Компаратор.

Цифровой компаратор (узел сравнения) предназначен для сравнения двух многоразрядных двоичных чисел А и В. Такая задача часто возника­ет в автоматических устройствах. Например, требуется установить, когда переменная величина А, увеличивающаяся (или уменьшающаяся) на I в каждом такте, станет равна наперед заданному числу В.

Одноразрядный компаратор может быть выполнен по схеме:

1) a=l;b=0 (а>b), →a>b

2) а=0; b=l (a<b), →a<b

3) а=0; b=0 (а=b), , , 0 + 0 = 1

4) a=l; b=l. (a=b), , , 0 + 0 = 1.

Трехразрядный компаратор

Сравнивает два двоичных числа А и В; А=аЗ а2 al, B=b3 b2 b1.

Компаратор использует три одноразрядных компаратора Д1–ДЗ, которые в зависимости от соотношений между а и b вырабатывают единичный сигнал на одном из трех выходов. Компаратор начинает сравнивать числа со старших разрядов.

1)Если а3>b3, 1 на D6 =>А >В дальнейшее сравнение не производится.

2) Если а3=b3, то с элемента D1 подается 1 на логический элемент D4. Элемент D4 пред­ставляет собой ключ, который пропускает сигнал с элемента D2 на элемент D6.

3) Если а2>b2, то сиг­нал = 1 появится на вы­ходе D6 (А> В).

4) C элемента D2 открывает ключ на элементе D5 и через него может проходить информация от элемента D3.

5) При равенстве чисел на всех трех входах элемента D7 а3=bЗ; а2=b2; al=bl, появляется 1, т.е. А=В.

Компараторы могут применяться в узлах сравнения цифровых регу­ляторов.

К 561 ИП2 – эта микросхема производит сравнение двух четырехразрядных чисел. Для увеличения разрядности сравниваемых чисел можно включать две и более ИМС, со­единяя выходы А<В; А=В; А>В микросхемы младших разрядов с соответствующими входами микросхемы старших разрядов.

ЦАП и АЦП.

Большинство датчиков и исполнительных устройств автоматиче­ских систем работает с аналоговыми сигналами. Для ввода таких сигна­лов в ЭВМ их необходимо преобразовать в цифровую форму, т.е. дискретизироватъ по уровню и во времени. Эту задачу решают АЦП. Обрат­ную задачу, т.е. превращение квантованного (цифрового) сигнала в не­прерывный, решают ЦАП.

АЦП и ЦАП являются основными устройствами ввода-вывода ин­формации в цифровых системах, предназначенных для обработки анало­говой информации или управления каким-либо технологическим процес­сом.

Важнейшие характеристики АЦП и ЦАП:

1) Вид аналоговой величины, являющейся входной для АЦП и выходной для ЦАП (напряжение, ток, временной интервал, фаза, частота, угловое и линейное перемещение, освещенность, давление, темпе­ратура и т.п.). Наибольшее распространение получили преобразо­ватели, в которых входной (выходной) аналоговой величиной явля­ется напряжение, т.к. большинство аналоговых величин сравни­тельно легко преобразуются в напряжение.

2) Разрешающая способность и точность преобразования (разре­шающая способность определяется количеством двоичных разрядов кода или возможным количеством уровней аналогового сигна­ла, точность определяется наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от цифрового и наоборот).

3) Быстродействие, определяемое интервалом времени от момента подачи сигнала опроса (запуска) до момента достижения выход­ным сигналом установившегося значения (ед. микросекунд, десят­ки наносекунд)

В любом преобразователе выделяют цифровую и аналоговую части. В цифровой производятся кодирование и декодирование цифровых сигна­лов, их запоминание, счет, цифровое компарирование (сравнение), выра­ботка логических сигналов управления. Для этого используют: дешифра­торы, мультиплексоры, регистры, счетчики, цифровые компараторы, логические элементы.

В аналоговой части преобразователя производятся операции: усиле­ния, сравнения, коммутации, сложения и вычитания аналоговых сигна­лов. Для этого используются аналоговые элементы: ОУ, аналоговые ком­параторы, ключи и коммутаторы, резистивные матрицы и т.д.

Преобразователи выполняются в виде цифровых и аналоговых ИМС или БИС.

ЦАП

Строятся на основе, представления любого двоичного числа X в виде суммы степеней числа два.

Схема преобразования четырехраз­рядного двоичного числа

Х=Х3*2³+Х2*2²+X1*2¹+Х0 *2⁰

В пропорциональное ему напряжение.

X_i=0 или 1. Для ОУ

К= –U_вых/U_оп=R_oc/R

R – общее сопротивление параллельно включенных ветвей, в которых были замкнуты ключи X.

U_оп=U_c – опорное напряжение, подаваемое на вход ОУ через R.

R_oc – сопротивление ОС.

Х=8Х3+4Х2+2Х1+1Х0, U_вых=U_оп*R_oc/R_o(8X3+4X2+2X1+lX0)

U

U_вых= К*Х.

_вых=(–U_оп*R_oc/R_o)*Х; –U_oп*R_oc/R₀ =K – коэффициент пропорцио­нальности, для каждой схемы величина постоянная.

U_вых=U_оп*R_oc/R₀*X

- для нашей схемы.

Для увеличения числа разрядов необходимо увеличивать число рези­сторов (R_о/16; R_o/32 и т.д.), при отличии резисторов в 1000 раз точ­ность снижается.

Для устранения этого недостатка в многоразрядных ЦАП весовые коэффициенты каждой ступени задают последовательным делением опорного напряжения с помощью резистивной матрицы. (R-2R)

По такому принципу построена схема 10-разрядного интегрального ЦАП типа К572ПА1 выполненного по КМОП технологии.

Д остоинства: малая потребляемая мощность, высокое быстродей­ствие не более 5мкс., хорошая точность.

на каждый резистор 2R 2 МДП транзистора, подключаемые 1 и 0 (через инвертор). Четные (вх=1) соед. с вых. 1

Нечетные (вх=0) соед, с вых. 2

АЦП.

По способу преобразования делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

В последовательных АЦП преобразование аналоговой величины в цифро­вой код идет ступеньками (шагами), последовательно приближаясь к измеряемому напряжению.

Достоинство: простота; недостаток: низкое быстродействие.

В параллельных АЦП входное напряжение одновременно сравнивают с Х– опорными напряжениями. При этом результат получается за один шаг, но необходимы большие аппаратурные затраты.

Быстродействие; недостаток: сколько опорных напряжений, столько компараторов.

Входное напряжение	Состояние компаратора	Двойное число
Uc, U	7 6 5 4 3 2 1	2 1 0
Uc<0,5	0 0 0 0 0 0 0	0 0 0
Uc≤Uc<1,5	0 0 0 0 0 0 1	0 0 1
1,5≤Uc<2,5	0 0 0 0 0 1 1	0 1 0
2,5≤Uc<3,5	0 0 0 0 1 1 1	0 1 1
3,5≤Uc<4,5	0 0 0 1 1 1 1	1 0 0
4,5≤Uc<5,5	0 0 1 1 1 1 1	1 0 1
5,5≤Uc<6,5	0 1 1 1 1 1 1	1 1 0
6,5≤Uc	1 1 1 1 1 1 1	1 1 1

Процесс преобразования непрерывного сигнала в код состоит из квантования и кодирования.

Квантование – это представление непрерывной величины в виде конечного числа дискретных значений (например, уровней потенциалов), а кодирование – это перевод комбинаций дискретных значений в двоичные числа для обработки информации в ЭВМ.

Из входных устройств преобразующих аналоговые величины в соответствующие коды двоичных чисел комбинаций, интерес представляют устройства типа напряжение-число.

Рассмотрим:

bc = t∙tg α =>

Входное напряжение преобразуется в промежуточную величину «интервал времени», которая в свою очередь преобразуется в цифровой код (временная система кодирования).

Входное напряжение U_вх сравнивается с пилообразным напряжением U_п изменяющимся по линейному закону.

Отрезки b₁c₁, b₂c₂, b₃c₃ представляют собой дискретное значение входного напряжения. Интервал от начала сравнения до момента равенства напряжений U_вх = U_п является катетом треугольника с углом наклона α. Все три треугольника подобны, следовательно, tg α = const. Поэтому можно сказать, что отрезки bc в каком-то масштабе пропорциональны соответствующему интервалу времени t. Следовательно измерение дискретных значений напряжений можно заменить измерением пропорциональных отрезков времени, заменяемых двоичным числом.

Г СИ – генератор синхроимпульсов;

И – схема совпадений (логическое умножение);

Сч – счетчик;

Т – триггер;

ДИ – датчик импульсов;

ГПИ – генератор пилообразных импульсов;

= – схема сравнения или компаратор;

ГСИ вырабатывает серию импульсов определенной частоты, определяющий частоту преобразования, импульсы поступают на вход счетчика через схему И, которой управляет триггер. При нулевом состоянии триггера на выходе схемы И – 0 и на вход счетчика импульсы не поступают. Начало временного интервала формирует управляющий импульс УИ, устанавливающий триггер в 1 и определяющий начало отсчета импульсов в счетчике.

К

ГСИ

Uвх

Uп

онец временного интервала задается управляющим импульсом УИ2, который устанавливает триггер в 0, и прекращает поступление импульсов с ГСИ в счетчик. Схема сравнения (аналоговый компаратор) сравнивает преобразованное напряжение U_вх с опорным напряжением U_п, вырабатываемым ГПИ.

В момент совпадения обоих напряжений единица на выходе компаратора вырабатывает импульс УИ2, устанавливающий триггер в 0, определяющий конец временного интервала.

Число прошедших на счетчик импульсов – это код, пропорциональный дискретному значению преобразованного напряжения.

Точность преобразования определяется точностью сравнения напряжений и положением управляющего импульса относительно импульсов. ГСИ.

14