комбинациями различных вентильных схем. Выходной сигнал каждой схемы однозначно определялся текущим состоянием входов. Схемы, которые обладают способностью запоминать предыдущие входные сигналы или логические состояния, известны как схемы последовательной лотки. В этих схемах последовательность предыдущих входных сигналов определяет текущий выходной сигнал. Поскольку последовательные схемы сохраняют информацию и после тот, как входные сигналы

сняты, они служат основными «кирпичиками» для построения компьютерной памяти.

Базовые схемы памяти называются бистабильными, так как они имеют два стабильных состояния. Однако чаше их называют триггерными схемами («защелками»).

Существует три основных схемы триггеров: RS- трипер, D-триггер и JK -триггер. Триггер RS-памяти может быть сконструирован при помощи двух элементов И-НЕ и двух вентилей НЕ, как это показано на рис. 2.33. Если мы начинаем работу с

двумя «0» на входах, а сигнал X имеет состояние «1», который поступает на вход другой схемы И-НЕ, то ее выходом будет «0». Если теперь вход А изменит свое состояние на «1», выход X изменится на «О», который, в свою очередь, заставит выход Y

измениться на «1». Выходные сигналы схемы поменяли свое состояние. Если вход Л снова примет значение «I», выходы схемы останутся неизменными до тех нор, пока вход В не перейдет на уровень «I», заставляя выходы снова поменять значения на противоположные. В этом варианте схема запоминает тот вход, который был последним в состоянии «1». Если это был вход А, тоща выход X «мест значение «О», и выход Y имеет значение

«I». Если же это был вход В, то выход X имеет значение «1», выход В —«0». Этот триггер (RS-триггер) является простейшим типом схем памяти. RS означает «установка-сброс» (set - reset).

Второй тин триггеров—D-триггер. Он имеет два входа, маркированных как С К —вход для синхронизации (СК —от англ. clock), и D —вход данных. Выходы обозначены как Q и Q. Часто их

называют Q и НЕ-Q. Выход Q принимает логическое состояние D-входа в момент поступления синхроимпульса. Ж-триггер является комбинацией двух предыдущих триггеров. Аналогично RS-

типу, он имеет два установочных входа, но в данном случае маркируемых как J и К, и управляется импульсом синхронизации подобно D-триггеру. Выходы обозначаются так же: Q и Q.

Схема запоминает последний входной сигнал, чтобы изменить состояние таким же образом, как это делал RS-триггер. Основное отличие состоит в том, что изменение выходов происходит только

по импульсу синхронизации. Выходы также изменятся, если на обоих входах J и К установится логическая «1», что недопустимо в RS- триггерах.

Таймеры и счетчики

Прибор, используемый в качестве таймера, называют

моностабильной схемой, так как она имеет только одно устойчивое состояние. На основе этого устройства делают точные и легко управляемые таймеры. Для установки времени задержки используют конденсатор и резистор. На рис. 2.34 показана схема таймера с присоединенными резистором и конденсатором.

Каждый раз, когда входной сигнал переходит с «0» на «1». выходной сигнал О переходит с уровня «0» на уровень «1» в интервале t секунд. Другой выход схемы принимает при этом инверсное значение. В действительности имеется множество вариантов этого типа таймеров. Время задержки t обычно равно 0,7RC.

Счетчики конструируются из последовательности и бистабильных схем. Двоичный счетчик будет считать импульсы синхронизации, поступающие на его вход. На рис. 2.35 показан четырехразрядный счетчик, сконструированный из триггеров D-типа. Эти счетчики называются «счетчиками пульсаций», или асинхронными, потому что изменение состояния триггеров счетчика от младшего разряда до выхода происходит не одновременно. Для счетчика важен тип триггеров. В данном случае используется отрицательный спад синхроимпульса, это означает,

«то приборы меняют состояние, когда синхроимпульс меняет уровень с «1» на «0». Счетчики могут быть сконфигурированы так, чтобы считать «по возрастанию» или «по убыванию» сигнала.

В низкоскоростных схемах «пульсирующие счетчик»!» не создают проблем, но на высоких скоростях задержка в изменении состояний от одного числа к другому может оказаться критической.

Чтобы преодолеть проблему асинхронного переключения, можно сконструировать синхронизируемый счетчик из JK-триггеров в сочетании с некоторой комбинационной логикой. На рис. 2.36

показан 4-разрядный синхронный счетчик по возрастанию. При такой организации схемы все выходы меняются одновременно, так как комбинационная схема устанавливает JK —входы в значение «1», если требуется переключение. Существуют «готовые к употреблению» счетчики различных систем счисления (не только двоичной), считающие «на возрастание» и «на убывание».

Схемы памяти

Описанные выше электронные схемы, сконструированные с использованием триггеров, представляют одну из форм электронной памяти. Если триггеры соединены так, как показано на рис. 2.37, то они формируют один элемент памяти слова из 8-ми разрядов (бит). Такая схема, однако, чаше называется регистром, нежели памятью. Восемь бит (двоичных цифр) составляют один байт. Следовательно, данный регистр имеет память в один байт. Когда используется более одного регистра, требуется задать

адрес для каждого регистра, чтобы осуществлять выборку али сохранение данных в определенном регистре.

На рис. 2.38 показана блок-схема системы 4-байтной памяти. Там же показана адресная шина, поскольку каждая область этой памяти располагается по своему уникальному адресу. Как поясняется ниже, понадобится также и шина команд.

Для того чтобы в показанной системе сохранить (записать) информацию или получить информацию (прочитать), сначала нужно выбрать регистр, содержащий требуемую информацию. Эта задача достигается установкой адреса для каждого регистра.

В нашем примере адресная шина при использовании дешифратора адреса будет требовать только две линии для выборки одного из четырех элементов памяти. Эти адреса будут иметь двоичную запись: «00», «01», «10» и «11 о. Так что если «I I» есть состояние адресной шины, простая схема комбинационной логики (элемент И) выберет только один регистр, обычно через вывод, маркируемый как CS, то есть выбор кристалла (chip select). Как только регистр будет выбран, сигнал с шины команд «скажет» регистру, что нужно сделать: либо прочесть данные из памяти, либо записать информацию с шины данных. Синхроимпульс гарантирует, что все операции синхронизированы.

Этот пример может показаться слишком сложным способом выборки четырех байтов данных. На самом деле он лишь демонстрирует принцип этого техническою приема, что очень важно, поскольку тот же самый способ может быть применен

для выборки из памяти кристаллов, содержащих огромное количество информации. Заметим, что с адресной шиной из двух линий возможен доступ к четырем байтам. Бели число адресных линий возрастает до 8-ми. тогда доступными становятся 256 байтов (2а = 256). Десять адресных линий могут определять адреса 1 Кбайт информации, и т.д.

Память, которая была только что описана, вместе с приемами, используемыми для выборки данных, является типичной для большинства вычислительных систем. Этот тип памяти известен

как нанять с произвольным доступом (random access memory - RAM). Данные могут быть записаны и прочитаны из этой памяти, но заметим, что такая память не постоянна, другими словами, она

«забудет» все данные, как только будет отключено питание.

Другой тип памяти, которая может быть только «прочитана», но не «прописана», известна как постоянная память (read only memory —ROM, ПЗУ). Этот тип памяти содержит постоянно сохраняемые данные, которые ни будут потеряны, когда электропитание будет отключено, такую память называют энергонезависимой. Имеется много типов ROM-памяти, которые постоянно хранят информацию, но особо стоит упомянуть один тип—EPRQM (изменяемая программируется постоянная память —erasable programmable read only memory). Он представляет собой вариант постоянной , но стираемой и перепрограммируемой

памяти. Информация в ней может быть изменена с помощью специального оборудования (некоторые типы стираются ультрафиолетовым излучением), но для всех прочих целей эта

память является постоянной. В электронном блоке управления двигателем (electronic control \mit^ ECU) информация о функциях и программы управления хранятся о постоянной памяти, в то время как оперативная информация (скорость вращения, нагрузка, температура и т.д.) сохраняются в оперативной памяти RAM.

В отечественной литературе более распространен термин «оперативная память» или «оперативное запоминающее устройство» (ОЗУ). - Прим. научн. ред.