- •Путилин а.Б. Организация эвм и систем
- •Глава 11. Общая характеристика микропроцессоров 154
- •Глава 12. Интерфейсы программно-модульных и
- •Глава 13. Интерфейсы и шины персональных эвм 221
- •Введение
- •Глава 1 Представление информации в информационных системах
- •1.1. Понятие об информации и информационных процессах
- •1.2. Сигналы и информация
- •1.3. Виды информации и их классификация
- •1.4. Структура информации
- •1.5. Дискретизация сигналов при вводе в эвм
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2 Аналоговые вычислительные устройства
- •2.1. Методы моделирования
- •2.2. Методы построения аналоговых вычислительных устройств
- •2.3. Основные характеристики аву
- •2.4. Функциональные устройства
- •2.5. Суммирующие и вычитающие устройства
- •2.6. Дифференцирующие устройства
- •2.7. Интегрирующие устройства
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3 Цифровые вычислительные устройства
- •3.1. Основные понятия и определения цифровой вычислительной техники.
- •3.2. Характеристики эвм
- •3.3. Поколения эвм
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4 Математическое введение в цифровую вычислительную технику.
- •4.1. Системы счисления, используемые в эвм
- •4.2. Формы представления числовой информации в эвм
- •4.3. Машинные коды чисел
- •4.4. Кодирование алфавитно-цифровой информации
- •4.5. Элементы алгебры логики
- •4.6. Функционально полные системы
- •4.7. Минимизация функций алгебры логики
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5 Комбинационные цифровые устройства
- •5.1. Понятие о комбинационных и последовательностных цифровых устройствах
- •5.2. Базовые интегральные логические элементы
- •5.3. Синтез кцу
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6 Типовые кцу
- •6.1. Дешифраторы
- •6.2. Шифраторы
- •6.3. Мультиплексоры
- •6.4. Сумматоры
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7 Анализ работы кцу
- •7.1. Быстродействие кцу
- •7.2. Состязания в кцу
- •Контрольные вопросы
- •Глава 8 Понятие о пцу
- •8.1. Основные определения и структура пцу
- •8.2. Классификация триггеров
- •8.3. Асинхронный rs-триггер с прямыми входами
- •8.4. Синхронный rs–триггер со статическим управлением
- •8.5. Универсальный jk–триггер
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9 Типовые пцу
- •9.1. Регистры
- •9.2. Cчетчики
- •9.3. Сумматоры на основе пцу
- •9.4. Построение запоминающих устройств
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10 Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
- •10.1. Аналого-цифровые преобразователи (ацп)
- •10.2. Ацп с интегрированием
- •10.3. Ацп c последовательным сравнением
- •10.4. Ацп с преобразованием измеряемой величины в кодируемый временной интервал
- •10.5. Ацп двоичного поразрядного уравновешивания
- •10.6. Основные характеристики ацп
- •10.7. Цифро-аналоговые преобразователи (цап)
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11 Общая характеристика микропроцессоров
- •11.1. Использование микропроцессоров в иит
- •11.2. Структура микропроцессоров
- •11.3. Классификация микропроцессоров
- •11.4. Программное управление мп
- •11.5. Особенности построения модульных мп
- •11.6. Принципы организации эвм с использованием мп
- •Контрольные вопросы
- •Глава 12 Интерфейсы информационных и вычислительных систем
- •12.1. Назначение и характеристики интерфейсов
- •12.2. Принципы организации интерфейсов
- •12.3. Классификация интерфейсов
- •12.4. Системные интерфейсы мини- и микроЭвм. Общая характеристика системных интерфейсов
- •12.5. Интерфейсы мини- и микроЭвм рдр –11
- •12.6. Интерфейсы мини- и микроЭвм nova
- •12.7. Интерфейсы 8- и 16-разрядных микроЭвм
- •12.8. Устройства согласования системных интерфейсов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 13 Малые интерфейсы стандартных устройств
- •13.1. Общая характеристика
- •13.2. Интерфейс ирпр
- •13.3. Интерфейс ирпс
- •Глава 14
- •14.1. Программно-модульный интерфейс iec 625-1. Общая характеристика интерфейса
- •14.2. Логическая организация интерфейса
- •14.3. Схемы поддержки и бис для интерфейса
- •14.4. Локальные системы на базе интерфейса
- •14.5. Интерфейсы магистрально-модульных и мультимикропроцессорных систем. Развитие интерфейсов системы камак
- •14.6. Интерфейсы системы Multibus
- •14.7. Интерфейс системы Fastbus
- •Контрольные вопросы
- •Глава 15 Интерфейсы и шины персональных эвм
- •15.1. Общая характеристика интерфейсов
- •15.2 Последовательный и параллельный интерфейсы
- •15.3. Универсальная последовательная шина usb
- •Топология
- •Кабели и разъемы
- •15.4. Интерфейс портативных компьютеров (pcmcia)
- •15.5. Шины персональных компьютеров эвм серии pc/at
- •Факс-модем
- •Принтер
- •15.6. Локальные шины (Local bus и vl-bus)
- •15.7. Интерфейс FireWare
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Термины и определения
10.3. Ацп c последовательным сравнением
Схема АЦП, работающего по способу преобразования с последовательным сравнением, или, иначе, по принципу поразрядного уравновешивания, представлена на рис. 10.3.1. Преобразователь этого типа содержит регистр последовательного сравнения цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП подробнее р.10.7.) и компаратор, сравнивающий входное напряжение с аналоговым напряжением на выходе ЦАП. Сравнение производиться последовательно, начиная с самого старшего разряда регистра сравнения, код которого и преобразуется в аналоговое напряжение с помощью ЦАП. На каждом шаге сравнения устанавливается значение очередного разряда. Начальное значение каждого обрабатываемого разряда устанавливается равным логической 1. Если входное напряжение от датчика меньше выходного напряжения ЦАП, логическая 1 обрабатываемого разряда регистра сохраняется.
Если же входное напряжение больше напряжения на выходе ЦАП, то в текущем разряде регистра устанавливается значение логического 0. Затем производится аналогичная обработка каждого последующего разряда в регистре. Выходной цифровой код после обработки всех разрядов регистра снимается непосредственно с этого же регистра.
Преимуществом АЦП с последовательным сравнением является постоянство интервала преобразования и независимость его от входного аналогового напряжения. Однако преобразователь такого типа не свободен от недостатков. Во-первых, имеется целый ряд факторов, влияющих на погрешность преобразования. В их числе погрешности ЦАП, компаратора и нестабильность опорного напряжения. Во-вторых, достижение высокой точности сопряжено с удорожанием преобразователя. Обычно АЦП с последовательным сравнением используются там, где требуются относительно высокие скорости преобразования.
R
а)
б)
Рис. 10.3.1. АЦП с последовательным сравнением:
а) - схема; б) - временная диаграмма.
MSB - самый старший; LSB - самый младший разряд
10.4. Ацп с преобразованием измеряемой величины в кодируемый временной интервал
В рассматриваемых АЦП измеряемая величина представляется различными видами модуляции (широтно-, частотно-, фазо-импульсной) или двойным интегрированием преобразуется в эквивалентный временной интервал (ВИ), который в этих АЦП кодируется счетно-импульсным методом. Преимуществом таких АЦП является простота схемной реализации, а недостатком – ограниченное быстродействие. Для удержания в допустимых пределах погрешности квантования по уровню с увеличением частоты преобразования необходимо увеличивать частоту счетных импульсов, используемых для кодирования формируемого ВИ. Так, например, при длительности ВИ, равной 2 мкс, и допустимой погрешности квантования по уровню 0,1% частота счетных импульсов должна быть не менее 500 МГц, хотя частота аналого-цифрового преобразования не превысит в этом случае 500 кГц. Однако увеличивать частоту счетных импульсов можно лишь до определенного предела, ограничиваемого конечной длительностью этих импульсов и частотным разрешением счетчика.
При использовании для преобразования широтно-импульсной модуляции измеряемая величина сравнивается с опорным линейно изменяющимся напряжением. Временной интервал, формируемый от момента начала сравнения до момента уравновешивания (эти моменты времени фиксируются компараторами), при постоянстве крутизны опорного напряжения пропорционален значению измеряемой величины.
Широкое распространение в ИИС получили интегрирующие АЦП. Характерным для них является высокая точность (погрешность составляет сотые и тысячные доли процента). Она достигается усреднением отсчетов, подавлением помех и автоматической коррекцией нелинейности характеристики. Практический пример схемы АЦП с двойным интегрированием приведен на рис. 10.4.1. В первом такте за опорный ВИ Топ интегрируется измеряемое напряжение Ux (интегрирование «вверх»), и на выходе интегратора фиксируется напряжение:
Рис. 10.4.1. Схема интегрирующего АЦП
Интервал Топ образуется текущим тактовым импульсом запуска и сигналом переполнения счетчика Сч. С появлением тактового импульса переключатель П ко входу интегратора подключает измеряемое напряжение, а ключ Кл в цепи генератора счетных импульсов ГСИ деблокируется. Импульс переполнения счетчика воздействует на переключатель, который подключает ко входу интегратора вместо Uх опорное напряжение Uоп, и начинается второй такт интегрирования («вниз»). Счетчик после переполнения обнуляется и вновь начинает подсчет импульсов. В течение второго такта выходное напряжение интегратора уменьшается по линейному закону до нуля (момент фиксируется дискриминатором Д) в соответствии с уравнением
Формируемый во втором такте временной интервал определяется выражением Tx = Uх Tоп /Uоп ~ Uх, так как Uоп и Топ – постоянные величины. При этом в счетчике фиксируется цифровой эквивалент значения измеряемой величины.
Интегрирующие АЦП измеряют не мгновенное, а среднее за опорный ВИ напряжение. Они имеют повышенную помехозащищенность и чувствительность, близкую к теоретическому пределу. Эти АЦП используют для кодирования низкочастотных сигналов, так как их время преобразования составляет 1÷100 мс. Типовые применения таких АЦП – кодирование сигналов термопар, резистивных ПИП температуры, хроматографов, тензодатчиков, датчиков рН и фотоприемников. Они позволяют также воспроизводить ряд нелинейных функций соответствующим изменением опорного напряжения или постоянной времени интегратора. В настоящее время ряд фирм выпускает однокристальные БИС АЦП с двухтактным интегрированием. По-видимому, наивысшую точность среди АЦП по схеме с традиционным двухтактным интегрированием обеспечивает 22-разрядная модель AD 1175 фирмы Analog Devices. Интегральная нелинейность этого АЦП относительно предела преобразования составляет 10-6, а дифференциальная нелинейность не выходит за пределы ±1/2 младшего разряда кода при 20 отсчетах в секунду.
Наличие переключателя опорного и измеряемого напряжений на входе интегратора сопряжено с необходимостью тщательной развязки и взаимной изоляции их источников, поскольку иначе не добиться высокой точность. Возможна реализация АЦП с многократным непрерывным интегрированием без использования такого переключателя. Конденсатор интегратора циклически заряжается и разряжается алгебраической суммой двух токов: тока Ix, пропорционального измеряемому напряжению, и опорного тока Iоп. В первом цикле интегрирования (период T1 заряда) токи складываются, а во втором цикле (период T2 разряда) Iоп вычитается из Iч вследствие изменения направления опорного тока. В отсутствие измеряемого напряжения интервалы интегрирования равны, т.е. T1 = T2, и на выходе интегратора периодически образуется треугольное напряжение симметричной формы с частотой
Если измеряемое напряжение не равно нулю, то соотношение интервалов T1 и T2, пропорциональных Uх изменяется: при Uх > 0 T1 < T2, а при Uх < 0 T1 > T2. Треугольное напряжение генерируется непрерывно вследствие работы схемы в режиме самовозбуждения под воздействием положительной обратной связи. В этом отношении АЦП напоминает самовозбуждающийся мультивибратор. Выходное напряжение интегратора сравнивается в компараторе с двумя порогами: верхним и нижним. Сигналы компаратора переключают триггер, управляющий источником опорного тока. При этом попеременно (в соответствии с циклом разряда или заряда интегратора) формируется опорный ток того или иного знака, непрерывно поступающий совместно с током Ix на вход интегратора. Одновременно триггер управляет счетчиком, на вход которого поступают тактовые импульсы частотой 20 МГц. В конце каждого из интервалов интегрирования содержимое счетчика переписывается в выходной регистр, и начинается новый отсчет. Частью АЦП является микроконтроллер. В зависимости от требуемой разрешающей способности контроллер считывает и усредняет отсчеты двух или более интервалов интегрирования в обоих направлениях. Для получения разрешающей способности, соответствующей 24 разрядам, усредняются 512 интервалов, тогда как для 16 разрядов требуется всего 2 интервала.
Для минимизации наводок от сети переменного тока время интегрирования при заряде обычно выбирают равным или кратным периоду сетевого напряжения. В рассматриваемом АЦП это время переменное. Поэтому микроконтроллер вычитает из каждого отсчета некоторое число, чтобы нормализовать время интегрирования в зависимости от частоты сетевого напряжения. При частоте в сети 50 Гц частота преобразования составляет 200 и 0,9 Гц для 16 и 24 разрядов соответственно. Интегральная нелинейность при 24 разрядах не превышает 2·10-6.