Цифровая электроника

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.П. ОГАРЕВА Светотехнический факультет КАФЕДРА МЕТРОЛОГИИ, СТАНДАРТИЗАЦИИ И СЕРТИФИКАЦИИ Курсовой проект по дисциплине: Основы функционирования систем сервиса на тему: Цифровая электроника Автор отчета А. И. Старкин Специальность 100 101 сервис компьютерной и микропроцессорной техники Преподаватель А. В. Пантелеев Саранск 2009

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. Устройство цифровой электроники

1.1 Системы исчисления

1.2 Логические константы и переменные операции булевой алгебры

1.3 Теоремы булевой алгебры

2. Полупроводниковые запоминающие устройства

2.1 Назначение, основные параметры и классификация

2.2 ЗУ с одномерной адресацией

2.3 ЗУ с двумерной адресацией

2.4.Динамические ОЗУ

3. Аналого-цифровое и цифро-аналоговые преобразователи

3.1 Назначение, основные свойства и классификация

3.2 Основные характеристики

3.3 АЦП С ДВОЙНЫМ ИНТЕГРИРОВАНИЕМ

3.4 ЦАП С СУММИРОВАНИЕМ ТОКОВ ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Электроника — область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных средств (ЭС) и принципов их использования. При этом аналоговая электроника охватывает только те электронные средств, которые предназначены для преобразования и обработки информации, изменяющейся по закону непрерывной функции, а цифровая электроника — средства для преобразования и обработки информации, изменяющейся им закону дискретной функции. Помимо понятий «аналоговая» и «цифровая» электроника применяют понятие «импульсная» электроника, смысл которого станет ясен из последующего изложения материала.

Промышленное развитие электроники можно подразделить на два направления; энергетическое (силовое), связанное с преобразованием переменного и постоянного токов для нужд электроэнергетики, электротяги, металлургии и пр., и информационное, к которому относятся электронные средства, обеспечивающие измерения, контроль и управление различными процессами, включая производство и научные исследования во многих инженерных и неинженерных отраслях (биология, медицина и т. п.). Без знания законов электротехники невозможно понять и изучить принципы работы и применения электронных устройств.

Широкое применение информационной электроники базируется на возможности замены трудноизменяемых физических параметров различных процессов соответствующими электрическими параметрами. Это позволяет относительно просто, в минимальных физических объемах, при высоком быстродействии и надежности функционирования реализовать требуемый алгоритм обработки информации, используемой в системах измерения, контроля и уп-равления реально протекающих процессов, Подобные системы включают, как правило, три функциональных блока (рис. I); блок преобразования физической величины, преобразующей реальное состояние процесса или объекта, в соответствующий параметр электрического сигнала — датчик (первичный преобразователь);

— блок преобразования электрических сигналов в электрические сигналы по заданному алгоритму-электронное устройство (ЭУ);

— блок преобразования электрического сигнала и физическую величину, с помощью которой осуществляется действие на состояние процесса или объектаисполнительное устройство.

Промышленное развитие электроники можно отнести к началу ХХ-го столетия, когда в 1904 г. англичанин Д. Флеминг создал первую электронную лампу (диод), В 1907 г, американец Л. Фоюст, введя в диод управляющий электрод, получил триод, способный генерировать и усиливать электрические колебания. В Росши первую электронную лампу изготовил в 1914 г, Н. Д. Паналекси.

В 30-х годах началось активное изучение полупроводниковых материалов с целью их использования в электронике. Большой вклад в решение этой проблемы внесли теоретические работы советских физиков, возглавляемых академиком А. Ф. Иоффе.

В 1948 г. американскими учеными был изобретен первый полупроводниковый усилительный прибор — транзистор. Аналогичные приборы несколько позже разработали советские ученые А. В. Красиков и С. Г. Мадоян. Обладая существенными преимуществами по сравнению с электронными лампами, транзисторы обусловили бурное развитие полупроводниковой электроники. Применение транзисторов в сочетании с печатным монтажом позволило получить малогабаритные электронные устройства с относительно малым потреблением электроэнергии.

Дальнейший скачок в развитии электроники стал возможен с появлением устройств интегральной микроэлектроники, представляющих собой интегральные схемы (ИС). Промышленный выпуск ИС был начат в начале 60-л годов и способствовал бурному прогрессу в развитии информационной электроники и микроминиатюризации электронных средств. Эти тенденции получили еще большее развитие с появлением больших (БИС), а затем и сверхбольших (СБИС) интегральных схем, которые позволили разработать и внедрить во все сферы деятельности человека микроЭВМ. Основным элементом в таких ЭВМ стал микропроцессор — СБИС, содержащая десятки и сотни тысяч элементов на одном кристалле (полупроводниковой пластине площадью несколько квадратных миллиметров),

В настоящее время СБИС наряд с БИС, ИС и отдельными типами дискретных полупроводниковых приборов, стали основной элементной базой современных электронных средств.

1. Устройство цифровой электроники

1.1 СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ Существующие системы счисления подразделяются на позиционные и непозиционные. В непозиционных системах значение конкретной цифры постоянно у не зависит от ее расположения в записи числа. Примером такой системы счисления является Римская система записи числа. Например, в числе XXXVI значение цифры X не зависит от ее местоположения в записи числа. Оно везде равно 10.

В позиционных системах счисления значимость конкретной цифры определяется ее местоположением в записи числаТак, произвольное число X в позиционной системе счисления с основанием q в общем случае можно представить в виде полинома:

Xq = Xn-qn-1 + хn-2 gn-2+ … + xоg° 4- х~х<�Г* ± f- Х~шДГт*(14Л) где хл — разрядный коэффициент [хг=0."(/—1);

<�у'~весовой коэффициент.

Число q называется основанием системы счисления. Следует отметить, что число q может быть как целым, так и дробным.

Если в выражении отбросить весовые коэффициенты g' к соответствующие знаки сложения, то получим сокращенную запись числа, носящую название личного кода числа Хg Номер позиции цифры Xi называют его разрядом. Разряды с положительными степенями g образуют целую часть числаx Xg с отрицательными степенями — дробную. Цифры хп-1 и х-т соответственно являются старшим и младшим разрядами числа.

Количество различных чисел, которое может быть записано в позиционной системе счисления с основанием q при заданном числе разрядов:

N=g n+m

Количество разрядов, необходимое для записи в позиционной системе счисления с основанием q некоторого числа X, можно определить из следующих соображений. Согласна (14−2), для записи числа X в системе с основанием q должно выполняться условие Хg<gn+m-1, тогда n+m > LOGg(Xg+1)

В цифровой технике нашли применение только позиционные системы счисления. Для представления числа, записанного в позиционной системе счисления с выбранным основанием g, при помощи электрических сигналов необходимо иметь некоторое электронное устройство, формирующее на выходе q различных электрических сигналов, которые достаточно легко можно отличить друг от друга. При этом необходимое число таких устройств должно равняться числу разрядов целой и дробной частей записываемого числа.

Очевидно, что в этом случае чем больше величина g, тем меньше понадобится указанных электронных устройств. С другой стороны, увеличение q потребует создания сложных электронных блоков, способных формировать на выходе большое число различных электрических сигналов. В этом случае, например при использовании в качестве информационного параметра уровня напряжения при фиксированной его максимальной величине, с увеличением q уменьшается различие между дискретными уровнями выходных сигналов, что в конечном счете усложняет их идентификацию. Последнее повышает вероятность появления ошибок при действии внешних помех и усложняет само устройство. Критерием выбора q в данном случае является минимизация аппаратных затрат при обеспечении достаточной помехоустойчивости. Попытки чисто математического решения поставленной задачи показали, что оптимальной при поставленных требованиях является система счисления с основанием е =2,71… Однако практически создать такую систему сложно и технически нецелесообразно.

Широкое распространение в цифровой технике получила позиционная система счисления с основанием q=2 — двоичная система счисления. По определению в такой системе фигурируют только два цифровых знака 0 и 1.

При работе с устройствами вычислительной техники приходится сталкиваться с позиционными системами счисления с основанием 2, 8, 10 и 16. Рассмотрим ряд правил, позволяющих выполнить преобразование чисел из одной системы счисления в другую.

Переход от системы счисления с меньшим основанием к системе счисления с большим основанием осуществляется при помощи выражения, которое справедливо как для целой, так и дробной частей числа.

1.2 ЛОГИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ И ПЕРЕМЕННЫЕ. ОПЕРАЦИИ БУЛЕВОЙ АЛГЕБРЫ Для описания алгоритмов работы цифровых устройств необходим соответствующий математический аппарат. Такой аппарат для решения задач формальной логики в середине прошлого века разработал ирландский математик Д. Буль. По его имени математический аппарат и получил название булевой алгебры или алгебры логики.

Булева алгебраэто математическая система, оперирующая двумя понятиями: событие истинно и событие ложно. Естественно ассоциировать эти понятия с цифрами" используемыми ь двоичной системе счисления. Далее будем их называть соответственно логическими единицей (лог. 1) и нулем (лог. 0).

Два элемента булевой алгебры, а именно событие истинно и событие ложно, называются ее константами. Будем понимать под ними значения соответственно лог. 1 и лог. 0.

Для того чтобы описать при помощи булевой алгебры поведение и структуру цифровой схемы, ее входным, выходным и внутренним узлам ставят в соответствие булевы переменные, которые могут принимать только два значения:

Определим множество операций, выполняемых над булевыми константами и переменными" а также постулаты, которым эти операции удовлетворяют. Основными операциями булевой алгебры являются операции логического сложения, умножения и отрицания.

Логическое сложение. Эту операцию называют операцией или дизъюнкцией. Следует отметить, что данная операция справедлива для произвольного числа переменных. Число переменных, над которыми выполняется операция, обозначается цифрой, стоящей перед ее обозначением. Так, для табл. 14,2 можно сказать, что она определяет операцию 2ИЛИ, Операция ИЛИ соответствует математической операции объединения множеств.

Логическое умножение. Эту операцию называют операцией И или конъюнкцией. Постулаты логического умножения двух переменных приведены в табл. 14.3.

Следует отметить, что данная операция также справедлива для произвольного числа переменных. Она соответствует математической операции пересечения множеств. Число переменных, нал которыми выполняется операция, также обозначается цифрой В данном случае можно сказать, что табл. 14.3 определяет oпeрацию 2и.

Отрицание

Операцию отрицания называют инверсией или дополнением. Для ее обозначения используют черту над соответствующим выражением. Операция определяется следующими постулатами:

1.3 Теоремы булевой алгебры Теоремы булевой алгебры отражают связи, существующие между операциями, выполняемыми над логическими переменными. Сформулируем наиболее важные из них. При этом, так как логические операции подчиняются принципу двойственности, соответственно попарно сгруппируем все однотипные теоремы по столбцам:

Выражения 8 носят название теорем Де-Моргана; выражения 9 — теорем поглощения, выражения 12 — теорем склеивания.

Справедливость всех перечисленных теорем может быть легко доказана с использованием метода совершенной индукции, т, е, непосредственной подстановкой.

Логические устройства могут быть классифицированы по раз личным признакам. Так, в общем случае (см. рис. 14.1) на входе логического устройства действуют п, а на выходе —m переменных, т, е. присутствуют соответственно п и m-разрядные коды. Поэтому логические устройства могут быть классифицированы по способу ввода-вывода переменных (информации). С этой точки зрения они подразделяются на последовательные, параллельные н последовательно параллельные (смешанные).

Последовательным называется устройство" в котором входные переменные подаются на вход, а выходные переменные снимаются с выхода не одновременно, а последовательно, разряд за разрядом.

Параллельным называется устройство, в котором все разряды входных переменных подаются на вход, и все разряды выходных переменных снимаются с выхода одновременно, В последовательно-параллельных устройствах входные и выходные переменные представлены в различных формах. Либо на вход переменные подаются последовательно символ за символом, а с выхода они снимаются одновременно, либо наоборот.

По принципу действия все логические устройства делятся на два класса: комбинационные и последовательностные.

Комбинационными устройствами или автоматами без памяти называют логические устройства, выходные сигналы которых однозначно определяются только действующей в настоящий момент на входе комбинацией переменных и не зависят от значений переменных, действовавших на входе ранее.

Последовательностными устройствами, или автоматами с памятью, называют логические устройства, выходные сигналы которых определяются не только действующей в настоящий момент на входе комбинацией переменных, но и всей последовательностью входных переменных, действовавших в предыдущие моменты времени. Этот тип устройств часто называют цифровыми автоматами.

2. Полупроводниковые запоминающие устройства

2.1 НАЗНАЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ Для кратковременного хранения небольших объемов кодовых слов обычно используют регистры. При необходимости длительного хранения или хранения больших объемов информации применяют запоминающие устройства (ЗУ), выполненные на специализированных ИС. Применение ЗУ, использующих ИС, позволяет максимально упростить аппаратную часть электронных устройств.

Строго говоря, для цели хранения информации может быть использовано большое число различных технических решений. Например, в качестве носителей информации часто используют магнитные диски или ленты. Однако ниже остановимся только на ЗУ, построенных с использованием полупроводниковой технологии.

Любое ЗУ, не зависимо от его выполнении назначения, характеризуется рядом параметров. Рассмотрим основные из них.

Емкость ЗУ (М) определяет максимально возможный объем ранимой в нем информации.

Единицей измерения количества информации является один бит. Это количество информации соответствующее одному разряду двоичного кодового слова или одной логической константе. Численно бит может принимать значения лог. О или лог. 1. Обычно информация, равная одному биту, хранится в одном элементарном запоминающем элементе (ЭЗЭ). Поэтому емкость ЗУ принято определять в битах или количестве кодовых слов с указанием их разрядности, При этом 8-разрядное кодовое слово называют байтом.

Для определения больших объемов информации используют приставки кило и мета, означающие соответственно 21О=1024 бит— = 1 Кбит и 220=1 48 576 бит=1 Мбит, Для более детального определения структуры используют понятие «организация ЗУ>(N*L), под которым понимают число кодовых слов (N), хранимых в ЗУ с указанием их длины (разрядности) (L). Очевидно, что емкость ЗУ связана с параметрами, характеризующими его организацию, соотношением

M = NL.

Из сказанного следует, что при одном и том же объеме хранимой информации память может иметь различную организацию. Так, два ЗУ с организацией 32×8 и 256×1 имеют одинаковый объем памяти, равный 256 бит.

Динамические характеристики ЗУ в общем случае определяются большим числом различных временных параметров, основными среди которых являются времена выборки (обращения) и циклов адреса в режимах чтения и записи.

Временем выборки I называется временной интервал между подачей на вход памяти заданного сигнала и получением на вы ходе данных при условии, что все остальные сигналы поданы.

Согласно данному определению, время выборки можно опре делять относительно любого из необходимых для работы памяти сигналов.

Временем цикла адреса в режиме записи (Lcy (A)WR) называется минимальное время совпадения сигналов на управляющих входах памяти, необходимое для надежной записи в нее информациианалогично для режима считывания определяется и tsy(a)RD.

Для надежной работы ЗУ необходимо соблюдение определенных временных соотношений между различными управляющими сигналами. Эти соотношения задаются временами цикла (T sr), установления (Tsu), длительности действия (tw) и сохранения (tv) сигналов. Под указанными параметрами понимают: tsv — интервал между началами (окончаниями) сигналов ка любом управляющем входе ИС;Tsu — интервалы, соответственно, между началами и окончаниями двух различных управляющих сигналов; tw — длительность действия заданного сигнала управления. Указанные времена могут задаваться относительно любых управляющих сигналов ИС ЗУ.

Определение основных динамических параметров ЗУ в различных режимах работы иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на рис. 21−1,а, б.

Говоря о быстродействии памяти, необходимо помнить, что прежде чем считать информацию, требуется найти ее местоположение в ЗУ.

При разработке полупроводниковых ЗУ нашел применение метод произвольного доступа, при котором время выборки постоянно и не зависит от местоположения информации в хранящемся массиве.

По выполняемой функции ЗУ можно классифицировать на:

— оперативные упоминающие устройства (ОЗУ);

— постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

К оперативным относят ЗУ, использующиеся для хранения информации, получаемой в процессе работы устройства и обеспечивающие соизмеримые времена ее считывания и записи.

Оперативные ЗУ могут быть выполнены как статическими, так и динамическими, В статических ОЗУ вписанная информация постоянно хранится в выделенном для нее месте и не разрушается при ее считывании. Разрушение информации возможно только при ее принудительном стирании или отключении напряжения источника питания.

В динамических ОЗУ информация постоянно циркулирует в массиве, отведенном для ее хранения. При этом считывание информации сопровождается ее разрушением. Для сохранения информации ее необходимо перезаписать заново.

Основным требованием, предъявляемым к ОЗУ, является обеспечение максимально возможного быстродействия при заданных объеме и организации.

Для обозначения на принципиальных электрических схемах НС ОЗУ используется сокращение RAM (random access memory).

Постоянные ЗУ предназначены для хранения информации, остающейся неизменной в течение всего времени эксплуатации устройства. Обычно это либо неизменные последовательности кодов" определяющие алгоритмы, по которым функционирует устройство" либо некоторые константы, требуемые для выполнения определенных вычислений.

В зависимости от возможности записи информации ПЗУ подразделяются на три подкласса: масочные ПЗУ" программируемые ПЗУ, непрограммируемые ПЗУ. Для обозначения на принципиальных электрических схемах ИС ПЗУ используется сокращение ROM {read only memory). Более подробно свойства и области применения отдельных видов ЗУ будут рассмотрены ниже.

2.2 ЗУ С ОДНОМЕРНОЙ АДРЕСАЦИЕЙ Как уже отмечалось ранее, в ЗУ с произвольным доступом для хранения каждого бита информации используется отдельный ЭЗЭ. В зависимости от способа нахождения нужного элемента в массиве других однотипных элементов различают структуры с одномерной (линейной) и двумерной адресацией.

На рис. 1. в качестве примера приведена структурная схема ЗУ (М=16, организация 4X4) с одномерной адресацией. Данная структура содержит матрицу 4X4 ЭЗЭ, каждый из которых: снабжен тремя пынодами; входом информации (IN), выходом информации (OFF) и выходом разрешения работы — выбора кристалла (CS—chip select), дешифратор адреса, входные и выходные ключи на элементах 2И.

Если на вход дешифратора подано некоторое адресное слово, на соответствующем его выходе формируется сигнал лог. 1, который выбирает псе ЭЗЭ, расположенные в одной из строк матрицы. Дальнейшая работа устройства зависит от того, какой режим работы задан управляющими сигналами. Если подан сигнал «чтение» (W,R/RD=1), то информация из выбранных ячеек подается на первые входы выходных элементов 2И. На вторые входы этих ключей подан единичный (пассивный) логический сигнал. Информация, хранившаяся в выбранных ЭЗЭ, попадает на выходные выводы DО0, DО и D02 ,DO3.

Если на схему подан сигнал «записью (WR/RD=0)t то информация с входных шин Dl0 ,DI1, DI2 ,DI3 через выходные элементы 2И подается на входы ЭЗЭ и записывается в них.

Особенностью данной структурной схемы является одновременная запись и считывание информации, хранящейся в строке матрицы ЭЗЭ. Поэтому при заданной разрядности хранимого слова наращивание объема памяти может выполняться только за счет увеличения числа строк матрицы.

Рис. структурная. схема ЗУс одномерной адресацией Это, в свою очередь, ведет к значительному увеличению количества выходов дешифратора, т. е. к усложнению аппаратной реализации.

С точки зрения упрощения дешифратора желательно выполнять матрицу ЭЗЭ прямоугольной. Однако при использовании рассмотренной структуры это предполагает увеличение разрядности выходного слова.

Решить это противоречие можно, если в качестве входных и выходных ключей ИС использовать соответственно схемы дедуль типлсксорон и мультиплексоров. Применительно к ЗУ их принята насыпать селекторами. При этом часть разрядов адресного слова используется для управления селекторами.

Структурная схема ЗУ с организацией 256X4, реализующая описанный принцип, показана на рис. Она включает матрицу ЭЗЭ размером 32×32 элемента, дешифратор адреса. Каждый ЭЗЭ снабжен тремя выводам.

Рис 2. Структурная схема ЗУ с селекторами Входом и выходом информации и выводом разрешения работы (выборки).

Управление доступом к такому объему информации требует подачи на вход ЗУ 256 различных адресов, т. е. предполагает использование 8-разрядного адресного слова. Младшие его разряды (А4… АО), поступая на дешифратор адреса, выбирают из матрицы в одну из 32 строк ЭЗЭ. При этом информация в зависимости от заданного режима работы может либо считываться (WR/RD =1), либо записываться (WR/RD=О) во все элементы выбранной строки. Выбор нужных ЭЗЭ производится соответственно либо входным, либо выходным селекторами, которые в зависимости от значения старших разрядов адреса (А7…А5) выбирают из строки нужные элементы.

Очевидно, что описанные структуры выгодно использовать при одновременной записи-считывании информационных слов большой разрядности. В противном случае практическая реализация данных структур приводит к большим аппаратным затратам.

2.3 ЗУ С ДВУМЕРНОЙ АДРЕСАЦИЕЙ При необходимости побитовой записи-считывания информации применяют структуру памяти с двумерной адресацией (рис.3).

Данная структура содержит матрицу ЭЗЭ, статический регистр адреса, дешифраторы строки и столбца, усилители записи и считывания, входной и выходной буферные триггеры.

Рис. 3. Структурная схема ЗУ с двумерной адресацией Однако, в отличие от схемы рис. 2, каждый ЭЗЭ матрицы содержит не один, а два вывода разрешения работы (CS1 и CS2). При этом информационные выводы р1 и р2 являются обратимыми, т. е. позволяет как записывать так и считывать информацию. Для выбора нужной ячейки на оба входа CS необходимо подать активные логичские уровни. Цепи управления матрицей ЭЗЭ обеспечивают реализацию о одного из трех режимов работы:

— хранения, при котором ЭЗЭ отключены от входа и выхода для чтения, при котором информация из ЭЗЭ, выбранного по соответствующему адресу, выдается на выход ИС;

— записи, при которой информация со входа ИС записывается. указанному адресу.

Каждому ЭЗЭ матрицы присваивается определенный адрес поиск которого производится указанием номеров соответствуют строки и столбца. Эти номера формируются на выходах дешифраторов. Адрес ЭЗЭ в виде двоичного числа принимается по адресной шине регистром адреса. Число разрядов регистра адреса однозначно связано с объемом памяти ИС. Число строк и столбца-матрицы ЭЗЭ обычно выбирается равным целой степени числа, причем общий объем памяти определяется произведением числа строк (N'стр) на число столбцов N’столб.:

M=Nстр-Nстолб .

Указанные процессы считывания-записи могут осуществляться только в случае, если на вход CS, соединенный с входом стробирования дешифратора строки, подан разрешающий сигнал. Обычно это сигнал до1. О, при отсутствии этого сигнала работа дешифратора строки блокируется, что эквивалентно запрещению выборки ЭЗЭ по указанному адресу. В этом случае ИС находится в режиме хранения информации и ее выходы отключены от матрицы ЭЗЭ.

Рассмотренная организация памяти обеспечивает хранение 2nХ1 кодовых слов, т. е. заданному адресу соответствует один бит информации. Использование метода двумерной адресации позволяет максимально упростить схему ИС, что при заданной площади кристалла является предпосылкой получения максимально больших объемов памяти.

2.4 ДИНАМИЧЕСКИЕ ОЗУ В ЭЗЭ динамических ОЗУ информация хранится в виде заряда на конденсаторе. При этом в соответствии с рис. для отождествления напряжения на конденсаторе со значением лог. О или лог. I оно должно иметь уровни, расположенные в определенном диапазоне. Следует отметить, что любой даже самый совершенный конденсатор обладает собственным саморазрядом. Кроме этого для обеспечения режимов заряда-разряда к конденсатору необходимо подключить дополнительные цепи, сопротивление которых хотя и может быть достаточно большим, но всегда имеет некоторую конечную величину. Вследствие этого заряженный до определенного уровня конденсатор через некоторое время теряет свой заряд и напряжение на нем выходит из зоны отображения исходной логической константы.

Использование памяти такого типа технически оправдано только в случае, когда время хранения информации tKP существенно больше времени, необходимого для ее восстановления: T xp=Txp/Tboc>1. Последнее требует увеличения приведенного сопротивления саморазряда конденсатора, под которым понимается некоторое эквивалентное сопротивление, включенное параллельно конденсатору к учитывающее как собственный саморазряд конденсатора, так н разряд по внешним целям. Желание увеличить это сопротивление привело к использованию в ЭЗЭ динамических ОЗУ только полевых транзисторов.

Казалось бы, что увеличить время хранения информации в таких ОЗУ можно за счет увеличения емкости конденсатора, Однако, во-первых, при неизменных параметрах цепей заряда-разряда такое решение не изменяет Txp и, во-вторых, требует увеличения площади конденсатора. Последнее, применительно к полупроводниковой технологии, ведет к уменьшению числа конденсаторов, которые можно разместить на кристалле заданной площади, т. е. к уменьшению объема хранимой в ИС информации. Следовательно, этот способ не совместим с полупроводниковой технологией.

Как следует из принципа работы, особенностью динамических ОЗУ является необходимость периодического восстановления (регенерации) заряда на конденсаторах. Для этого информация с ЭЗЭ периодически считывается и затем повторно записывается с восстановлением требуемого уровня напряжения, В реально выпускаемых ОЗУ регенерация заряда конденсаторов ЭЗЭ выполняется через каждые I…2мс, что соответствует частоте регенерации 0,5… 1 кГц.

По сравнению со статическими, динамические ОЗУ обладают меньшим быстродействием" но они существенно проще, дешевле и обеспечивают очень высокую степень интеграции, т. е, предполагают разработку ИС с большим объемом хранимой информации. В настоящее время разработаны ИС динамических ОЗУ с организацией I28M. XL

3. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

3.1 НАЗНАЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ цифровой запоминающий аналоговый устройство В электронных системах одинаково широко используется обработка информации, представленной в аналоговой и цифровой фор мах. Объясняется это тем, что первичная, исходная информации о различных физических величинах и процессах носит, как правило, аналоговый характер. Обработку же этой информации и силу причин, рассмотренных во введении, удобнее вести в цифровой форме. Использование полеченных после цифровой обработки результатов также в большинстве случаев требует их аналоговом представления. Следовательно, любая система, использующим цифровые методы обработки информации, должна содержать устройства взаимного преобразования аналоговых и цифровых сигналов. Роль таких устройств выполняют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП),

Аналого-цифровой преобразователь -устройство, предназначенное для преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины в эквивалентные ей значения числовых кодов.

Цифро-аналоговый преобразователь — устройство, предназначенное для преобразования входной величины, представленной последовательностью числовых кодов, в эквивалентные им значения заданной физической величины.

В качестве аналоговой физической величины, оговоренной в данных определениях, в общем случае могут фигурировать различные параметры, например угол поворота, линейное перемещение, давление жидкости или газа и т. д. В дальнейшем под этой величиной будем понимать напряжение либо ток, которые, при необходимости, можно легко преобразовать в другие физические величины. Основным вопросом, с которым приходится сталкиваться при проектировании и использовании ЦАП к АЦП, является вопрос адекватности полученного в результате преобразования сигнала исходному физическому процессу, т. е. вопрос точности преобразования. Поэтому рассмотрим алгоритмы этих преобразований с точки зрения погрешностей, возникающих при их исполнении.

Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает последовательное выполнение следующих операций:

выборка значений исходной аналоговой величины в некоторые наперед заданные дискретные моменты времени, с е. дискретизация сигнала по времени;

квантование (округление до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины по уровню;

кодирование — замена найденных квантованных значений некоторыми числовыми кодами.

Процесс цифро-аналогового преобразования предполагает последовательное выполнение следующих операций:

формирование в заданном диапазоне изменения выходного сигнала М его дискретных значений U*m, отличающихся на некоторое знамение a, и постановка каждому сформированному уровню в сответствие некоторого кода Кi;

последовательное, с заданным временным интервалом Т, присвоение выходному сигналу значений выделенных уровней, соответствующих входной последовательности кодов Кi.

Если предположить, что a = h и T1— Ta, то результатом цифро-аналогового преобразования полученной ранее последовательности колон Кп будет, показанная на рис. ступенчатая функция Ua.Эта функция, хотя и непрерывна во времени, но остается дискретной, но уровню, что является результатом погрешности, обусловленной шумом квантования. Сам процесс цифро-аналогового преобразования не вносит собственных прнципиальных погрешностей, а лишь материализует погрешности, полученные в АЦП. Реально возникающие при преобразовании погрешности носят чисто инструментальный характер.

Математически алгоритм цифроаналогового преобразования можно записать в виде:

гдеUпi— погрешность преобразования на i-м шаге.

Подводя итог сказанному, отметим, что погрешности, обусловленные самим алгоритмом работы, возникают только на этапе аналого-цифрового преобразования и их уменьшение требует уменьшения периода дискретизации ТА и шага квантования h.

Существует большое число признаков, по которым могут быть классифицированы ЦАП и АЦП. Ниже остановимся на наиболее часто встречающейся классификации, базирующейся на реализуемом методе преобразования, С этой точки зрения все существующие ЦАП могут быть разделены на два класса: устройства, реализующие метод многократного суммирования одного эталона; устройства, реализующие метод суммирования нескольких различных эталонов.

Цифро-аналоговые преобразователи первого класса используют при работе единственный эталон, число повторений (суммирований) которого определяется значением входного единичногоJ кода. Этот код подается на вход ЦАП в последовательной форме.

Цифро-аналоговые преобразователи второго класса имеют число эталонов, равное разрядности входного кода. Причем значения этих эталонов пропорциональны величинам весовых коэффициентов используемого кода. Входной код подается на вход таких ЦАП в параллельной форме.

Следует отметить, что в настоящее время используются только ЦАП второго класса.

Интегральные схемы ЦАП могут выполняться как функционально завершенными, т. е, не требующими для своей работы дополнительных элементов, так и функционально незавершенными, В последнем случае в качестве внешних элементов, как правило, применяют источник эталонного напряжения, операционный усилитель, регистры и т. д.

Работа с внешним источником эталонного напряжения позволяет разделить все ЦАП на две группы: умножающие — работающие с изменяющимся во времени источником эталонного сигнала, и неумножающие — работающие с эталонным источником, величина которого в течение всего времени работы устройства остается постоянной.

С позиции используемого метода преобразования все АЦП делятся на: устройства, реализующие метод последовательного счета, устройства, реализующие метод поразрядного кодирования, устройства, реализующие метод считывания.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу последовательного счета, осуществляют уравновешивание входной аналоговой величины суммой одинаковых эталонов. Момент равенства этих величин фиксируется сравнивающим устройством. На выходе таких АЦП формируется последовательный единичный код. Далее этот код может быть преобразован к любому требуемому виду.

Аналого-цифровые преобразователи, работающие по методу поразрядного кодирования, используют несколько эталонов. Причем их число равно числу разрядов, а значения пропорциональны весовым коэффициентам выходного позиционного кола. Каждый эталон сравнивается с входной величиной устройством сравнения. Процесс сравнения начинается с эталона, имеющего максимальное значение. В зависимости от результата этого сравнения формируется цифра старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде формируется нулевое значение и производится сравнение входной величины с наибольшим из оставшихся эталонов. Если максимальный эталон оказался меньше входной величины, то в старшем разряде выходного кода формируется сигнал лог. I и дальнейшему сравнению подлежит сигнал разности входной величины и максимального эталона. Аналогичные действия выполняются для всех используемых эталонов.

3.2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Рассмотрим основные электрические характеристики ЦАП и АЦП. Они подразделяются на статические, которые задают конечную точность преобразования, и динамические, характеризующие быстродействие данного класса устройств. Статические характеристики преобразователей определяются видом характеристики преобразования, которая устанавливает соответствие между значениями аналоговой величины и цифрового кода. К ним относятся.

Число разрядов (b)-число разрядов кода" отображающего исходную аналоговую величину, которое может формироваться на выходе АЦП или подаваться на вход ЦАП, При использовании двоичного кода под Ь понимают двоичный логарифм от максимального числа кодовых комбинаций (уровней квантования) на выходе АЦП или входе ЦАП.

Абсолютная разрешающая способность — средние значения минимального изменения сигнала на выходе ЦАП (а), или минимального изменения входного сигнала АЦП (m), обусловленные увеличением или уменьшением его кода на единицу.

Значение абсолютной разрешающей способности является мерой измерения всех основных статических характеристик данного класса устройств и часто обозначается как ЕМ.

Нелинейность (6L) —отклонение действительной характеристики преобразования от оговоренной линейной, т. е. разность реального напряжения, соответствующего выбранному значению кода и напряжения, которое должно соответствовать этому коду в случае идеальной характеристики преобразовании устройства, (). Для ЦАП это напряжение измеряется относительно центров ступеней указанных характеристик (рис.). В качестве оговоренной линейной характеристики используют либо прямую, проведенную через точки 0 Umaх, либо прямую, обеспечивающую минимизацию SL, например, среднеквадратическое отклонение всех точек которой от реальной характерно гики минимально величину bL измеряют в EMP (6L=&'L/h) или процентах (6L = — 1006'L/Umaх), где 6rL — абсолютное значение нелинейности). В справочной литературе обычно задается максимально возможная величина6L.

Рис 23 4 Определение времени преобразования ЦАП

максимальная частота преобразования (L max) — наибольшая частота дискретизации, при которой заданные параметры соответствуют установленным нормам;

время установления выходного сигнала (L) — интервал от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону заданной ширины, симметрично расположенную относительно установившегося значения, Обычно ширима этой зоны задается равной ТЕМП (рис.). Отсчет времени is ведется от момента достижения входным сигналом значения половины логического перепада. Очевидно, что, в силу выражения (23,3), значение ts связано сTc max условиемTc max < 1/(2ts). Аналогичный параметр для АЦП называют временем преобразования (tc).

3.3 АЦП С ДВОЙНЫМ ИНТЕГРИРОВАНИЕМ Аналого-цифровой преобразователь с двойным интегрированием является разновидностью устройств, реализующих метод последовательного счета. Однако от рассмотренных ранее АЦП данного класса они отличаются повышенной точностью и помехозащищенностью. Объясняется это тем, что любой сигнал (Uс), кроме полезной собственно информационной составляющей (Uннф) содержит составляющие помех (Uтом), которые носят, как правило, периодический характер с периодом Тн. Это, например, наводки от питающего напряжения, собственные шумы элементов и т. д.:

При непосредственном преобразовании выборка -Ј/с происходит в дискретные моменты времени и поэтому выходной код пропорционален мгновенным значениям Uc, а не U инф.

Если в процессе преобразования сигнал Uc проинтегрировать, при этом время интегрирования выбрать кратное периодам составляющих помех Тп, то результат будет пропорционален собственно информационной составляющей сигнала.

Этот подход и реализован в АЦП с двойным интегрированием. Идея их построения заключается в следующем.

Сначала, в течение некоторого фиксированного временного интервала t входной сигнал интегрируют аналоговым интегратором. Полагая, что на этом интервале U инф постоянно, а в момент t = 0 выходное напряжение интегратора равнялось нулю, для момента t1 можно записать Далее к входу интегратора подключают некоторое эталонное напряжение (Uref). полярность которого противоположна полярности напряженияU инф. Интегрирование(Uref dедут до тех пор, пока его выходное напряжение не уменьшится до нуля. Если URЈF постоянно, то можно записать Решая (23.13) относительно временного интервала, пoлучаем:

3.4 ЦАП С СУММИРОВАНИЕМ ТОКОВ При построении ЦАП, реализующих метод суммирования нескольких различных эталонов, в качестве упомянутых эталонов можно использовать источники напряжения или тока. На практике наибольшее применение нашли схемы с эталонными источниками тока. Поэтому ниже остановимся только на особенностях построения устройств данного типа.

Принцип построения ЦАП, реализующих метод суммирования токов, иллюстрируется рис. 23.5, а. Данное устройство в общем случае содержит Ь (по числу разрядов входного позиционного кода X) источников тока и b управляемых разрядами этого кода переключателей S. Если в i-м разряде входного кода А" присутствует сигнал лог. 1 (xi (=1), соответствующий переключатель S, подключает эталонный источник тока U-2' к сопротивлению нагрузки (вывод «а» схемы). В противном случае {x0 = 0}, переключатель S, заворачивает соответствующий источник и ток L0-2' не протекает через нагрузку.

Рис 23 5 Структурная схема ЦПА с суммированием токов

В результате ток резистора Rн

Нелинейность {bL) —отклонение действительной характеристики преобразования от оговоренной линейной, т. е. разность реального напряжения, соответствующего выбранному значению кода и напряжения, которое должно соответствовать этому коду в случае идеальной характеристики преобразовании устройства, (рис). Для ЦАП это напряжение измеряется относительно центров ступеней указанных характеристик (рис.). В качестве оговоренной линейной характеристики исполыуют либо прямую, проведенную через точки 0 U max, либо прямую, обеспечивающую минимизацию bL, например, среднеквадратическое отклонение всех точек которой от реальной характерно гики минимально Величину bL измеряют в EMP (6L=&'L/h) или процентах (6L = — 1006'L/U max/), где 6rL — абсолютное значение нелинейности). В справочной литературе обычно задается максимально возможная величина 6L.

т. е. выходное напряжение ОУ прямо пропорционально выходному току ЦАП и сопротивлениюR00c и не зависит от сопротивления выходной нагрузки ОУ.

Большинство серийно выпускаемых ИС ЦАП реализуют именно этот принцип. Их отличие состоит лишь в способе получения разрядных токов и используемой схемотехнике.

Решением проблемы является использование метода, подобного описанному ранее при рассмотрении счетчиков и сумматоров. Это выделение из структуры многоразрядного устройства нескольких однотипных ЦАП (групп) с меньшей разрядностью и последующим суммированием результатов, полученных на каждой из групп с помощью собственного масштабного сумматора. Реализацию данного принципа поясним с использованием структурной схемы 12-разрядного ЦАП, показанной на рис. 23.7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дальнейшее развитие электроники неразрывно связано с вопросами обработки информации, где особая роль отводится интегральной 'электронике. Развитие интегральной электроники по классическому схемотехническому пути сталкивается с рядом принципиальных проблем, обусловленных предельными возможностями ее быстродействия. Важнейшей проблемой является проблема межсоединении элементов в интегральных схемах, ограничивающих их быстродействие за счет паразитных параметров. Эта проблема усугубляется еще и тем, что с ростам интеграции возрастает доля площади кристалла, занятой межсоединениями, и поэтому работа по повышению быстродействия активных элементов не приводит к ожидаемому повышению быстродействия интегральной схемы в целом. В то же время очевидно, что круг задач, стоящих перед техникой обработки информации, требует повышения степени функциональной интеграции.

Современные устройства схемотехнической электроники имеют время задержки 10−9… 10−10| с/вентиль и максимальную скорость обработки информации 1С9… 1010оп/с. Такие характеристики недостаточно эффективны для обработки больших массивов информации в реальном масштабе времени, решения задач искусственного интеллекта и т, и. Казалось бы, проблема может быть решена заменой гальванических межъячеечных связей на оптические. Однако применение оптоэлектронных процессов, весьма перспективных с точки зрения повышения скорости обработки информации, потребует помимо технологических сложностей введения в многократно повторяющуюся от ячейки к ячейке последовательность преобразования потенциалзаряд — токзарядпотенциал еще двух электронных преобразователей — на выходе и входе каждой из ячеек. Вероятность сбоев при этом неизбежно возрастет.

Одним из альтернативных путей дальнейшего развития электроники по отношению к классическому схемотехническому на правлению может являться использование динамических неоднородностей в качестве носителя информации при обработке больших ее массивов. Это направление, развиваемое у нас в стране акад. Ю. В. Гуляевым, проф. Я. А. Федотовым и другими получило название функциональной электроники.

В устройствах функциональной электроники массив информационных сигналов может быть обработан целиком, а не в виде отдельных битов информации" как в схемотехнической электронике. При этом возможна обработка информации в аналоговом и цифровом видах одновременно. Все это позволяет достигнуть производительности более 1015оп/с. Различны также функциональные возможности устройств схемотехнической и функциональной интегральной электроники.

1. Волков О. И. «Экономика предприятия». Москва, «Инфра» 2001 г.

2. Жиделева В. В. «Экономика предприятия». Москва, «Инфра» 2003 г.

3. Коростелёва Е. М. «Экономика, организация и планирование машиностроительного производства». Москва, «Высшая школа» 1984 г.

4. Андреева В. А. «Методические разработки по организации экономической части Дипломного Проекта». Москва, «Высшая школа» 1986 г.