МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКЕ ЦАП, АЦП, ПАМЯТЬ Содержание Лабораторная работа №13. Изучение работы цифро-аналогового преобразователя 3 Лабораторная работа №14. Изучение работы аналогово-цифрового преобразователя 6 Лабораторная работа №15. Изучение работы устройства ОЗУ оперативного запоминающегося 9 Лабораторная работа №16. Изучение ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО - ПАРАЛЛЕЛЬНОГО РЕГИСТРА ХРАНЕНИЯ 13 Лабораторная работа №13. Изучение работы цифро-аналогового преобразователя. Цель работы: Изучить принцип работы цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), узнать основные области применения ЦАП. Получить навыки работы с ЦАП. Порядок выполнения работы: 1. Ознакомиться с краткими сведениями о цифро-аналоговых преобразователях. 2. Собрать схему цифро-аналогового преобразователя. 3. Заполнить таблицу истинности и нарисовать диаграмму работы цифро-аналогового преобразователя по своему варианту. 4. Оформить отчет. 5. Сделать выводы о проделанной работе. 1. Краткие сведения о цифро-аналоговых преобразователях. Цифро-аналоговые преобразователи ( ЦАП, DAC — "Digital-to-Analog Converter") и аналогоцифровые преобразователи ( АЦП, ADC — "Analog-to-Digital Converter") главным образом применяются для сопряжения цифровых устройств и систем с внешними аналоговыми сигналами, с реальным миром. При этом АЦП преобразует аналоговые сигналы во входные цифровые сигналы, поступающие на цифровые устройства для дальнейшей обработки или хранения, а ЦАП преобразует выходные цифровые сигналы цифровых устройств в аналоговые сигналы. ЦАП и АЦП применяются в измерительной технике (цифровые осциллографы, вольтметры, генераторы сигналов и т.д.), в бытовой аппаратуре (телевизоры, музыкальные центры, автомобильная электроника и т.д.), в компьютерной технике (ввод и вывод звука в компьютерах, видеомониторы, принтеры и т.д.), в медицинской технике, в радиолокационных устройствах, в телефонии и во многих других областях. Применение ЦАП и АЦП постоянно расширяется по мере перехода от аналоговых к цифровым устройствам. Сразу же надо отметить, что для грамотного и профессионального использования микросхем ЦАП и АЦП совершенно не достаточно знания цифровой схемотехники. Практическое применение ЦАП и АЦП требует расчета аналоговых цепей, учета многочисленных погрешностей преобразования (как статических, так и динамических), знания характеристик и особенностей аналоговых микросхем (в первую очередь, операционных усилителей) и многого другого. 1.1 Применение ЦАП В общем случае микросхему ЦАП можно представить в виде блока (рис. 13.1), имеющего несколько цифровых входов и один аналоговый вход, а также аналоговый выход. Рис. 13.1. Микросхема ЦАП На цифровые входы ЦАП подается n-разрядный код N, на аналоговый вход — опорное напряжение Uоп (другое распространенное обозначение — UREF ). Выходным сигналом является напряжение Uвых (другое обозначение — UO ) или ток Iвых (другое обозначение — IO ). При этом выходной ток или выходное напряжение пропорциональны входному коду и опорному напряжению. Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его значение в широких пределах, в том числе и изменять его полярность (положительную на отрицательную и наоборот). ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим ЦАП, так как его можно легко использовать для умножения входного кода на любое опорное напряжение. Кроме информационных сигналов, микросхемы ЦАП требуют также подключения одного или двух источников питания и общего провода. Обычно цифровые входы ЦАП обеспечивают совместимость со стандартными выходами микросхем ТТЛ. Чаще всего в случае, если ЦАП имеет токовый выход, его выходной ток преобразуется в выходное напряжение с помощью внешнего операционного усилителя и встроенного в ЦАП резистора RОС, один из выводов которого выведен на внешний вывод микросхемы. Поэтому, если не оговорено иное, то необходимо в дальнейшем считать, что выходной сигнал ЦАП — напряжение UO. Суть преобразования входного цифрового кода в выходной аналоговый сигнал довольно проста. Она состоит в суммировании нескольких токов (по числу разрядов входного кода), каждый последующий из которых вдвое больше предыдущего. Для получения этих токов используются или транзисторные источники тока, или резистивные матрицы, коммутируемые транзисторными ключами. В общем случае выходное напряжение ЦАП при RОС = R будет связано со входным кодом N и опорным напряжением UREF простой формулой UВЫХ = N • UREF 2-n (13.1) где n — количество разрядов входного кода. Эту связь можно проиллюстрировать в таблице 13.1 Таблица 13.1 Преобразование ЦАП в однополярном режиме. Входной код, N Выходное напряжение, UВЫХ 000 … 000 000 … 001 … 100 … 000 … 111 … 111 0 -2-nUREF … -2-1UREF … -(1-2-n)UREF Некоторые микросхемы ЦАП предусматривают возможность работы в биполярном режиме, при котором выходное напряжение изменяется не от нуля до UREF, а от –UREF до +UREF. При этом выходной сигнал ЦАП UВЫХ умножается на 2 и сдвигается на величину UREF. 2. Работа с лабораторным стендом Подготовьте лабораторный стенд к работе: 1. Установите сменную панель «Лабораторный комплекс №4» в рабочую область УЛС. 2. Соберите схему цифро-аналогового преобразователя, согласно рисунку 13.2. Для этого соединительными элементами (проводами) соедините разъемы OUTN со входами InN цифро-аналогового преобразователя (#/^), UВЫХ соедините со входом вольтметра (V) лабораторного стенда. OUT0 I0 OUT1 I1 OUT2 I2 OUT3 I3 OUT4 I4 OUT5 I5 OUT6 I6 OUT7 I7 #/^ Uo V Рис. 13.2. Схема ЦАП 3. Включите питание лабораторного стенда. 4. Последовательно подайте на вход ЦАП несколько комбинаций сигналов OUT7…OUT0, фиксируя значения UВЫХ для каждой комбинации в таблице 13.2. Таблица 13.2 Работа ЦАП в однополярном режиме. OUT7 OUT6 OUT5 OUT4 OUT3 OUT2 OUT1 OUT0 UВЫХ практ. теор. 5. Рассчитайте теоретическое значение UВЫХ для каждой комбинации входных сигналов. 6. По данным таблицы 13.2 составьте диаграмму работы ЦАП. 7. Сделайте вывод о проделанной работе. Лабораторная работа №14. Изучение работы аналогово-цифрового преобразователя. Цель работы: Изучить принцип работы аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), узнать основные области применения АЦП. Получить навыки работы с АЦП. Порядок выполнения работы: 6. Ознакомиться с краткими сведениями о аналогово-цифровых преобразователях. 7. Собрать схему аналогово-цифрового преобразователя. 8. Заполнить таблицу истинности и нарисовать диаграмму работы аналогово-цифрового преобразователя по своему варианту. 9. Оформить отчет. 10. Сделать выводы о проделанной работе. 1. Краткие сведения о цифро-аналоговых преобразователях. Необходимость приема и формирования сигналов для внешних аналоговых устройств требует наличия в микропроцессорных системах аналогового ввода/вывода. При выполнении вышеуказанных операций возникает необходимость перевода величины непрерывного аналогового сигнала, измененного в некоторых момент времени, в пропорциональный по значению дискретный цифровой код. Для решения данной задачи используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП – это ключевой элемент, обеспечивающий взаимодействие аналоговых и цифровых устройств. АЦП является основой цифровых вольтметров, цифровых авометров, многоканальных анализаторов, осциллографов и многих других приборов. Существует несколько основных схем АЦП. Все они различаются временем и точностью преобразования. Точность преобразования также зависит от разрядности АЦП. Цифровой код (2^n-1) (2^n-2) 111 110 101 100 011 010 001 0 Umin Umax Аналоговый сигнал Рисунок 14.1 – Соотношение между входным напряжением и выходным двоичным кодом. Если АЦП имеет разрядность n и на его вход подано напряжение U, то выходной двоичный код будет иметь значение N согласно ниже приведенной формуле (1): ( U max U min) N U min U n . 1 2 (14.1) Разность максимального и минимального напряжения определяется как входной диапазон аналогового сигнала. Напряжения Umax и Umin являются опорным напряжением для модуля АЦП, относительно которых производится вычисление выходного результата преобразования. Чаще всего модуль АЦП внутри микроконтроллера (МК) реализуется в виде многоканального АЦП, предназначенного для ввода в МК аналоговых сигналов с датчиков физических величин и преобразования этих сигналов в двоичный код. Структурная схема типового модуля АЦП представлена на рисунке 14.2. Рисунок 14.2 – Структура модуля АЦП. Момент завершения каждого цикла преобразования отмечается установкой триггера готовности данных. Если прерывания от модуля АЦП разрешены, то генерируется запрос на прерывания. Как правило, чтение регистра результата сбрасывает триггер готовности. Большинство модулей АЦП имеют только режим программного запуска: установка одного из битов регистра режима запускает очередное измерение. Наиболее универсальные модули АЦП имеют также режим автоматического запуска, при котором после завершения одного цикла преобразования немедленно начинается следующий. Однако данные измерения каждого цикла должны быть считаны программным способом. 2. Работа с лабораторным стендом Подготовьте лабораторный стенд к работе: 1. Установите сменную панель «Лабораторный комплекс №4» в рабочую область УЛС. 2. Соберите схему аналогово-цифрового преобразователя, согласно рисунку 14.3. OUT0 I0 OUT1 #/^ ^/# Out0 IN0 I1 Out1 IN1 OUT2 I2 Out2 IN2 OUT3 I3 Out3 IN3 OUT4 I4 Out4 IN4 OUT5 I5 Out5 IN5 OUT6 I6 Out6 IN6 OUT7 I7 Out7 IN7 C V C3 Uo Uin Рисунок 14.2 – Схема ЦАП-АЦП лабораторного стенда. Для этого соединительными элементами (проводами) соедините разъемы OUTN со входами InN цифро-аналогового преобразователя (#/^), UВЫХ соедините со входом UВХ лабораторного стенда. Лабораторная работа №15. Изучение работы оперативного запоминающегося устройства ОЗУ C C2 C3 OUT6 1 R CT2 Q1 A0 IN4 Q2 IN5 Q4 IN6 Q8 #/^ A1 A2 A3 A4 IN7 A5 DO0 IN0 DO1 IN1 DO2 IN2 DO3 IN3 A6 A7 S D OUT7 DI0 OUT1 DI1 OUT2 DI2 OUT3 DI3 TT C & OUT0 WR OUT5 OE R Схема управления ОЗУ с 4-х разрядной адресацией т.е. 16х4 бит C2 – Такт, должен быть настроен на 1 импульс с любой длительностью, кроме 75 мкС, например 0.5 сек. OUT7 – разрешение записи 1 – запись, 0 – чтение OUT6 – сброс счетчика 1 –сброс (счетчик не реагирует на тактовый С вход, 0 – счетчик в режиме работы) OUT5 – разрешение работы памяти 1- память включена, 0 – память отключена. С3 – реверс 1- инкремент счетчика, 0 – декремент счетчика. OUT0-OUT3 – для входных данных ОЗУ IN0-IN3 – для выходных данных ОЗУ IN4-IN7 – для отображения значения адреса ОЗУ от 0x0 до 0xF Таблица истинности для записи бегущей единицы. OUT7 OUT6 OUT5 C3 Разрешение Сброс Разрешение Реверс записи 1 – счетчика работы счетчика разрешена ОЗУ запись 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 OUT0-OUT3 IN0-IN3 C2 0001 0010 0100 1000 0011 0110 1100 - 0-1-0 0-1-0 0-1-0 0-1-0 0111 1011 И так повторите еще 4 раза. Т.е. значение счетчика будет максимальным и на выходе Q1-Q8 будут все единицы Таблица истинности для чтения записанной в ОЗУ информации. OUT7 OUT6 OUT5 C3 OUT0-OUT3 0 0 1 1 - IN0-IN3 Вывод информации C2 0-1-0 Нажимая кнопку С2 можно просматривать содержимое памяти в зависимости от адреса, замес-то С2 можно подключить к С1 и выводить данные автоматически с разной скоростью в зависимости от настройки генератора в меню УЛС. C C2 CT2 1 C3 Q1 A0 A1 Q2 A2 Q4 R OUT6 A3 A4 Q8 A5 A6 A7 C 1 R CT2 Q1 OUT0 DI0 Q2 OUT1 DI1 Q4 OUT2 DI2 Q8 OUT3 DI3 WR S TT C D & OUT7 R Схема управления ОЗУ с 8 разрядной адресацией т.е. 256х4 бит OUT5 OE #/^ DO0 IN0 DO1 IN1 DO2 IN2 DO3 IN3 C C2 CT2 1 C3 Q1 Q2 Q4 R 0/1 Q8 1 2 3 4 1 A0 2 A1 3 A2 4 A3 5 A4 6 A5 7 CT2 1 Q1 Q2 Q4 R Q8 5 6 7 8 DO0 IN0 DO1 IN1 DO2 IN2 DO3 IN3 DO0 IN4 DO1 IN5 DO2 IN6 DO3 IN7 A6 8 C #/^ A7 OUT0 DI0 OUT1 DI1 OUT2 DI2 OUT3 DI3 WR S 1 TT OE C & 0/1 D 1 R 2 A0 A1 3 A2 4 A3 5 A4 6 A5 7 #/^ A6 8 A7 OUT4 DI0 OUT5 DI1 OUT6 DI2 OUT7 DI3 WR 1 OE Схема управления ОЗУ с 8 разрядной адресацией и с байтовой организацией т.е. 256х8 бит C CT2 1 Q1 Q2 Q4 R Q8 A0 #/^ A1 A2 A3 A4 A5 DO0 I0 DO1 I1 DO2 I2 DO3 I3 A6 I4 A7 C CT2 1 R Q1 DI0 Q2 DI1 Q4 DI2 Q8 DI3 #/^ I5 I6 I7 WR S TT OE C D & R A0 A1 A2 A3 A4 A5 #/^ DO0 DO1 DO2 DO3 A6 A7 DI0 DI1 DI2 DI3 WR OE Схема хранения аналоговой информации. Задание записать в память цифровые коды для вывода ЦАП-ом напряжения 1, 2, 3, 4, 5, 4, 3, 2, 1. Uo 16. Изучение ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО - ПАРАЛЛЕЛЬНОГО РЕГИСТРА ХРАНЕНИЯ C C2 CT2 1 C3 Q1 A0 A1 Q2 A2 Q4 R OUT6 A3 A4 Q8 A5 #/^ DO0 DT DO1 DO2 RG Q1 IN0 CK Q2 IN1 ST Q3 IN2 Q4 IN3 Q5 IN4 Q6 IN5 Q7 IN6 Q8 IN7 DO3 A6 A7 C CT2 1 R Q1 OUT0 DI0 Q2 OUT1 DI1 Q4 OUT2 DI2 Q8 OUT3 DI3 OE WR S OUT5 TT OE C D & R OUT7 Схема для управления регистром RG аналогичен К561ПР1 (CD4094) и имеет следующие основные характеристики: Таблица 16.1 Назначение выводов последовательно-параллельного регистра хранения Обозначение Направление Назначение DT In Входные данные CK In Вход синхронизации входных данных ST In Вход стробирования входных данных OE In Включение регистра Q1 Out Выход 1 Q2 Out Выход 2 Q3 Out Выход 3 Q4 Out Выход 4 Q5 Out Выход 5 Q6 Out Выход 6 Q7 Out Выход 7 Q8 Out Выход 8 Последовательно-параллельный регистр хранения, предназначен расширения количества выходных линий, так при входных 4 линиях на выходе можно получить 8, часто такие регистры каскадируются и их количество можно получить неограниченно, естественно что время для получения выходных данных будет тоже увеличено. DT (данные) CK (такт) 8 разрядный сдвиговый регистр ST (строб) 8 разрядный параллельный регистр Z (вкл. выходов) 8 разрядный буфер с Z состоянием Выходы Q0-Q7 Рисунок 16.2 – Структурная схема последовательно-параллельного регистра хранения. Структурная схема регистра хранения отображена на рисунке 16.2. Принцип работы регистра: данные записываются во входной сдвиговый регистр, каждый бит данных синхронизируется задним фронтом такта синхронизации. После 8 тактов, при условии переднего фронта на входе ST (строб) данные записываются в параллельный регистр. Если Z=1, то буфер открыт и выходные данные параллельного регистра поступают на выходы Q1-Q8. Таблица истинности для записи в ОЗУ протокола данных вывода бегущей единицы через последовательно-паралельный регистр. OUT7 OUT6 OUT5 () C3 OUT0-OUT3 IN0-IN3 C2 1 0 1 1 0-1-0 1 0 1 1 0-1-0 1 0 1 1 0-1-0 1 0 1 1 0-1-0 Таблица истинности для чтения записанной в ОЗУ протокола данных для вывода бегущей единицы через последовательно-паралельный регистр. OUT7 OUT6 OUT5 C3 OUT0-OUT3 IN0-IN3 C2 0 0 1 1 Вывод 0-1-0 информации Начало DT=0 CK=0 ST=0 Z=1 Data_rg Ct=8 Нет DT=0 Выходные линии портов МК Входные данные (8 разрядная переменная) Счетчик битов Да Data_rg<0>=1? DT=1 nop Пустой цикл для задержки CK=1 nop CK=0 Data_rg=Data_rg-> Циклический сдвиг вправо Ct=Ct-1 Нет Да Ct=0? ST=1 Данные на выходах Q0-Q7 Конец Рисунок 16.3 – Алгоритм работы последовательно-параллельного регистра хранения.
