Методические указания к заданию 3.3

Для выбора АЦП из базы данных нужно пройти путь: панель Components š группа Mixed š семейство ADC_DAC š компонент ADC.

 

 

Рассмотрим назначение элементов. На вход АЦП SOC подаётся сигнал от генератора Function Generator, который определяет частоту дискретизации. Так как в данном задании входное напряжение Uin постоянное, то не имеет значения, на какой частоте работает генератор (например, можно установить частоту 1 кГц).

Следующий рисунок показывает параметры, которые нужно установить на генераторе.

 

К выходам АЦП подключены индикаторы, которые обозначены в соответствии с их весовыми коэффициентами. Это делает удобным процедуру определения цифрового сигнала D, выраженного в десятичной системе счисления.

Выходной код АЦП рассчитывается по формуле:

D = 128 + Uin×128/Uop,

где Uin - входное аналоговое напряжение; D - выходное число, представленное в десятичной системе счисления.

Следует обратить внимание, что при Uin = 0 выходной десятичный код D = 128, при Uin > 0 выходной код D > 128, а при Uin < 0 выходной код D < 128.

Для смены полярности входного напряжения Uin необходимо отсоединить источник Uin и подключить его другим полюсом ко входу АЦП.

 

Методические указания к заданию 3.4

В последнем задании входное напряжение Uin вначале с помощью АЦП превращается в поток цифр. Затем цифры с помощью ЦАП обратно конвертируются в аналоговое напряжение. Таким образом, в идеальном случае после двойного преобразования выходное напряжение ЦАП должно полностью совпасть с входным напряжением Uin. Однако качество трансформации во многом определяется выбранной частотой дискретизации и разрядностью используемых преобразователей.

В процессе исследований данной схемы нужно дать качественную оценку точности преобразований в зависимости от частоты дискретизации и разрядности АЦП и ЦАП.

При проведении моделирования величины времени развёртки и усиления по каждому каналу следует подобрать таким образом, чтобы полнее использовать весь экран осциллографа. Целесообразно время развёртки установить таким, чтобы число периодов, укладывающихся на экране осциллографа было 2…3. При исследовании двухканальных осциллограмм наглядность изображений можно повысить с помощью смещения графиков по вертикали (Y Position).

Во время моделирования осциллограф будет работать в двухканальном режиме. Важно, чтобы осциллограммы входного и выходного напряжений были изображены в одинаковых масштабах. Для повышения наглядности осциллограмм желательно использовать разноцветные изображения. Для этого нужно изменить цвета двух проводов, подходящих к осциллографу.

При анализе диаграмм нужно помнить, что действующее напряжение источника синусоидального напряжения в  раз меньше амплитудного значения напряжения.

Настройки тактового генератора (Function Generator) показаны на рисунке.

 

На следующем рисунке показаны настройки осциллографа для варианта 17 и тактовой частоте, равной 8 кГц. Овалами, отмечены органы управления, которые придётся использовать при изменении номера варианта и частоты дискретизации.

 

 

Требования к отчёту

Отчёт подготавливается в электронном виде. Он должен содержать постановки задач, скриншоты, которые показывают порядок решения задачи, схемы, таблицы с результатами расчётов и моделирования, временные диаграммы, необходимые комментарии и анализ полученных результатов.

6. Контрольные вопросы

6.1. Как определить напряжение наименьшей ступеньки восьмиразрядного ЦАП, если известны опорные напряжения?

6.2. Как с помощью осциллографа определить длительность одной ступеньки сигнала на выходе ЦАП?

6.3. Как с помощью осциллографа определить разность напряжений двух ступенек?

6.4. Какая частота дискретизации используется при записи (считывании) в оптических аудиодисках?

6.5. Сколько уровней квантования используется при записи (считывании) в оптических аудиодисках?

6.6. Сколько уровней квантования имеет 16-ти разрядный ЦАП?

6.7. Как с помощью теоремы Котельникова по известной максимальной частоте спектра определить необходимую частоту дискретизации АЦП?

6.8. Как по известной частоте дискретизации определить длительность одной ступеньки на выходе ЦАП?

6.9. Что называется, разрешением АЦП?

6.10. Приведите примеры аналоговых сигналов.

6.11. Почему внутри ЭВМ циркулируют преимущественно цифровые сигналы?

6.12. Приведите примеры цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования.

 

 

 

Лабораторная работа № 15

Моделирование АЛУ

 

1. Цель работы

Освоить порядок моделирования арифметико-логического устройства с помощью программы Multisim 11.0.2.

 

1. Общие сведения

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – важнейшая часть процессора. Оно позволяет выполнять различные арифметические и логические операции над операндами. Вид выполняемой АЛУ операции определяет программист, составляющий управляющую программу. Программа, хранящаяся в оперативной памяти, по частям передаётся в процессор, где и выполняется. Таким образом, процессор лишь исполняет указания программиста, выраженные в виде совокупности команд (программы).

Процессор (как и все другие цифровые устройства) воспринимает управляющие сигналы и операнды в виде двоичных чисел. Результат также формируется в виде двоичных чисел. Однако программисты составляют управляющие программы чаще всего на языках программирования высокого уровня (Паскаль, Делфи, Си…). В момент трансляции программы её текст превращается в набор двоичных чисел (объектный код). Именно эти двоичные числа заставляют процессор (в том числе и АЛУ) выполнять операции, запланированные программистом.

Структурная схема АЛУ показана на рисунке.

 

 

 

Два многоразрядных операнда (числа, буквы, символы и т.д.), подлежащие обработке в АЛУ, подаются на входы А и В. Результат выполнения операции появляется на выходе F. Вид операции, выполняемой в АЛУ, определяется сигналами, которые подаются на входы S и M.

Таким образом при сложении чисел 2 и 3 одно из них подаётся на вход А, а второе на - вход В. В этот момент времени на шины S и М подаётся двоичное число, которое на естественном языке означает команду (приказ) «Выполнить арифметическое сложение». Результат сложения – число 5 появляется на выходе F.  

У входов M и S одинаковое назначение – определять вид выполняемой в АЛУ операции. Эти входы разделены лишь с методической целью. Сигнал на входе М (Mode – режим) определяет, какую операцию будет выполнять АЛУ – логическую или арифметическую.

Рассматриваемый простейший тип АЛУ (К155ИП3, американский аналог - 74181) имеет малую разрядность – лишь 4 бита. По этой причине разработчики АЛУ предусмотрели возможность увеличения (наращивания) разрядности устройства (в случае возникновения такой необходимости). Увеличить разрядность АЛУ можно за счёт использования нескольких секций (микросхем) и двух специальных шин C₀ и C_n+1. За счёт этого можно создать АЛУ, у которого число разрядов равно 8, 12, 16 и т.д.

Шина C₀ при создании многоразрядных конструкций используется для приёма переноса, формируемого в предыдущей (младшей) секции. Шина C_n+1 служит для передачи арифметического переноса из младшей секции в старшую секцию. Другими словами, если у разработчика в наличии имеется n -разрядное АЛУ, то для получения 2 n разрядного АЛУ нужно взять ещё одну аналогичную микросхему, объединить параллельно входы S и M, а выход C_n+1 младшей секции соединить с входом C₀ старшей микросхемы.

1100 Å 1010          0110

Логические и арифметические операции отличаются тем, что при выполнении логических операций вычисления производятся поразрядно. Между собой взаимодействуют только одноименные разряды (например, второй разряд операнда А и второй разряд операнда В), и переносы между разрядами не допускаются. При выполнении арифметических операций в случае необходимости осуществляются переносы между соседними разрядами (например, перенос от младшего разряда к старшему).

Проиллюстрируем сказанное двумя примерами: логической операцией Исключающее ИЛИ и арифметическим сложением по модулю два. Обе операции выполняются по сходным правилам, но в арифметическом сложении используется перенос между разрядами.

Предположим, что имеется два десятичных числа A = 12D и B = 10D. В двоичной системе счисления

1100 +   1010        1’0110

эти числа имеют вид: A =1100B и B =1010B.

В результате выполнения логической операции Исключающее ИЛИ получается четырёхразрядное число 0110B.

После выполнения арифметического сложения на выходе F появляется четырёхразрядное число 0110B, а на шине C_n+1 присутствует логическая единица. Этот сигнал свидетельствует о возникновении переноса в пятый разряд, то есть в следующую старшую секцию восьмиразрядного АЛУ.

Рассматриваемое АЛУ является четырёхразрядным устройством, то есть каждый операнд должен быть представлен четырьмя битами:

А = a₃а₂а₁а₀ и B = b₃ b₂ b₁ b₀.

Как отмечалось ранее, логические операции над операндами производятся поразрядно (переносов в старшие разряды не происходит). В общем виде поразрядное выполнение логических операций можно описать так:

F = A * B = (a₃ * b₃)…(a₀ * b₀),

здесь символ "*" - означает некоторую логическую операцию (дизъюнкцию, конъюнкцию и т.д.).

Вид выполняемой операции определяется четырёхразрядным управляющим сигналом S и сигналом установки режима M (Mode).

Операция, выполняемая АЛУ, аналитически определяется следующим выражением:

где F_i - выходной сигнал АЛУ в i - том разряде; A_i и B_i - значения входных операндов в i - том разряде; S_i - четырёхразрядные управляющие сигналы; М - сигнал, определяющий тип выполняемой операции (логическая или арифметическая); С₀ - перенос из предыдущего (младшего) разряда.

Если на управляющие входы данного АЛУ подать сигналы M = 1, S₃ = 1, S₂ = 0, S₁ = 1, S₀ = 1, то АЛУ выполнит операцию F_i = A_i Ù B_i, то есть произведёт логическое умножение. Этот результат получается при подстановке исходных данных в приведённую формулу. Изменяя пять управляющих сигналов M, S₃,… S₀, можно «заставить» такое АЛУ выполнить 32 различные операции (16 логических и 16 арифметических).

Так присутствие на управляющих входах двоичного числа M = 0, S₃ = 1, S₂ = 0, S₁ =0, S₀ = 1 заставит АЛУ выполнить арифметическое сложение чисел, поступивших на шины A и B, и к полученному результату прибавить значение переноса из предыдущей секции, то есть F_i = A_i + B_i + C₀.

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: