книги / Применение аналоговых микросхем

Рис. 8.29. Схема цифровой системы распространения сигналов звуковой частоты

ком кресле пассажира имеется переключатель выбора программ. Переключатель связан с цифровой логической схемой, содержа­ щей дешифратор адреса и преобразователь последовательного кода в параллельный. ЦАП преобразует параллельные цифровые слова в аналоговые сигналы. Он преобразует только те слова, которые сопровождаются 3-разрядным кодом адреса, соответст­ вующим выбранной программе.

Если последовательность цифровых выборок аналогового сиг­ нала необходимо обработать, а не просто передать, то требуются какие-то методы запоминания выборок. Полупроводниковая па­ мять с последовательной выборкой, реализованная на основе ста­ тических сдвиговых регистров, обеспечивает удобный и относи­ тельно недорогой метод запоминания. Регистры сдвига памяти могут применяться для цифровой обработки аналоговых сигналов.

Для того чтобы заполнить память на регистрах сдвига цифро­ выми значениями выборок, входы записи регистра подсоединяют­ ся к параллельным цифровым шинам АЦП. Как только произо­ шла оцифровка выборки, то полученное цифровое слово перепи­ сывается по тактовому импульсу. АЦП с памятью на регистрах сдвига могут быть использованы для организации временной задержки аналогового сигнала, выделения и хранения переходных процессов, цифрового усреднения амплитуды и временного сжатия с помощью дискретизации, коррелирования и цифровой фильтра­ ции в реальном масштабе времени.

Принципы использования АЦП и ЦАП в качестве цифровой линии задержки (ЦЛЗ) аналогового сигнала иллюстрируются на рис. 8.30. Частота дискретизации аналогового сигнала согласно теореме выборки должна быть более чем вдвое больше наивыс­ шей частотной составляющей аналогового сигнала. Время выбор­ ки УВХ и время преобразования АЦП совместно определяют максимальное значение частоты дискретизации. Как только ^-разрядные цифровые выборки появляются в виде слов в парал­ лельном коде на выходе АЦП, они тактовым импульсом записы-

К-разрядные сддигодые регистры

Рис. 8.30. Схема системы цифровой обработки аналоговых сигналов

ваются в регистр сдвига, а ранее полученные выборки сдвигаются

Параллельный регистр сдвига можно заменить последователь­ ным, в который значения разрядов цифровой выборки загружа­ ются поочередно. В этом случае на выходе АЦП требуется пре­ образователь параллельного кода в последовательный, а на входе ЦАП необходимо выполнить обратное преобразование. Переход к последовательному регистру в ЛГ раз уменьшит быстродействие ЦЛЗ, поэтому последовательная система удобна для аналоговых сигналов, не требующих высокой частоты дискретизации.

Широкое применение ЦЛЗ находят в студиях звукозаписи для воспроизведения различных звуковых эффектов, получаемых при одновременном воспроизведении двух идентичных сигналов, но сдвинутых относительно друг друга во времени. До изобретения электронных ЛЗ такие эффекты получали с помощью двух лен­ топротяжных механизмов, один из которых имел изменяемую скорость. ЦЛЗ. могут быть использованы для создания эффектов

Если повторно пропустить сигнал через ЦЛЗ, то получится звук, подобный звучанию четырех скрипок. Можно создать эффект звучания группы струнных инструментов из одной скрипки с по­ мощью ЦЛЗ и многодорожечного записывающего устройства.

Используя возможность рециркуляции в памяти на регистре сдвига, можно построить устройство, регистрирующее переходной процесс аналогового события и, таким образом, реализовать ос­ циллограф с запоминанием. Система регистрации и хранения пе­ реходных процессов полезна для изучения аналоговых перемен­

ных во многих областях исследований, например при анализе биологических сигналов, механических разрушающих испытаниях компонентов и ударных колебаний.

Функциональная схема, иллюстрирующая использование АЦП и памяти на регистре сдвига в качестве записывающего утройства переходных процессов, аналогична приведенной на рис. 8.30. Схема управления и синхронизации инициирует последователь­ ность выборок синхронизированных с началом переходного сиг­ нала, который необходимо записать. Последовательность выборок прекращается при заполнении регистра сдвига. Частота дискре­ тизации выбирается таким образом, чтобы выборки можно было производить в течение всего времени переходного процесса, кото­ рый необходимо записать. Запомненная информация постоянно перемещается в регистрах и через определенные промежутки вре­ мени восстанавливается в аналоговую форму с помощью ЦАП, чтобы получить ее изображение на экране осциллографа. Инфор­ мация может сдвигаться с тактовой частотой, отличающейся от той, с которой она вводится в память. Это позволяет преобразо­ вание и отображение аналогового переходного процесса осуществ­ лять с произвольной скоростью.

Например, быстрый переходный процесс может быть выведен из памяти со скоростью, совместимой со скоростью перемещения пера самописца. Наоборот, если реальный переходный процесс происходит медленно, то его можно выводить с большей такто­ вой частотой, чтобы получить без мерцания изображение на эк­ ране осциллографа. При этом регистр сдвига памяти должен работать в режиме рециркуляции. Если требуется постоянная циф­ ровая запись переходных процессов, то содержимое регистров сдвига просто пересылается в какую-нибудь цифровую память длительного хранения.

Описанная схема может быть использована для построения генераторов повторяющихся аналоговых сигналов произвольной формы. В регистр сдвига просто загружается информация о тре­ буемом колебании, которую можно заложить в аналоговой форме с помощью АЦП или, если требуется, в цифровой форме прямо в регистр. Загрузку можно осуществлять медленно (вручную, одну выборку за один раз, если это необходимо). Когда регистр пере­ ходит в режим рециркуляции, информация может сдвигаться по кругу постоянно. Она принимает вид периодического аналогового колебания с помощью выходного ЦАП. Частота повторения управляется тактовой частотой регистра сдвига.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) обеспечивают еще большую универсальность по отношению к памяти с после­ довательной выборкой на регистрах сдвига. Обычно емкость памяти ОЗУ характеризуют числом слов, которые могут запоми­ наться, и числом разрядов в каждом слове. ОЗУ позволяет в ре­ жиме записи ввести в определенное место памяти информацию,

присутствующую на входных шинах, а в режиме считывания ин­ формация, хранимая в некотором месте памяти, переводится на выходные шины ОЗУ. Выбор конкретного места памяти для за­ писи и считывания осуществляется подачей адресного слова на дешифратор адреса, обычно расположенный внутри ОЗУ. Дешиф­ ратор выбирает ячейку памяти, определенную кодом адресного слова.

Для запоминания аналогового переходного процесса ОЗУ пе­ реводится в режим записи. По началу переходного процесса про­ изводится его дискретизация и оцифровка. Значения цифровых выборок вводятся в ячейку ОЗУ, и одновременно увеличивается содержимое счетчика адреса памяти. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут заняты все ячейки памяти непрерывной записью цифровых выборок переходного процесса входного ана­ логового сигнала.

Для восстановления аналогового переходного процесса из его запомненных выборок ОЗУ переводится в режим считывания. Содержимое счетчика адреса увеличивается на единицу по каж­ дому тактовому импульсу, вызывая появление последовательности цифровых выборок на выходных шинах ОЗУ. ЦАП преобразует выборки в аналоговую форму. Когда счетчик адреса переполнит­ ся, снова повторяется цикл, и восстановленный аналоговый пере­ ходной процесс будет сформирован на выходе ЦАП. Переходный процесс может тактироваться со скоростью, которая удобна для использования конкретного типа устройства воспроизведения ана­ логового сигнала. Малая скорость тактирования требуется, на­ пример, для перьевого записывающего устройства. В то же время для повторяющегося отображения на осциллографе необходима высокая скорость тактирования.

Быстрое ОЗУ в сочетании с быстродействующими АЦП может использоваться для записывающего устройства быстроменяющихся аналоговых переходных процессов. Системы такого рода могут быть использованы для наблюдения быстрых переходных процес­ сов, которые происходят, например, при исследовании ударов или взрывов. Быстродействующие преобразователи в сочетании с бы­ стродействующими ЗУ находят также применение в устройстве цифровой обработки телевизионных сигналов.

Преобразователи в системах сбора информации. Ранее рас­ смотренные системы дискретизации и оцифровки аналоговых сиг­ налов являются примерами одноканальных систем сбора инфор­ мации. В общем случае системы сбора информации являются многоканальными й выполняют задачу поочередной обработки нескольких входных аналоговых сигналов. Операцию подключе­ ния входных сигналов поочередно к одному выходному каналу выполняет мультиплексор. В системах сбора информации работа мультиплексора осуществляется под управлением логического устройства.

Рис. 8.31. Схема телеметрической системы сбора и обработки аналоговых сигналов

Мультиплексор может быть настроен на последовательную или произвольную выборку каналов. В системах, где аналоговые переменные изменяются с разной скоростью, могут потребоваться выборки с различной частотой. Выбор конкретного канала осу­ ществляется цифровым словом в двоичном коде, который выда­ ется. логическим устройством управления. Разрядность управляю­ щего слова зависит от числа переключаемых каналов. Так восьмивходовой мультиплексор требует 3-разрядного управляю­ щего слова.

На рис. 8.31 в качестве примера приведена система, где ис­ следуемыми физическими параметрами могут быть давление, температура, напряженность и т. д. Первым элементом в каждом аналоговом канале является датчик аналогового сигнала, который используется для преобразования физической переменной в элек­ трический сигнал. Масштабный усилитель используется для нор­ мировки сигнала датчика, т. е. усиления или ослабления его на­ столько, чтобы максимальное значение сигнала не превышало 10 В. Обычно для масштабирования сигналов датчика использу­ ется ОУ с ЦАП в цепи обратной связи (см. рис. 8.21).

На рис. 8.31 показан один из многих возможных способов соединения между собой функциональных узлов многоканальной системы сбора информации. В некоторых случаях параметры, ха­ рактеризующие состояние исследуемой системы, должны быть из­ мерены в один и тот же момент. Совпадающие во времени изме­ рения требуют использования системы сбора данных с УВХ в каждом аналоговом канале. Все УВХ одновременно переходят в режим хранения. Они остаются в режиме хранения до тех, пор пока их выходы подключаются ко входу АЦП в требуемом поряд­ ке. После того как все хранимые сигналы преобразуются в циф­ ровую форму, УВХ можно перевести в режим выборки новых значений. Однако в такой системе УВХ должны обеспечивать точное хранение выбранного аналогового сигнала в течение вре­ мени, которое требуется АЦП для выполения нескольких преоб­ разований. Это более жесткое требование для УВХ, чем хранение на время одного преобразования.

Традиционный подход к построению структуры системы сбора информации сводится к тому, чтобы максимальное число одних и тех же элементов участвовало в обработке информации от раз­ ных датчиков аналоговых сигналов. Этот подход имел очевидные экономические преимущества, когда составляющие системы сбора информации, в частности АЦП, были весьма дороги. Появление недорогих БИС преобразователей, ОУ и УВХ уменьшило эконо­ мические преимущества традиционного подхода. Это сделало экономически жизнеспособной структуру, использующую отдель­ ные масштабирующие узлы и АЦП в каждом канале. В этом слу­ чае можно применить более медленные преобразователи и в ря­ де случаев отказаться от УВХ, когда аналоговые сигналы изме­ няются медленно. Тогда в системах сбора информации, в которых датчики далеко разнесены и удалены от центра приема инфор­ мации, аналоговые сигналы можно преобразовать в цифровую форму прямо у источника сигнала. Информацию можно переда­ вать в цифровом виде последовательным кодом со всеми преиму­ ществами возросшей помехоустойчивости по сравнению с переда­ чей аналогового сигнала.

Построение системы сбора данных может значительно упрос­ тить использование БИС К572ПВ4. Эта БИС (рис. 8.32) пред­ назначена для работы непосредственно с микропроцессорами типов К580ВМ80, К580ВМ85 и др. Аналоговые сигналы с помощью восьмиканального мультиплексора поочередно подключаются к инвертирующему входу компаратора. Блок фиксации адреса ка­ нала через каждые 80 тактовых импульсов подключает очередной канал. Компаратор, ЦАП и регистр последовательного прибли­ жения образует АЦП последовательного приближения, описанный в § 8.2. Результат преобразования аналогового сигнала в 8-раз- рядный код автоматически записывается в соответствующие столбцы ОЗУ. Работа БИС синхронизирована тактовыми импуль­ сами CLK. РПП содержит управляющую логику, формирующую

сигналы управления другими узлами. Сигнал STAT содержит импульсы, формируемые в моменты начала преобразования каж­

дого канала. По сигналу CS данные, поступившие из памяти на вход буферных каскадов, появляются на выходах DB0 — DB7. В зависимости от кода на выходах АО, Al> А2 производится выбор требуемого из аналоговых сигналов AIN0 — AIN7. Разре­

шение на считывание когда АО, A l, А2 также дает сигнал CS. Однако адрес будет зафиксирована в дешифраторе только при подаче сигнала ALE.

Каждая ячейка ОЗУ содержит D-триггер и схему считывания, обеспечивающую произвольный ввод и вывод данных под управ­ лением блока фиксации адреса и выбора канала. Выходные бу­ ферные каскады построены на логических схемах с тремя состоя­ ниями (лог.О, лог.1 и «обрыв цепи»). Это позволяет отключать

Рис. 8.32. Схема однокристальной системы сбора и обработки аналоговых сигналов

систему от шины данных микропроцессора, когда не требуется выдача результата преобразования, или в промежутках между циклами преобразования аналоговых сигналов, поступающих на входы компаратора. Такая организация системы обеспечивает микропроцессору доступ к ОЗУ, т. е. к результату преобразова­ ния по любому каналу в любое время. Благодаря этому сокра­ щаются затраты времени на выполнение микропроцессором под­ программы считывания результатов преобразования.

Считывание данных из памяти происходит только при нали­

чии соответствующего адреса À0 — A2 и воздействии сигнала CS (табл. П8.2). Процесс же преобразования производится непре­ рывно и последовательно по каждому каналу пока тактовые им­ пульсы подаются на вывод CLK. Данные, полученные в процессе преобразования, автоматически передаются в ОЗУ. При этом

формируется импульсный сигнал STAT, срез которого показы­ вает, что преобразование закончилось и данные записываются в

ОЗУ. Сигнал STAT исключает считывание из ОЗУ недостоверных данных. Этот сигнал позволяет выявить канал AIN0, при обслу­

живании которого сигнал STAT соответствует лог.О в течение 64 периодов тактовых импульсов в отличие от остальных каналов.

После включения напряжения питания устанавливается про­ извольный канал преобразуемого аналогового сигнала. Поэтому в наихудшем случае потребуется 800 тактов для получения пер­ вой достоверной информации по всем каналам. Параметры и ос­ новная схема включения БИС КР572ПВ4 приведены в табл. П8.2. Полярность и диапазон изменения преобразуемых аналоговых сигналов определяются полярностью и значениями эталонных на­ пряжений С/оп1, U on2-

8.5. ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ

Непрерывное ужесточение и разнообразие тре­ бований одновременно к точности, быстродействию и энергопо­ треблению выполнения аналоговых операций в электронной аппа­ ратуре уже не может обеспечиваться просто за счет применения микросхем и расширения их номенклатуры. Чтобы с максималь­ ной эффективностью проектировать и применять микросхемы, необходимо уметь выбирать из всего многообразия их типов и структур лучшие и достигать в них предельных сочетаний точ­ ности, быстродействия и потребления для данного уровня разви­ тия схемотехники и технологии микросхем.

Решение подобных задач уже не представляет большого тру­ да для разработчиков цифровой аппаратуры, обеспеченных раз­ витым аппаратом логического проектирования и обобщенными морфологическими показателями качества. В то же время для аналоговых микросхем не определены обобщенные критерии оценки качества и пути оптимизации параметров, позволяющие выявить и реализовать резервы совершенствования их техниче­ ского уровня независимо от степени интеграции элементов и функций в них. В этом параграфе показано, как с помощью ин­ формационно-энергетических показателей можно привести част­ ные технические характеристики различных типов аналоговых микросхем к единой системе параметров, дать обобщенную коли­ чественную оценку технического уровня аналоговых микросхем общего применения и определить наиболее перспективные направ­ ления их совершенствования и развития.

Обобщенная информационно-энергетическая модель АИС. Представим АИС общего применения в виде преобразователя ин­ формации, а ее частные параметры сведем к единым, принятым для информационно-измерительных систем. Часть информации Дх, поступающей на вход АИС, теряется из-за ее погрешности Д*. В качестве меры количества информации, содержащейся в сооб­ щении X, в теории информации используют понятие энтропии

Н(Х).

Количество информации Q об X, содержащееся в выходном сообщении, равно разности энтропий входного сообщения и по­ грешности Q— H(X)—#(Д*). Для сигнала, ограниченного по ам­ плитуде значениями Х\ и Х2, энтропия максимальна при равно­ мерном его распределении, а количество информации, получаемой на выходе АИС, равно Q = log2[(JT2—-Хл)/2Д*].

Количество информации о входном сообщении, переданное на выход микросхемы, является ее точностной характеристикой. По аналогии с информационно-измерительными системами для

оценки совокупности динамико-точностных характеристик АИС воспользуемся понятием пропускной способности С*. Это макси­ мальное количество информации Qmax, передаваемой на вход АИС в единицу времени:

стью Дх.

Энергетический аспект преобразования информации в допол­ нение к информационному был впервые исследован Бриллюэном. Введено понятие «энергетической цены измерения», определяемой как наименьшее количество энергии, которую необходимо затра­ тить на входе измерительного устройства для получения ответа на один двоичный вопрос (да — нет) с вероятностью правильного ответа 0,5. Для идеального прибора, у которого устранены все погрешности, за исключением термодинамических флуктуаций, энергетический порог чувствительности достигает своего предель­ ного значения, равного АВо = 3 ,5 * 10“20 Дж.

Применительно к специфике АИС введена пороговая энергия Ав, определяющая минимальную удельную (на 1 бит) полезную энергию, которую необходимо затратить на входе АИС для полу­ чения на ее выходе максимальной информации Qmax об X. Вели­ чина Аъ имеет размерность Дж/бит и рассчитывается из выраже­ ния

где /вх— входной ток АИС; Г7ВХМ— входное напряжение, при ко­ тором Q достигает максимума.

Очевидно, что реальные затраты энергии Лвр на входе АИС будут всегда больше Ав из-за действия паразитных входных емко­ стей микросхемы. Поэтому для оценки эффективности использо­ вания затрачиваемой на входе этой микросхемы энергии можно использовать КПД входной цепи г\=Ав/Авр. Очевидно, что т| бу­ дет зависеть от структуры входной цепи АИС и технологии ее изготовления.

Для трансляции входной информации на выход АИС потреб­

где P = t / +n/ni+)t/”n/n2, т. е. определяется токами 1п\ и /п2, отби­ раемыми микросхемой от источников питания с напряжениями U+п и U-n. Величину Ап назовем удельной энергоемкостью АИС; она имеет размерность Дж/бит и определяет минимальное зна­ чение энергии, которую необходимо затратить, чтобы микросхема передала на выходы 1 бит входной информации.

Значения Ав и Ап определяются всей совокупностью показа­ телей точности, быстродействия и потребления (обычно 15...20), характеризующих АИС любого типа и, следовательно, могут быть обобщенными показателями их технического уровня. То, что Ав и Лп имеют понятный физический смысл, выгодно отличает их от используемых до сих пор показателей для АИС некоторых типов, определяемых отношением или произведением только частных примеров.

Информационно-энергетические показатели ОУ. Результат преобразования входной информации передается на выход ОУ с погрешностью

суммарная погрешность передачи ОУ, определяемая всеми пока­ зателями его неидеальности (см. гл. 2).

Время преобразования информации в ОУ до требуемой отно­

где ôQ= E om/UBX— относительная статическая погрешность.

С учетом действия fic количество информации, получаемой на выходе ОУ, в результате измерения входного сообщения С/вх при равномерном законе его распределения можно записать в виде

Подставляя (8.24) и (8.25), в (8.20), получаем выражение для пропускной способности ОУ с обратной связью

(повторитель с отрегулированным напряжениемсмещения нуля). Величины Ав, Ап и С*, вычисленные для современных ОУ (см. табл. П8.4), определялись при б = 1 0 “3, где значения Ct для всех ОУ близки к своему максимальному значению. Значения Ав рас­ считывались при t/Bx*i=10 В при использовании всего диапазона

жения пропорционально увеличивает АВу и, следовательно, для сравнения ОУ достаточно определить их энергии Ав при какомлибо одном значении.

Устройства выборки-хранения. Этот тип АИС можно рассмат­ ривать как модификацию ОУ на более высоком уровне функци­ ональной интеграции. Обладая всеми функциональными возмож-