Название: Методические указания к куpсовому пpоектированию по дисциплине "Схемотехника".Разpаботка буфеpного устpойства в микpопpоцессоpной системе(И.А.Никищенков)

Жанр: Информационные системы и технологии

Просмотров: 1086


4. коды внешнего устройства

Передача информации  между двумя достаточно удаленными  уст- ройствами требует представления ее в виде последовательного по- тока битов,  характеристики которого  зависят от особенностей конкретной  системы.  Физической основой такой системы является линия связи,  которая обычно выполняется в виде витой пары про- водов, коакального кабеля либо оптического световода. В зависи- мости от расстояния данные, передаваемые по линии, могут однок- ратно или многократно подвергаться ретрасляции с целью восста- новления амплитуды и временных характеристик.4.1. Цифровые кодыАлгоритмы работы передатчика, ретранслятора и приемника оп- ределяются выбранным кодом, предназначенным  для передачи по ли- нии,  или  линейным  кодом.  Простейшим линейным кодом является униполярный код типа NRZ (non return to zero).В этом коде нули представлены отсутствием импульса ( напряжение, близкое нулю) , а единицы - наличием импульса ( некоторое положительное  напря- жение).  Этот код имеет четыре недостатка.1. Средняя мощность, выделяемая на нагрузочном резисторе R ,равна A^2/2R , где A - амплитуда импульса. Эта величена, как бу-дет видно из дальнейшего, в два раза превышает мощность при "би-полярном" кодировании.2. Большинство  линий  связи сопрягаются с аппаратурой через реактивные элементы, такие как трансформаторы. Поскольку унипо- лярные  сигналы всегда содержат постоянную составляющую и значи- тельную долю низкочастотных компонентов в спектре при  передаче длинной  последовательности единиц,  такое сопряжение затруднено или вовсе невозможно  - реактивные элементы на достаточно  низких частотах представляют собой "обрыв", либо "короткое замыкание".3. Ретрансляторы и приемники способны  надежно  восстановить синхронизирующую временную сетку  только тогда, когда паузы между импульсами не слишком велики. Появление очередного импульса пос-ле незначительной паузы позволяет каждый раз корректировать "ход часов" ретранслятора или приемника.  С увеличением паузы  надеж- ность  "службы времени" этих устройств падает.  Например,  после передачи серии из 10 тыс. нулей приемник не сможет точно опреде- лить,  находится  ли последующая единица на позиции 9999,  10000или 10001. Другими словами, при передаче достаточно большой пос- ледовательности нулей приемник (или ретранслятор) теряет синхро- низацию с передатчиком (или ретранслятором).4. Отсутствие  возможности оперативной  регистрации ошибок,таких как пропадание или появление лишних импульсов из-за помех.Биполярный сигнал NRZ обладает лучшими  энергетическими  ха-рактеристиками.  Единица представлена положительным уровнем нап-

ряжения, нуль - отрицательным.  Средняя мощность равна А^2/4R ,т.е.  половине средней мощности униполярного сигнала, хотя пере-пад уровней тотже самый.  Остальные три недостатка  сохраняются. Для их ликвидации необходимо введение избыточности одним из двух способов :1. Скорость передачи сигналов по линии выбирается большей ,чем скорость предачи информации,  без использования дополнитель-ных электрических уровней сигналов.2. Скорость передачи сигналов  по  линии  выбирается  равной скорости передачи  информации,   однако  вводятся дополнительные электрические уровни сигналов.Примером хода с избыточностью, введенной согласно способу 1, является код "Манчестер-2". Единица кодируется отрицательным пе- репадом  сигнала  в середине битового  интервала,  нуль - положи- тельныым перепадом.  На границах битовых интервалов сигнал, если это необходимо,  меняет значение ,"готовясь" к отображению  оче- редного бита в середине следующего битового  интервала. С помощью кода "Манчестер-2" решаются сразу все указанные  проблемы.  Пос- кольку число  положительных  и отрицательных импульсов на любом достаточно большом отрезке времени равно ( отличается не  более чем на один импульс,  что практически не имеет значения), посто- янная составляющая равна нулю. Подстройка "часов" приемника или ретранслятора производится при передаче каждого  бита, т.е. сни- мается проблема рассинхрорнизации. Спектр сигнала содержит толь- ко две логические составляющие :  F и 2F, где F - скорость пере-дачи информационных  битов.  Наличие только двух ( а не трех  или более) электрических  уровней напряжения позволяет надежно их распознавать (хорошая помехозащищенность).В виде последовательного потока битов может передаваться не только двоичный код, но и данные представленые в других кодах:- широтно-импульсный код,  представляет собой импульс,  дли- тельность которого пропорциональна значению передаваемого кода. Двоично-десятичный код передается  по  параллельным  линиям,количество которых определяется длиной слова.4.2. Обработка аналоговых сигналовДля преобразования  цифровых кодов в аналоговые сигналы ис- пользуются ЦАП,  а для преобразования аналоговых сигналов в циф- ровые коды - АЦП.

По способу формирования выходного напряжения в зависимости от цифрового входного кода все ЦАП можно разделить на три груп- пы: с суммированием токов, с суммированием напряжений, с делени- ем напряжений. однако  в виде интегральных микросхем чаще всегореализуются ЦАП с суммированием токов, которые и рассматриваются далее.Цифро-аналоговые преобразователи , использующие для формиро- вания  выходного напряжения суммирование токов, обычно делят на два типа: с использованием взвешенных резисторов и многозвенной цепочки резисторов R=2R. ЦАП на основе двоично-взвешенных резис- торов состоят из матрицы двоично-взвешенных резисторов, N перек- лючателей на каждый разряд, управляемых цифровыми сигналами, ис-точника опорного напряжения и суммирующего элемента выполняет ОУ в  инвертирующем включении,  для которого вся матрица резисторов может быть представлена одним входным резистором. Указанный не- достаток  можно преодолеть применением в ЦАП резисторной матрицы типа R-2R. Использование такой многозвенной однородной резистор-ной матрицы позволяет исключить требование к абсолютной точности сопротивлений резисторов, а решающее значение начинают оказывать относительный разброс этих сопротивлений. Рассмотренные структу- ры ЦАП относятся к категории умножающих, предназначенных для ра- боты с изменяющимися во времени и по амплитуде источниками опор- ного напряжения. Такие ЦАП имеют два входа: один для аналогового напряжения, другой для цифрового слова. Аналоговый выходной сиг-нал равен произведению обоих входных сигналов.  Если допускается изменение Uоп в пределах одной полярности, то умножающий ЦАП на- зывают одноквадрантным; если допускается использование  двухпо- лярного Uоп,  то умножающий ЦАП - двухквадрантный.  Четырехквад- рантный умножающий ЦАП допускает работу с входными двухполярными аналоговыми и цифровыми сигналами ( с разрядом знака ) и выраба-тывает на выходе двухполярный сигнал с правильной полярностью.Количество статических параметров ЦАП достаточно велик,  од- нако наиболее часто путаемыми параметрами является  разрешаающая способность и точность, хотя это две крайне слабо связанные меж-ду собой характеристики реального ЦАП. Разрешающая способность - значение  выходного напряжения,  соответствующее  разнице между двумя уровнями, возникающими при подаче смежных входных цифровых слов. Таким образом,  если опорное напряжение 10-разрядного ЦАП равно 10,24В, то его разрешающая  способность равна 10,24В /2^10

= 10мВ. Точность же характеризует суммарное отклонение выходного напряжения от своего идеального значения для данной кодовой ком- бинации.  Она  определяется многими составляющими,  из которых к числу важнейших относятся следующие.Напряжение смещения нуля - смещение выходного напряжения ЦАП относительно нуля в начальной точке преобразования.  Погрешность коэффициента  передачи - смещение выходного напряжения ЦАП отно- сительно значения Uоп в конечной точке преобразования.  Нелиней- ность  (интегральная нелинейность) - максимальное  отклонение ре- альной характеристики преобразования от идеальной .  Дифференци- альная нелинейность - максимальное  отклонение от реальной харак- теристики преобразования от идеальной, которая наблюдается в со- седних кодовых переходах.Таким образом,  разрешающая  способность характеризует потен- циальные  возможности ЦАП,  а совокупность точностных параметров определяет реализуемость такой потенциальной возможности. Тольков идеальных ЦАП точность совпадает с разрешающей способностью. В большинстве ЦАП колебания напряжения источников питания и темпе- ратура окружающей среды вызывают существенные изменения характе- ристик точности преобразования.  Большая  часть этих изменений обычно  не  приводится,  и допустимость приходится проверять ужепри испытаниях ЦАП в составе аппаратуры.Наиболее важными из  параметров  ЦАП,  характеризующих  его быстродействие,  являются следующие. Время преобразования - вре-мя, которое требуется выходному напряжению ЦАП, чтобы перейти из одного установившегося значения в другое с точностью установле-ния,  равной 0,5 МЗР. Время преобразования обычно измеряется при изменении Uвых от 0 до Uоп.  Для одного и того  же ЦАП время пре- образования будет разным в зависимости от того, что измеряется - установление тока или напряжения и на какой  нагрузке. Скорость нарастания Uвых - максимальная скорость изменения выходного нап- ряжения ЦАП. Время установления - время, определяемое аналогично времени  преобразования при переходе преобразования при переходе входного цифрового слова к соседней кодовой комбинации.Недостаточно знать перечень  характеристик  современных БИС ЦАП и основные схемы включения для их успешного применения.  Су- щественное  влияние  на  результаты применения БИС ЦАП оказывает выполнение эксплуатационных требований, обусловленных особеннос- тями конкретной микросхемы ЦАП. К таким требованиям относится не

только использование допустимых входных сигналов, напряжения ис- точников питания,  емкости и сопротивления нагрузки, но и выпол- нение очередности включения разных источников питания,  разделе- ние  цепей подключения источников питания и общей шины в микрос- хеме, применение фильтров и т.д.Для преобразования 16-разрядного кода в аналоговый  сигнал можно воспользоваться последовательным соединением двух 12-раз- рядных ЦАП К572ПА2. При этом динамический  диапазон  выходных сигналов  определяется  произведением  динамических  диапазонов каждого преобразователя,  а точность - суммой  их  точности. В преобразователях такой разрядности необходимо на выходе исполь- зовать прецизионное УВХ для  устранения  всплесков напряжения, возникающих в моменты измерения кодов. Благодаря тому,  что на входе ЦАП К572ПА2 имеются регистры,  запоминающие  12-разрядный код, входное 16-разрядное слово запоминается по частям: 12 раз-рядов на ЦАП1 и 4 разряда на ЦАП2.  Опорное  напряжение,  соот- ветствующее 16 разрядам,  подается на ЦАП2, выходное напряжение которого является опорным напряжением для ЦАП1.  Таким образом, ЦАП2  задает диапазон выходных напряжений с 16 зонами,  которые лежат в пределах +10...-10В. В свою очередь,  ЦАП1  формирует4096  градаций  напряжения в соответствующей зоне,  задаваемойЦАП2.Аналого-цифровые преобразователи,  а  точнее преобразователи напряжения в код,  предназначены для сопряжения современных ана- логовых измерительных систем с цифровыми системами обработки ин- формации. Любое преобразование напряжения в код основано либо на сравнении  входного напряжения с эталонным (опорным),  либо на промежуточном преобразовании напряжения во временной интервал ( частоту или скважность ), длительность которого затем преобразу- ют в цифровой эквивалент информации.   На основе метода сравнения аналогового  сигнала с эталонным построены АЦП последовательного приближения,  параллельного преобразования и их модификации.  На промежуточном преобразовании во временной интервал основаны пре- образователи напряжения в частоту, АЦП с пилообразным напряжени- ем, интегрирующие и их модификации.Однотактный интегрирующий АЦП (АЦП с пилообразным напряже-нием) использует линейно  нарастающее  пилообразное  напряжение для  преобразования  Uвх во временной интервал.  Этот временной интервал затем используется для выделения с помощью компаратора

А2 требуемой  части  выходных импульсов тактового генератора с помощью счетчика. Число тактовых импульсов, пропущенных компа- ратором в счетчик, пропорционально Uвх.Существенно большую точность преобразования позволяют полу- чит АЦП с двухтактным интегрированием,  у которых выходной циф- ровой код определяется интегральным или средним значением  ана- логового сигнала в течение некоторого интервала времени.  ТакиеАЦП, также содержащие на входе интегратор, обеспечивают высокую точность преобразования  при  обработке  аналоговых сигналов в присутствии высокочастотных помех с частотой fп>1/Tи, где Типе- риод интегрирования.  Если значение Ти кратно периоду изменений переменной составляющей напряжения питания  АЦП,то  исключается влияние нестабильности напряжения источника питания на точность преобразования.  Это объясняется тем, что значение интеграла от синусоидального  сигнала  равно нулю, если интегрирование осу- ществляется во временном интервале,  кратном периоду изменения синусоиды.АЦП с двухтактным интегрированием обеспечивают высокую точ- ность,  имеют  сравнительно простую структуру и благодаря этому оказались приемлемыми для изготовления в виде полупроводниковых БИС. Их главным недостатком является большое время преобразова- ния (1 ... 100мс).АЦП последовательного приближения получив команду на выпол- нение преобразования от генератора тактовых импульсов, регистр последовательного приближения (РПП) устанавливает лог.1 в пер- вом  разряде запоминающего регистра и ЦАП.  Если при этом Iвх >Iц,  то компаратор напряжения А1 выдает в РПП команду  оставить лог.1 в первом разряде запоминающего регистра и подать лог.1 во втором разряде ЦАП. Если после этого вновь Iвх>Iц, то А1 выдаетв РПП команду оставит лог.1 во втором разряде запоминающего ре- гистра ЦАП и подать лог.1 на третий разряд.  Если же Iвх<Iц, то компаратор  А1 выдает в РПП команду установит во втором разряде лог.0 и в третий разряд ЦАП передать лог.1. Затем вновь повто- ряется описанный выше алгоритм работы блоков АЦП и так далее до N-го разряда ЦАП.  Работа АЦП синхронизируется тактовым генера- тором. После N тактов сравнения Iвх с Iц на выходе запоминающе-го регистра и на выходе ЦАП получается N-разрядный код, который является  цифровым  эквивалентом  входного аналогового сигнала. Таким образом,  время преобразования такого АЦП равно NTи, т.е.

значительно меньше,  чем для рассмотренных АЦП с ЦАП в цепи ОС. Однако при использовании одинаковых компонентов АЦП  последова- тельного  приближения,  как правило,  уступает рассмотренным по значению дифференциальной  нелинейности.Основными элементами N-разрядного параллельного АЦП являют- ся 2^N-1 компараторов напряжения. На один из двух дифференци- альных входов каждого  компаратора подается индивидуальное опор- ное напряжение. Такое опорное напряжение для каждого  компарато-ра формируется внутренним резисторным делителем. Разность между опорными  напряжениями двух  ближайших  компараторов   равна Uоп/2^N.  На другие входы компараторов подается входной сигнал.По функционированию и структуре компараторы в АЦП параллельного преобразования аналогичны компараторам К597СА1 и К597СА2. В их входной каскад встроен триггер-защелка. На выходах компараторов устанавливаются уровни лог.0 и лог.1, соответствующие сигналамна входах в момент прихода фронта тактового  сигнала.  Длитель- ность импульса опроса лежит в пределах 0,1...1 нс.  После окон- чания импульса опроса с помощью триггера-защелки в каждом ком- параторе хранится мгновенное значение аналогового входного сиг- нала,  представленное на выходах компараторов в виде (2^N-1)  - разрядного  цифрового слова.Дешифратор представляет это слово в виде двоичного N-разрядного кода и затем по команде  дешифриро- ванное слово записывается в выходной регистр.   Поскольку каждая из 2^N-1 градаций аналогового входного сигнала преобразуется  вцифровой сигнал отдельным компаратором,  время преобразования в таком АЦП определяется временем переключения компаратора и  за- держкой  дешифратора и , следовательно, сравнительно невелико.Однако высокое быстродействие достигается ценой  значитель-ных аппаратурных затрат и большой потребляемой мощности. Напри- мер,  для 8-разрядного параллельного АЦП К1107ПВ2 требуется 255 компараторов, а всего около 3*10^4 активных элементов и потреб- ляемая мощность около 3 Вт.Параметры АЦП делятся на точностные, динамические и эксплу- атационные.  По сравнению с ЦАП точность АЦП характеризуют  еще два  дополнительных параметра:  погрешность квантования и апер- турная погрешность. Погрешность квантования - погрешность, выз- ванная  значением  шага  квантования,  определяемая 0,5 единицыМЗР.  Апертурная погрешность - неопределенность между значением входного сигнала в момент выборки и значением фактически преоб-

разуемой величины Uвх.К новым  по сравнению с ЦАП динамическим параметрам следует отнести частоту дискретизации,  время выборки и апертурное вре- мя.  Частота дискретизации - максимальная частота выборок вход- ного аналогового сигнала.  Время выборки - максимальное   время, которое  затрачивает АЦП (обычно УВХ на входе АЦП) на получение нового значения Uвх. Апертурное время - время, в течение кото-рого сохраняется неопределенность между значением выборки Uвх и моментом времени, к которому она относится.Эксплуатационные параметры  АЦП  аналогичны параметрам ЦАП,за исключением диапазонов изменения входных и  выходных  сигна-лов.В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют  методы последовательного приближения,  параллельного преобразования и двухтактного интегрирования. Первый метод обеспечивает удовлет- ворительное сочетание точности и быстродействия,  второй - воз- можность достичь высокого быстродействия,  третий - повышенную точность.На основе метода последовательного приближения были созданы выпускаемые сейчас серийно БИС К572ПВ1,  К1113ПВ1, и этот метод положен в основу создания БИС К1118ПВ1. АЦП К572ПВ1 не является функционально законченным, поскольку содержит только ЦАП, РПП и запоминающий  регистр.  Для использования в качестве АЦП последо- вательного приближения к БИС К572ПВ1 необходимо добавить компа- ратор, источник  опорного напряжения и  тактовый  генератор.БИС К1113ПВ1 является функционально законченным АЦП, сопря- гаемым с микропроцессором. Этот АЦП может преобразовать однопо- лярное  напряжение 0...10В (вывод 15 заземлен) в двухполярное+-5В (на вывод 15 напряжение не подается).В БИС  К1108ПВ1  структура отличается от традиционного АЦП последовательного приближения тем, что три старших разряда фор- мируются в первом такте преобразования.  Остальные же семь раз- рядов получаются как в обычном АЦП последовательного  приближе- ния. Благодаря этому время преобразования уменьшено до 1 мкс.В АЦП последовательного приближения  и  аналогичных  им  по быстродействию ( следящих или использующих ступенчатое прираще- ние напряжения ) на точность работы существенное влияние оказы- вает постоянство входного аналогового сигнала в течение времениего преобразования в цифровое слово. Чем длительнее время пре-

образования,  тем большее влияние на его точность могут оказать изменения напряжения питания,  помехи и шумы. Их источником яв- ляется в первую очередь УВХ, практически всегда используемое нана входе АЦП указанных типов. В режиме выборки УВХ выполняет функцию  буферного повторителя,  исключающего влияние выходного источника аналогового сигнала. По команде в виде цифрового сиг-нала  УВХ переходит  в режим хранения и на выходе сохраняется значение входного напряжения, достигнутое в момент подачи  ко- манды. Изменение этого  напряжения из-за нестабильности напряже- ния питания УВХ, помех, вызванных переключением цифровых схем в приборе и из -за шумов в УВХ приводит к тому, что реальная точ- ность преобразования в АЦП указанных типов не превышает 12 раз- рядов.Существенно повысить точность преобразования  удается  при использовании интегрирующих АЦП.  Метод двухтактного интегриро- вания использован при построении  БИС  К572ПВ2.  Преобразование выходного кода КР572ПВ2,  предназначенного для работы на семи- сегментные светоиндикаторы,  в обычный  двоичнодесятичный  код можно осуществить  с помощью программируемых БИС КР556РТ4.  Их программирование осуществляется в соответствии с таблицей, при- веденной в [8].Адресные входы ППЗУ  подключаются к выводам КР572ПВ2 вместо индикаторов.