Комбинационные преобразователи кодов.

Регистры.

Операционный элемент, состоящий из триггеров и предназначенный для приема и хранения чисел в двоичном коде, называется регистром.

С помощью некоторых видов регистров можно выполнять следую­щие элементарные операции: установку, сдвиг, преобразование.

Основными типами регистров являются:

1) параллельные;

2) последовательные (сдвигающие).

 

1. Параллельный регистр.

В параллельном регистре на тактируемых D-триггерах код запоминаемого числа подается на информационные входы всех триггеров и записывается в ре­гистр с приходом тактового им­пульса. Выходная информация из­меняется с подачей нового слова и приходом следующего импульса записи. Такие регистры используют в ОЗУ. Число триггеров в них равно максимальной разрядности хранимых слов.

 

ИМС К155ТМ7 (в теме D-триггеры) К561ТМЗ можно использовать в качестве параллельных четырехразрядных регистров. Путем простого объединения входов с не­скольких микросхем можно получить парал­лельный регистр на 8 и более разрядов.

 

2. Последовательный регистр на D-триггерах.

 

Рассмотрим работу реверсивного сдвигающего регистра. Такие ре­гистры могут быть построены на D, RS и JK - триггерах, причем один триггер служит для хранения одного разряда числа. Кроме хранения в таком регистре может быть осуществлен сдвиг хранимого числа как вправо, так и влево по цепочке триггеров, В этом случае регистр называ­ется реверсивным. Сдвиг информации необходим при преобразовании по­следовательного кода чисел в параллельный, т.е. при записи в регистр многоразрядного числа, которое поразрядно вводится на первый триггер регистра. Сдвиг информации в регистре нужен таксисе для нормализации

 

Перед записью числа регистр устанавливается в «0» (Q0=Q1=Q2=0) подачей «0» на шину уст. «0», которая соединена с инверсными устано­вочными входами триггеров D3, D6, D9. При записи числа в регистр в параллельном коде информация одновременно подается на входы а, b, c элементов D2, D5, D8. По единичному сигналу на шине «Разрешение за­писи» элементы И-НЕ пропускают информацию на триггеры. В зависи­мости от информации на входах а, b, с на выходах Q2, Ql, Q0 устанав­ливаются «0» или «1». Выходные сигналы триггеров будут сохраняться до тех пор, пока снова не будет подан сигнал уст. «0». Записанный в регистре код можно сдвинуть вправо на один разряд, если подать управляющий сигнал на шину «Сдвиг вправо», а на шину, связанную с син­хронизирующими входами триггеров подать тактирующий (синхро) им­пульс.

Если до подачи импульса, например, в регистре был код Q2=1, Ql=0, Q0=0, то после подачи импульса в регистре образуется код Q2=0, Q1=1, Q0=0. При сдвиге кода вправо, в каждый триггер запишется информация от левого триггера. При подаче управляющего сигнала на шину «Сдвиг влево» в каждый триггер через элемент И-ИЛИ-НЕ запишется инфор­мация из правого триггера.

Сдвиг информации позволяет записать многоразрядное число, путем поочередной подачи каждого разряда начиная с младшего, на шину «Вход» элемент с D1. Под действием трех тактирующих импульсов код младшего разряда пройдет последовательно от триггера D3 к триггеру D9. Запи­санное в регистре число можно считать на прямом выходе триггера D9, на­чиная с младшего разряда, если подать управляющий сигнал на шину «Сдвиг вправо» и подать серию тактирующих импульсов.

Если при считывании числа из регистра необходимо сохранять его (число) в нем, то надо инверсный выход триггера D9 соединить с шиной «Вход» элемента D1. Тогда при каждом тактирующем импульсе код каждого разряда будет поступать не только на выход регистра, но и на вход старшего разряда для перезаписи. В результате получится кольцевой регистр, в котором информация будет перемещаться по кольцу из триггеров.

Из-за большого числа элементарных операций, которые могут выполнять регистры, они стали одними из наиболее распространенных операционных элементов, например, и в ТТЛ(К155), и в КМДП(К561) сериях цифровых микросхем имеется более 10 регистров с различными функциональными возможностями.

Работу регистра на универсальных JК-триггерах рассмотреть самостоятельно стр. 199-200 «Основы промышленной электроники» под ред. Герасимова В. Г. за 1986 г.

Комбинационные преобразователи кодов.

Комбинационные преобразователи кодов предназначены для преобра­зования m-элементного параллельного кода на входе в n-элементный па­раллельный код на выходе.

Связь между входными и выходными сигналами можно задать таб­лицами истинности или логическими функциями.

Шифратор.

(Кодер) – служит для преобразования единичного сигнала на одном из входов в n-разрядный двоичный код. Наибольшее применение он нахо­дит в устройствах ввода информации (пультах управления) для преобра­зования десятичных чисел в двоичную систему счисления.

Предположим, на пульте управления десять клавиш с гравировкой от 0 до 9. При нажатии любой из них на вход шифратора подается «1» (Х0,..., Х9). На выходе шифратора должен появиться двоичный код (Y0,..., Y3) этого десятичного числа. Запишем таблицу истинности. В этом случае нужен преобразователь с десятью входами и четырьмя выходами.

ШИФРАТОР
Десятичное число	Двоичный код
Y3	Y2	Y1	Y0
Y	Х3	Х2	X1	Х0
ДЕШИФРАТОР

На выходе Y0 единица должна появить­ся при нажатии любой нечетной клави­ши X1, ХЗ, Х5, Х7, Х9, т.е. Y0 =Х1 V X3 V Х5 V X7 V X9.

Состояние остальных выходов определяется логическими функциями Y1= X2 V X3V X6 V X7; Y2 = Х4 V X5 V X6 V X7; Y3 = Х8 V X9.

Следовательно, для реализации шифра­тора понадобится четыре элемента ИЛИ

1 - пятивходовой

2 - четырехвходовых

1 – двухвходовой

 

В серии К155 есть один шифратор типа К155ИВ1, производящий преоб­разование единичного кода на одном из восьми входов в трехзначный двоич­ный код. Эта микросхема имеет один вход стробирования V. Стробированием называется выделение сигнала в определенный момент времени. В данном случае это появление выходно­го сигнала в моменты, когда на входе стробирования есть разрешающий сигнал (V=0) (CD – coder – шифратор).

 

Дешифратор (декодер).

 

Это узел, преобразующий код, поступающий на его входы, в сигнал только на одном из его выходов.

Дешифраторы широко применяются в устройствах управления, в системах цифровой индикации с газоразрядными индикаторами и т.д. (decoder - DC).

Дешифратор двойного n -разрядного кода имеет 2ⁿ выходов, т.к. каждому из 2n значений входного сигнала (кода) должен соответство­вать единичный сигнал на одном из выходов дешифратора. В рассмот­ренной ранее таблице истинности считаем двоичный код Х3,..., Х0 – входным словом, а десятичный – выходным.

Логические функции, описывающие работу такого дешифратора:

(для шестнадцати разряд­ного кода). («1 из 16»).

 

 

 

 

 

Четыре входа каждого пятивходового элемента И-НЕ использу­ются для реализации логической функции дешифрирования, а пя­тый вход нужен для стробирования выходных сигналов.

К155ИД10 и К176ИД1 преобразуют двоичный код в код «1 из 10». На двух ИМС К155ИДЗ можно собрать дешифратор на 32 выхода, а на че­тырех на 64 выхода.

 

 

Для индикации чисел на табло и пультах управления в десятичном виде используют семи сегментные светодиодные или жидкокристалли­ческие индикаторы. Подавая управляющее напряжение на отдельные элементы индикатора и вызывая его свечение (светодиодные индикато­ры) или изменяя его окраску (жидкокристаллические индикаторы), моле­но получить изображение десятичных цифр 0, 1,..., 9.

Для удобства перевода двоичной информации в десятичный вид ис­пользуют двоично-десятичный код 8421, т.е. представляют числа в виде четырехразрядных двоичных чисел.

Например: 9₁₀ = 1*8+0*4+0*2+1*1=1001₂;

75₁₀ = 01110101;

9₁₀ = 100100010000.

 

Цифра	Двоично-десятичный код	Семисегментный код
23=8	22=4	21=2	20=0	a	b	c	d	e	f	g

 

При поступлении на вход дешифратора соответст­вующего десятичной цифре двоичного кода срабатыва­ет один из транзисторных ключей Т1¸Т7 и зажигается светодиод.

На микросхемы серии К514 поступают входные сигна­лы уровней ТТЛ, Сигнал V служит для гашения инди­кации (низкий уровень).

К514ИД1 - имеют раздель­ные аноды.

К514ИД2 -раздельные ка­тоды.

ИМС серии К176ИД2 и К176ИДЗ являются преобразователями кода с выходным регистром памяти и предназначенный для работы с жидкок­ристаллическими и люминесцентными индикаторами, могут работать и со светодиодами.

 

 

Мультиплексор.

(multiplex - многократный)

 

Это узел сравнения, осуществляющий преобразование параллельных цифровых кодов в последовательные. В устройствах автоматики его применяют для последовательного или адресного опроса заданного числа источников информационных сигналов и передачи их на один выход.

Схема мультиплексора с двумя информа­ционными входами Х0 и X1 и одним управляющим (адресным) входом а.

при а=1 на выход передается X1 и Y=Х1;

при а=0 на выход передается Х0 и Y=Х0.

 

 

 

Схема четырехвходового мультиплексора (Х0¸ХЗ) с двумя управ­ляющими (адр.) входа­ми а0, al.

A=ala0

А=0 0(al=0;a0=0).

 

 

Двухразрядное число A =al *а0 – адрес входа мультиплексора. Если исключить на выходе логическую схему ИЛИ, то устройство работает как селектор, который обеспечивает пропускание сигнала только по какому-либо одному изолированному каналу связи. Мультип­лексоры и селекторы используются для организации обмена логической информации между измерительными и вычислительными устройствами.

MX- выпускают в ИМС на 2, 4, 8, 16 входов

	Адрес входа А
а1	a0
Х0
Х1
Х2
Х3

 

(К155КП2 - 4*1); (К155КП7 - 8*1)

(К155КП1 -16*1); (К155КП2 - 8*1)

ala0 ala0 ala0 a0al

00 01 10 11

 

11X0+01X1+10X2+00X3=X0

01X0+11X1+00X2+10X3=X1

10X0+00X1+11X2+01X3=X2

00X0+10X1+01X2+11X3=X3

 

 

СУММАTOP.

Сумматор предназначен для арифметического сложения двух чисел. При сложении двух многоразрядных двоичных чисел каждый разряд суммы формируется из разрядов слагаемых и переноса из младшего раз­ряда; кроме того, формируется перенос в старший разряд.

По правилам сложения по модулю два составим таблицу истинности (аб=аb аb. и т.д

 

Вход	Выход
Слагаемое	Перенос из младшего разряда	Сумма	Перенос в старший разряд
Ai	Bi	Pi	Si	Pi+1

 

На основании анализа таблицы запишем логические функции для вы­ходных величин.

S­­­_i=

P_i+1=

По этим функциям можно построить од­норазрядный сумматор на элементах И иИЛИ.

 

 

 

 

 

Для сложения двух (А, В) или более многоразрядных чисел использу­ют многоразрядные сумматоры. Соединяя одноразрядные между собой, получают требуемую разрядность сумматора.

 

Компаратор.

Цифровой компаратор (узел сравнения) предназначен для сравнения двух многоразрядных двоичных чисел А и В. Такая задача часто возника­ет в автоматических устройствах. Например, требуется установить, когда переменная величина А, увеличивающаяся (или уменьшающаяся) на I в каждом такте, станет равна наперед заданному числу В.

Одноразрядный компаратор может быть выполнен по схеме:

 

 

1) a=l;b=0 (а>b), →a>b

2) а=0; b=l (a<b), →a<b

3) а=0; b=0 (а=b), , , 0 + 0 = 1

4) a=l; b=l. (a=b), , , 0 + 0 = 1.

 

Трехразрядный компаратор

 

Сравнивает два двоичных числа А и В; А=аЗ а2 al, B=b3 b2 b1.

Компаратор использует три одноразрядных компаратора Д1–ДЗ, которые в зависимости от соотношений между а и b вырабатывают единичный сигнал на одном из трех выходов. Компаратор начинает сравнивать числа со старших разрядов.

 

 

1)Если а3>b3, 1 на D6 =>А >В дальнейшее сравнение не производится.

2) Если а3=b3, то с элемента D1 подается 1 на логический элемент D4. Элемент D4 пред­ставляет собой ключ, который пропускает сигнал с элемента D2 на элемент D6.

3) Если а2>b2, то сиг­нал = 1 появится на вы­ходе D6 (А> В).

4) C элемента D2 открывает ключ на элементе D5 и через него может проходить информация от элемента D3.

5) При равенстве чисел на всех трех входах элемента D7 а3=bЗ; а2=b2; al=bl, появляется 1, т.е. А=В.

Компараторы могут применяться в узлах сравнения цифровых регу­ляторов.

К 561 ИП2 – эта микросхема производит сравнение двух четырехразрядных чисел. Для увеличения разрядности сравниваемых чисел можно включать две и более ИМС, со­единяя выходы А<В; А=В; А>В микросхемы младших разрядов с соответствующими входами микросхемы старших разрядов.

 

ЦАП и АЦП.

 

Большинство датчиков и исполнительных устройств автоматиче­ских систем работает с аналоговыми сигналами. Для ввода таких сигна­лов в ЭВМ их необходимо преобразовать в цифровую форму, т.е. дискретизироватъ по уровню и во времени. Эту задачу решают АЦП. Обрат­ную задачу, т.е. превращение квантованного (цифрового) сигнала в не­прерывный, решают ЦАП.

АЦП и ЦАП являются основными устройствами ввода-вывода ин­формации в цифровых системах, предназначенных для обработки анало­говой информации или управления каким-либо технологическим процес­сом.

Важнейшие характеристики АЦП и ЦАП:

1) Вид аналоговой величины, являющейся входной для АЦП и выходной для ЦАП (напряжение, ток, временной интервал, фаза, частота, угловое и линейное перемещение, освещенность, давление, темпе­ратура и т.п.). Наибольшее распространение получили преобразо­ватели, в которых входной (выходной) аналоговой величиной явля­ется напряжение, т.к. большинство аналоговых величин сравни­тельно легко преобразуются в напряжение.

2) Разрешающая способность и точность преобразования (разре­шающая способность определяется количеством двоичных разрядов кода или возможным количеством уровней аналогового сигна­ла, точность определяется наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от цифрового и наоборот).

3) Быстродействие, определяемое интервалом времени от момента подачи сигнала опроса (запуска) до момента достижения выход­ным сигналом установившегося значения (ед. микросекунд, десят­ки наносекунд)

В любом преобразователе выделяют цифровую и аналоговую части. В цифровой производятся кодирование и декодирование цифровых сигна­лов, их запоминание, счет, цифровое компарирование (сравнение), выра­ботка логических сигналов управления. Для этого используют: дешифра­торы, мультиплексоры, регистры, счетчики, цифровые компараторы, логические элементы.

В аналоговой части преобразователя производятся операции: усиле­ния, сравнения, коммутации, сложения и вычитания аналоговых сигна­лов. Для этого используются аналоговые элементы: ОУ, аналоговые ком­параторы, ключи и коммутаторы, резистивные матрицы и т.д.

Преобразователи выполняются в виде цифровых и аналоговых ИМС или БИС.

 

ЦАП

Строятся на основе, представления любого двоичного числа X в виде суммы степеней числа два.

 

 

 

 

Схема преобразования четырехраз­рядного двоичного числа

Х=Х3*2³+Х2*2²+X1*2¹+Х0 *2⁰

В пропорциональное ему напряжение.

X_i=0 или 1. Для ОУ

К= –U_вых/U_оп=R_oc/R

R – общее сопротивление параллельно включенных ветвей, в которых были замкнуты ключи X.

U_оп=U_c – опорное напряжение, подаваемое на вход ОУ через R.

R_oc – сопротивление ОС.

Х=8Х3+4Х2+2Х1+1Х0, U_вых=U_оп*R_oc/R_o(8X3+4X2+2X1+lX0)

U_вых=(–U_оп*R_oc/R_o)*Х; –U_oп*R_oc/R₀ =K – коэффициент пропорцио­нальности, для каждой схемы величина постоянная.

 

 

- для нашей схемы.

 

Для увеличения числа разрядов необходимо увеличивать число рези­сторов (R_о/16; R_o/32 и т.д.), при отличии резисторов в 1000 раз точ­ность снижается.

Для устранения этого недостатка в многоразрядных ЦАП весовые коэффициенты каждой ступени задают последовательным делением опорного напряжения с помощью резистивной матрицы. (R-2R)

 

 

По такому принципу построена схема 10-разрядного интегрального ЦАП типа К572ПА1 выполненного по КМОП технологии.

Достоинства: малая потребляемая мощность, высокое быстродей­ствие не более 5мкс., хорошая точность.

 

на каждый резистор 2R 2 МДП транзистора, подключаемые 1 и 0 (через инвертор). Четные (вх=1) соед. с вых. 1

Нечетные (вх=0) соед, с вых. 2

АЦП.

По способу преобразования делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

В последовательных АЦП преобразование аналоговой величины в цифро­вой код идет ступеньками (шагами), последовательно приближаясь к измеряемому напряжению.

Достоинство: простота; недостаток: низкое быстродействие.

В параллельных АЦП входное напряжение одновременно сравнивают с Х– опорными напряжениями. При этом результат получается за один шаг, но необходимы большие аппаратурные затраты.

Быстродействие; недостаток: сколько опорных напряжений, столько компараторов.

Входное напряжение	Состояние компаратора	Двойное число
Uc, U	7 6 5 4 3 2 1	2 1 0
Uc<0,5	0 0 0 0 0 0 0	0 0 0
Uc≤Uc<1,5	0 0 0 0 0 0 1	0 0 1
1,5≤Uc<2,5	0 0 0 0 0 1 1	0 1 0
2,5≤Uc<3,5	0 0 0 0 1 1 1	0 1 1
3,5≤Uc<4,5	0 0 0 1 1 1 1	1 0 0
4,5≤Uc<5,5	0 0 1 1 1 1 1	1 0 1
5,5≤Uc<6,5	0 1 1 1 1 1 1	1 1 0
6,5≤Uc	1 1 1 1 1 1 1	1 1 1

 

 

 

Процесс преобразования непрерывного сигнала в код состоит из квантования и кодирования.

Квантование – это представление непрерывной величины в виде конечного числа дискретных значений (например, уровней потенциалов), а кодирование – это перевод комбинаций дискретных значений в двоичные числа для обработки информации в ЭВМ.

Из входных устройств преобразующих аналоговые величины в соответствующие коды двоичных чисел комбинаций, интерес представляют устройства типа напряжение-число.

Рассмотрим:

 

bc = t∙tg α =>

Входное напряжение преобразуется в промежуточную величину «интервал времени», которая в свою очередь преобразуется в цифровой код (временная система кодирования).

Входное напряжение U_вх сравнивается с пилообразным напряжением U_п изменяющимся по линейному закону.

Отрезки b₁c₁, b₂c₂, b₃c₃ представляют собой дискретное значение входного напряжения. Интервал от начала сравнения до момента равенства напряжений U_вх = U_п является катетом треугольника с углом наклона α. Все три треугольника подобны, следовательно, tg α = const. Поэтому можно сказать, что отрезки bc в каком-то масштабе пропорциональны соответствующему интервалу времени t. Следовательно измерение дискретных значений напряжений можно заменить измерением пропорциональных отрезков времени, заменяемых двоичным числом.

 

ГСИ – генератор синхроимпульсов;

И – схема совпадений (логическое умножение);

Сч – счетчик;

Т – триггер;

ДИ – датчик импульсов;

ГПИ – генератор пилообразных импульсов;

= – схема сравнения или компаратор;

 

ГСИ вырабатывает серию импульсов определенной частоты, определяющий частоту преобразования, импульсы поступают на вход счетчика через схему И, которой управляет триггер. При нулевом состоянии триггера на выходе схемы И – 0 и на вход счетчика импульсы не поступают. Начало временного интервала формирует управляющий импульс УИ, устанавливающий триггер в 1 и определяющий начало отсчета импульсов в счетчике.

Uп

Uвх

ГСИ

Конец временного интервала задается управляющим импульсом УИ2, который устанавливает триггер в 0, и прекращает поступление импульсов с ГСИ в счетчик. Схема сравнения (аналоговый компаратор) сравнивает преобразованное напряжение U_вх с опорным напряжением U_п, вырабатываемым ГПИ.

В момент совпадения обоих напряжений единица на выходе компаратора вырабатывает импульс УИ2, устанавливающий триггер в 0, определяющий конец временного интервала.

Число прошедших на счетчик импульсов – это код, пропорциональный дискретному значению преобразованного напряжения.

Точность преобразования определяется точностью сравнения напряжений и положением управляющего импульса относительно импульсов. ГСИ.