20. Оперативные и постоянные запоминающие устройства

Одним из важнейших функциональных устройств информационных систем являются запо- минающие устройства (ЗУ). На них возлагаются функции хранения программ обработки информации и данных. Полупроводниковые ЗУ характеризуются высшим быстродействи- ем, надежностью, малым токопотреблением. В кристалле ПП ЗУ совмещены матрица запо- минающих элементов, каждый из которых хранит 1 бит информации, и схема управления, обеспечивающая обращение к запоминающим элементам. Запоминающие элементы органи- зуются в ячейки, имеющие разрядность в несколько бит. Каждая ячейка имеет свой иденти- фикатор, представленный двоичным кодом (адрес). Полупроводниковые ЗУ могут выпол- нять две основные операции:

-ввод информации в адресуемую ячейку - запись, WRITE (WR);

-вывод информации из ячейки - считывание, READ (RD).

Обе операции называются операциями обращения к памяти. Если кристаллический ЗУ

выполняет только операцию считывания, он называется постоянным запоминающим уст-

ройством (ПЗУ, ROM). Информация, хранимая в ПЗУ, может наноситься на заводе изгото-

вителе в процессе изготовления микропроцессора с помощью специальных фотошаблонов.

Такие микросхемы называются непрограммируемыми ПЗУ и применяются для хранения

неизменяющихся программ. Следующим типом ПЗУ являются микропроцессоры, позво-

ляющие однократное занесение информации, так называемые программируемые ПЗУ. При

этом в исходном состоянии в ПЗУ уже содержится какая-либо информация. Запись инфор-

мации осуществляется на специальных устройствах - программаторах, путем пережигания

импульсами тока тонких проводящих перемычек. Наконец, имеются ПЗУ, позволяющие

осуществлять многократное занесение информации. Эти ПЗУ называются перепрограмми-

руемыми ПЗУ. В зависимости от способа стирания различают ПЗУ с электрическим стира-

нием и с ультрафиолетовым стиранием информации. Все ПЗУ являются энергонезависи-

мыми источниками информации, так как информация, записанная в них не пропадает при

исчезновении питания. Полупроводниковые ЗУ, в процессе работы выполняющие как опе-

рацию записи, так и считывание, называются запоминающими устройствами с произволь-

ной выборкой (ЗУПВ)(RAM) и используются для создания оперативной памяти. ОЗУ явля-

ются энергозависимыми.

Полупроводниковые ЗУ имеют большое число характеристик. Наиболее важные сле-

дующие:

Емкость, выражаемая в битах, означает количество хранимой информации, например,

256 бит, 1024 бит(1 кбит) и так далее;

Организация ЗУ, например, ЗУ емкостью 1024 бита может содержать 1024 адресуемых

ячейки размерностью 1 бит (1024 х 1) или 256 ячеек размерностью 4 бита (256 х 4);

Эксплуатационные характеристики (диапазон дополнительных температур, потребляе-

мая мощность в пассивном (хранение) и активном режиме;

Быстродействие.

Кроме матрицы ЗЭ в микросхеме статического ЗУПВ содержатся схемы дешифрации,

формирователи адресных сигналов, схемы согласования уровней, формирователи сигна-

лов записи, усилители считывания, схемы выборки кристалла.

43

П ос т оян н ые зап ом ина ю щие ус тр ойс т ва

Основным требованием, предъявляемым к ПЗУ, является сохранение информации при отключении питания. Это требование обеспечивается конструкцией ЗЭ. Наиболее рас- пространены ЗУ с ЗЭ, выполненными на биполярных и МОП-транзисторах. МОП- транзисторный ЗЭ может хранить 1 или 0 в зависимости от того, имеет ли сток транзистора связь с корпусом. Если сток изолирован от корпуса, на разрядной шине присутствует высо- кий уровень напряжения. Когда же сток связан с корпусом при подаче в адресную шину высокого уровня (выборка ЗЭ), на разрядной шине будет низкий уровень. Связь стоков

нужных транзисторов с корпусом устанавливается в микросхе- ме путем металлизации нужных участков кристалла после того, как все транзисторы уже сформированы.

Рисунок 1 ЗЭ на МОП-транзисторе

На рис. 2 представленна структурная схема типичного полу- проводникового ПЗУ с организацией 5128.

Рисунок 2 Структурная схема полупроводникового ПЗУ

Запоминающие элементы объединены в матрицу 6464, младшие разряды адреса А₀-А₅ используются для выборки 64 ЗЭ одной из сторк матрицы. Старшие разря- ды адреса А₆-А₈ управляют работой восьми мультиплексоров. Каждый муль- типлексор подключен к восьмиразряд- ным шинам и выбирает требуемую. Сиг- налы выборки кристалла управляют пе- редачей 8-битного слова с выхода муль- типлексоров на выходы ЗУ D₀-D₇ и слу- жат для организации ПЗУ большой ем-

кости из нескольких микросхем. В полупроводниковых ЗУ, программируемых пользовате-

лем (ППЗУ), в исходном состоянии во всех пересечениях адресных шин с разрядными вы-

полнены ЗЭ, последовательно с которыми включаются плавкие нихромовые или титано-

вольфрамовые перемычки, пережигаемые в процессе программирования.

Стираемые программируемые ПЗУ выполняются двух типов:

• В ПЗУ первого типа матрица ЗЭ изготавливается аналогично матрице ПЗУ по МОП-

технологии, но между металлическим затвором и слоем изолирующего окисла осаждается

тонкий слой нитрида кремния, который способен захватывать и сохранять длительное вре-

мя эл. заряд. Это электрически программируемое ПЗУ. В них стирание информации осуще-

ствляется определенным уровнем напряжения. Этот тип ППЗУ более надежен, т.к. гаранти-

рован от случайного стирания информации.

• В ПЗУ второго типа матрица ЗЭ выполняется из МОП-транзисторов с плавающим затво-

ром. Стирание информации осуществляется засвечиванием транзисторов через кварцевое

окно ультрафиолетовым излучением, которое разряжает затворы транзисторов п приводит

их в непроводящее состояние. При этом солнечные свет не влияет на запрограммированное

ПЗУ.

44

З ап ом и наю щие ус т р ойс т ва с пр оиз в ол ьн ой в ыб о рк ой

ЗУПВ служат для оперативного запоминания информации и способны хранить ее только при включенном питании. По принципу действия различают статические и динами- ческие ЗУПВ. Запоминающими элементами статических ЗУПВ служат триггеры, которые могут быть реализованы по любой технологии. ВдинамическихЗУПВ носителем информа- ции является емкость между затвором МОП-транзистора и корпусом, которая может быть заряжена или разряжена. ЗЭ биполярного ЗУПВ представляет собой асинхронный триггер с непосредственными связями, выполненный на двух эмиттерных транзисторах.

ЗЭ статического ЗУПВ на МОП-транзисторах – это триггерная схема на транзисторах VT₄ и VT₅, нагрузкой которых служат транзисторы VT₁ и VT₂. Транзисторы VT₃ и VT₆ – управ- ляющие: при отпирании их положительным сигналом, передаваемым по шине адреса ША,

они становятся проводящими в обоих направлениях.

Рисунок 4 - Схема ЗУПВ на КМОП-транзисторах

Рисунок 3 - Схема биполярного ЗУПВ

Биполярные ЗУПВ обладают наивысшим быстродействием среди ЗУПВ, однако, по сравне- нию с ЗУПВ, выполненными по КМОП-технологии, имеют значительно меньшую емкость и большее энергопотребление.

С целью увеличения информационной емкости микросхем создали динамические ЗУПВ. Принцип действия таких ОЗУ основан на хранении заряда емкости между затвором МОП-транзистора и общей точкой микросхемы. Емкость образуется параллельно включен- ными емкостью затвор-сток транзистора и паразитной емкостью. Наличие или отсутствие заряда соответствует логическим 0 и 1. Для восстановления заряда есть специальный режим

• режим регенерации.

45

20. Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи

ЦАП служит для преобразования цифровой информации в аналоговую форму, т.е. выход- ной сигнал ЦАП в общепринятых единицах измерения тока или напряжения (мВ, В, мА) соответствует численному значению входной кодовой комбинации.

Величина напряжения, соответст- вующая одной единице цифровой ин- формации, называется шагом квантова- ния u_кв. При подаче на вход ЦАП по- следовательной цифровой комбинации, меняющейся от 0 до N, на его выходе появится ступенчато-нарастающее на- пряжение (рис. 5.1). Высота каждой ступени соответствует одному шагу

квантования u_кв.

Если число входной кодовой комбинации соответствует N, то выходное напряжение

U_{вых ЦАП} = Nu_кв. Таким образом можно вычислить значение выходного напряжения для

любой входной кодовой комбинации. Так как u_кв определяет минимальное значение вы-

ходного напряжения аналогового сигнала U_{вых мин.} = u_кв, при выборе его значения необхо- димо учитывать также шумовые факторы, погрешности усиления масштабирующих усили- телей и компаратора.

Основные параметры ЦАП

1. Относительная разрешающая способность

_о = , здесь n- количество разрядов двоичного числа, подаваемого на вход ЦАП (n - соответствует числу разрядных входов ЦАП). Относительная разрешающая способность - это обратная величина от максимального числа уровней квантования.

2. Абсолютная разрешающая способность

_а = u_кв, где U_пш - напряжение полной шкалы, соответствующее опорному на- пряжению ЦАП. Это напряжение можно считать равным максимальному выходному на- пряжению; 2ⁿ - 1 = N - количество ступеней квантования.

Численно абсолютная разрешающая способность равна шагу квантования u_кв.

3. Абсолютная погрешность преобразования _пшпоказывает максимальное от- клонение выходного напряжения U_вых в точке пересечения с идеальной характеристикой (прямой) на уровне напряжения полной шкалы. Абсолютная погрешность преобразования оценивается в процентах или же в единицах младшего значащего разряда (МР). При оценке значения абсолютной погрешности преобразования знак напряжения не учитывается.

4. Нелинейность преобразования ЦАП _лн определяет максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной и оценивается также в процентах или в единицах младшего значащего разряда.

5. Дифференциальная нелинейность преобразования ЦАП _дф.лн численно равна максимальной разности двух соседних приращений (шагов квантования)

^дф.лн ^{= u}кв 1 ^{- u}кв2^.

Дифференциальная нелинейность оценивается в младших значащих разрядах и обыч-

но не превышает нескольких единиц мр.

46

Время установления выходного напряжения или тока t_уст - интервал времени от подачи входного двоичного входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы.

Максимальная частота преобразования f_пр - наибольшая частота дискретизации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям. Максимальная частота и время установления определяют быстродействие ЦАП.

Виды ЦАП условно можно разделить на две группы: с резисторными матрицами, безматричные ЦАП. В интегральном исполнении применяются только ЦАП с прецизион- ными резисторными матрицами, формирующими выходные сигналы путем суммирования токов.

ЦАП содержит элементы цифровой и аналоговой схемотехники. В качестве аналого- вых элементов используются операционные усилители, аналоговые ключи (коммутаторы),

резисторные матрицы и т.д.

Цифро-аналоговыепреобразователи (далее — ЦАП) предназначены для преобразования

цифровых сигналов в аналоговые и служат для сопряжения цифровых устройств формиро-

вания и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации. Они широко ис-

пользуются для управления аналоговыми устройствами при помощи ЭВМ. Принцип работы

заключается в следующем. Для формирования аналогового сигнала на выходе, однозначно

соответствующего цифровому коду входного сигнала, аналоговые ключи а_i подключают к

выходу ЦАП необходимое количество источников опорных сигналов b_i, величина которых

пропорциональна весу соответствующего двоичного разряда (рисунок 3.9.1). Наибольшее

распространение в настоящее время получили микроэлектронные ЦАП. Их в общем случае

можно разделить на преобразователи с прямым и промежуточным преобразованием. Пре-

образователи с прямым преобразованием обычно параллельного типа. В состав простейшей

схемы ЦАП обычно входят источники опорного напряжения, резистивные или активные

делители, аналоговые ключи. В качестве делителей чаще всего применяются матрицы R –

2R. Суммирование токов, образованных подключением соответствующих источников,

производится операционным усилителем (далее — ОУ). Учитывая, что входное сопротив-

ление и коэффициент усиления ОУ очень велики, можно заключить, что ток в его входной

цепи практически не протекает, а все составляющие токов, протекающих через открытые

ключи схемы, замыкаются на землю через резистор R_ОС, уравновешиваясь током I_ОС, теку-

щим в цепи ОС. ОУ выполняет операцию суммирования токов, которые определяются зна-

чениями сопротивлений в тех разрядах ЦАП, где а_i=1

Подключая несколько резисторов к суммирующему входу операционного усилителя, на выходе можно получить напряжение, пропорциональное взвешен- ной сумме входных напряжений. Способ масштаби- рующих резисторов становится неудобным, если преобразованию подвергаются много разрядов. Мат- рица R-2R, показанная на рисунке 3.9.3, приводит к изящному решению этой задачи. Здесь требуется только 2 значения резисторов, по которым матрица

R-2R- формирует токи с двоичным масштабировани- ем. Особенностью такой матрицы являться то, что ее входное сопротивление при любом положении клю-

чей равно R, т.е. общий ток, втекающий в матрицу равен Распределение потенциалов в уз-

лах матрицы не меняется при изменении положения ключей, поскольку входное сопротив-

ление операционного усилителя фактически равно нулю, следовательно, потенциал на вхо-

47

де равен потенциалу «земли». Это обстоятельство приводит к последовательному уменьше- нию вдвое напряжения в узлах схемы по мере их удаления от источника опорного напряже- ния и такому же уменьшению токов, протекающих через ключи. Приведенная схема фор- мирует напряжение от 0 В до 5 В с числом уровней дискретизации равным 16, при подаче на разряды матрицы входного двоичного 4-х разрядного числа с ТТЛ уровнями. Схемы ЦАП на основе резистивных матриц R-2R практичны, надежны, обладают высокой скоро- стью преобразования и легко реализуются в интегральном исполнении. Не требуется широ- кого диапазона номиналов и чрезвычайной точности при их подгонке.

Анал ог о -ц иф р овые п ре обра з ов ате л и

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования ана- логовых (непрерывных) сигналов в цифровую форму. Преобразование аналогового сигнала происходит в определенные моменты времени, которые называются точками отсчета. Ко- личество отсчетов за единицу времени определяет частоту дискретизации (преобразования), которая, в свою очередь, определяется быстродействием и условиями использования АЦП. Интервал времени между отсчетами Т_отс и частота дискретизации f_пр связаны соотношени- ем:

Т_отс = 1/f_пр.

В измерительной технике для преобразования медленно меняющихся процессов час-

тота преобразования может быть установлена небольшой - единицы Герц и менее. В уст-

ройствах, где требуется преобразовывать сигналы в масштабе реального времени, частота

преобразования выбирается из условия достижения максимальной точности восстановления

цифрового сигнала в аналоговую форму. Например, преобразование речевого сигнала в

дискретную форму. При этом частота дискретизации определяется как f_пр = 2F_мах, где F_мах -

максимальная частота речевого сигнала.

Для обеспечения преобразования без искажений требуется выполнение условия:

^tпр ^Тотс^,

где t_пр - время преобразования АЦП одного отсчета.

Основные параметры АЦП определяются также как и параметры ЦАП.

По принципу дискретизации и структуре построения АЦП делятся на две группы: 1-

группа АЦП с применением ЦАП и 2-группа АЦП без ЦАП.

К первой группе относятся:

• АЦП последовательного счета (развѐртывающего типа);

• АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания);

• следящий АЦП.

К второй группе относятся:

• АЦП прямого преобразования;

• АЦП двойного интегрирования;

• АЦП с применением генератора, управляемого напряжением (ГУН).

Каждый тип АЦП имеет свои достоинства и недостатки. На практике встречаются все выше перечисленные типы АЦП.

48

Аналого-цифровые преобразователи (далее — АЦП) представляют собой устройства, кото- рые преобразуют входные аналоговые сигналы в соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами.

Параллельные АЦП. Данный тип АЦП реализует метод непосредственного считывания и является на сегодняшний день самым быстродействующим. В параллельных АЦП входной сигнал одновременно квантуется с помощью набора компараторов, включенных параллель- но эталонному источнику сигнала. Пороговые уровни компараторов установлены с помо- щью резистивного делителя в соответствии с используемой шкалой квантования. При пода- че на такой набор компараторов входного сигнала на выходах последних будет иметь место проквантованный сигнал, представленный в параллельном коде, который с помощью коди- рующей логики преобразуется в двоичный. Схема содержит m резистивных делителей эта-

лонного напряжения и столько же компараторов. Число m определяется количеством дис- кретных значений преобразуемого напряжения в полном диапазоне преобразования.

Каждое из опорных напряжений подается на первые входы компараторов, на вторые входы которых подается входное напряжение. При подаче U_вх переключаются те компараторы, где U_вх > U_эi. Выходные сигналы этих компараторов принимают единичное значение, запоми- наясь в регистре. Выходы регистра соединяются с шифратором, который преобразует этот m разрядный параллельный единичный код в n разрядный параллельный двоичный код. Последовательные АЦП делятся на АЦП счета и интегрирующие АЦП.

АЦП счета: Схема содержит два компаратора К1 и К2, первый из которых имеет опорное напряжениеUоп. а второй Uвх.

Интегрирующий АЦП. Полный цикл работы схемы состоит из двух тактов. В первом с по- мощью аналогового интегратора происходит интегрирование входного напряжения за фик- сированный интервал времени. В результате этой операции на выходе интегратора форми-

руется напряжение Uвых. Во втором такте происходит разряд конденсатора от источника опорного напряжения Uоп. до нуля.

АЦП последовательного приближения.

Принцип состоит в формировании цифровым способом эталонного напряжения Uэ путем

последовательного приближения его к входному напряжению Uвх.

49