|
| |
 |
Главная » Мануалы 1 ... 35 36 37 38 39 40 41 ... 43 жиме хранения. В системах с большим числом аналоговых входов применение одного ЦАП с аналоговым коммутатором и рядом устройств выборки и хранения может оказаться более выгодным, чем применение индивидуальных ЦАП.  6.6г. Программируемые усилители Усилители с программируемым коэффициентом передачи используются для предварительной обработки аналогового сигнала перед подачей его на АЦП в тех случаях, когда требуемое усиление заранее неизвестно или динамический диапазон входного сигнала оказывается шире динамического диапазона АЦП. Традиционная схема,представленная на рис. 6.60, включает в себя стандартный инвертирующий усилитель (перед которым часто ставится измерительный усилитель), коэффициент передачи которого меняется путем подключения разных наборов резисторных матриц с помощью аналогового ключа или коммутатора. Более интересная схема для решения той. же задачи приведена на рис. 6.61. В ней используется ЦАП по КМОП-технологии, включенный в цепь обратной связи операционного усилителя. Коэффициент передачи задается программным способом путем подачи соответствующего цифрового кода на ЦАП, и достигаемая точность определяется точностью ЦАП при малых усилениях. Заметим, что при больших усилениях точность усиления падает так как погрешность в единицу младшего значащего разряда составляет большее значение при малой глубине обратной связи, чем при малых усилениях, когда глубина обратной связи большая. Шиш 1/правугения Рис. 6.61. Программируемый усилитель на основе ЦАП. 6.7.-СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ Развитие микрокомпьютерных систем наводит на мысль о создании систем сбора данных на одной плате, которые должны быть сконструированы таким образом, чтобы иметь возможность сопрягаться с объединительными платами наиболее распростра- Шина ин- 1 тердзейса \ с тнро ЭВМ\ Шит даннь/х Шина уп- равления tsbixoobi ими I Аналоговые *оВ -л- входы Отрнь/и Нал- Нонтур Заи сигнал ряж.  Источник опорного сигнала Bz. регистр СтроЗы- ноИ ком-ni/mamop 2 Программи- -s\ / руемый усилитель  Усилитель Выборки и хранения Вб/ходы схем лог. запусна Преобразователь напряжения е^-20мЛ 12разряд-ный ЦАП -Хранение Нокт1/р тона /2-разряв-ный АЦП 8 Стробирова- Преобразова- ние данкь/х ние команды 8-разрядяая дВинаправ.- шина данных Сдвоенный Вусрерный регистр Схема туска Регистр запусна Стробирование данных Мог управ- ление Цешиср. адреса Шина адреса ] /е-разрядная В шипа адреса т Врегистру для страви- -К^ ровапия выходов *1вВ -Г5-В
/Idpecffb/e дрреры Рис. 6.62. Типовая система сбора данных (полная система часто содержит несколько выходов с Ц.А.П, причем каждый из них имеет свой регистр), ценных микрокомпьютеров, включая интерфейс. Например, наряду с другими платами имеются платы для организации стандартной шины, мультишины, шины S100, а также шины микро-ЭВМ PDP-11 и LSI-11. Такие платы в основном строятся по принципу, показанному на рис. 6.62, и включают в себя полностью системы АЦП и ЦАП. В их состав часто входят шины цифровых входных и выходных сигналов. Управление мультиплексным каналом, программируемым усилением, устройством выборки и хранения и АЦП может быть осушествлено программно, хотя могут быть разработаны и более простые системы, имеющие меньшую гибкость. Адреса обращения к плате могут размещаться или в области памяти, или в адресном пространстве для периферийных устройств (устройства ввода-вывода), вычислительной машины. Эти две платы называются соответственно платой с размещением в памяти и платой с размещением в устройстве ввода-вывода , и большинство плат, обладающих гибкостью, позволяет пользователю выбирать как принцип адресации, так и принцип размещения с помощью перемычки, ключей в корпусах с двухрядным расположением выво-J дов и т. д. Система, описанная выше, работает наилучшим образом с ограниченным числом входных сигналов, источник каждого из которых расположен достаточно близко от вычислительного комплекса, и позволяет обрабатывать большие объемы информации каждого канала за короткое время. Однако существует много применений систем сбора данных, в которых источники аналоговых сигналов расположены достаточно далеко, их число довольно большое, а темп поступления данных от каждого из них очень низок. Такие задачи, как, например, контроль температуры в большом здании или в процессе очистки нефти либо контроль концентрации воспламеняющегося газа в угольных шахтах, больше подходят под второй, чем под первый, класс задач. Для того чтобы решить этот класс задач, был разработан ряд систем, ориентированных на последовательную передачу данных от ряда удаленных центров сбора данных, каждая из которых имеет в своем составе предусилитель, коммутатор и АЦП. Типичный пример такой системы представлен на рис. 6.63, а блок-схема так называемого удаленного терминала - на рис. 6.64. В состав терминала входят входной коммутатор, АЦП с двойным интегрированием, поскольку скорость данных низка, и микроэвм для выполнения протокола передачи последовательных данных по одной витой паре проводов. В этой конкретной системе к одной паре можно подключить до 256 одинаковых удаленных терминалов на расстояния до нескольких километров, а протокол позволяет обслуживать до 512 удаленных терминалов при использовании плат двух типов. В зависимости от осо- До /,6нм ДаВ/геше - Поток - Индикация* Температура-, Сие-кал - Термопары Реле Соленоиды'* Замбгтнш-ключей Удаленмя станция. 1 ЛУдаленная . ptnnuinia станция 2 Уваленная станция Увалекная станция 512 Данные впарал-лельном надена главную вычислит маихйну Приемник/ А передатчин \г BS~232 Интерфейс Данные в последовательном коде на главную вычислительную машинср Рис. 6.63. Система сбора данных последовательного действия. ОднопроВодГ\-ныиекод Стналивро- г-л->о-i ванный ис- U-*g=: mio8 Коммутатор -tzz точник г^о- Откалибро-ГЛ-*о- татар Ванный ис- точник IH6W8 Номму- Схема отключения питания при соот-жтвую щейзаеруз--Ж- ICL7109 12-разряЬ^ , ный щп сввойны/ интегрированием. тош Шравле-Книепото-V т/чванныА^ повитой tnooBo- Схема приемс-пе- щяс^язи в -О витой паоыпоово< h-&/Mch- -о ТОО. защищенный щ хранителем, и вб/л SB SB -5В \ \ t оптической развязкой Преобpaeot, пощносги и развязка 28(нерем. ток) при 50 мА Рис. 6.64. Удаленная аналоговая станция из рис. 6.63. бенностей построения все эти терминалы могут быть- опрошены менее чем за 6 с, что вполне достаточно для таких систем. Стоимость ввода в эксплуатацию системы довольно низка по сравнению со стоимостью системы, аналогично той, которая изобраг жена на рис. 6.62. Обобщенная система сбора данных представлена на рис. 6.65. Большинство систем строится по ее образу и подобию, хотя не-. Отршй cuemjT Предусилитель  Филшр Усилитель Другие каналы  Бь/8орна и хранение Ном-мута-шор Усилитель АЦП процес-у. сор ЦАП  Устройство Сражения Усилителб мощности Рис. 6.65. Схема большинства систем сбора данных. которые элементы часто исключаются или упрощаются (например, преобразователь для цифровых вольтметров вырождается в обыкновенный щуп). Интересно заметить, что в разработках таких устройств в гибридно-модульном исполнении основной упор в последние годы делается на сосредоточении большинства элементов этих систем во все более функционально-законченные кубики . При разраоотке систем в виде интегральной микросхемы такая тенденция сохраняется при числе разрядов до 8 (т. е. в системах с низкой точностью): мультиплексоры совмещаются с АЦП, а ЦАП - даже со статическими ОЗУ. Предвестником будущего можно считать так называемый аналоговый процессор на одном кристалле, в состав которого входят: ЦАП (с перестраиваемой конфигурацией для реализации АЦП последовательного прибли-. жения), входные и выходные схемы выборки и хранения и про-, граммируемый микропроцессор. Строка У. Блейка видеть мир в одной песчинке,., не так далека от истины, как мы об этом думаем! X Олдридж О ил. ВВЕДЕНИЕ Устойчивой тенденцией отрасли промышленности, выпускающей интегральные схемы, является создание все более сложных, более насыщенных кристаллов. Такая тенденция стала возможной благодаря разработке новых технологий изготовления микросхем и совершенствованию процесса их производства. Интегральные схемы малой степени интеграции (МИС) заменяются интегральными схемами средней степени интеграции (СИС), большой степени интеграции (БИС) и сверхбольшой степени интеграции (СБИС). Однако при разработке систем, требующих выполнения простых логических операций, существует необходимость в интегральных схемах малой степени интеграции. Цель данной главы - помочь разработчикам выбрать и применить такие микросхемы в соответствии с предъявляемыми требованиями к разрабатываемому устройству. В главе приводятся характеристики каждого семейства логических схем для облегчения выбора наилучшего семейства для конкретного применения. В качестве примеров рассмотрены типовые задачи, возникающие при разработке, и приводится их поэтапное решение. 7.2. ТИПЫ СЕМЕЙСТВ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ Хотя со временем было разработано несколько технологий изготовления интегральных схем, только три технологии заняли господствующее положение: ТТЛ-технология (транзисторно-транзисторные логические схемы), КМОП-технология (логические ) Hamil Aldridge, Paradyne Corp., Largo, Fla.
схемы на комплементарных структурах металл - окисел - полупроводник), ЭСЛ-технология (логические схемы с эмиттерными связями). 7.2а. ТТЛ-технология Интегральные схемы типа ТТЛ получили широкое признание в последние несколько лет. Разработанное в 1964 г. фирмой Texas Instruments, это семейство интегральных схем быстро завоевало популярность благодаря удачному компромиссу между быстродействием и потребляемой мощностью. Семейство ТТЛ-схем наряду со стандартными ТТЛ-схемами включает в себя такие разновидности, как маломощные ТТЛ-схемы, быстродействующие ТТЛ-схемы, быстродействующие ТТЛ-схемы с диодами Шоттки, маломощные ТТЛ-схемы с диодами Шоттки, недавно появившиеся улучшенные ТТЛ-схемы с диодами Шоттки и самые современные маломощные ТТЛ-схемы с диодами Шоттки. Все разновидности ТТЛ-схем в своей основе имеют одну и ту же базовую схему и совместимы между собой. В каждой серии существует компромисс между быстродействием и мощностью. Поскольку произведение быстродействия на мощность есть величина, почти постоянная, увеличение быстродействия должно сопровождаться увеличением рассеиваемой мощности и наоборот. Это объясняется тем, что для достижения большего быстродействия и меньших задержек распространения сигнала необходимо уменьшать значения резисторов в схеме. А уменьшение значений резисторов означает увеличение потребляемой мощности. Одним из путей улучшения зависимости быстродействие - мощность является совершенствование схемы. Введение в нее фиксирующих диодов Шоттки предотвращает переход транзисторов в режим насыщения, что приводит к уменьшению времени памяти транзисторов. В результате происходит увеличение быстродействия без увеличения потребляемой мощности, вследствие чего семейство логических схем с диодами Шоттки является наиболее эффективным. Выпускаемые серии ТТЛ-схем предназначены для двух областей применений, что и показано в таблице: и.26. КМОП-технология Интегральные схемы на симметричных комплементарных структурах металл - окисел - полупроводник (КМОП) получают все .большее распространение благодаря низкой мощности рассеивания и их способности работать в широком диапазоне питающих напряжений. В схемах на КМОП-структурах используются два типа МОП-вентилей: один тип - р-канальный МОП-вентиль, другой - п-канальный МОП-вентиль. Наличие МОП-вентилей разного типа проводимости (комплементарных) дало название такой структуре. Замечательной особенностью КМОП-вентиля является отсутствие тока как в состоянии логическая единица , так и в состоянии логический нуль . Мощность рассеивается только в момент переключения КМОП-вентиля из одного состояния в другое. Следовательно, мощность рассеивания пропорциональна .частоте переключения. Платой за низкую мощность рассеивания, присущую КМОП-структуре, является быстродействие. Как и другие интегральные схемы на МОП-структурах, интегральные схемы на КМОП-структурах пригодны для построения устройств с тактовой ча-. стотой до 7 МГц. Интегральные схемы на КМОП-структурах обычно выпускаются в двух вариантах исполнения для разных условий эксплуатации. Так, для серии RCA CD4000A эти данные приведены в следующей таблице:
17.2в. ЭСЛ-технология Логические схемы с эмиттерными связями (ЭСЛ) хорошо известны благодаря наибольшему быстродействию. Интегральные схемы типа ЭСЛ представляют собой ненасыщенную форму цифровых интегральных схем, в которых время памяти транзистора как параметра, ограничивающего быстродействие, отсутствует, чем и создается возможность работы с очень высокой скоростью. Однако платой за ненасыщенный режим работы служат наименьшая среди рассмотренных трех технологий надежность интегральных схем типа ЭСЛ и наибольшая рассеиваемая мощность. В ключах ЭСЛ-типа используется пара входных транзисторов: один находится в открытом состоянии, другой - в закрытом. Переключение осуществляется подачей сигнала через об--щий резистор в цепи эмиттеров, что и дало название эмиттерно-связанная логика этому виду логических схем. Семейство MECL I было первой разработкой цифровых монолитных интегральных схем, проведенной фирмой Motorola. Созданное в 1962 г., это семейство в значительной степени опережало требования того времени. Нет какого-либо другого вида логических микросхем, которые бы по своим характеристикам приблизились к характеристикам семейства MECL I. В этой связи в ряде высококачественных систем были использованы логические схемы семейства MECL I. В настоящее время, два десятилетия спустя, появление ТТЛ-технологии с дрюдами Шоттки привело к уменьшению разрыва в характеристиках. Фирмой Motorola за это время были последовательно разработаны следующие серии ЭСЛ-схем: MECL П, MECL 111 и MECL 10000. Каждая последующая серия имела преимущества по отношению к предшествующим либо по характеристикам, либо по легкости применения. Конечным результатом этих разработок явилось создание серии MECL III, имеющей типовое значение задержки распространения порядка 1 но и частоту переключения 500 МГц. Выпускаемые серии микросхем ЭСЛ-типа, рассчитанные для работы в трех различных- температурных интервалах, представлены в следующей таблице: Температурный интервал, С Диапазон напряжения питания VВ I. МС 10500 МС 10600 МСМ10500 МС1648М МС 12500 2- МС10100 МС 10200 - МС1600 МС 12000 3. МС10100 МС1697А МС 12000 от 55 до -fl25 -5,2 ± 0,010 от -30 до +85 от О до -Ь75 -5,2 ± 0,010 -5,2 ± 0.010 7.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕМЕЙСТВ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ Выбор оптимального логического семейства является ключевым вопросом любой разработки. Для одних разработок требуется высокое быстродействие, для других - малая потребляемая мощность, третьи разработки должны обладать низкой стоимостью. В данном разделе приводится необходимая информация - схемы и графики, призванные помочь разработчику в осуществлении такого выбора. 7.3а. Типовая структура логического элемента На рис. 7.1 приведен типовой двухвходовый логический элемент каждого семейства логических микросхем. Схематическое изображение логического элемента отражает входные и выходные схемы каждого семейства логических микросхем. Такая информация может быть полезна разработчику при сопряжении с нестандартными схемами. 7.36. Передаточные характеристики по напряжению Типовые передаточные характеристики каждого семейства логических микросхем приведены на рис. 7.2. Эти кривые представляют интерес для разработчиков, поскольку отражают зависимость выходного напряжения включения и выключения от входного напряжения включения и выключения, а также позволяют оценить запас помехоустойчивости по постоянному току (статическую помехоустойчивость). Кроме указанных зависимостей иногда также приводятся: 1) изменения передаточной характеристики от питающих напряжений; 2) изменения передаточной характеристики от температуры; 3) мощность в режиме переключения (если на том же графике показан ток потребления); 4) характеристика гистерезиса при необходимости (например, для триггера Шмитта). В листках технических данных фирмы-изготовителя передаточные характеристики в виде графиков приводятся редко. Вместо этого в них указывается рекомендуемая для работы зона передаточной характеристики (рис. 7.3). Точка а определяет минимальное входное напряжение (VIH), требуемое для получения на выходе логической схемы максимального напряжения низкого уровня (VOL). Точка б определяет максимальное входное напряжение (VIL), требуемое для получения на выходе логической схемы минимального высокого уровня (VOH). Обычно приводятся тигювые и предельные значения выходных напряжений. 1 ... 35 36 37 38 39 40 41 ... 43 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||