Любая система дистанционного радиоуправления должна содержать радиопередатчик и радиоприемник. Частоты электромагнитных излучений, используемых для любительских систем дистанционного управления, определены законом и равны 27.12 МГц и 144 МГц. Это соответствует международным соглашениям. При мощности передатчика, меньшей 10 мВт, его можно эксплуатировать свободно, при большей мощности необходимо получить разрешение. Блок-схема дистанционного управления показана на рис. 10.1.
Рис. 10.1. Блок-схема дистанционного управления
На несущую частоту передатчика необходимо наложить в виде модуляции команду, т. е. некоторый электрический сигнал, который, будучи принятым приемником, приведет к срабатыванию какого-либо исполнительного устройства. Исполнительным устройством может быть либо двигатель модели, который приведет ее в движение, либо электрическое реле, которое включит фары модели, либо какое-нибудь другое устройство. Различные команды должны быть представлены различными электрическими сигналами. Очень часто команды представляют набор низких частот (от десятков герц до нескольких килогерц), накладываемых в виде амплитудной модуляции на несущую частоту передатчика. В таком случае кодом команды является частота или период этих низкочастотных колебаний. Для лучшей различимости такого сигнала,
а следовательно, и для большей дальности действия системы, глубину модуляции делают возможно большей. Форма сигнала, излучаемого передатчиком в пространство, показана на рис. 10.2.
Рис. 10.2
В течение времени Т 1 излучается несущая частота передатчика, равная 27,12 МГц, затем излучение прекращается и следует пауза длительностью Т 2, и далее процесс периодически повторяется. Время Тк, равное сумме Т 1 и Т 2, является периодом этой картинки и кодом команды. Так, если система управления четырехкомандная, то передатчик должен излучать поочередно сигналы, показанные на рис. 2, с четырьмя различными временами Тк.
Возможны и другие способы кодирования команд, например такой, как показан на рис. 10.3. Кодом команды здесь является число импульсов, которое укладывается в интервал времени Т 1. Число этих импульсов подсчитывается счетчиком, имеющимся в приемнике. Широкая пауза Т 2 используется для установки счетчика в начальное (нулевое) состояние.
Способ, в котором каждой команде соответствует своя частота (рис. 10.2), будем называть частотным кодированием. Второй способ, в котором каждой команде соответствует свое число импульсов в пачке (см. рис. 10.3), будем называть число-импульсным способом.
Рис. 10.3
Рассмотрим работу системы дистанционного управления, использующую число-импульсный способ кодирования команд. Разберем сначала только те блоки, в которых непосредственно используются идеи цифровой техники. Это модулятор в передающей части и дешифратор в приемной части.
Сигнал команды накладывается на излучение передатчика, принимается приемником, выделяется из сигнала несущей частоты и подается на дешифратор. Это производится высокочастотной частью системы.
Принципиальная схема модулятора приведена на рис. 10.4а.
Рис. 10.4а
Рис. 10.4б
В схеме имеются два мультивибратора, для построения которых использованы четыре логических элемента 2 ИЛИ-НЕ. Эти элементы содержатся в одном корпусе микросхемы К176ЛЕ5 (см. рис. 10.5). Для определенности один мультивибратор будем называть первым, другой – вторым. Первый мультивибратор построен по стандартной, широко распространенной схеме, использующей одну RC цепочку и два инвертора. Работу этого мультивибратора можно наблюдать на контрольной точке КТ1.
Второй мультивибратор отличается от первого значениями резистора и конденсатора, а также тем, что элемент мультивибратора DD1.4 не превращен в инвертор закорачиванием входов, как это сделано с элементами DD1.1, DD1.2, DD1.3. Один вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» DD1.4 (ножка 12) используется в схеме второго мультивибратора, на второй вход элемента DD1.4 (ножка 13) подан сигнал с выхода первого мультивибратора. В то время, когда на выходе первого мультивибратора присутствует логический нуль, разрешена работа второго мультивибратора, так как при нуле на одном из входов логического элемента 2 ИЛИ-НЕ (в данном случае элемент DD1.4) между вторым входом элемента и выходом этого элемента осуществляется операция инверсии, т. е. в схеме второго мультивибратора оба инвертора функционируют и работает мультивибратор в целом. Если же теперь на выходе первого мультивибратора появляется логическая единица, то элемент DD1.4 устанавливается в состояние, при котором на его выходе присутствует логический нуль, и это состояние элемента не будет зависеть от логического потенциала второго входа элемента (ножка 12). Очевидно, что работа второго мультивибратора в этом случае невозможна, и он будет заторможен в состоянии нулевого потенциала на выходе.
Рис. 10.5
Период колебаний первого мультивибратора равен сумме времен Т 1 и Т 2 (см. рис. 10.3). Отметим, что в силу симметрии схемы мультивибратора Т 1 = Т 2.
В течение времени Т 1 на выходе этого мультивибратора присутствует низкий потенциал, разрешающий работу второго мультивибратора, который за это разрешенное для него время успевает сделать несколько колебаний. Количество этих колебаний определяется произведением R2 и C2. Поскольку резистор изменять технически предпочтительнее, то пульт управления (см. рис. 10.4б) содержит набор резисторов и кнопок, которыми можно любой из резисторов подключить к выходным проводам пульта, этими проводами пульт включается в схему второго мультивибратора вместо резистора R2.
В изучаемой системе дистанционного управления резисторы пульта управления подбираются таким образом, чтобы число импульсов изменялось от одного до семи за время Т 1. В течение времени Т 2 на выходе первого мультивибратора присутствует высокий потенциал, который затормаживает второй мультивибратор. На выходе второго мультивибратора получается пауза, не заполненная импульсами. Диаграммы работы модулятора показаны на рис. 10.5.
Выход второго мультивибратора управляет работой высокочастотной части передатчика таким образом, что при высоком потенциале на выходе передатчик излучает частоту 27,12 МГц, при низком – не излучает. Работа передатчика в этом случае соответствует рис. 10.3.
Излучение передатчика принимается приемником, усиливается и детектируется. После детектора получается сигнал, полностью идентичный тому, что показан на рис. 10.5.
Далее, в приемной части должна быть решена задача – в ответ на полученный код команды (число импульсов в пачке) привести в действие одно из исполнительных устройств. Эта задача решается дешифратором. Принципиальная схема этого устройства приведена на рис. 10.6. На вход схемы поступает сигнал, изображенный на рис. 10.7а. Инверторы DD1.1 и DD1.2 образуют триггер Шмитта, который улучшает прямоугольность импульсов, если они исказились при прохождении через эфир и аналоговые части системы дистанционного управления. Затем сигнал попадает на счетный вход двоичного счетчика DD2 (К176ИЕ1) и через диод VD2 на мультивибратор, собранный на элементах DD1.3 и DD1.4. Работа мультивибратора возможна только в том случае, если на катоде диода VD2 высокий потенциал, тогда диод находится в запертом направлении по отношению к приложенному к нему напряжению, и его большое сопротивление не мешает работе мультивибратора. Пока идут импульсы команды, это время от нуля до Т 1 на рис. 10.7, относительно короткие промежутки времени не позволяют мультивибратору сделать ни одного цикла колебаний, так как в моменты, когда катод диода имеет нулевой потенциал, происходит быстрый разряд конденсатора С1 в мультивибраторе. На выходе мультивибратора в течение всей пачки импульсов присутствует логический нуль.
Рис. 10.6. Принципиальная схема приемной части (дешифратора)
В это же время производится счет числа импульсов в пачке счетчиком DD2. Это число появляется в виде двоичного кода на выходах 1, 2, 4, 8 счетчика. В момент времени Т 1 кончается пачка импульсов и начинается относительно длинная пауза, на выходе элемента DD1.1 это будет длинная единица, которая разрешает работу мультивибратора. Начинается зарядка конденсатора С1 (возрастает потенциал на его левой по схеме обкладке), и в момент времени Т 2 потенциал на конденсаторе возрастает настолько, что происходит смена состояний инверторов, из которых состоит мультивибратор.
На выходе элемента DD1.4 появляется высокий потенциал (диаграмма «в» на рис. 10.7). Передний фронт этого импульса выделяется дифференцирующей цепочкой С3, R5 и в виде узкого всплеска (рис. 10.7г) подается на вход записи регистра DD3. По этому сигналу информация со входов регистра переписывается на его выход и там хранится до следующего импульса записи. Напомним, что хранимая регистром информация представляет собой двоичное число импульсов в пачке, соответствующей одной из команд. Сигнал со входа мультивибратора поступает и на цепочку R4, C2, которая является интегрирующей.
Рис. 10.7
Потенциал на конденсаторе С2 растет так, как показано на рис. 10.7д. В момент времени Т 3 напряжение на С2 становится достаточным для того, чтобы обнулить счетчик DD2. В момент времени Т 4 приходит следующая пачка импульсов. Первый же импульс из этой пачки переводит мультивибратор в состояние с нулевым потенциалом на выходе DD1.4, при этом положительный потенциал на конденсаторе С2 очень быстро падает до нуля, так как происходит разряд конденсатора через открытый диод VD1, исчезает логическая единица с обнуляющего входа счетчика DD2, и он снова готов к счету числа импульсов в следующей пачке. Пока идет одна и та же команда, т. е. одно и то же число импульсов в пачке, то двоичное число, записанное на выходах регистра DD3, постоянно подтверждается с частотой следования пачек, т. е. в нашем случае около десяти раз в секунду. Если же команда сменилась, то не более чем через одну десятую долю секунды сменится и двоичное число на выходах регистра. В случае отсутствия команды вообще мультивибратор начинает совершать свободные колебания, и первый же импульс обнулит счетчик и регистр.
Двоичное число, хранимое регистром DD3, переводится в позиционное дешифратором DD4, т. е. представляется в виде логической единицы, расположенной на одном из выходов дешифратора. Напряжение этой единицы используется для включения соответствующего исполнительного устройства.
Практические задания
1. Объяснить работу мультивибратора на логических элементах по принципиальной схеме.
2. Объяснить работу на уровне внешнего функционирования двоичного счетчика, параллельного регистра и дешифратора.
3. Включить в передающей части одну из команд, пронаблюдать и уметь объяснить осциллограммы на всех контрольных точках стенда.
4. Используя переменный резистор или магазин сопротивлений экспериментально определить величины резисторов для семи команд.
5. Предложить способ увеличения количества команд в излучаемой системе.
Работа 11
ОПЕРАТИВНОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
Запоминающее устройство являются одной из самых главных частей современного компьютера, во многом определяющей возможности вычислительной машины.
Устройства памяти можно разделить по функциональному назначению на две группы – постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и оперативные запоминающие устройства (ОЗУ).
Внешним признаком, отличающим одну из этих групп от другой, является способность сохранять или не сохранять записанную информацию при отключенном источнике питания. Первая группа устройств памяти – ПЗУ не требует для хранения информации энергии источника питания, поэтому такие устройства еще называют энергонезависимой памятью.
Вторая группа устройств памяти – ОЗУ реализована на других физических принципах и требует наличия источника питания на всех стадиях работы: записи, чтения и хранения информации. Энергозависимость ОЗУ является, конечно, недостатком этих устройств по сравнению с энергонезависимыми устройствами ПЗУ, но зато ОЗУ на несколько порядков превосходят ПЗУ по быстродействию, и оба эти устройства, каждое со своими функциями, одинаково необходимы в компьютере.
В данной работе изучается устройство, предназначенное для работы с быстро изменяющейся информацией, т. е. оперативное запоминающее устройство.
ОЗУ выполняются в виде интегральных схем и состоят из некоторого количества собственно ячеек памяти и устройств управления, осуществляющих процессы записи и чтения информации. Каждая ячейка памяти может содержать один или несколько бит информации, чаще всего бывает 1, 4, или 8 бит. В паспортных данных для каждой микросхемы памяти указывается ее организация. Например, микросхема К132РУ9 имеет организацию 1024 на 4. Первое число показывает количество ячеек памяти, второе обозначает разрядность числа, которое может быть записано в каждую ячейку, т. е. количество бит информации в одной ячейке. Общее количество информации, выраженное в битах, равно произведению числа ячеек на разрядность каждой ячейки. Для упомянутой микросхемы емкость будет равна 4096 бит, или 4 килобита.
Устройства ОЗУ бывают двух типов – статические и динамические. Элементами памяти в статических оперативных запоминающих устройствах являются триггеры. Каждый из триггеров, переведенный в одно из двух возможных состояний, находится в этом состоянии до тех пор, пока подано напряжение питания и нет никаких других управляющих сигналов. В динамических ОЗУ элементом памяти служит конденсатор, который может хранить электрический заряд, а следовательно, высокий потенциал между обкладками (логическую единицу) в течение времени, определяемого величиной емкости и всегда существующими ненулевыми токами утечек. В реальных устройствах с конденсаторными ячейками памяти время хранения информации составляет несколько миллисекунд, поэтому такие устройства снабжены специальными электронными схемами, которые через каждые, например, две миллисекунды восстанавливают, регенерируют хранящуюся информацию. Такие динамические ОЗУ нашли очень широкое применение ввиду того, что за счет простоты ячейки памяти занимают малое место и на единице площади полупроводникового кристалла позволяют хранить значительное количество информации.
Рассмотрим подробнее одно из простейших статических ОЗУ – микросхему К155РУ2. Емкость этого ОЗУ составляет 64 бит, организация 16 на 4, т.е. имеется 16 четырехразрядных ячеек памяти. Условное обозначение микросхемы приведено на рис. 11.1.
Рис. 11.1. Микросхема К155РУ2
Вход CS является входом выборки кристалла. Если на этом входе логический нуль, то микросхема готова к работе в режимах, определяемых уровнями сигналов на других входах, если же на этом входе логическая единица, то выводы микросхемы отключаются от внутренних цепей микросхемы, и она не мешает работе других устройств, которые могут быть подключены к тем же внешним цепям, что и данная микросхема. Такое состояние выводов микросхем называется третьим состоянием (в отличие от нулевого и единичного) или высокоимпедансным. Вход W/R задает либо режим чтения информации (Read), если на нем логическая единица, либо режим записи информации (Write) при логическом нуле. Строго говоря, запись происходит в тот момент, когда напряжение на входе переходит от высокого уровня к низкому. Входы А1...А4 задают адрес ячейки памяти, информацию из которой надо прочитать на выходах Q1...Q4 или, наоборот, записать в эту ячейку какую-либо информацию. Та информация, которую надо записать, вводится через входы данных D1...D4. Запись производится кратковременным обнулением входа W/R. В то время когда на этом входе есть логическая единица, состояние выходов микросхемы отображает содержимое той ячейки, адрес которой присутствует в это время на адресных входах А1...А4. Если перебирать все значения адресов, то на выходы Q1...Q4 будет последовательно выводиться вся информация, хранящаяся в микросхеме.
Для того чтобы наглядно представить информацию, хранящуюся в ОЗУ, в данной работе эта информация преобразуется к аналоговому виду. Это преобразование осуществляется с помощью цифроаналогового преобразователя – ЦАП, схема которого приведена на рис. 11.2.
Рис. 11.2
Здесь D1 – любое цифровое устройство (например, изучаемое ОЗУ), формирующее на выходах число в двоичном коде; цифры 1, 2, 4, 8 являются удельными весами двоичных разрядов. Теперь на величины резисторов R 1... R 4 наложим два условия:
1) R 0 << R 4:
2) R 1: R 2: R 3: R 4 = 8: 4: 2: 1.
Эти условия означают, что влиянием резистора R 0 на токи, создаваемые логическими потенциалами в схеме, можно пренебречь, тогда можно утверждать, что токи I 1... I 4 будут прямо пропорциональны удельным весам разрядов двоичного числа. Эти токи будут создавать на резисторе R 0 падение напряжения U вых, для которого запишем:
U вых = I 0× R 0.
Из закона Кирхгофа
I 0 = I 1 + I 2 + I 3 + I 4.
Тогда для выходного напряжения будем иметь:
U вых = (I 1 + I 2 + I 3 + I 4)× R 0.
Теперь видно, что величина U вых формируется (с точностью до постоянного коэффициента R 0) так же, как и величина двоичного числа
А (двоичн.) = а 1×20 + а 2×21 + а 3×22 + а 4×23,
здесь а 1... а 4 – нули или единицы разрядов двоичного числа а; 20...23 – удельные веса соответствующих разрядов.
Практические задания
1. По принципиальной схеме макета (рис. 3) разобраться в назначении всех элементов схемы.
2. Используя органы управления, имеющиеся в макете, ввести в ОЗУ числа, величина которых зависит от номера ячейки по линейному закону («пила») и по синусоиде.
3. Полученные зависимости вывести на экран осциллографа.
4. Определить скорость опроса адресов ОЗУ.
Контрольные вопросы
1. Что такое матpициpование и мультиплексиpование памяти?
2. Какова организация микросхемы памяти, указанной преподавателем (по справочнику)?
3. Можно ли решить задачу, для которой требуется микросхема памяти с организацией 256 на 4, имея в распоряжении микросхемы с организацией 256 на 1?
Рис. 11.3. Принципиальная схема макета ОЗУ
СОДЕРЖАНИЕ
| Введение…………………………………………………………..…….. | |
| Работа 1. Двухслойные полупроводниковые структуры (диоды)…... | |
| Работа 2. Трехслойные полупроводниковые усилительные структуры (транзисторы)….………………………………... | 19 |
| Работа 3. Сборка и изучение RS-триггера на логических элементах…. | |
| Работа 4. Мультивибратор на логических элементах ……………….. | |
| Работа 5. Счетчик с дешифраторами и регистр…………...………….. | |
| Работа 6. Арифметико-логические устройства……………………..… | |
| Работа 7. Цифровые электронные часы………………………………. | |
| Работа 8. Твердотельные ИК излучатели и приемники и их применение для дистанционного управления ……..……... | 54 |
| Работа 9. Аналого-цифровой преобразователь……………………….. | |
| Работа 10. Цифровое кодирование команд …………..………………. | |
| Работа 11. Оперативное запоминающее устройство………………… |