Мультиплексоры

В тех случаях, когда требуется последовательно опросить ло­гические состояния многих устройств и передать их на один выход, применяют устройство, называемое мультиплексором (от англ. multiplex—многократный). На рис. 10.27, а приведена схема мультиплексора с двумя информационными входами (Х₀, X₁) и управляющим (адресным) входом а, а на рис. 10.27, б — эквива­лентная схема мультиплексора. При а=1 на выход передается значение Х₁, а при а=0 — значение Х₀.

На рис. 10.28, а, б приведены схема и условное обозначение муль­типлексора на четыре входа (Х₀—Х₃). Она имеет два адресных входа: а₀ и a₁. Из рис. 10.28, а следует, что

.

Мультиплексоры выпускают в виде микросхем, например К155КП2 (четырехканальный мультиплексор 4х1) или К155КП1 (16-канальный мультиплексор 16х1).

10.9 Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)

Представляет собой большую интегральную схему, имеющую p₁ входов и р₂ выходов. Упрощенная структурная схема ПЗУ при p₁=2, р₂=3 приведена на рис. 10.29, а. На входе ПЗУ установлен дешифратор. При каждой ком­бинации входных сигналов появляется сигнал 1 на одном из выходов дешифратора. Между шинами де­шифратора и выходными шинами ПЗУ Х, У, Z включены цепочки из двух диодов, одна из которых приве­дена на рис. 10.29, б. Цепочки не проводят ток, и связи меж­ду шинами и Х, У, Z в исходном состоянии ПЗУ отсутствуют.

Потребитель создает нужные связи между шинами, по­давая пробивные напряжения между определенными выхо­дами, при этом соответствующие диоды пробиваются и в дальнейшем могут рассматриваться как короткозамкнутые. Созданные постоянные связи показаны на рис. 10.29, а круж­ками. При подаче сигнала 1 на шину k на шинах Х и Z те­перь также будут единичные потенциалы. Таким образом, потребитель может реализовать на ПЗУ нужную ему таб­лицу истинности комбинационного устройства. В схеме рис. 10.29, например, реализована табл. 10.14.

Процесс записи таблицы в ПЗУ можно уподобить про­цессу записи текста в чистую тетрадь. Одна схема ПЗУ мо­жет заменить большое число логических микросхем малого и среднего уровня интеграции, поэтому ПЗУ могут эффективно использоваться для создания сложных комбинацион­ных устройств. Кроме того, ПЗУ находят широкое приме­нение как элементы постоянной памяти, в которые зано­сятся сведения, постоянно используемые при работе управляющих и вычислительных устройств, в том числе микропроцессоров.

10.10 Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП)

В связи с широким внедрением цифровых вычислительных средств, в первую очередь микропроцессоров и микро-ЭВМ, во все отрасли науки и техники стала актуальной задача связи ЭВМ с различными техническими устройствами. Как правило, информация первичных преобразователей (сигналов датчиков) пред­ставляется в аналоговой форме, в виде уровней напряжения. Боль­шая часть исполнительных устройств (электродвигатели, электро­магниты и т. д.), предназначенных для автоматического управления технологическими процессами, реагирует также на уровни напря­жения (или тока). С другой стороны, цифровые ЭВМ принимают и выдают информацию в цифровом виде. Для преобразования ин­формации из цифровой формы в аналоговую применяют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), а для обратного преобразования — аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

ЦАП и АЦП характеризуются погрешностью, быстродействием и динамическим диапазоном. Погрешность состоит из методической и инструментальной составляющих.

Быстродействие ЦАП и АЦП определяется временем преобразо­вания: для ЦАП — интервалом между моментами поступления входного кода и установления выходного сигнала (с заданной точ­ностью), для АЦП — интервалом от момента пуска преобразователя до момента получения кода на выходе.

Динамический диапазон — допустимый диапазон изменения вход­ного напряжения для АЦП и выходного напряжения для ЦАП.

Принцип действия простейшего цифро-аналогового преобразователяпоясняет схема рис. 10.30, а. Основу ЦАП составляет матрица резисторов, подключаемых к вхо­ду операционного усилителя ключами, которые управляются двоичным кодом (например, параллельным кодом регистра или счет­чика).

Коэффициенты передачи К=-U_вых/U_оп по входам 2⁰, 2¹, 2² и 2³ равны соответственно:

,

где z₀-z₃, — числа, принимающие значения 0 или 1 в зависимости от положения соответствующих ключей.

Выходное напряжение ЦАП определяется суммой

.

Таким образом, четырехразрядный двоичный код преобразуется в уровень U_вых в диапазоне от 0 (z₃z₂z₁z₀ = 0000₂) до 15DU (z₃z₂z₁z₀ = 1111₂), где DU — шаг кванто­вания. Для уменьшения по­грешности квантования необхо­димо увеличивать число двоич­ных разрядов ЦАП. На рис. 10.30, б приведено условное обо­значение ЦАП.

Приведенная на рис. 10.30, а схема ЦАП имеет, по крайней мере, два недо­статка. Во-первых, к резисторам стар­ших разрядов предъявляются жесткие требования по точности и стабильно­сти, так как отклонение проводимо­сти резистора старшего разряда от номинального значения не должно превышать про­водимости резистора младшего разряда. Во вторых, нагрузка источника U_оп изменяется в зависимости от положения ключей, что требует применения источника с малым внутренним сопротивлением для ослабления влияния этого сопротивления на U_оп при разных токах нагрузки.

От перечисленных недостатков свободна схема ЦАП, показанная на рис. 10.31. В ней используют трехпозиционные ключи, которые подсоединяют резисторы 2R либо ко входу суммирования операционного усилителя, либо к пулевой точке. При этом токи через резисторы 2R не изменяются. Резисторы соединены в матрицу типа R-2R, имеющую постоянное входное сопротивление со стороны источника U_оп, равное R независимо от положения ключей. Коэффициент передачи напря­жения между соседними узловыми точками матрицы равен 0,5. Для схемы рис. 138 выходное напряжение ЦАП определяется выражением

.

Матрицы резисторов типа R—2R выпускаются в виде интегральных микро­схем, например серии 301.

Для переключения резисторов применяют транзисторные ключи, например МОП-ключи VТ1 и VТ2 (рис. 10.32). ЦАП выпускаются в виде интегральных микро­схем, например серий 572 и 594. Так, БИС 572ПА1В имеет 10 двоичных разрядов и время установления выходного напряжения 5 мкс, а микросхема К594ПА1 — 12 разрядов и время установления 3,5 мкс.

Принцип действия аналого-цифрового преобразователя наиболее распространенного в настоя­щее время последовательного типа поясняется рис. 10.33. Цифровой автомат ЦА по команде «Пуск» вы­рабатывает последовательность чисел в двоичном коде. Числа поступают на вход ЦАП, на выходе которого на­пряжение изменяется по закону, оп­ределяемому входными числами. Вы­ходное напряжение ЦАП поступает на вход компаратора, где оно сравни­вается с входным напряжением U_вх АЦП. При равенстве U_вх и U_ЦАП ком­паратор выдает сигнал, по которому останавливается работа циф­рового автомата, и на его выходе фиксируется двоичный код со­ответствующий U_вх.

На рис. 10.34, и приведена структурная схема БИС АЦП серии К1113 (К1113ПВ1). Здесь цифровой автомат выполнен в виде двоичного счетчика СТ последовательного приближения, суммирующего импульсы тактового генератора ТГ; выходных буферных устройств 1, 2, 4, ..., 256, соответствующих двоичным разрядам счетчика; схемы готовности данных ГД, управляемой счетчиком и выда­ющей команду на считывание выходного кода. Термостабилизированный источник опорного напряжения ИОН вырабатывает напряжение U_оп для ЦАП. Компаратор выполнен синхронизируемым импульсами тактового генератора.

Поступающие на вход счетчика импульсы тактового генератора последова­тельно переводят разряды счетчика в состояние 1 начиная со старшего, при этом остальные разряды находятся в состоянии 0. Если старший разряд находится в состоянии 1, ЦАП вырабатывает соответствующее напряжение, которое сравнивается в компараторе с входным Если U_ЦАП>U_вх, то по команде компаратора старший разряд регистра сбрасывается в нуль, если U_ЦАП<U_вх то в старшем разряде остается единица. Затем единица появляется в следующем по старшинству разряде счетчика и снова происходит сравнение. Цикл повторяется, пока не про­изойдет сравнение в младшем разряде (рис. 10.34, а). После этого схема готовности данных вырабатывает сигнал о готовности АЦП к выдаче кода из счетчика.

Рис. 10.34, б иллюстрирует конкретный пример преобразования величины U_вх=6.5В в десятиразрядный двоичный код 1010111111. Для удобства графиче­ского изображения принято, что диапазон входного напряжения U_д =10 В. Тогда при наличии единицы в старшем разряде регистра U_цап=1/2(U_д)=5В, и так как U_ЦАП<U_вх то единица в старшем разряде остается. Во втором такте преобразования появится единица в следующем разряде, которой соответствует напряжение ¼(U_д)=2,5 В. Так как в старшем разряде единица, то

и U_ЦАП>U_вх.

Следовательно, сигналом компаратора второй разряд будет переведен в со­стояние 0. В третьем такте

и U_ЦАП<U_вх;

единица в третьем разряде остается. Процесс продолжается, пока не произойдет сравнение во всех десяти разрядах.

Описанная схема работает по методу поразрядного уравновешивания, позво­ляющему сократить количество тактов, необходимых для преобразования, по сравнению с методом развертывающего уравновешивания, при котором напряже­ние U_цап возрастает ступенчато на один шаг квантования до уровня, равного U_вх. АЦП, построенные по методу поразрядного уравновешивания, имеют высокое быстродействие.

Наибольшим быстродействием обладают АЦП параллельного типа, отличаю­щиеся от рассмотренных АЦП последовательного типа тем, что в них U_вх сравни­вается одновременно с 2n—1 опорными напряжениями, где n — число двоичных разрядов АЦП. Для этого требуется 2n—1 компараторов. Время преобразования таких АЦП доходит до сотен и десятков наносекунд, однако их схемы достаточно сложны. Интегральные АЦП и ЦАП широко используют для связи микропроцес­соров с внешними объектами.

Вопросы для самопроверки:

1. Перечислите основные логические операции.

2. Что такое триггер. Какие виды триггеров вы знаете.

3. В чем отличие синхронных цифровых схем от асинхронных.

4. На каких элементах строятся счетчики импульсов.

5. Какие виды регистров вы знаете.

6. Сколько градаций выходного напряжения у ЦАП имеющего 10 входных разрядов.

7. Какие АЦП имеют минимальное время преобразования.

Литература: [1, 2, 5, 10].

Список литературы

1. Горбачев Г. Н. Промышленная электроника / Г. Н. Горбачев, Е. В. Чаплыгин. - М. : Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.

2. Забродин Ю. С. Промышленная электроника / Ю. С. Забродин. - М. : Высшая школа, 1982. – 496 с.

3. Расчет электронных схем : методические указания к практическим занятиям. - Мурманск: МВМИУ, - 1978 .

4. Зубчук В. И. Справочник по цифровой схемотехнике / В. И. Зубчук, В. П. Сигорский, А. Н. Шкуро. – К. : Техніка, 1990. – 448 с.

5. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах / В. С. Гутников. – Л. : Энергоатомиздат, 1988. – 304 с.

6. Титце У. Полупроводниковая схемотехника У. Титце, К. Шенк. - М. : Мир, 1982. – 512 с.

7. Гусев В. Г. Электроника / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – М. : Высшая школа, 1987. – 355 с.

8. Быстров Ю. А. Электронные цепи и устройства / Ю. А. Быстров и др. - М. : Высшая школа, 1989. - 287 с.

9. Акулов Ю. И. Судовая электроника и электроавтоматика / Ю. И. Акулов др. - М. : Транспорт, 1988. – 271 с.

10. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы : справочник / В. Л. Шило. – М. : Радио и связь, 1987. – 352 с.

11. Лебедев О.Н. и др. Изделия электронной техники. Цифровые микросхемы. Микросхемы памяти. Микросхемы ЦАП и АЦП : справочник. / О. Н. Лебедев, А. И. Мирошниченко, В. А. Телец. – М. : Радио и связь, 1994. – 248 с.

Ó Сергей Павлович Голиков

Антон Александрович Жиленков