 |
Арифметико-логические устройства
|
|
|
|
Арифметико-логические устройства (АЛУ) – это специализированные микросхемы, выполняющие в соответствии с программой на входах арифметические и логические преобразования двоичной информации. По сравнению с микросхемами, работающими по жесткой, наперед заданной программе, АЛУ представляют собой устройства более высокого класса. В микропроцессорной технике АЛУ являются базовыми элементами. Они используются в сочетании с регистрами сдвига, оперативными запоминающими устройствами и другими узлами. АЛУ дороже простых микросхем, однако благодаря универсальным свойствам применение их в аппаратуре во многих случаях оказывается оправданным. Микросхемы АЛУ, принадлежащие к разным видам логик, в частности к ТТЛ-типа К155ИП3 и КМОП-типа 564ИП3, функционально во многом совпадают, в том числе и по разводке выводов. Далее рассматриваться будет только микросхема К155ИП3 (смотри макет).
Микросхема К155ИП3 предназначена для действий с двумя четырехразрядными двоичными словами А = A3, A2, A1, A0 и B = B3, B2, B1, B0. Конкретный вид операции выполняемой микросхемой, задается пятиразрядным кодом на входах M, S3, S2, S1, S0. Всего это АЛУ способно выполнить 25 = 32 операции: 16 логических при М = 1 (И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ и др.) и 16 арифметико-логических при М = 0 (сложение, вычитание, сравнение чисел и прочее).
На выходах F0, F1, F2, F3 формируются результаты логических преобразований и арифметических действий. На выходе переноса С4 образуется сигнал старшего (пятого) разряда при выполнении арифметических операций и логических действий. Дополнительные выходы – образования ускоренного переноса G и распространения ускоренного переноса Р используются только при организации многоразрядных АЛУ в сочетании с блоком ускоренного переноса К155ИП4.
|
|
|
Слова А и В, подлежащие обработке, могут быть представлены в положительной или в отрицательной логике. Таблицы истинности для каждого варианта логики различны.
В данной работе используется только положительная логика. Таблица истинности для этого варианта приведена ниже.
Практические задания
1. Записать по указанию преподавателя два четырехзначных двоичных числа А и В.
2. На действующем макете АЛУ убедиться в соответствии его работы таблице истинности. Для этого необходимо сначала на бумаге для пары чисел А и В, данных преподавателем, произвести те арифметико-логические преобразования, которые указаны в таблице истинности. Заполнить таблицу результатов, приведенную ниже. В ней вместо F3, F2, F1, F0 должны стоять конкретные двоичные числа.
Таблица результатов
| № п/п | S3 | S2 | S1 | S0 | M = 1 | M = 0 | ||||||
| F3 | F2 | F1 | F0 | F3 | F2 | F1 | F0 | |||||
| … | ||||||||||||
| F3 | F2 | F1 | F0 | F3 | F2 | F1 | F0 |
Числа A и B (или, иначе говоря, слова) вводятся в АЛУ с помощью соответствующих переключателей. Все возможные операции с этими числами производятся на макете АЛУ путем набора кодов операций на входах S3, S2, S1, S0. Светящаяся лампочка обозначает единицу, не светящаяся – нуль. Результаты, полученные на бумаге и на макете должны совпадать.
В режиме С = 1; М = 0; S3, S2, S1, S0 = 0110 АЛУ работает (кроме выполнения операции А-В-1; см. таблицу) как цифровой компаратор, т. е. устройство, которое выдает сигнал при равенстве двух чисел. Индикация равенства чисел А и В происходит на выходе, обозначенном А = B, на котором появляется логическая единица (светящаяся лампочка).
Краткая сводка правил логических операций
с двоичными числами
Зададимся двумя произвольными четырехразрядными двоичными числами: А = 0111 и В = 0011.
|
|
|
1. Логическое сложение («ИЛИ», дизъюнкция)
Таблица истинности для двух аргументов будет выглядеть так:
| X 1 | X 2 | Y |
Логическая операция обозначается так: 
. Все действия удобно делать столбиком:
В Булевой алгебре аргументы и функции могут быть только одноразрядными, поэтому условились, что для логического сложения многоразрядных чисел необходимо произвести операцию «ИЛИ» в каждом разряде чисел отдельно. Переносов в старший разряд нет. Это правило относится ко всем логическим операциям.
2. Логическое умножение («И», конъюнкция)
Таблица истинности для двух аргументов будет выглядеть так:
| X 1 | X 2 | Y |
Логическая операция обозначается так: 
.
Для этой операции нужно поразрядно произвести операцию «И»:
3. Логическая операция «исключающее ИЛИ»
Таблица истинности для двух аргументов будет выглядеть так:
| X 1 | X 2 | Y |
Логическая операция обозначается так: X 1Å X 2
4. Арифметическая операция сложения
Таблица истинности для двух аргументов будет выглядеть так:
| А | В | C2 | C1 |
Эта операция обозначается так: А + В = С
Здесь С1 – младший разряд ответа, С2 – старший разряд ответа.
В отличие от Булевой алгебры, в арифметике переносы в старший разряд не запрещены, а в случае переполнения разряда – обязаны быть.
Контрольные вопросы
1. К каким схемам, комбинационным или последовательностным, относятся схемы АЛУ?
2. Что такое дополнительный код двоичного числа? Как он используется в двоичной арифметике?
3. Какое двоичное число больше: 001 111 101 или 010 010 011?
4. Что такое цифровой компаратор? Приведите пример его применения в технике.
Таблица истинности АЛУ К155 ИП3
Положительная логика (C = 1)
| S3, S2, S1, S0 | Логические операции M = 1 | Арифметико-логические операции M = 0 |
| 
| |
| 
| |
| 
| |
| лог. 0 | лог. 1 | |
| 
| |
| 
| |
| 
| |
| 
| |
| 
| |
| 
| |
| 
| |
| 
| |
| лог. 1 | 
| |
|
| 
| |
| 
| |
| 
|
Работа 7
ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ЧАСЫ
Блок-схема электронных часов представлена на рис. 7.1, полная электрическая схема устройства показана на рис. 7.2.
|
|
|
Рис. 7.1
Рассмотрим назначение каждого блока на рис. 7.1 и техническую реализацию этих блоков на принципиальной электрической схеме на рис. 7.2.
Генератор эталонной частоты. Этот узел определяет один из основных параметров любых часов – точность хода. Даже самые простые механические бытовые часы должны иметь суточную погрешность меньше одной минуты. Поскольку в сутках 1440 минут, это означает, что речь идет о приборе с точностью 0,07%. Например, стрелочные электроизмерительные приборы (вольтметр, амперметр) высокого класса имеют погрешность 0,5%. Электронные часы имеют погрешность хода за сутки около 1 с, т. е. относительная погрешность около 0,001%. Такая точность достигается за счет применения в генераторе в качестве эталона частоты кварцевого резонатора.
Рис. 7.2
Кварцевый резонатор – это вырезанный специальным образом кристалл кварца, снабженный электродами и помещенный в герметичный корпус для защиты от влаги и других внешних воздействий. Сочетание пьезоэлектричества и высокой механической добротности кварца позволяет вкупе с активными электронными элементами создать генератор с высокой стабильностью частоты. Значение этой частоты зависит от геометрических размеров кристалла. Общепринятым значением частоты часового кварцевого резонатора является 32768 Гц, при этом резонатор помещается в цилиндрическом корпусе диаметром 2 мм и длиной 5 мм. В изучаемом макете часов применен кварцевый резонатор более старого образца с большими размерами.
Конструктивно кварцевый генератор содержит следующие элементы принципиальной схемы (см. рис. 2): кристалл кварца ZQ1, резисторы R1 и R2, конденсаторы С1, С2 и несколько полевых транзисторов в корпусе микросхемы D5 (K176ИЕ12).
Делитель частоты. Этот блок расположен в корпусе микросхемы D5 и состоит из двух частей – первая часть состоит из пятнадцати включенных последовательно счетных триггеров и делит получаемую по внутренним связям частоту генератора в 215 = 32768 раз и выдает частоту 1 Гц, т. е. секундные импульсы. Некоторые промежуточные частоты, получаемые в процессе деления, также выведены наружу, они обозначены в правом поле прямоугольника, изображающего микросхему D5. Эти частоты могут быть использованы для выполнения определенных функций, об этом будет сказано ниже. Частота 1 Гц внешним соединением подается на счетный вход второй части делителя, которая имеет коэффициент деления 60, после чего получается частота
1/60 Гц, т. е. минутные импульсы. Обе части делителя имеют входы обнуления R, которые соединены вместе и выведены на кнопку кн 4.
|
|
|
Счетчик единиц минут. Выполнен на микросхеме D1. Тип микросхемы К176ИЕ4. В этой микросхеме в одном корпусе находятся десятичный счетчик и дешифратор. Дешифратор преобразует результаты счета в десятичный семисегментный код. Микросхема К176ИЕ4 имеет три входа – С, R и S. Вход С – счетный, на него от делителя частоты через кнопку 1 поступают минутные импульсы, срабатывание происходит по спаду (заднему фронту) минутного импульса. Вход R – вход обнуления, при подаче на него уровня логической единицы счетчик переходит в нулевое состояние, на индикаторе при этом высвечивается цифра нуль. В данном варианте часов этот вход заземлен и в работе не используется. Вход S служит для инвертирования сигналов выходов, управляющих работой семисегментных индикаторов, если на этом входе логический нуль, то цифра на выходе дешифратора представлена высокими уровнями, подаваемыми на нужные сегменты индикатора. Если же на входе S логическая единица, то цифра на выходах дешифратора представляется низкими потенциалами. Это позволяет расширить применения микросхемы, так как есть светодиодные индикаторы, у которых общим электродом является анод, и для того чтобы высветить нужные сегменты, на них должен быть подан низкий потенциал. Вход S очень удобен и при использовании жидкокристаллических индикаторов, которые должны питаться переменным напряжением. Теперь рассмотрим выходы микросхемы К176ИЕ4. Выходы, обозначенные буквами
a, b, c, d, e, f, g, подсоединяются к соответствующим сегментам индикатора. Выход P выдает сигнал переноса, т. е. в моменты, когда счетчик из состояния «9» переходит в состояние «0», что происходит через каждые десять минут, на этом выходе появляется падающий фронт, который через кнопку кн2 подается на счетный вход старшего разряда – счетчика десятков минут и увеличивает его показания на единицу. На выходе микросхемы, обозначенном цифрой «4», появляется уровень логической единицы, если в счетчике содержится число «4». В микросхеме D1 этот выход не используется.
Счетчик десятков минут. Реализован на микросхеме D2, ее тип К176ИЕ3. Эта микросхема аналогична микросхеме К176ИЕ4, отличие заключается в том, что К176ИЕ3 является шестеричным счетчиком, что связано с исторически сложившимся способом счета времени. Сигнал переноса на выходе P появляется через каждые шесть входных импульсов при переходе счетчика из состояния «5» в состояние «0». Второе отличие заключается в том, что нет выхода «4», а есть выход «2», на котором появляется высокий потенциал, если в счетчике содержится число «2». Данный выход в этом разряде также не используется.
|
|
|
Счетчик единиц часов и счетчик десятков часов. Эти элементы собраны на микросхемах D3 (К176ИЕ4) и D4 (К176ИЕ3) соответственно. Отличием работы этих двух разрядов от разрядов минут является то, что в силу опять же исторических причин их показания после 23 ч должны быть сброшены в 00 ч.
Устройство сброса. Посредством использования выходов «4» и «2» и логической схемы «2И», собранной на диодах VD1, VD2 и резисторе R4, счетчик единиц и десятков часов в 24 ч 00 м сбрасываются в 00 ч 00 м. Функционирует эта часть схемы следующим образом. Входы обнуления R микросхем D3 и D4 объединены в общую точку «А» и на эту точку подан высокий потенциал от источника питания через резистор R4. К этой же точке «А» анодами подключены диоды VD1 и VD2, катоды которых соединены с выходами «2» и «4» микросхем D4 и D3 соответственно. Это означает, что пока на выходах «2» и «4» или на любом из них низкий потенциал нуля, высокого потенциала на входах R микросхем D4 и D3 быть не может, и они будут работать в нормальном счетном режиме. И только тогда, когда на обоих выходах «2» и «4» появятся высокие потенциалы, а это случится, если в микросхемах D3 и D4 будет записано число 24, высокий же потенциал возникнет в точке «А» и обнулит обе эти микросхемы через несколько микросекунд. На практике показания часов 23 ч 59 м после следующего минутного импульса сменятся не на 24 ч 00 м, а сразу сменятся показаниями 00 ч 00 м.
Устройство установки времени. Этот блок предназначен для быстрой установки правильного текущего времени, это необходимо делать после случайного сбоя или после выключения часов. В устройство установки времени входят кнопки кн1, кн2 и кн3, подключающие соответствующие разряды к частоте 2 Гц, и кнопка кн4, обнуляющая счетчики генератора эталонной частоты и позволяющая начать от нуля отсчет новой минуты. Процедура установки правильного времени производится следующим образом: незадолго до сигналов точного времени это время устанавливается на индикаторах при помощи кнопок кн1, кн2, кн3, затем нажимается кнопка кн4 и удерживается до момента последнего шестого сигнала. В этот момент кнопка отпускается и начинается правильный ход времени.
Цифровые индикаторы. Вывод информации о текущем времени осуществляется посредством вакуумных люминесцентных индикаторов типа ИВ-6 (индикаторы вакуумные, шестой заводской номер разработки). В баллоне индикатора имеется нить накала и семь анодов-полосок, покрытых люминофором. Если к аноду приложено положительное напряжение, то летящие к нему электроны от нити накала будут ударяться о люминофор и вызывать его свечение. Подавая напряжение на соответствующие аноды, можно получить стилизованное изображение любой из десяти цифр. На рис. 7.3 показано расположение анодов в семисегментных индикаторах и их принято обозначать латинскими буквами.
В некоторых типах индикаторов, в том числе и в ИВ-6, есть восьмой анод, который справа внизу обозначает десятичную точку, ему присвоена латинская буква h. В баллоне индикатора есть еще один электрод – управляющая сетка, расположенная между нитью накала и анодами, как и в радиолампе. Подавая на сетку небольшой отрицательный или нулевой потенциал, можно погасить индикацию даже при наличии анодного напряжения. Это используется в схемах с динамической индикацией.
Практические задания
1. С помощью осциллографа измерить и записать параметры сигналов на всех контрольных точках макета.
2. Пронаблюдать сдвинутые по фазе сигналы частотой 128 Гц на КТ5, КТ6, КТ7 и КТ8 (см. лабораторный макет). При этом использовать внешнюю синхронизацию осциллографа от сигнала на КТ5. Эти сигналы используются при динамической индикации.
3. Частотомером измерить частоту на кт4. Рассчитать, на сколько секунд в сутки изменится ход часов при отклонении частоты кварцевого генератора, выведенного на кт4, на 1 Гц.
4. Измерить ток, потребляемый часами при отключенной индикации. Для этого убрать перемычку П1 (см. лабораторный макет) и вместо нее включить миллиамперметр. Рассчитать емкость конденсатора в блоке питания, необходимую для того, чтобы часы правильно шли при пропадании напряжения в сети в течение одной минуты. Считать, что напряжение на конденсаторе падает линейно, а микросхемы работоспособны при уменьшении напряжения до 6 В. Рабочее напряжение питания микросхем измерить вольтметром.
5. Измерить напряжение и ток накала индикаторов ИВ-6.
Контрольные вопросы
1. Каким минимальным изменением в схеме можно превратить данные часы в секундомер?
2. Как изменится работа часов, если отсоединить диод VD1?
Работа 8
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИК ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ
Дистанционное управление на инфракрасных лучах часто используют для управления бытовыми электронными приборами (магнитофоны, телевизоры, видеомагнитофоны), но оно может быть использовано для других целей, например, для управления моделями, для охранной сигнализации и других применений.
Достоинствами такой системы дистанционного управления являются экономичность, относительная простота настройки и изготовления, устойчивость к электромагнитным помехам. Недостатком является сравнительно малый радиус действия.
Предлагаемая для изучения система дистанционного управления состоит из двух блоков – передающей и приемной частей.
Передающая часть
Принципиальная электрическая схема передатчика дистанционного управления приведена на рис. 8.1а.
а б
Рис. 8.1
Источником инфракрасного излучения является светодиод HL1. Это фосфидгаллиевый диод, излучающий при прохождении через него электрического тока свет с длиной волны 0,95 мкм.
Транзисторы Т1 и Т2 работают как электронный ключ, управляющий током через излучающий диод. Величину этого тока можно определить по величине импульсов напряжения на резисторе R1. Величина импульсов тока, необходимая для обеспечения нужного дальнодействия, довольно значительна. Большой ток в импульсе получается за счет конденсатора С1, который обеспечивает нужный ток на короткое время импульса и должен успевать зарядиться за время между импульсами от маломощного источника тока, каким является, например, батарея «Крона». Это означает, что промежуток времени между импульсами должен быть значительно больше, чем длительность самого импульса. Такой режим работы ключа на транзисторах Т1 и Т2 задается несимметричным мультивибратором, собранным на логических элементах D1.1 и D1.2 по типичной, часто используемой в цифровой технике схеме. Элемент D1.3 является буферным, он устраняет влияние нагрузки на режим работы мультивибратора. Форма колебаний, вырабатываемая этим мультивибратором, а следовательно, и форма излучаемых импульсов света показаны на рис. 8.1б.
Управляется блок передатчика при помощи кнопки кн1.
Приемная часть
Изучаемая в этой работе система дистанционного управления может быть использована для самых различных целей, но для определенности будем рассматривать ее в качестве дистанционного переключателя программ телевизора.
Излучаемый передатчиком сигнал в виде импульсов инфракрасного света попадает на фотодиод VD1 (см. рис. 8.2).
Рис. 8.2
Фотодиод работает в фотодиодном режиме, т. е. на него в запорном направлении подано напряжение питания и через него протекает обратный ток, величина которого (с точностью до небольшого темнового тока) пропорциональна освещенности. При попадании импульсов света на фотодиод этот ток создает на резисторе R1 импульсы напряжения, которые через конденсатор С1 поступают на вход операционного усилителя на микросхеме А1. Резисторы R1, R2, R10, R11 и конденсатор C5 необходимы для обеспечения нормального режима работы операционного усилителя. Цепочка R9, C4 создает дополнительную фильтрацию питающего напряжения для первого каскада усиления на микросхеме А1, работающего с малыми сигналами.
На выходе микросхемы образуется усиленный сигнал, который через емкость С2 и диод VD2 заряжает конденсатор С3. Резисторы R4 и R5 необходимы для разрядки конденсаторов С2 и С3 после прекращения работы передатчика. На конденсаторе С3 образуется импульс напряжения с длительностью, определяемой временем нажатия на кнопку кн1 передающего устройства.
Крутизна фронтов этого импульса определяется скоростью заряда и разряда конденсатора С3 и может оказаться недостаточной для нормальной работы счетчика на микросхеме D2. Увеличение крутизны фронтов производится триггером Шмитта, собранном на логических элементах D1.1 и D1.2 и резисторах R6, R7.
Сформированные триггером импульсы поступают на счетный вход счетчика в микросхеме D2. В этой же микросхеме имеется позиционный дешифратор, который результат счета счетчика представляет в виде единицы на выходах Q1…Q4, номер позиции при этом соответствует числу импульсов, поступивших на вход счетчика. Напряжение этой единицы включает нужную программу (или команду). На макете появление единицы регистрируется соответствующим светодиодом. В используемой микросхеме число выходов больше, но мы ограничиваемся четырьмя, поскольку при большом числе программ данный способ
выбора становится неудобным. Для того чтобы сделать модуль счета счетчика и, соответственно, дешифратора равным четырем, пятый выход дешифратора через диод VD3 соединен со входом обнуления R счетчика.
Для того чтобы не делать специальной кнопки для начальной установки нуля при включении устройства в сеть, часто применяют автоматическое обнуление, используя заряд конденсатора, включенного между плюсом питания и входом R. В нашем случае это конденсатор С5. Когда скачком появляется напряжение питания, то в первое мгновение на входе R оказывается высокий потенциал, так как конденсатор мгновенно зарядиться не может. Затем происходит заряд конденсатора, правая (по схеме) его обкладка принимает потенциал общего провода, т. е. нуля. Таким образом, на входе R на долю секунды возникает логическая единица, счетчик обнуляется, затем единица исчезает, и счетчик готов к работе. Такой способ применяется, например, в телевизорах с электронным переключением каналов, когда после включения прибора автоматически устанавливается выбор первого канала.
Практические задания
1. Разобраться в принципиальной схеме и уметь объяснить работу всех блоков устройства.
2. Получить осциллограммы сигналов на всех контрольных точках макетов.
3. По соответствующей осциллограмме в передатчике рассчитать величину среднего тока, потребляемого передатчиком, измерить эту величину миллиамперметром, сравнить полученные значения.
4. Проверить на прозрачность для ИК лучей некоторые материалы – бумагу, пластик и др.
5. Определить дальность действия системы.
Контрольные вопросы
1. Какими способами и приборами можно определить длину волны ИК излучения?
2. Что такое внешний и внутренний фотоэффект?
3. Каковы основные параметры излучающего диода? (Обратиться к справочнику).
Работа 9
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Аналого-цифровой преобразователь – это устройство, которое преобразует информацию в виде аналоговых сигналов в цифровой код. Этот цифровой код может быть представлен в виде, удобном для работы вычислительной машины (обычно это двоичный код), либо в форме, удобной для визуального восприятия, то есть в виде десятичного числа. Аналогово-цифровой преобразователь (в дальнейшем АЦП) в устройствах автоматики является промежуточным звеном между датчиками различных физических величин (напряжение, температура, давление) и процессором, роль которого выполняет вычислительная машина той или иной степени сложности, соответствующей комплексу решаемых задач.
АЦП может быть самостоятельным измерительным прибором, измеряющим какие-либо физические величины, например, амперметром, вольтметром, измерителем индуктивности, емкости и т. д.
Цифровые измерительные приборы отличаются от аналоговых (стрелочных) прежде всего гораздо большей (на несколько порядков) точностью, удобством считывания результатов измерения, возможностью стыковки с вычислительными комплексами. Недостатком является значительно бóльшая сложность. В отличие от аналогового прибора, АЦП (как и другие цифровые приборы) работает циклично. В стрелочном вольтметре, например, после подключения его к источнику напряжения за доли секунды или за несколько секунд происходит отклонение или успокоение стрелки, и затем она стоит неподвижно, непрерывно показывая значение измеряемой величины. Если величина напряжения изменяется, то и стрелка будет плавно смещаться. В АЦП процесс измерения происходит отдельными циклами. Сначала в приборе производится преобразование аналоговой информации в цифровой вид, затем результат в течение некоторого времени, необходимого для считывания, выдерживается на индикаторе, и весь процесс повторяется сначала.
Таким образом, длительность одного цикла определяется временем измерения и временем индикации. Время индикации в приборах, предназначенных для выдачи информации человеку, обычно может регулироваться самим человеком от доли секунды до нескольких секунд. Если же прибор выдает результаты измерения в машину, то это время может быть уменьшено до микросекунд. При этом большую часть цикла измерения составляет время непосредственной переработки аналоговой информации в цифровую. В сложных быстропротекающих процессах, например, в полете ракеты, быстродействие всех систем управления, куда входит АЦП, становится важным параметром. Время преобразования современных АЦП составляет примерно микросекунду на каждый разряд числа, выдаваемого прибором.
Рассмотрим функционирование конкретного АЦП, изучаемого в данной работе. Блок-схема прибора приведена на рис. 9.1.
Рис. 9.1
Работа всего устройства управляется тактовым генератором. Этот генератор выдает импульсы, показанные на рис. 9.2а. В момент времени t 0 на выходе тактового генератора возникает высокий уровень потенциала (логическая 1). Этот уровень подается на счетчик и на генератор пилы. При этом на счетчике устанавливаются нулевые показания независимо от его предыдущих показаний. На генераторе пилы этим же потенциалом устанавливается нулевое напряжение на выходе. Выход генератора пилы поступает на один из входов компаратора, на другой вход компаратора подается измеряемое напряжение U вх.
Kомпаратор – это устройство, которое сравнивает два аналоговых напряжения и выдает на выходе высокий или низкий уровень напряжения в зависимости от того, на каком входе напряжение больше. Входное напряжение U вх и напряжение с генератора пилы поданы на вход компаратора так, что при нулевом напряжении генератора пилы и некотором постоянном напряжении U вх на выходе компаратора есть высокий потенциал. Этот потенциал подается на ключ и держит ключ в открытом состоянии, при этом импульсы счетного генератора, который работает непрерывно, проходят на счетчик, но не изменяют показания счетчика, так как он удерживается в нулевом состоянии высоким потенциалом тактового генератора.
Рис. 9.2. Временные диаграммы работы АЦП
Такое состояние схемы продолжается от момента t 0 до момента t 1. Длительность этого отрезка времени выбирается такой, чтобы все переходные процессы в счетчике и в генераторе пилы окончились. В момент времени t 1 исчезает высокий потенциал на выходе тактового генератора, снимается запрет на счет в счетчике, и он начинает считать импульсы счетного генератора. Одновременно начинает работать генератор пилы. На его выходе начинает нарастать напряжение по линейному закону (пилообразное напряжение, рис. 9.2б). В момент времени t 2 напряжение пилы достигает значения U вх и становится больше его. Потенциал на выходе компаратора резко падает и запирает ключ. При этом прекращается прохождение импульсов счетного генератора на счетчик, и счет прекращается. На счетчике остается число, соответствующее количеству импульсов счетного генератора, которое прошло на счетчик за отрезок времени от t 1 до t 2. Это число остается на индикаторе до момента t 3, когда на выходе тактового генератора снова возникает высокий потенциал, который обнуляет счетчик и сбрасывает к нулю напряжение на выходе генератора пилы. На этом заканчивается цикл измерения, и затем снова происходят все процессы, описанные выше.
Количество импульсов, прошедших на счетчик, а следовательно, и его показания будут (см. рис. 9.2) пропорциональны частоте счетного генератора и длительности интервала времени от t 1 до t 2, в течение которого открыт ключ. Это время пропорционально величине U вх (чем выше U вх, тем позже напряжение пилы сравняется с ним) и обратно пропорционально скорости нарастания пилы (чем выше скорость, тем меньше времени нужно, чтобы напряжение пилы сравнялось с U вх). Таким образом:
N = F × T = U вх× F / (dU / dt),
где N – число импульсов на индикаторе счетчика; F – частота счетного генератора; T – время, равное (t 2 – t 1); (dU / dt) – скорость нарастания пилообразного напряжения.
Величину F /(dU / dt) можно всегда выбрать так, чтобы она численно была равна единице, тогда N = U вх, т. е. показание счетчика будет равно напряжению U вх, выраженному в вольтах или в десятых (сотых, тысячных и т. д.) долях вольт. Тогда на цифровом индикаторе нужно в соответствующем месте высветить запятую.
Рассмотрим теперь, как технически реализованы каждый из функциональных блоков, показанных на рис. 9.1.
Счетный генератор. Счетный генератор представляет собой часто используемый в цифровой технике мультивибратор на логических элементах. Здесь, в частности, применены логические элементы 2И-НЕ. Это элементы DD3.1 и DD3.2 (см. рис. 9.3). Эти и другие логические элементы 2И-НЕ, используемые в данном АЦП, содержатся в микросхемах K176ЛА7. Каждая такая микросхема содержит 4 независимых элемента 2И-НЕ. В приборе согласно принципиальной схеме (рис. 9.3) необходимы 7 логических элементов, для этого понадобилось 2 микросхемы К176ЛА7, один элемент остается свободным. Частота мультивибратора определяется цепочкой R2, C1 и может меняться в широких пределах подбором этих элементов.
Рис. 9.3. Электрическая принципиальная схема АЦП
Kлюч. В качестве ключа используется логический элемент 2И-НЕ DD4.1. Если на одном из входов этого элемента присутствует логический нуль, то состояние выхода не будет зависеть от состояния второго входа. Если же на один из входов, в нашем случае – это нижний вход на схеме, подать логическую единицу, то на выходе состояние будет меняться, если на втором входе происходит чередование нулей и единиц (в нашем случае это импульсы счетного генератора, подаваемые на верхний по схеме вход ключа). Входные и выходные импульсы будут сдвинуты на 180 градусов по фазе за счет операции НЕ, но для работы данного прибора это не важно.
Счетчик. Счетчик собран на микросхемах K176ИЕ4, индикаторами служат 7-сегментные светодиодные матрицы АЛ 304. Емкость счетчика – два десятичных разряда. Так как используемые светодиодные матрицы имеют общий анод, то на входы S микросхем DD1 и DD2 подана логическая единица, при этом выходы этих микросхем a, b, c... g, которые должны зажечь соответствующие цифры, имеют низкий потенциал. Прибор предназначен для измерения постоянного напряжения от 0 до 9,9 В, поэтому после старшего разряда включена запятая, для чего вывод матрицы Н через резистор R3 соединен с общим проводом. Импульсы с выхода ключа подаются на счетный вход Т младшего разряда, выполненного на микросхеме DD1. Каждый десятый импульс приводит к появлению падающего фронта на выходе Р, который соединен со счетным входом следующего разряда и изменяет состояние счетчика DD2 на единицу. Когда на счетчике появится число 9,9, то следующий импульс счетного генератора приведет к обнулению счетчика и появлению падающего фронта на выходе Р старшего разряда. Этот фронт используется для зажигания индикатора переполнения.
Индикатор переполнения. Так как данный АЦП имеет 2 десятичных разряда, то на счетчик не должно поступать более 99 импульсов,
в противном случае показания цифрового индикатора не будут соответствовать истине. Момент переполнения фиксируется индикатором
переполнения, в основе которого лежит триггер, собранный на логических элементах DD4.2 и DD4.3. В начале каждого цикла измерения тактовым импульсом через цепочку VD2, R13 триггер устанавливается (независимо от предыдущего состояния) в такое состояние, когда на выходе элемента DD4.2 присутствует низкий потенциал (логический нуль). Этот низкий потенциал через резистор R10 удерживает в закрытом состоянии транзистор VT3 и, следовательно, светодиод HL1 не светится. Если же в каком-либо цикле измерения число импульсов, поступивших на счетчик, превысит 99, то на выходе Р старшего разряда появится падающий фронт импульса. Этот фронт выделяется дифференцирующей цепочкой R8, C2 с диодом VD1 и приводит триггер в такое состояние, что на выходе элемента DD4.2 появляется высокий потенциал (логическая единица) и через транзистор VT3 зажигается светодиод HL1, это означает, что счетчик переполнен и его показания не соответствуют измеряемой величине. Свечение индикатора продолжается до следующего тактового импульса, которым триггер сбрасывается в исходное состояние, светодиод гаснет на короткое время, пока снова заполняется счетчик, и зажигается вновь, если напряжение на входе превышает допустимые
