20 Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

23.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА Н КЛАССИФИКАЦИЯ

В электронных системах одинаково широко используется обра ботка информации, представленной в аналоговой и цифровой фор мах. Объясняется это тем, что первичная, исходная информации о различных физических величинах и процессах носит, как пра вило, аналоговый характер. Обработку же этой информации и силу причин, рассмотренных во введении, удобнее вести в цифрп вой форме. Использование полученных после цифровой обрабшки результатов также в большинстве случаев требует их аналогонот представления. Следовательно, любая система, использующий

цифровые методы обработки информации, должна содержать уст­ройства взаимного преобразования аналоговых и цифровых сигна­лов. Роль таких устройств выполняют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП).

Аналого-цифровой преобразователь — устройство, предназна­ченное для преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины в эквивалентные ей значения числовых кодов.

Цифро-аналоговый преобразователь — устройство, предназна­ченное для преобразования входной величины, представленной по­следовательностью числовых кодов, в эквивалентные им значения заданной физической величины.

В качестве аналоговой физической величины, оговоренной в данных определениях, в общем случае могут фигурировать раз­личные параметры, например угол поворота, линейное перемеще­ние, давление жидкости или газа и т. д. В дальнейшем под этой величиной будем понимать напряжение либо ток, которые, при необходимости, можно легко преобразовать в другие физические величины.

Основным вопросом, с которым приходится сталкиваться при проектировании и использовании ЦАП и АЦП, янляется вопрос адекватности полученного в результате преобр'аюнання сигнала исходному физическому процессу, т. е. вопрос точности преобра­зования. Поэтому рассмотрим алгоритмы этих преобразований с точки зрения погрешностей, возникающих при их нмполнении.

Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает по­следовательное выполнение следующих операций:

выборка значений исходной аналоговой величины а некоторые наперед заданные дискретные моменты времени, t е. дискретиза­ция сигнала по времени;

квантование (округление до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины по уровню;

кодирование — замена найденных квантованных значений не­которыми числовыми кодами.

Проиллюстрируем эту последовательность действий с помощью

Shc. 23.1. Пусть задана некоторая аналоговая зависимость и((). .ля получения ее дискретного эквивалента 11{пТ_Л) — [U{0), f (7"_я). ^{27"_д),...} необходимо провести выборку ее значений в дискрет­ные моменты времени пТ_а, где л = 0, 1, 2... целое число. Постоян­ная величина 7*_д— носит название периода выборки или периода дискретизации, а сам процесс замены исходной аналоговой функ­ции н(г) некоторой дискретной функцией U(nT&) называется дис­кретизацией сигнала во времени. Следует отметить, что получен­ная дискретная функция U(nT_a) относительно самого сигнала н(г)

Рис 23 I К пояснению принципов аналого-цифрового и цифро-аналогового пре­образована Й

носит по-прежнему аналоговый характер, так как может принимать бесконечное число различных значений.

Операция квантования по уровню дискретной функции и{пТ_я) заключается в отображении бесконечного множества ее значений па некоторое конечное множество значений U'_a, называемых уров­нями квантования. Для выполнения этой операции весь динамиче­ский диапазон D = U(пТ_л)_т»_к~ U(nTa,)m_in изменения дискретной функции (У(лГл) разбивают на некоторое заданное число уров­ней N и производят округление каждой величины С(лГ_д) до бли­жайшего уровня U\. Величина h = DjN носнт название шага кван­тования. Результатом операции квантования по уровню является дискретная функция U*_n, которая может принимать jV+ 1 зна­чение.

21 Процесс цифро-аналогового преобразования предполагает по­следовательное выполнение следующих операций:

формирование в заданном диапазоне изменения выходного сиг­нала М его дискретных значений £/„, отличающихся на некоторое

значение а, и постановка каждому сформированному уровню в со-"тветствие некоторого кода К*;

последовательное, с заданным временным интервалом 7"], при­своение выходному сигналу значений выделенных уровней, соот­ветствующих входной последовательности кодов К/.

Есл) предположить, что a — h и Т\ = Т_Л, то результатом цифро-аналоюцого преобразования полученной ранее последовательности колон К» будет, показанная на рис. 23.1, ступенчатая функция V_n._ Эта функция, хотя и непрерывна во времени, но остается дискрет­ной но уровню, что является результатом погрешности, обуслов­ленной шумом квантования. Сам процесс цифро-аналогового пре­образования не вносит собственных принципиальных погрешно­стей, а лишь материализует погрешности, полученные в АЦП. Реально возникающие при преобразовании погрешности носят чисто инструментальный характер. Подводя итог сказанному, отметим, что погрешности, обуслов­ленные самим алгоритмом работы, возникают только на этапе аналого-цифрового преобразования и их уменьшение требует уменьшения периода дискретизации Т_а и шага квантования h. Существует большое число признаков, по которым могут быть классифицированы ЦАП и АЦП. Ниже остановимся на наиболее часто встречающейся классификации, базирующейся на реализуе­мом методе преобразования. С этой точки зрения все существую­щие ЦАП могут быть разделены на два класса: устройства, реали­зующие метод многократного суммирования одного эталона; уст­ройства, реализующие метод суммирования нескольких различных эталонов.

Цифро-аналоговые преобразователи первого класса исполь­зуют при работе единственный эталон, число повторений (сумми­рований) которого определяется значением входного единичного' кода. Этот код подается на вход ЦАП в последовательной форме.

Цифро-аналоговые преобразователи второго класса имеют чис­ло эталонов, равное разрядности входного кода. Причем значения этих эталонов пропорциональны величинам весовых коэффициен­тов используемого кода. Входной код подается на вход таких ЦАП в параллельной форме. Следует отметить, что в настоящее время используются только ЦАП второго класса.

Интегральные схемы ЦАП могут выполняться как функцио­нально завершенными, т. е. не требующими для своей работы до­полнительных элементов, так и функционально незавершенными. В последнем случае в качестве внешних элементов, как правило, применяют источник эталонного напряжения, операционный уси­литель, регистры и т. д.

Работа с внешним источником эталонного напряжения позво­ляет разделить все ЦАП на две группы: умножающие — работаю­щие с изменяющимся во времени источником эталонного сигнала, и неумножающие — работающие с эталонным источником, вели­чина которого в течение всего времени работы устройства остается постоянной.

С позиции используемого метода преобразования все АЦП де­лятся на: устройства, реализующие метод последовательного счета, устройства, реализующие метод поразрядного кодирования, уст­ройства, реализующие метод считывания.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу по­следовательного счета, осуществляют уравновешивание входной аналоговой величины суммой одинаковых эталонов. Момент равен­ства этих величин фиксируется сравнивающим устройством. На выходе таких АЦП формируется последовательный единичный код. Далее этот код может быть преобразован к любому требуемому виду.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу по­разрядного кодирования, используют несколько эталонов. Причем их число равно числу разрядов, а значения пропорциональны ве­совым коэффициентам выходного позиционного кода. Каждый эта­лон сравнивается с входной величиной устройством сравнения. Процесс сравнения начинается с эталона, имеющего максималь­ное значение. В зависимости от результата этого сравнения фор­мируется цифра старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде формируется ну­левое значение и производится сравнение входной величины с наибольшим из оставшихся эталонов. Если максимальный эталон оказался меньше входной величины, то в старшем разряде выход­ного кода формируется сигнал лог. 1 и дальнейшему сравнению подлежит сигнал разности входной величины и максимального эталона. Аналогичные действия выполняются для всех используе­мых эталонов.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу считывания, используют -N эталонов (N — число уровней кванто­вания). При этом младший эталон равен h (шагу квантования), следующий 2Л и т. д. Входная величина сравнивается с каждым эталоном своим устройством сравнения, в результате чего на вы­ходе устройства формируется параллельный единичный код, в ко­тором число единиц соответствует числу эталонов, выходной сиг­нал которых меньше входного.

23.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рассмотрим основные электрические характеристики ЦАП и АЦП. Они подразделяются на статические, которые задают конеч­ную точность преобразования, и динамические, характеризующие быстродействие данного класса устройств. Статические характе­ристики преобразователей определяются видом характеристики преобразования, которая устанавливает соответствие между зна­чениями аналоговой величины и цифрового кода. К ним относятся.

22 Преобразователи напряжение-частота

На базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Существует несколько видов ПНЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса. Структурная схема такого ПНЧ приведена на рис. 17. По этой схеме построена ИМС VFC-32 (отечественный аналог - 1108ПП1).

Работает ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала Uвх напряжение Uи на выходе интегратора И уменьшается. При этом ключ S разомкнут. Когда напряжение Uи уменьшится до нуля, компаратор К переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс стабильной длительности Ти, который управляет ключем. Последовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ. Ключ замыкается и ток Iоп в течение Ти поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Далее описанный процесс снова повторяется.

Импульсы тока Iоп уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением Uвх. В установившемся режиме

Отсюда следует

(14)

где Uвх.ср - среднее значение входного напряжения за период Т. Выражение (14) показывает, что точность преобразования определяется точностью установки опорного тока Iоп, точностью выдержки длительности импульса одновибратора Ти, а также точностью резистора R. Емкость конденсатора интегратора не оказывает влияния на частоту ПНЧ.

Таким образом, по существу ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный можно использовать счетчик. Схема интегрирующего АЦП на базе ПНЧ приведена на рис. 18. Двоичный счетчик подсчитывает число импульсов, поступивших от ПНЧ за период Тотсч=1/fотсч, задаваемый отсчетными импульсами, которыми содержимое счетчика заносится в выходной регистр-защелку. Вслед за этим происходит обнуление счетчика. Число импульсов n, подсчитанных счетчиком за время Тотсч,

Здесь Uвх.ср - среднее значение входного напряжения за весь период Тотсч.

Можно заметно повысить точность ПНЧ, если вместо одновибратора включить тактируемый импульсами стабильной частоты D-триггер. Несложно убедиться (см. рис. 16), что в этом случае ПНЧ превращается в однобитный сигма-дельта модулятор.

23 Цифрова́я обрабо́тка сигна́лов (англ. digital signal processing, DSP), ЦОС — преобразование сигналов, представленных в цифровой форме.

Любой непрерывный (аналоговый) сигнал s(t) может быть подвергнут дискретизации по времени и квантованию по уровню (оцифровке), то есть представлен в цифровой форме. Если частота дискретизации Fd сигнала выше, чем удвоенная наивысшая частота в спектре сигнала Fmax, то есть Fd>2*Fmax, то полученный дискретный сигнал s(k) эквивалентен сигналу s(t).(см. теорему Котельникова). При помощи математических алгоритмов s(k) преобразуется в некоторый другой сигнал s1(k) имеющий требуемые свойства. Процесс преобразования сигналов называется фильтрацией (англ. filtering), а устройство, выполняющее фильтрацию называется фильтр (англ. filter). Поскольку отсчеты сигналов поступают с постоянной скоростью Fd, фильтр должен успевать обрабатывать текущий отсчет до поступления следующего, то есть обрабатывать сигнал в реальном времени (англ. in real time). Для обработки сигналов (фильтрации) в реальном времени применяют специальные вычислительные устройства — цифровые сигнальные процессоры

Различают методы обработки сигналов во временной (англ. time domain) и в частотной (англ. frequency domain) области. Эквивалентность частотно-временных преобразований однозначно определяется через преобразование Фурье.

Основные задачи

Линейная фильтрация — Селекция сигнала в частотной области; синтез фильтров, согласованных с сигналами; частотное разделение каналов; цифровые преобразователи Гильберта и дифференциаторы; корректоры характеристик каналов

Спектральный анализ — Обработка речевых, звуковых, сейсмических, гидроакустических сигналов; распознавание образов

Частотно-временной анализ — Компрессия изображений, гидро- и радиолокация, разнообразные задачи обнаружения

Адаптивная фильтрация — Обработка речи, изображений, распознавание образов, подавление шумов, адаптивные антенные решетки

Нелинейная обработка — Вычисление корреляций, медианная фильтрация; синтез амплитудных, фазовых, частотных детекторов, обработка речи, векторное кодирование

Многоскоростная обработка — Интерполяция (увеличение) и децимация (уменьшение) частоты дискретизации в многоскоростных системах телекоммуникации, аудиосистемах

24. Схемотехника цифровых устройств. Базовые логические элементы

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Двоичный логический элемент представляет собой электронную Цепь, выходное состояние которой описывается одной из основных бу­левых функций. Принципиально безразлично, какое из двух возможных входных к выходных состояний логического элемента принимается за 0, э какое — за 1, но чаще всего применяют положительную (прямую) логик у, при которой единица кодируется наличием (высоким уровнем) напряжения, а нуль — его отсутствием (низким уров­нем). Выполненные на диодах и транзисторах в микроэлектронном ис­полнении двоичные логические элементы называют интегральными •Логическими элементами (ИЛЭ)и широко используют в Качестве элементной базы для построения любых, даже самых сложных, временных ЦЭУ.

Логические элементы классифицируют по типам электронных прибо­ров с помощью которых выполняются основные логические функции. В диодной логике (ДЛ ) для этих целей применяют диоды. Если на всех входах присутствует высокий уровень, все диоды будут закрыты, и на выходе также будет высокий уровень. Для положительной логики такое описание соответствует операции коньюнкции,

Схемы ДЛ отличаются малым количеством элементов и достаточно высоким быстродействием (у современных диодов время восстановления обратного сопротивления при переходе к закрытому состоянию составля­ ет несколько наносекунд — 10~9 с). Однако при большом количестве ДЛ- элементов, включенных друг за другом, из-за прямого падения напряже­ ния на открытых диодах уменьшается разность между значениями напря­ жений высокого и низкого уровней, что приводит к снижению помехоус­ тойчивости ДЛ-схем. Для компенсации этого эффекта в схемы диодной логики включают транзисторные усилители мощности. Поскольку для ре­ ализации любой булевой функции, помимо операций И, ИЛИ, необходим ■их

Рис.6.7. Базовая схема

ТТЛ-элемента

инвертор, чаще всего используют каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Объединение диодной логи­ки с транзисторным инвертором позволило создать схемы диодно-транзисторной логики (ДТЛ- элемент ы), на основе которых строились первые ЦЭУ в интегральном исполнении. Однако при пере­ходе к массовому выпуску цифровых микросхем на основе ДТЛ-элемен-тов выяснилось, что для получения высокого быстродействия входную диодную логику выгоднее заменить интегральным много-эмиттерным транзистором. Так называют транзистор, у которого имеется обычный переход база — коллектор и несколько переходов база — эмиттер с электрически разделенными областями эмиттеров и общей областью базы. Построенные на его основе ИЛЭ стали называть элементами транзисторно — транзисторной лог и к и(ТТЛ-элементы).Нарис.6.7 приведена схема трехвходового ТТЛ-элемента И—НЕ. В этой схеме многоэмиттерный транзистор VTX выполняет логическую операцию И над входными сигналами, а тран­зистор VT2 обеспечивает инверсию выходного сигнала.

При низком уровне напряжения на любом из входов (х2гх1гх:0) соот­ветствующий переход база — эмиттер трехэмиттерного транзистора VTX (п-р-п) оказывается смещенным в прямом направлении, и в нем возникает значительный ток /°вх логического нуля, направленный из эмиттера в сторону входа. Значение этого тока определяется сопротивлением резис­тора Rb в цепи базы, а также прямым сопротивлением перехода (типич­ное значение тока /°вх составляет единицы миллиампер). Однако напря­жения одного смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер транзистора VT\ оказывается недостаточным для отпирания двух перехо­дов (база — коллектор транзистора VT{ и база — эмиттер транзистора УТ2)У в результате чего транзистор VT2 запирается, и на его коллекторе устанавливается высокий уровень напряжения.

25. Комбинационные цифровые устройства. Дешифраторы и мультиплексоры.

Комбинационными называют ЦЭУ, состояние п выходов которого в любой момент времени полностью определяется совокупностью логичес­ких сигналов, присутствующих на т его информационных входах

Среди комбинационных ЦЭУ, получивших разнообразное примене­ние в информационно-измерительной и вычислительной технике, из­вестны такие устройства, как дешифраторы и шифраторы, мультиплек­соры и демультиплексоры, арифметические и арифметико-логические устройства (АЛУ) и др.

Рассмотрим наиболее распространенные типы комбинационных ЦЭУ, которые выпускаются в интегральном исполнении и широко Используются в современной цифровой технике.

Дешифратором (декодером) называют комбинационное ЦЭУ, пред-

Значенное для распознавания различных кодовых комбинации сигналов

На его входах в простейшем случае каждой кодовой комбинации на

входах соответствует активный уровень сигнала только на одном из

входов дешифратора. Такой дешифратор может применяться, напри-

мер для управления работой нескольких исполнительных механизмов,

когда для включения одного из них на входы дешифратора достаточно

дать присвоенный этому механизму цифровой код.В более общем случае каждой определенной комбинации на т входах дешифратора соответствует л-элементный код на его выходах. Такие дешифраторы иногда называют преобразователями кодов. Они широко используются в вычислительной технике, а также в приборах с цифровой индикацией, например, для управления индикаторами на светоизлучающих диодах. Поскольку десятичные цифры (от 0 до 9) пред­ставляются 4-разрядным двоичным кодом, а стилизованные изображения всех десятичных цифр в известных типах светодиодных индикаторов чаще всего составляют из семи светящихся сегментов, такой дешифратор должен иметь 4 входа, 7 выходов и распознавать только первые десять из 16 возможных входных кодовых комбинаций.

Условное обозначение микросхем дешифраторов на корпусе ИС после номера ее серии имеет первой букву И (для всех цифровых устройств), а второй — букву Д. Дешифратор работает обычным образом при высоком уровне сигнала на входе Е. Сигнал низкого уровня на этом входе независимо от информации на входах DO — D переводит все выходы дешифратора в состояние логического нуля, в результате чего все светодиоды гаснут.

Мультиплексором называют комбинационное ЦЭУс одним выходом, несколькими информационными и управляющими входами, логическое со­стояние на выходе которого повторяет сигнал на одном из информацион­ных входов в соответствии с заданным цифровым кодом на управляющих входах. Иными словами, мультиплексор коммутирует на свой выход сигнал входа, выбираемого при помощи цифрового кода на управляю­щих входах (режим выбора данных). Если цифровой код на управляющих входах поочередно принимает все возможные комбина­ции, состояние на выходе мультиплексора последовательно (с частотой смены управляющих кодов) повторяет состояние всех его информаци­онных входов (режим мультиплексирования данных). Иногда говорят, что в этом режиме мультиплексор выполняет преобра­зование параллельного двоичного кода на информационных входах в последовательный код на его выходе.Из рассмотрения этого выражения приходим к весьма важному выво­ду, что мультиплексор представляет собой универсальный прибор, с по­мощью которого можно довольно просто строить комбинационные ЦЭУ, реализующие произвольные булевы функции.

26. Последовательностные цифровые устройства. Триггеры, регистры и счетчики.

Принципиальное отличие последовательностных ЦЭУ от комбинаци­онных заключается в том, что при пассивных уровнях сигналов на входах комбинационные ЦЭУ всегда возвращаются в исходное состояние, в то время , как последовательностные находятся в режиме хранения предыдущего состояния. По этой причине в состав типовых последова­тельностных ЦЭУ, к которым относятся счетчики, регистры и запомина­ющие устройства, помимо обычных логических элементов, обязательно входят элементы памяти, выполненные, например, на триггерах.

Счетчиками называют последовательностные ЦЭУ, обеспечивающие хранение двоичного кода числа и выполнение над ним микрооперации счета, которая заключается в изменении значения числа в счетчике на ± I. Если при подаче активного уровня сигнала на информационный вход счетчика его содержимое увеличивается на единицу, счетчик назы­вают суммирующим^ если уменьшается на единицу — вычита­ющим. Счетчик называют реверсивным, если он выполняет обе предыдущие операции. Счетчик называют синхронным, если состояния всех его выходов устанавливаются в определенные моменты времени, определяемые импульсами синхронизации. У асинхронных счетчиков состояния могут устанавливаться с некоторой задержкой относительно друг друга.

Основной параметр счетчика — модуль счета Кс, определяющий Максимальное число сигналов, которое может быть сосчитано счетчи­ком. Как правило, в схемах счетчиков используют триггеры, поэтому счет количества поступивших сигналов в них ведется в двоичной систе­ме счисления. Двоичный счетчик с «-разрядами способен подсчитать 2п сигналов, отображая их количество двоичными числами в диапазоне от О до (2"-1). После сигнала с номером 1п такой счетчик возвращается в Исходное состояние.

27. Запоминающие устройства для хранения информации. Масочные ЗУ. ЗУ типов PROM, EPROM и EEPROM. ФЛЭШ-память.

Современные цифровые электронные устройства (ЦЭУ) и, в частнос­ти, МС и ПЭВМ обычно используют три вида памяти: постоянную, опе­ративную и внешнюю. Постоянная память обеспечивает хранение ин­формации, которая не должна изменяться в ЦЭУ в ходе выполнения программ, в оперативной памяти хранится переменная информация, допускающая изменение своего содержимого в ходе вычислительных опе­раций. Первые два вида памяти реализуют при помощи различного рода запоминающих устройств. В бытовой технике, например, в телевизорах пятого поколения или в радиоприемниках с цифровой настройкой ЗУ применяются для хранения значении параметров, определяющих режи­мы их работы (частот каналов настройки, установленных уровней громкос­ти, яркости, контрастности и т.п.). В современной цифровой технике широко используются различные виды запоминающих устройств (ЗУ), от отдельных триггеров и наборов регистров до специальных модулей памяти.

Внешняя память предназначена для долговременного хранения боль­ших массивов информации на оптических или магнитных носителях. Используемые для этих целей ЦЭУ обычно называют накопителями, со­ответственно. на цифровых компакт-дисках, на гибких (флоппи) или постоянных магнитных дисках (сокращенно НГМДиПМД).

ЗУ современных ЦЭУ предназначены для записи, хранения и выдачи цифровых данных и программ, для доступа к которым используется они-санный ранее адресный принцип. Согласно этому принципу каждой ячейке памяти присваивается определенный номер (ее адрес ), значение которого в том или ином виде указывается при каждом обращении к ней Как правило, минимальной адресуемой единицей памяти является

28. ЗУ для хранения оперативной информации. Статическиеи динамические ЗУ. Структуры обращения к ИС ЗУ.

ОЗУ статического типа (SRAM — Static RAM) выполняют на статических триггерах Такие ОЗУ характеризуются весьма высоким бысгродействием и используются в наиболее «узких» участках системы. например, в качестве сверхоперативной памяти для кратковременного хранения промежуточных результатов, многочисленных буферных ре­гистров для согласования скоростных характеристик различных ус­тройств, кэш-памяти и т.п Для снижения себестоимости хранения еди­ницы информации чаще всего применяют простейшие схемы RS-тригге-ра на двух инверторах

29. Микропроцессоры. Принципы построениямикропроцессорных устройств. Структура и принцип работы микропроцессорной системы.

Весьма важным для дальнейшего развития вычис­лительной техники явилось создание в 70-х годах новых универсальных Цифровых ИС, так называемых микропроцессоров ( МП ) — разновид­ности БИС, способных выполнять полный перечень функций централь­ного процессора ЭВМ С появлением микропроцессоров отпала необхо­димость для каждого нового применения проектировать новую ИС Вместо этого можно было взять готовый микропроцессор, разработав -я него новую программу для выполнения требуемых функций

30