3.1.2 Шифраторы

Шифрирование это способ сжатия данных за счет преобразования m -разрядного унитарного (десятичного) кода в n -разрядный двоичный или двоично-десятичный код (m > n ). Шифраторы (CD , coder ) выполняют функцию, обратную функции дешифратора. При поступлении сигнала на один из входов шифратора на его выходах формируется код, соответствующий номеру этого входа.

Полный шифратор (m – n ) имеет m = 2 n входов и n выходов, если m < 2 n , то шифратор не полный. Также он может быть неприоритетным, если разрешена подача только одного активного сигнала или приоритетным, если допускается подача одновременно нескольких активных сигналов на входы.

Принцип работы полного неприоритетного шифратора (4 – 2) поясняется таблицей истинности (таблица 1).

Таблица истинности неприоритетного шифратора (4 – 2) Таблица 1

набора

Информационные входы

Выходы

X 3

X 2

X 1

X 0

F 1

F 0

Карты Карно для минимизации схемы шифраторов обычно не используются вследствие сложности составления при большом количестве переменных.

Из таблицы (1) следует, что младший разряд F 0 кода на выходе шифратора равен единице, когда на нечетных входах присутствует единица:


Старший разряд F 1 кода на выходе шифратора равен единице, когда на входах X 3 , X 2 присутствует единица:

Следовательно, схема шифратора (4 – 2) может быть реализована с помощью двух элементов 2ИЛИ (рис. 1, а).


Рис. 1 Схемы неприоритетного шифратора (4 – 2) на элементах 2ИЛИ (а), 2ИЛИ-НЕ (б)

Для инверсной записи (рис. 1, б):

Один из входных сигналов шифратора обязательно имеет единичное значение (таблица 1). Если на входах X 1 , X 2 , X 3 нулевые значения, это означает, ч то на входеX 0 логическая единица, соответствующая набору 0, и этот вход к схеме может быть не подключен (рис. 1, а). Аналогично для X 3 в схеме шифратора на рис. 1, б. Схемы шифраторов на рисунке отличаются зеркальной перестановкой входов (в обоих случаях младший разряд X 0 , старший X 3 ) и инвертированием выходных сигналов (рис.1, б).

У шифраторов обычно имеются служебные входы и выходы:

- Разрешающий (стробирующий) вход EI (EN ) для выбора времени срабатывания шифратора при условии EI =1, также для наращивания разрядности входного кода.

- Разрешающий выход EO (EN ), определяет отсутствие сигналов на всех информационных выходах (EO = 1). Используется для увеличения разрядности путем подключения дополнительных шифраторов, условие подключения EO =1.

- Разрешающий выход GS (CS ), указывает на наличие информационного сигнала хотя бы на одном входе, принимая значение GS = 1. Обеспечивает согласование работы шифратора и внешних устройств (микропроцессор). Может применяться в схеме наращивания разрядности шифратора для исключения ошибок преобразования кодов.

Одно из основных назначений шифратора – ввод данных в цифровые устройства с помощью клавиатуры. Шифраторы, которые при одновременном нажатии нескольких клавиш вырабатывают код только старшей цифры, называют приоритетными. Если эти шифраторы выявляют старшую (левую) единицу и формируют двоичный код соответствующего единице десятичного номера, то называются указателями старшей единицы (обозначение элемента HPR 1/ BIN ).

В таблице истинности указателя старшей единицы (таблица 2) символом «Х» обозначены значения входных переменных, которые не важны для устройства и могут быть равны 0 или 1. Интерес представляют единицы в старшем разряде соответствующего набора.

Символом « – » обозначены значения переменных, которые не поступают в шифратор, т.к. на разрешающем входе EI сигнал логического нуля, на выходе F 1 F 0 = 00.

Пример : если нажата клавиша старшего разряда Х 3 (набор 5), что соответствует кодам 3 10 = 11 2 , нажатие других клавиш должно игнорироваться.

Таблица истинности указателя старшей единицы (4 – 2) Таблица 2

набора

Служебные

Информационные

вход

выходы

Входы

Выходы

EI

GS

EO

X 3

X 2

X 1

X 0

F 1

F 0

В соответствии с правилом склеивания для выхода F 1 .

Достоинства цифровых систем шифрации и дешифрации команд в аппаратуре дистанционного управления моделями уже были отмечены в литературе. Ниже описан еще один вариант комплекса шифратор-дешифратор на 15 дискретных команд, предназначенный для той же цели.

Схема шифратора изображена на рис. 1, а дешифратора - на рис. 2. Форма сигнала в некоторых характерных точках устройства показана на рис. 3.

На выходе шифратора команд действуют пачки импульсов отрицательной полярности (график 4 на рис. 3).

Частота повторения пачек импульсов равна f/32, где f - частота задающего генератора, выполненного на логических элементах DD1.1.DD1.2 (рис. I) по схеме симметричного мультивибратора.

С задающего генератора импульсы (график 1) поступают на счетчик DD2 и на элемент совпадения.DD4.1. Импульсы частотой f через этот элемент будут проходить тогда, когда триггеры DD3 и DD1.3.DD1.4 находятся в единичном состоянии (графики 2 и 3). Счетный триггер DD3 переключается после каждого 16-го импульса, поступающего на счетчик DD2. Свободные входы триггера DD3 объединены и подключены через резистор сопротивлением 1 кОм к плюсовому выводу источника питания. RS-триггер DD1.3.DD1.4 устанавливается в единичное состояние по нулевому уровню сигнала на выходе 0 (вывод 1) дешифратора DD5 и в нулевое состояние - по нулевому уровню сигнала на том из выходов дешифратора, который подключен к выводу 2 элемента DD1.4 через контакты одной из кнопок SB I-SB 15.

Число импульсов в пачке равно номеру нажатой кнопки. Если не нажата ни одна из кнопок, то шифратор вырабатывает пачки по 16 импульсов, так как RS-триггер DD1.3.DD1.4 не переводится в нулевое состояние.



Дешифратор команд собран на четы-рех микросхемах (рис. 2). Узел, собранный на элементах DD1.2.DD1.3. представляет собой селектор импульсов. За время между двумя импульсами отрицательной полярности частотой f конденсатор С1 не успевает зарядиться до напряжения, достаточного для того, чтобы перевести элемент DD1.2 в нулевое состояние, и на выходе элемента DD1.3 сохраняется уровень-сигнала, соответствующий логическому 0. В течение же промежутка времени между пачками импульсов конденсатор С1 заряжается до единичного напряжения на выводе 2 элемента DD1.2 (график 5) и на выходе элемента DD1.3 появляется сигнал 1 (график 6). Диод VDI обеспечивает быструю разрядку конденсатора С1.



По спаду импульсов с выхода элемента DD1.3 счетчик DD2 устанавливается в нулевое состояние, а из их фронтов дифференцирующая цепь C3.R4 формирует импульсы записи информации со счетчика DD2 в запоминающий узел на триггере DD3. При одном импульсе в пачке счетчик DD2 остается в нулевом состоянии, при двух он переходит в состояние 1, при трех - в состояние 2 и т. д.

К выходам дешифратора DD4 через промежуточное звено - электронное реле - подключают исполнительные устройства. Схема электронного реле изображена на рис. 4. Первое электронное реле подключают к выходу О (вывод 1) дешифратора DD4, второе - к выходу 1 и т. д. Шестнадцатое реле, подключенное к выводу 17, включено тогда, когда в шифраторе не нажата ни одна из кнопок. При таком построении приемника может быть включенным одновременно только одно исполнительное устройство. Оно включается на время нажатия кнопки в шифраторе команд в передатчике.

Для независимого включения и выключения исполнительных устройств независимо между дешифратором и каждым электронным реле надо включить RS-трнггер по схеме рис. 5. Входы триггеров присоединяют к двум соседним выходам дешифратора; например, входы S и R первого триггера подключают к выходам 0 и 1 дешифратора соответственно, второго - к выходам 2 и 3, третьего - к выходам 4 и 5 и т. д. Число исполнительных устройств при этом уменьшается вдвое. Конденсатор С1 необходим для установки RS-триггера в единичное состояние при включении питания.

Когда на выходе RS-триггера сигнал высокого уровня, то реле К1 обесточено. Если на некоторое время на вход R подать сигнал 0, триггер установится в нулевое состояние и реле К1 включится. Реле выключится тогда, когда нулевой уровень сигнала будет подан на некоторое время на вход S. Таким образом, команда по одному из каналов включает реле, а по соседнему - выключает. При необходимости часть электронных реле может быть включена по схеме рис. 4, а остальные - с RS-триггером. Реле К1 - РЭС15, паспорт РС4.591.003.

При проверке работоспособности устройства выход шифратора команд соединяют со входом дешифратора. Частота задающего генератора может быть выбрана другой, нужно только подобрать конденсатор С1 в дешифраторе команд (при большей частоте емкость конденсатора должна быть меньше). К стабильности частоты задающего генератора высоких требований не предъявляется.

Шифратор (иначе кодер) - устройство, преобразующее десятичные числа

в двоичную систему счисления. Пусть в шифраторе имеется т входов,

последовательно пронумерованных десятичными числами (0, 1, 2, 3, ..., т - 1), и п

выходов. Поступление сигнала на один из входов вызывает появление на выходах

двоичного «-разрядного числа, соответствующего номеру возбужденного входа.

Известно, что построить шифраторы с большим числом входов технически

трудно, поэтому их используют для преобразования в двоичную систему

счисления небольших десятичных чисел. Для преобразования больших десятичных

чисел используются специальные методы.

Шифраторы широко применяют в устройствах ввода информации в

цифровые системы. Такие устройства часто снабжают клавиатурой, каждая клавиша

которой связана с определенным входом шифратора, и на его выходе

воспроизводится двоичное число, соответствующее написанному на клавише символу.

На рис. 7.14, а показано обозначение шифратора, преобразующего первые

десять цифр десятичного счисления в двоичное представление. Символ CD в

обозначении образован из букв, входящих в английское слово «CODER». Слева на

схеме показано 10 входов, представленных соответствующими десятичными

числами 0, 1, 2, ..., 9. Справа показаны выходы шифратора: цифрами 1, 2, 4, 8

обозначены весовые коэффициенты двоичных разрядов, соответствующих

отдельным его выходам.

Дешифратор (иначе декодер) предназначен для обратного преобразования

двоичных чисел в небольшие по значению десятичные числа. Входы

дешифратора служат для подачи двоичных чисел, а выходы последовательно

нумеруются десятичными числами. Дешифраторы широко используют в цифровой и

вычислительной технике. В частности, их применяют в системах, печатающих на

бумаге выводимые из цифровой схемы текст или числа. В таких устройствах

двоичное число, поступая на соответствующий вход дешифратора, вызывает

появление сигнала на его определенном выходе.

На рис. 7.14, б приведено обозначение структурной схемы дешифратора.

Символ DC образован из букв английского слова «DECODER». Слева

представлены входы дешифратора: цифрами 1, 2, 4, 8 обозначены весовые коэффициенты

двоичных разрядов. Справа на схеме показаны 10 выходов, пронумерованных

десятичными числами 0, 1, 2, ..., 9, соответствующими отдельным комбинациям

входного двоичного числа.

Принцип работы

Шифратор

При активизации одной из входных линий шифратора на его выходах формируется код, отображающий номер активного входа.
Например, при появлении сигнала на нулевом входе шифратора мы получим на выходе код 00, при сигнале на первом входе - на выходе будет 01, при сигнале на втором входе - на выходе соответственно код 10 и так далее.
Шифраторы применяются гораздо реже, чем дешифраторы. Это связано с более специфической областью их применения. Значительно меньше и выбор микросхем в стандартных сериях.
В отечественных сериях шифраторы имеют в названии буквы ИВ.
Входы шифраторов на принципиальных схемах нумеруются последовательными десятичными цифрами 0,1,2,3…., а метки выходов отображают веса выходных двоичных переменных 1,2,4…
Входы и выходы шифраторов, как правило, являются инверсными, то есть их активное состояние отображается значением логического 0, а не логической 1. Микросхема может иметь вход разрешения EI. C помощью сигнала на этом входе определяется момент срабатывания шифратора. На выходе шифратора возможно наличие дополнительных выходов: GS - выход признака прихода любого входного сигнала и EO - выход переноса, позволяющий объединять несколько шифраторов для увеличения разрядности. Выход EO становится активным при отсутствии входных сигналов, но при разрешении работы шифратора сигналом EI.
Стандартное применение шифраторов состоит в сокращении количества сигналов. Это очень удобно, например, при передаче сигналов на большие расстояния. При этом входные сигналы не должны приходить одновременно.
Наличие у шифраторов входов EI и EO позволяет увеличить количество входов и разрядов шифратора, с помощью дополнительных элементов на выходе.Для получения шифраторов с большим числом входов, т. е. наращивания размерности шифратора, объединяют микросхемы шифраторов с дополнительными выводами.

Дешифратор

Функция дешифратора понятна из названия. Дешифратор преобразует входной двоичный код в управляющий сигнал только на одном из своих выходов. В общем случае дешифратор имеет n однофазных входов и 2 в степени n выходов, где n - разрядность дешифрируемого кода. Микросхемы дешифраторов обозначаются на схемах буквами DC (от английского слова Decoder).
Активным всегда является только один выход дешифратора, причем номер этого выхода и соответствующего ему сигнала однозначно определяется входным кодом.
То есть при сигнале на входе дешифратора 00 мы получаем 1 на нулевом выходе, при сигнале на входе 01 получаем 1 на первом выходе, при сигнале на входе 10 - 1 на втором выходе и так далее.
В стандартные серии входят дешифраторы на 4, 8 и 16 выходов, что соответствует 2, 3 и 4 разрядам входного кода.
Входы, на которые поступает входной код, часто называют адресными входами. Их обозначают 1, 2, 4, 8, где число соответствует весу двоичного кода. Код на входах 1, 2, 4, 8 определяет номер активного выхода.
Входы С1, С2, С3 - это входы разрешения, объединенные по функции "И". С помощью сигнала на этих входах определяется момент срабатывания дешифратора. Входы разрешения могут также использоваться для наращивания разрядности входного кода.
Выходные сигналы дешифраторов и входы разрешения, часто имеют отрицательную полярность, то есть их активное состояние отображается значением логического 0, а не логической 1.
Если нужно дешифровать код с большим числом разрядов, используют объединение нескольких микросхем дешифраторов.
Еще одно распространенное применение дешифраторов - селекция заданных входных кодов. Появление сигнала на выбранном выходе дешифратора будет означать поступление на вход интересующего нас кода. В данном случае увеличивать число разрядов входного селектируемого кода становится гораздо проще.
В отечественных сериях микросхемы дешифраторов обозначаются буквами ИД.

Мультиплексор

Мультиплексор - это логическое устройство, предназначенное для поочередной передачи на один выход одного из нескольких входных сигналов, то есть их мультиплексирования. Количество мультиплексируемых входов называется количеством каналов мультиплексора, а количество выходов - числом разрядов мультиплексора.
Число каналов мультиплексоров, входящих в стандартные серии, составляет от 2 до 16, а число разрядов - от 1 до 4.
Управление работой мультиплексора осуществляется с помощью входного кода адреса. Связь между числом информационных (n) и адресных (m) входов определяется соотношением n = 2 в степени m. Таким образом, для 4-канального мультиплексора необходим 2-разрядный управляющий адресный код, а для 16-канального - 4-разрядный код.
Например, мы имеем на адресном входе код 00, в этом случае сигнал на выходе мультиплексора будет равен сигналу на нулевом входе, при адресном коде 01 сигнал на выходе мультиплексора будет равен сигналу на первом входе, при адресном коде 10 сигнал на выходе мультиплексора будет равен сигналу на втором входе и так далее.
Функция мультиплексора на условном графическом обозначении записывается буквами MUX или MS. Разряды кода обозначаются цифрами 1, 2, 4 или A0, A1, A2. Входная информация подается на входы 0, 1, 2, 3…….Выходы мультиплексоров бывают прямыми и инверсными. Некоторые микросхемы мультиплексоров имеют вход разрешения или запрета S, который при запрете устанавливает на прямом выходе нулевой уровень.
Таким образом, мультиплексор реализует управляемую передачу данных от нескольких входных линий в одну выходную.
Мультиплексоры применяют для следующих операций: коммутации как отдельных линий, так и групп линий; преобразования параллельного кода в последовательный; реализации логических функций; построения схем сравнения; генераторов кодов.
Микросхемы мультиплексоров можно объединять для увеличения количества каналов. Например, два 8-канальных мультиплексора легко объединяются в 16-канальный с помощью инвертора на входах разрешения и элемента 2И-НЕ для смешивания входных сигналов.

мультиплексор с дешифратором

Демультиплексор

Демультиплексор - это логическое устройство, предназначенное переключения сигнала с одного информационного входа D на один из n информационных выходов.
Номер выхода, на который в каждый такт машинного времени передается значение входного сигнала, определяется адресным кодом.
Адресные входы (m) и информационные выходы (n) связаны соотношением n=2 в степени m.
Демультиплексор выполняет функцию, обратную функции мультиплексора.
Например, мы имеем на адресном входе код 00, в этом случае сигнал с входа будет поступать на нулевой выход демультиплексора, при адресном коде 01 - сигнал с входа поступит на первый выход, а при адресном коде 10 - на второй выход демультиплексора и так далее.
Функция демультиплексора на условном графическом обозначении записывается буквами DMX.
Демультиплексоры применяют для следующих операций: коммутации как отдельных линий, так и многоразрядных шин; преобразования последовательного кода в параллельный; реализации логических функций.
Демультиплексоры можно объединять для увеличения количества каналов. При этом число старших адресных разрядов используется дополнительным "ведущим" демультиплексором, который располагается на первом уровне схемы каскадирования. Ведущий демультиплексор определяет поочередное включение одного из демультиплексоров второго уровня.
Демультиплексоры не выпускаются как самостоятельные изделия на интегральных микросхемах. Функцию демультиплексора обычно реализуют на дешифраторах, имеющих входы стробирования.

Схема демультиплексора
с двумя выходами

Схема пятиразрядного
демультиплексора-дешифратора

№18 Генераторы импульсных электрических сигналов.

Генераторы импульсных сигналов Импульсными генераторами называются устройства, преобразующие энергию постоянного источника напряжения в энергию электрических импульсов. Наибольшее применение в импульсной технике имеют генераторы прямоугольных импульсов или релаксационные генераторы. Как известно, основой всех гармонических автогенераторов является линейный усилитель, охваченный частотно- зависимой обратной связью, фазовый сдвиг которой на частоте генерации составляет 360°. В релаксационных генераторах (мультивибраторах) автоколебания возникают за счет охвата усилительных элементов двумя контурами обратной связи – положительной и отрицательной. Положительная ОС обеспечивает лавинообразный переход усилителя из одного крайнего состояния в другое, практически минуя линейную фазу. Отрицательная ОС с некоторой задержкой возвращает усилитель к пороговой точке переключения в противоположное состояние. Релаксационные генераторы могут также иметь одно или два стабильных состояния. В первом случае генератор, называемый одновибратором требует для запуска внешний импульс и, отработав полный цикл, возвращается в исходное состояние. Бистабильный генератор или триггер Шмитта требует внешнего импульса для перехода в каждое из двух устойчивых состояний. 8.1. Генераторы на логических элементах Генераторы прямоугольных импульсов являются неотъемлемой частью большинства цифровых устройств, все счетные процессы в которых осуществляются по тактовым импульсам задающего генератора. В логических схемах в качестве генераторов бывает удобно использовать сами логические элементы. Поскольку логический элемент обладает свойствами усилителя, для перевода его в режим автогенерации достаточно организовать соответствующую обратную связь. На рисунке 8.1.1 приведен пример простейшего релаксационного генератора на двух логических инверторах. Резистор R образует отрицательную обратную связь для инвертора 1, переводя его в режим инвертирующего усилителя, инвертор 2 переворачивает фазу на Рис 180°, а конденсатор C замыкает цепь.8.1.1 89 положительной обратной связи. Процесс переключения генератора показан на рисунке 8.1.2. На верхнем графике показана осциллограмма напряжения на входе первого элемента, на нижнем – выходное напряжение генератора. Период генерации определяется постоянной времени RC и уровнями переключения логического элемента Uпор0 и Uпор1. Рис.8.1.2 Диапазон номиналов сопротивления и емкости определяется типом используемой логики, исходя из входных токов и нагрузочной способности элементов. Для ТТЛ элементов величина сопротивления может лежать в пределах 0.5÷5 кОм, а для КМОП – 1 кОм÷10 МОм. Отсюда видно, что на ТТЛ элементах труднее сделать генератор с большим периодом колебаний - потребуется очень большая величина емкости. Расширить диапазон допустимых сопротивлений можно, используя эмиттерный повторитель (Рис.8.1.3), для которого потребуется три логических элемента, или схему с общим эмиттером (Рис.8.1.4). Рис.8.1.3 Рис.8.1.4 Генератор можно построить и на одном инверторе, если обеспечить необходимый сдвиг фазы пассивными RC-фильтрами (Рис.8.1.5). Нетрудно догадаться, что минимально необходимое число звеньев 1-го порядка равно трем, чтобы обеспечить суммарный сдвиг фазы 180° на частоте генерации. 90 Рис.8.1.5 Все приведенные схемы генераторов не отличаются высокой стабильностью частоты генерации. Помимо стабильности номиналов резисторов и конденсаторов она зависит от напряжения питания, уровней переключения элемента, которые могут значительно «плавать» от температуры и имеют разброс для разных экземпляров. В генераторах с высокими требованиями к стабильности частоты (часах и т.п.) применяются кварцевые резонаторы (или, как их еще называют, «кварцы»). Кварц включается в цепь обратной связи элемента, как показано на рисунке 8.1.6. Колебания возбуждаются на строго определенной резонансной частоте кварца и имеют очень высокую стабильность (конденсаторы C1 и C2 нужны для исключения генерации на кратных гармониках). В настоящее время кварцевые генераторы выпускаются в виде отдельной микросхемы, не требующей дополнительных логических элементов. 8.2. Генераторы одиночных импульсов (одновибраторы) Как уже говорилось, одновибратором называется релаксационный генератор, имеющий одно стабильное и одно квазистабильное состояние. Такие моностабильные генераторы применяются для формирования импульсов заданной длительности по внешнему короткому синхроимпульсу, либо если внешний импульс имеет неопределенную длительность. Пример одновибратора с использованием двух логических элементов приведен на рисунке 8.2.1. Рис.8.1.6 91 Рис.8.2.1 В состоянии покоя на выходе второго элемента присутствует «1» независимо от уровня входного сигнала, поскольку вход второго элемента «отрезан» по постоянному току емкостью C от выхода первого элемента и зашунтирован на «землю» резистором R. Запуск одновибратора происходит по отрицательному перепаду на входе (1→0). На выходе формируется инверсный импульс, длительность которого не зависит от длительности запускающего импульса и определяется только временем релаксации RC звена, в течение которого на входе второго элемента действует сигнал логической «1». Недостатком схем релаксационных генераторов на логических элементах с разделительной емкостью является кратковременное появление на входах элементов отрицательного напряжения, вызванное перезарядкой емкости, которое не является «штатным» режимом работы микросхемы. Защитить элемент на схеме Рис.8.2.1 от отрицательного выброса напряжения можно диодом, включенным параллельно резистору (Рис.8.2.2). Однако при этом возрастает нагрузка на предыдущий элемент. Еще одной разновидностью релаксационного генератора является формирователь по фронту. Его задача – сформировать короткий импульс по фронту либо спаду прямоугольного входного сигнала. Вариант схемы формирователя по отрицательному фронту показан на рисунке 8.2.3. Осциллограммы напряжения в разных точках схемы показаны на рисунке 8.2.4. Короткие инверсные импульсы на выходе устройства появляются в моменты времени, когда на обоих входах второго элемента присутствует уровень логической «1». Номиналы элементов схемы: R=1 кОм, C=3 нФ. Рис.8.2.2 Рис.8.2.3 92 Рис.8.2.4 8.3. Релаксационный генератор на операционном усилителе Генератор прямоугольных импульсов может быть построен на операционном усилителе, если охватить его положительной и отрицательной обратной связью, свойственно релаксационным генераторам. Принцип работы генератора на ОУ не отличается от релаксационных генераторов на логических элементах. Благодаря ПОС, выходное напряжение скачкообразно меняется от положительного до отрицательного напряжения насыщения ОУ, а ООС ограничивает время пребывания в состоянии насыщения, стремясь вернуть усилитель в линейное состояние. Схема генератора прямоугольных импульсов на операционном усилителе приведена на рисунке 8.3.1. Период колебаний зависит от постоянной времени R3C1 и коэффициента положительной обратной связи КПОС, который равен 1 2 2 R R R KПОС + = , и может быть посчитан по формуле:       = + − + = 2 1 2 3 ln1 1 2 1 1 2 ln R R R C K K T ПОС ПОС τ Рис.8.3.1 93 На рисунке 8.3.2 показаны осциллограммы работы генератора по схеме Рис.8.3.1 с номиналами элементов: R1=R2=R1=1 кОм, C1=1 мкФ и напряжением питания операционного усилителя ±12 В. Рис.8.3.2 8.4. Интегральный таймер 555. Существует ряд специализированных микросхем для применения в схемах генераторов различного назначения. Одной из таких удачных разработок является микросхема интегрального таймера 555, которой мы окажем отдельное внимание. Отечественный аналог известен под названием КР1006ВИ1. Впервые таймер был выпущена в 1971 г. фирмой «Signetics» и назывался «микросхема машины времени». Это комбинированная аналого-цифровая микросхема, содержащая все необходимые элементы для построения высокостабильных мультивибраторов, одновибраторов и других импульсных схем. Благодаря своей универсальности, интегральный таймер завоевал большую популярность среди радиолюбителей и профессиональных разработчиков электронных устройств. Внутреннее устройство таймера показано на рисунке 8.4.1 Рис.8.4.1 Он состоит из прецизионного делителя напряжения, обеспечивающего значения напряжения 2/3UПИТ и 1/3UПИТ, двух 94 компараторов, RS-триггера, усилительного двухтактного каскада и вспомогательного транзистора. Напряжение питания таймера – от 4.5 до 15 В, потребляемый ток от 3 до 15 мА в зависимости от напряжения питания. Таймер имеет довольно высокую нагрузочную способность – до 200 мА и может работать непосредственно на обмотку реле и другие «мощные» потребители. Максимальная частота переключения составляет 100 кГц. В настоящее время микросхему выпускает более десятка производителей. В базовом варианте микросхема построена на биполярных транзисторах, но существует и её КМОП аналог – 555С, который имеет существенно меньшее потребление, более низкий порог рабочего напряжения (таймер ZSCT1555 фирмы Zetex работает от 0.9 В!) и более высокое быстродействие – до 1 МГц. Микросхема позволяет с минимальным количеством навесных элементов строить различные функциональные устройства. На рисунке 8.4.2 приведена схема одновибратора на таймере 555. В исходном состоянии на инвертирующем входе компаратора К2 (вывод 2) напряжение равно напряжению питания. Триггер находится в состоянии сброса (Q=0) и выходное напряжение равно нулю. Одновременно, транзистор Т3 открыт и шунтирует на «землю» времязадающую емкость С2. Внешний импульс запуска отрицательной полярности заставляет сработать компаратор К2, который взводит триггер Т. На выходе появляется положительное напряжение, а транзистор Т3 запирается, давая возможность емкости С2 заряжаться через резистор R2. Емкость заряжается до тех пор, пока напряжение на входе 6 не достигнет порога срабатывания компаратора К1, который сбрасывает триггер Т, и схема переходит в исходное состояние. Длительность положительного импульса на выходе микросхемы равна T ≈ 1.1 R2C2 . Рис.8.4.2 95 Другой вариант применения таймера – в качестве мультивибратора приведен на рисунке 8.4.3. Напряжение с времязадающей емкости C подается одновременно на входы компараторов К1 и К2. Это напряжение изменяется в пределах порогов срабатывания компараторов – от 1/3UПИТ до 2/3UПИТ, когда таймер меняет свое состояние на противоположное. Период колебаний генератора равен T ≈ 4.1 RC . Замечательным свойством таймера является его высокая временная стабильность, слабо зависящая от внешних параметров (нестабильность составляет менее 1%). В первую очередь это связано с применением аналоговых компараторов, имеющих высокий коэффициент усиления и позволяющих очень точно задавать пороги переключения. Во-вторых, в схеме применен прецизионный делитель напряжения. В-третьих, длительность выходного импульса практически не зависит от напряжения питания, поскольку цепь опорного делителя напряжения и времязадающая цепь питаются от общего источника напряжения, а значит, при его изменении одновременно меняется зарядный ток емкости и пропорционально меняются пороги срабатывания компараторов. Общий принцип работы всех релаксационных генераторов заключается в сравнении плавно меняющегося напряжения времязадающей емкости с некоторым опорным уровнем. Для получения более высокой стабильности генератора нужно придерживаться нескольких правил: 1. Обычно изменение напряжения на емкости не линейно, а имеет экспоненциальный характер. Сравнение его с опорным уровнем нужно производить в зоне максимальной скорости изменения этого напряжения, так как при этом уменьшается влияние шумового фона напряжения. Этот эффект поясняет рисунок 8.4.4. При более высоком пороговом напряжения UПОР1 «дрожание» момента переключения ∆t1, вызванное шумами в сигнале, меньше, чем дрожание ∆t2 при той же амплитуде шумов, но более низком пороге сравнения UПОР2. Рис.8.4.3 96 Рис.8.4.4 2. Схему нужно проектировать таким образом, чтобы отношение UC/UПОР не зависело от напряжения питания (как это сделано в интегральном таймере 555) 3. Пороговые уровни сравнения не должны зависеть от параметров нелинейных элементов схемы (транзисторов, диодов и т.п.), поскольку сами эти параметры нестабильны – они могут изменяться от температуры, питающего напряжения и даже от одного экземпляра к другому.

№19 Аналого-цифровые и цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Другими словами, АЦП - это устройства, которые принимают аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые.

Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование.

Дискретизация - это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов (дискрет означает отличный, различный). По-другому можно сказать, что дискретизация - это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность.Глянем на рисунок 1, где изображен принцип дискретизации.

Рис. 1 - Принцип дискретизации

На рисунке показана наиболее распространенная равномерная дискретизация. Сначала имеется непрерывный сигнал S(t). Затем он подвергается разбиению на равные промежутки времени Δt. Вот эти промежутки "дельта тэ" и есть дискретные отсчеты, называемые периодами дискретизации. В результате получается последовательность отсчетов (дискретных) с шагом в Δt. По сути в основе дискретизации непрерывных сигналов лежит возможность представления их, т. е. сигналов в виде взвешенных сумм некоторых коэффициентов, обозначим их как ai, иначе называемых отсчетами, и набора элементарных функций, обозначим их как fi(t), используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

Период дискретизации выбирается из условия:

где Fв - максимальная частота спектра сигнала. Это выражение есть не что иное, как теорема Котельникова, которая гласит: Любой непрерывный сигнал можно абсолютно точно восстановить на выходе идеального полосового фильтра (ПФ) с полосой Fв, если дискретные отсчеты взяты через интервал Δt = 1 / 2Fв. А это значит, что частота дискретизации должна быть вдвое больше максимальной частоты сигнала. На практике, например, это хорошо иллюстрирует обычный компакт диск (КД или CD) или, как его называют, AudioCD. КД записывают с частотой дискретизации 44,1 кГц. А это значит, что максимальная верхняя частота будет равна 22 кГц, что, как считается, вполне достаточно для уха человека (помните, частотный диапазон для уха человека равен 20...20 000 Гц).

При квантовании шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования. посмотрим на рисунок:

Рис. 2 - Квантование

На рисунке изображено равномерное квантование. Одним из основных параметров является δ - шаг квантования. Соответственно, при равномерном квантовании шаг квантования одинаков. Итак, согласно определению помещаем отсчеты в подготовленную сетку. Первый (слева направо) отсчет находится ближе к уровню 3 (уровни квантования - по вертикальной оси). Второй - к 5-му уровню и т. п. Таким образом, вместо последовательности отсчетов получаем последовательность чисел, соответствующих уровням квантования.

При равномерном квантовании динамический диапазон получается довольно большим, а это не хорошо. Поэтому придумали так называемое неравномерное квантование, при котором динамический диапазон уменьшается. Шаг квантования δ будет различным при различных уровнях. При малых уровнях сигнала шаг небольшой, при больших он увеличивается. На практике же неравномерное квантование практически не используется.

Кодирование - это сопоставление элементов сигнала с некоторой кодовой комбинацией символов. Широко используется двоичный код.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП ) - устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами. ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков (Audio CD).

Наиболее общие типы электронных ЦАП:

· Широтно-импульсный модулятор - простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике;

· ЦАП передискретизации , такие, как дельта-сигма-ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.

Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействиедельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность - до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping ). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот, и улучшается подавление шума квантования;

· ЦАП взвешивающего типа , в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;

· ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R , называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое - матрица токов и инверсное - матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой плёночных резисторов, расположенных на одной подложке гибридной микросхемы, достигается точность 20-22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то есть наносекунды). В троичных ЦАП матрица постоянного импеданса состоит из резисторов 3R-4R с терминатором 2R .

ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом.

Наиболее важные характеристики ЦАП .

· Разрядность - количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах; количество бит есть логарифм по основанию 2 от количества уровней. Например, однобитный ЦАП способен воспроизвести два () уровня, а восьмибитный - 256 () уровней. Разрядность тесно связана с эффективной разрядностью (англ. ENOB, Effective Number of Bits ), которая показывает реальное разрешение, достижимое на данном ЦАП.

· Максимальная частота дискретизации - максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии стеоремой Котельникова, для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерныхзвуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество сигнала.

· Монотонность - свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.

· THD+N (суммарные гармонические искажения + шум) - мера искажений и шума вносимых в сигнал ЦАПом. Выражается в процентах мощности гармоник и шума в выходном сигнале. Важный параметр при малосигнальных применениях ЦАП.

· Динамический диапазон - соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в децибелах. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.

Статические характеристики:

· DNL (дифференциальная нелинейность) - характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МЗР), отличается от правильного значения;

· INL (интегральная нелинейность) - характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная характеристика строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики; выражается в МЗР;

· усиление;

· смещение.

Частотные характеристики:

· SNDR (отношение сигнал/шум+искажения) - характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений;

· HDi (коэффициент i-й гармоники) - характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;

· THD (коэффициент гармонических искажений) - отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.

№20 Выпрямители напряжения. Основные схемы. Фильтрация в выпрямителях. Импульсные источники питания. Стабилизация напряжения.

Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

  • Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.
  • Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.
  • Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:

  • по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.
  • По типу выпрямительного элемента – ламповые(кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.
  • По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого.
  • По назначению –для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.

Основные характеристики выпрямителей:

Основными характеристиками выпрямителей являются.

Дешифраторы позволяют преобразовывать одни виды бинарных кодов в другие. Например, преобразовывать позиционный двоичный код в линейный восьмеричный или шестнадцатеричный. Преобразование производится по правилам, описанным в таблицах истинности, поэтому построение дешифраторов не представляет трудностей. Для построения дешифратора можно воспользоваться правилами .

Десятичный дешифратор

Рассмотрим пример разработки схемы дешифратора из двоичного кода в десятичный. Десятичный код обычно отображается одним битом на одну десятичную цифру. В десятичном коде десять цифр, поэтому для отображения одного десятичного разряда требуется десять выходов дешифратора. Сигнал с этих выводов можно подать на . В простейшем случае над светодиодом можно просто подписать индицируемую цифру.Таблица истинности десятичного дешифратора приведена в таблице 1.

Таблица 1. Таблица истинности десятичного дешифратора.

Входы Выходы
8 4 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Микросхемы дешифратора на принципиальных схемах приведено на рисунке 2. На этом рисунке приведено обозначение двоично-десятичного дешифратора, полная внутренняя принципиальная схема которого изображена на рисунке 1.


Рисунок 2. Условно-графическое обозначение двоично-десятичного дешифратора

Точно таким же образом можно получить принципиальную схему и для любого другого декодера (дешифратора). Наиболее распространены схемы восьмеричных и шестнадцатеричных дешифраторов. Для индикации такие дешифраторы в настоящее время практически не используются. В основном такие дешифраторы используются как составная часть более сложных цифровых модулей.

Семисегментный дешифратор

Для отображения десятичных и шестнадцатеричных цифр часто используется . Изображение семисегментного индикатора и название его сегментов приведено на рисунке 3.


Рисунок 3. Изображение семисегментного индикатора и название его сегментов

Для изображения на таком индикаторе цифры 0 достаточно зажечь сегменты a, b, c, d, e, f. Для изображения цифры "1" зажигают сегменты b и c. Точно таким же образом можно получить изображения всех остальных десятичных или шестнадцатеричных цифр. Все комбинации таких изображений получили название семисегментного кода.

Составим таблицу истинности дешифратора, который позволит преобразовывать двоичный код в семисегментный. Пусть сегменты зажигаются нулевым потенциалом. Тогда таблица истинности семисегментного дешифратора примет вид, приведенный в таблице 2. Конкретное значение сигналов на выходе дешифратора зависит от к выходу микросхемы. Эти схемы мы рассмотрим позднее, в главе, посвящённой отображению различных видов информации.

Таблица 2. Таблица истинности семисегментного дешифратора

Входы Выходы
8 4 2 1 a b c d e f g
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1
0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0
0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0
0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0
0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0
0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0
0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0

В соответствии с принципами построения произвольной таблицы истинности по произвольной таблице истинности получим принципиальную схему семисегментного дешифратора, реализующего таблицу истинности, приведённую в таблице 2. На этот раз не будем подробно расписывать процесс разработки схемы. Полученная принципиальная схема семисегментного дешифратора приведена на рисунке 4.

Шифратор осуществляет преобразование десятичных чисел в двоичную систему счисления. На рис.9.9 приведено символическое изображение шифратора, преобразующего десятичные числа 0, 1, 2, … , 9 в выходной код 8421 и его таблица истинности. Символ CD образован из букв английского слова Coder . Слева показаны 10 входов шифратора, справа – выходы шифратора; цифрами 1,2,4,8 обозначены весовые коэффициенты двоичных четырёх разрядов шифратора.

Из таблицы истинности видно, что выходу x 1 будет соответствовать лог. 1 , если одна из входных переменных y 1 , y 3 , y 5 , y 7 , y 9 будет также иметь лог. 1 . Следовательно, можно составить логическую операцию x 1 =y 1 y 3 y 5 y 7 y 9 . Для остальных выходов можно составить логические операции: x 2 =y 2 y 3 y 6 y 7 , x 4 =y 4 y 5 y 6 y 7 , x 8 =y 8 y 9.

Рис.9.9. Символическое изображение шифратораи его таблица истинности

Используя полученные логические операции, можно реализовать логическую схему шифратора, построенную на логических элементах ИЛИ , приведённую на рис.9.10. Шифраторы используются в устройствах ввода информации в цифровые системы с клавиатуры.

Рис.9.10. Логическая схема шифратора