Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 2 [Изд.4-е]

Рис. 9.93. Цифровой генератор синусоидальных сигналов.

ИМС 4015 представляет собой 8-разрядный регистр сдвига с параллельным выходом. Подавая на вход инвертированный сигнал с последнего разряда, можно организовать счетчик Джонсона, который будет проходить через 16 состояний (в общем случае 2n состояний для n-разрядного регистра сдвига). Начиная с состояния «все нули», происходит заполнение счетчика слева направо «1» (марш «1») до полного заполнения всеми единицами, затем начинается марш «0» и т. д. Показанное на рисунке взвешивание формирует 8-уровневое приближение к синусоидальному колебанию с частотой, равной 1/16 тактовой частоты, и с первым ненулевым членом искажения на 15-й гармонике, имеющей затухание 24 дБ.

Схемы, не требующие пояснений

На рис. 9.95 приведено несколько примеров сопряжения логических и линейных схем.

Рис. 9.95. а — преобразователь отрицательных уровней в уровни ТТЛ; б — управление нагрузкой; подключенной на землю;

Рис. 9.95. в — амплитудный дискриминатор; г — схема управления соленоидом;

Рис. 9.95.  д — 8-канальный мультиплексор с дифференциальным входом;

Рис. 9.95.  е — фазовый детектор с подавлением 60 дБ; ж — прецизионный триггер Шмитта.

На рис. 9.96 показаны схемы с основными грубыми ошибками сопряжения. Для каждой схемы попытайтесь объяснить, в чем состоит ошибка и как ее устранить.

Рис. 9.96. а — формирователь задержанного фронта; б — индикатор логического состояния;

Рис. 9.96. в — сопряжение элемента ТТЛ с высокоомным выходом (две неудачные схемы); г — повышение нагрузочной способности элемента ТТЛ с помощью повторителя;

Рис. 9.96. д — проводное ИЛИ на вентилях с активной нагрузкой; е — счетчик пересечений нуля;

Рис. 9.96. ж — RS-триггер; з — сопряжение элемента ТТЛ со схемами высоких уровней.

Дополнительные упражнения

(1) Постройте схему для обнаружения кратковременного пропадания напряжения питания +5 В. Схема должна иметь кнопку СБРОС и светодиод для индикации НЕПРЕРЫВНОГО ПИТАНИЯ. Сделайте так, чтобы она работала от напряжения +5 В.

(2) Почему нельзя построить 2n-разрядный ЦАП с помощью двух n-разрядных ЦАП и пропорционального суммирования их выходов (ВЫХ1 + ВЫХ2/2n)?

(3) Убедитесь в том, что максимальное значение сигнала на выходе псевдослучайного генератора шума на рис. 9.90 равно +8,68 В.

(4) Эксперимент осуществляется под управлением программируемого вычислителя, соединенного с различными исполнительными и измерительными приборами. Вычислитель дает приращение различным переменным, находящимся под его управлением (например, длине волны излучения, поступающего от монохроматора), и обрабатывает результаты соответствующих измерений (например, количество переданного света, скорректированное с учетом известной чувствительности детектора). В результате образуются пары значений х, у. Задача состоит в том, чтобы спроектировать схему для вычерчивания графика на аналоговом графопостроителе. Выходы вычислителя для каждой пары значений представляют собой два 3-разрядных (двоично-десятичных) символа. Для уменьшения количества связей числа представляются по одному в единицу времени («бит — параллельно, символ — последовательно») в сопровождении 2-разрядного адреса. Импульс СИМВОЛ ВЕРЕН показывает, что данные и адрес правильны и их можно, например, зафиксировать. Уровень х'/у сообщает о том, какому числу принадлежит выводимый символ (х или у). Это показано на рис. 9.97.

Рис. 9.97.

Данные передаются в следующем порядке: хn (МЗЦ)… хn (СЗЦ), yn (МЗЦ)… уn (СЗЦ); таким образом, после поступления СЗЦ величины у (Α1 = 0, А2 = 1, х'/у = 1) известно, что вы получили всю пару х, у. В этот момент вы должны обновить цифры, поступающие на ЦАП (не обновляйте их по одной). Нет необходимости присваивать ИМС отдельные номера; дайте им общее наименование, например D-триггер или дешифратор «1 из 10». Укажите, в каких местах входы или выходы инвертируются (с помощью маленьких кружочков). Считайте, что в вашем распоряжении имеются ЦАП, которые воспринимают 3-разрядные двоично-десятичные символы с логическими уровнями и обладают токовыми выходами от 0 до 1 мА, соответствующие входным кодам от 000 до 999. Поскольку двухкоординатный графопостроитель имеет 10-вольтовую полную шкалу, вам придется преобразовать ток в напряжение. Проверьте свою изобретательность, введя дополнительное усложнение: предположите, что размах выходного сигнала ЦАП всего 1 В.

Глава 10

МИКРОЭВМ

Перевод К.Г.Финогенова

Мини-ЭВМ, микроЭВМ и микропроцессоры

Доступность недорогих малых ЭВМ, стоимостью порядка 1 К долл., сделала их привлекательными для использования при управлении экспериментом и технологическими процессами, для накопления данных и выполнения оперативных вычислений. Малые ЭВМ широко используются в лабораторных исследованиях и промышленности, поэтому информация об их потенциальных возможностях, языках программирования и способах сопряжения с внешними устройствами составляет существенную часть электронного «ноу-хау».

МикроЭВМ эволюционировали от ранней мини-ЭВМ — малой электронно-вычислительной машины, центральный процессор (ЦП) которой был собран на микросхемах малой и средней степени интеграции, как правило расположенных на одной или нескольких больших печатных платах. По мере совершенствования микросхем БИС стало возможно реализовать рабочие характеристики центрального процессора мини-ЭВМ на одном кристалле высокой степени интеграции; таким образом, микроЭВМ — это электронно-вычислительная машина, центральный процессор которой собран на нескольких, а зачастую на одной микросхеме БИС, а тип микросхемы ЦП или соответствующий микропроцессорный комплект определяет тип микроЭВМ. Например, на смену популярным мини-ЭВМ фирмы DEC PDP-11, ЦП которых занимал несколько печатных плат, пришло семейство ЭВМ под таким же названием, ЦП которых был собран на нескольких микросхемах БИС, заменивших большое количество микросхем малой и средней степени интеграции; приблизительно в то же время фирма Motorola представила высокопроизводительный микропроцессор МП (серии 68000), несомненно испытавший влияние PDP-11, рабочие характеристики которого во многом были сходны с характеристиками ЦП этой ЭВМ.

В основе большинства современных малых ЭВМ, являющихся на самом деле микроЭВМ, лежат впечатляющие характеристики современного поколения микропроцессоров. Не так давно возникло идиоматическое выражение «супермини-ЭВМ», по-видимому, для того, чтобы выделить класс ЭВМ, имеющих более высокие технические характеристики и подчас конкурирующих с большими и дорогостоящими ЭВМ, построенными в соответствии с традиционными техническими решениями. В некоторых случаях различия между ними относятся скорее к габаритным размерам или количеству внешних устройств, чем к степени интеграции ЦП.

Более существенно различие между микроЭВМ и микроконтроллерами. Термин микроконтроллер использован для обозначения устройства, в котором микропроцессор вместе с небольшим по объему ЗУ и другими необходимыми элементами используют для специализированного управления процессом или аппаратом. В такой ситуации микропроцессор да несколько подходящих микросхем плюс ПЗУ могут с успехом заменить сложную комбинационную схему, состоящую из логических элементов, триггеров, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей; это надо иметь ввиду, как только вы включаетесь в крупный технический проект.

Для такого рода приложений разработаны специализированные МП, характеризующиеся тем, что такие узлы, как тактовые генераторы, схемы ввода-вывода и некоторые другие, обычно собираемые с использованием дополнительных микросхем, реализованы на том же кристалле, что и собственно микропроцессор за счет вычислительной мощности и большого адресного пространства, которые характеризуют МП, предназначенные для построения микроЭВМ, ориентированных на вычислительные задачи.