Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Билеты
по Цифровой схемотехнике
4. Счетчики. Функциональное назначение, классификация.
Счетчиками называют последовательное устройство для входа входных импульсов и хранения двоичного кода числа подсчитанных импульсов. Состояние счетчика определяется количеством импульсов, пришедших на его тактовый (счетный вход) вход. Счет импульсов является основной операцией в устройствах дискретной обработки информации.
Основные функциональные значения счетчиков – счет импульсов и делитель частоты.
Логические операции, выполняемые счетчиком: 1) установка в нулевое состояние (сброс) – для этого у всех счетчиков существует дополнительный вход R. 2) запись входной информации в параллельной форме. 3) хранение записанной информации. 4) выдача хранимой информации в параллельной форме. 5) инкримент – увеличение числа на 1 6) дикримент – уменьшение числа на 1.
Основным параметром счетчика является модуль счета М (коэффициент передачи к), равный максимальному числу импульсов после которых счетчик устанавливается в исходное состояние )обнуляется) и начинает новый цикл работ
Классификация счетчиков
1. по назначению модуля счета
2. по направлению счета
- суммирующие (увеличение счета на 1);
- вычитающие;
- реверсивные – счетчики, которые по управляющему сигналу меняют направление счета.
3. по способу управления
- асинхронные
- синхронные
УГО НА ДРУГОЙ СТОРОНЕ
7. Регистры. Определение и классификация. Структура и УГО параллельного регистра.
Регистром называют последовательное устройство, предназначенное для записи, хранения и (или) сдвига информации представленной в виде многоразрядного двоичного кода. Таким образом регистр должен содержать элементы памяти и следовательно строится на триггерах. Вспомогательные комбинационные элементы используются для управления работы триггера.
В регистрах выполняются следующие операции:
Регистры – это микросхемы средней степени интеграции в отечественных сериях определяются по буквам ИР (к155ир8, к561ир2)
Чаще всего регистры строятся на D или JK триггерах.
Классификация регистров:
1 по способу приема информации
- параллельный – информация записывается и считывается только в параллельной форме
- последовательный (сдвиговый) – запись и считывание происходит в последовательной форме.
- последовательно-параллельный – универсальные. Используются для представления параллельного входа в виде последовательного и наоборот.
2 по числу каналов передачи информации:
- однофазные – информация вводится либо в прямом либо в обратном коде
- парофазные – передача информации происходит одновременно и в прямом и в обратном входе
3 по способу тактирования
- однотактные – синхронизируемые одной управляющей последовательностью
- двухтактные
- многотактные
2 (3). АЦП. Структура аналого-цифрового преобразования.
Аналого-цифровой преобразователь — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя). АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.
Линейные АЦП Большинство АЦП считаются линейными, хотя аналого-цифровое преобразование по сути является нелинейным процессом (поскольку операция отображения непрерывного пространства в дискретное — операция нелинейная). Линейный АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением, то есть выходное значение k достигается при диапазоне входных значений от m(k + b) до m(k + 1 + b), где m и b — некоторые константы. Константа b, как правило, имеет значение 0 или −0.5. Если b = 0, АЦП называют квантователь с ненулевой ступенью (mid-rise), если же b= −0,5, то АЦП называют квантователь с нулём в центре шага квантования (mid-tread).
Это тот же принцип, что и используемый в компандерах, применяемых в магнитофонах и различных коммуникационных системах, он направлен на максимизацию энтропии. Например, голосовой сигнал имеет лапласово распределение амплитуды. Это означает, что окрестность нуля по амплитуде несёт больше информации, чем области с большей амплитудой. По этой причине логарифмические АЦП часто применяются в системах передачи голоса для увеличения динамического диапазона передаваемых значений без изменения качества передачи сигнала в области малых амплитуд. 8-битные логарифмические АЦП с a-законом или μ-законом обеспечивают широкий динамический диапазон и имеют высокое разрешение в наиболее критичном диапазоне малых амплитуд; линейный АЦП с подобным качеством передачи должен был бы иметь разрядность около 12 бит.
18. АЦП последовательного приближения.
Аналого-цифровой преобразователь — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя). АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.
Разрешение (разрядность) АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 28=256.
Разрешение может быть также определено в терминах входного сигнала и выражено, например, в вольтах. Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, деленной на количество выходных дискретных значений. Например:
Пример 1
Точность
Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).
Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР — младший значащий разряд.
Ошибки квантования
Ошибки квантования являются следствием ограниченного разрешения АЦП. Этот недостаток не может быть устранён ни при каком типе аналого-цифрового преобразования. Абсолютная величина ошибки квантования при каждом отсчёте находится в пределах от нуля до половины МЗР.
Нелинейность
Всем АЦП присущи ошибки, связанные с нелинейностью, которые являются следствием физического несовершенства АЦП. Это приводит к тому, что передаточная характеристика (в указанном выше смысле) отличается от линейной (точнее от желаемой функции, так как она не обязательно линейна). Ошибки могут быть уменьшены путём калибровки.
Важным параметром, описывающим нелинейность, является интегральная нелинейность (INL) и дифференциальная нелинейность (DNL).
Апертурная погрешность (джиттер)
Пусть мы оцифровываем синусоидальный сигнал x(t) = Asin 2πf0t. В идеальном случае отсчёты берутся через равные промежутки времени. Однако в реальности время момента взятия отсчёта подвержено флуктуациям из-за дрожания фронта синхросигнала (clock jitter).
Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.
Непрерывно меняющийся сигнал с ограниченной спектральной полосой подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T — период дискретизации) и исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции. Точность восстановления ограничена ошибкой квантования. Однако в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.
Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения — УВХ. УВХ, как правило, хранит входное напряжение на конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании — хранение. Многие АЦП, выполненные в видеинтегральных микросхем содержат встроенное УВХ.
3 (2). Параметры АЦП. Определение, характеристики.
Аналого-цифровой преобразователь — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя). АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.
Статические параметры
Разрешающая способность - величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ.
Разрешающей способности соответствует приращение входного напряжения АЦП Uвх при изменении Dj на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h=Uпш/(2N-1), где Uпш - номинальное максимальное входное напряжение АЦП (напряжение полной шкалы), соответствующее максимальному значению выходного кода, N - разрядность АЦП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.
Погрешность полной шкалы - относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.
Эта погрешность является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом ЕМР.
Погрешность смещения нуля - значение Uвх, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности. Обычно определяется по формуле
где Uвх.01 - значение входного напряжения, при котором происходит переход выходного кода из О в 1. Часто указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:
Погрешности полной шкалы и смещения нуля АЦП могут быть уменьшены либо подстройкой аналоговой части схемы, либо коррекцией вычислительного алгоритма цифровой части устройства.
Погрешности линейности характеристики преобразования не могут быть устранены такими простыми средствами, поэтому они являются важнейшими метрологическими характеристиками АЦП.
Нелинейность - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(Uвх) от оптимальной (линия 2 на рис. 24). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР. Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП: непропадание кодов и монотонность характеристики преобразования.
Непропадание кодов - свойство АЦП выдавать все возможные выходные коды при изменении входного напряжения от начальной до конечной точки диапазона преобразования. Пример пропадания кода i+1приведен на рис. 25. При нормировании непропадания кодов указывается эквивалентная разрядность АЦП - максимальное количество разрядов АЦП, для которых не пропадают соответствующие им кодовые комбинации.
Монотонность характеристики преобразования - это неизменность знака приращения выходного кода D при монотонном изменении входного преобразуемого сигнала. Монотонность не гарантирует малых значений дифференциальной нелинейности и непропадания кодов.
Температурная нестабильность АЦ-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.
Динамические параметры
Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени. Можно выделить следующие параметры АЦП, определяющие его динамическую точность.
Максимальная частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонность характеристики преобразования или погрешность линейности.
Время преобразования (tпр) - это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП, например, последовательного счета или многотактного интегрирования, эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других, таких как параллельные или последовательно-параллельные АЦП, а также АЦП последовательного приближения, примерно постоянной. При работе АЦП без УВХ время преобразования является апертурным временем.
Время выборки (стробирования) - время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.
Шумы АЦП
В идеале, повторяющиеся преобразования фиксированного постоянного входного сигнала должны давать один и тот же выходной код. Однако, вследствие неизбежного шума в схемах АЦП, существует некоторый диапазон выходных кодов для заданного входного напряжения. Если подать на вход АЦП постоянный сигнал и записать большое число преобразований, то в результате получится некоторое распределение кодов. Если подогнать Гауссовское распределение к полученной гистограмме, то стандартное отклонение будет примерно эквивалентно среднеквадратическому значению входного шума АЦП.
5. Программируемые логические матрицы. Назначение. Структура ПЛМ.
ПЛМ характеризуется простотой получения необходимых функций. Её основу составляет программируемая матрица, состоящая из элементов, которые соединены между собой вертикальными и горизонтальными шинами. Функции таких схем задаются с помощью перемычек. Однократное программирование ПЛМ в соответствии с необходимой функцией осуществляется либо изготовлением ИС с использованием одного фотошаблона, либо пользователем – электрическим программированием на специальной установке, с помощью которых пережигаются плавкие перемычки. Существуют также многократно программируемые структуры с ультрафиолетовым стиранием на МОП-транзисторах. Программируемые логические матрицы незаменимы при реализации различных функций алгебры логики. Возможности ПЛМ определяются максимальным кол-вом минтермов и кол-вом реализуемых функций.
6. Масочные ЗУ. Способы записи информации
Элементами связи могут быть диоды, биполярные транзисторы, МОП-транзисторы. Программируются с помощью одной из масок при изготовлении ЗУ.
При наличии диода высокий потенциал выбранной горизонтальной линии передается на соответствующую вертикальную линию и в данном разряде появляется «1».
При возбуждении (высокий потенциал) линии Ш1 считывается слово 11010001. При возбуждении Ш2 считывается слово 10101011. Линии выборки (Ш1-Шn) являются выходами дешифратора адреса.
Масочные ЗУ отличаются высоким уровнем интеграции.
Область применения: хранение стандартной информации, имеющей широкий круг потребителей. Это прошивка кодов букв русского и латинского алфавита, таблицы типовых функций (sin, квадратичной функции и др.), стандартное программное обеспечение и т.п.
8. классификация микросхем памяти. Основные характеристики.
Важнейшим признаком ЗУ является способ доступа к данным, в соответствии с которым их классифицируют
Для классификации ЗУ (рисунок 1.1) важнейшим признаком является способ доступа к данным.
При адресном доступе код на адресном входе указывает ячейку, с которой ведется обмен. Все ячейки адресной памяти в момент обращения равнодоступны. Эти ЗУ наиболее разработаны, и другие виды памяти часто строят на основе адресной с соответствующими модификациями.
Адресные ЗУ делятся на RAM (Random Access Memory) u ROM (Read-Only Memory). Русские синонимы термина RAM: ОЗУ (оперативные ЗУ) или ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой). Оперативные ЗУ хранят данные, участвующие в обмене при исполнении текущей программы, которые могут быть изменены в произвольный момент времени. Запоминающие элементы ОЗУ, как правило, не обладают энергонезависимостью.
В ROM (русский эквивалент – ПЗУ, т. е. постоянные ЗУ) содержимое либо вообще не изменяется, либо изменяется, но редко и в специальном режиме. Для рабочего режима это «память только для чтения».
RAM делятся на статические и динамические. В первом варианте запоминающими элементами являются триггеры, сохраняющие свое состояние, пока схема находится под питанием и нет новой записи данных. Во втором варианте данные хранятся в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-структур. Саморазряд конденсаторов ведет к разрушению данных, поэтому они должны периодически (каждые несколько миллисекунд) регенерироваться. В то же время плотность упаковки динамических элементов памяти в несколько раз превышает плотность упаковки, достижимую в статических RAM.
Регенерация данных в динамических ЗУ осуществляется с помощью специальных контроллеров. Разработаны также ЗУ с динамическими запоминающими элементами, имеющие внутреннюю встроенную систему регенерации, у которых внешнее поведение относительно управляющих сигналов становится аналогичным поведению статических ЗУ. Такие ЗУ называют квазистатическими.
Статические ЗУ называются SRAM (Static RAM), а динамические — DRAM (Dynamic RAM).
Статические ОЗУ можно разделить на асинхронные, тактируемые и синхронные (конвейерные). В асинхронных сигналы управления могут задаваться как импульсами, так и уровнями. Например, сигнал разрешения работы CS может оставаться неизменным и разрешающим на протяжении многих циклов обращения к памяти. В тактируемых ЗУ некоторые сигналы обязательно должны быть импульсными, например, сигнал разрешения работы С5 в каждом цикле обращения к памяти должен переходить из пассивного состояния в активное (должен формироваться фронт этого сигнала в каждом цикле). Этот тип ЗУ называют часто синхронным. Здесь использован термин «тактируемые», чтобы «освободить» термин «синхронные» для новых типов ЗУ, в которых организован конвейерный тракт передачи данных, синхронизируемый от тактовой системы процессора, что дает повышение темпа передач данных в несколько раз.
Динамические ЗУ характеризуются наибольшей информационной емкостью и невысокой стоимостью, поэтому именно они используются как основная память ЭВМ. Поскольку от этой памяти требуется высокое быстродействие, разработаны многочисленные архитектуры повышенного быстродействия, перечисленные в классификации.
Статические ЗУ в 4...5 раз дороже динамических и приблизительно во столько же раз меньше по информационной емкости. Их достоинством является высокое быстродействие, а типичной областью использования – схемы кэш-памяти.
Постоянная память типа ROM (М) программируется при изготовлении методами интегральной технологии с помощью одной из используемых при этом масок. В русском языке ее можно назвать памятью типа ПЗУМ (ПЗУ масочные). Для потребителя это в полном смысле слова постоянная память, т. к. изменить ее содержимое он не может.
В следующих трех разновидностях ROM в обозначениях присутствует буква Р (от Programmable). Это программируемая пользователем память (в русской терминологии ППЗУ — программируемые ПЗУ). Ее содержимое записывается либо однократно (в PROM), либо может быть заменено путем стирания старой информации и записи новой (в EPROM и EEPROM). В EPROM стирание выполняется с помощью облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами, ее русское название РПЗУ-УФ (репрограммируемое ПЗУ с УФ-стиранием). В EEPROM стирание производится электрическими сигналами, ее русское название РПЗУ-ЭС (репрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием). Английские названия расшифровываются как Electrically Programmable ROM и Electrically Erasable Programmable ROM. Программирование PROM и репрограммирование EPROM и EEPROM производятся в обычных лабораторных условиях с помощью либо специальных программаторов, либо специальных режимов без специальных приборов (для EEPROM).
Информационная емкость – максимально возможный объем хранимой информации.
Организация ЗУ – определяет, сколько слов и какой разрядности хранит ЗУ.
Информация, хранимая в ячейке, называется словом.
Быстродействие (производительность) – оценивается временем считывания, записи и длительности циклов чтения
Потребляемая мощность -
9. Запоминающее устройство. Важнейшие параметры ЗУ.
Работа программно-управляемых числовых вычислительных устройств и систем заключается в последовательном выполнении различных команд происходит обращение за данными, при этом результаты работы одних устройств являются исходными данными для других, то есть происходит постоянным обмен данными. Для функционирования таких систем необходимо устройство, которое обеспечивало бы хранение программ, хранение исходных данных и результатов обработки.
Комплекс технических средств, реализующий вышеперечисленные функции (память) называется запоминающим устройством (ЗУ)
В цифровых устройствах ЗУ делятся на внешние и внутренние. Внешние ЗУ служат для хранения больших объемов информации: запасов данных и ПО системы, но работают со сравнительно низкой скоростью. Также для внешних ЗУ характерно длительное хранение информации при отсутствии питания. Такое ЗУ реализуется на основе самых разнообразных физических принципов и элементов. Из внешних ЗУ массивы информации подлежащие текущей обработке поступают на внутренние ЗУ, которые служат для хранения данных, используемых при реализации решения задач или их частей. Это полупроводниковые ЗУ. Чтобы обеспечить высокую производительность быстродействия внутренних ЗУ должно быть близко быстродействию операционного и управляющего устройств.
Полупроводниковые ЗУ являются основным видом памяти в силу следующих достоинств:
1. Широкий диапазон быстродействия и функционального назначения.
2. Конструктивная, электрическая, технологическая совместимость с другими микросхемами.
3. Отсутствие необходимости применения мощных формирователей токов для записи и считывания информации, а также сложных высокочувствительных усилителей воспроизведения
4. Высокая надежность и возможность обеспечения высокой информативной плотности.
5. Технологичность.
10. ЦАП. Основные характеристики ЦАП. ЦАП на основе суммирующего операционного усилителя.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит обратную операцию.
Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции (англ. PCM, pulse-code modulation). Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.
ПРИМЕНЕНИЕ ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Разрядность — количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах; количество бит есть логарифм по основанию 2 от количества уровней. Например, однобитный ЦАП способен воспроизвести два (21) уровня, а восьмибитный — 256 (28) уровней. Разрядность тесно связана с эффективной разрядностью (англ. ENOB, Effective Number of Bits), которая показывает реальное разрешение, достижимое на данном ЦАП.
Максимальная частота дискретизации — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Шенона-Найквиста (известной также как теорема Котельникова), для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество сигнала.
Монотонность — свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.
THD+N (суммарные гармонические искажения + шум) — мера искажений и шума вносимых в сигнал ЦАПом. Выражается в процентах мощности гармоник и шума в выходном сигнале. Важный параметр при малосигнальных применениях ЦАП.
Динамический диапазон — соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в децибелах. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.
Статические характеристики:
DNL (дифференциальная нелинейность) характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МЗР), отличается от правильного значения;
INL (интегральная нелинейность) характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная характеристика строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики; выражается в МЗР;
усиление;
смещение.
Частотные характеристики:
SNDR (отношение сигнал/шум+искажения) характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений;
HDi (коэффициент i-й гармоники) характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;
THD (коэффициент гармонических искажений) — отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.
13. (10) ЦАП. Назначение. Процесс ЦАП-преобразования
Типы ЦАП
Наиболее общие типы электронных ЦАП:
широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi (класс аппаратуры) аудиотехнике;
ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;
ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;
ЦАП лестничного типа (цепная R-2R схема). В R-2R ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое - матрица токов и инверсное - матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой резисторов на одной подложке достигается точность 20-22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (т.е. наносекунды);
1. Классификация БИС ЗУ. Структурная организация.
БИС ЗУ условно подразделяют на 2 класса:
1- оперативные ЗУ (ОЗУ);
2- постоянные ЗУ (ПЗУ).
БИС ОЗУ – предназначены для построения основной памяти цифровых систем, в которой хранятся программы и массив данных, определяющие текущий процесс обработки информации.
Отдельную группу в этом классе составляют сверхоперативные ЗУ (СОЗУ), быстродействие которых соответствует скорости работы процесса система.
ПЗУ – служат для хранения информации, содержание которой не изменяется в процессе работы системы. ПЗУ предназначены для хранения постоянных массивов информации – стандартных подпрограмм и микропрограмм, преобразователей кодов, генераторов символов, констант, табличных значений различных функций и т.п.
В зависимости от способа занесения информации, т.е. программирования, различают три основные разновидности БИС ПЗУ:
1. ПЗУ с масочным программированием (фотошаблонами) (ПЗУМ)
2. Электрически программируемые ПЗУ (пережигание перемычек током) (ППЗУ)
3. Репрограммируемые ПЗУ (ультрафиолетом, запись и стирание током) (РПЗУ)
БИС ОЗУ и ПЗУ состоят из накопителя информации (НК) и схем управления (СУ).
НК предназначен для хранения информации и представляет собой матрицу ЗЭ, реализуемых на логических схемах или отдельных транзисторах (диодах).
В качестве схем управления применяют дешифраторы (ДШ), адресные формирователи, усилители считывания и записи, схемы синхронизации и местного управления, а также схемы, обеспечивающие согласование БИС ЗУ по логическим уровням с другими типами ИММС (ТТЛ, И2Л, ЭСЛ и др.)
По принципу построения НК информации БИС ЗУ строятся со словарной организацией (однокоординатной выборкой) или матричной организацией (двухкоординатной выборкой).
Метод словарной организации выборки применим только в БИС с небольшим кол-вом ЗЭ, что обусловлено сложностью построения ДШ с числом входов, равным числу ЗЭ.
14. ЗУ типа PROM. Способы программирования.
Данные ЗУ могут менять информацию только 1 раз. Микросхемы программируют устранение или создание специальных перемычек. В исходной заготовке имеется (отсутствует) все перемычки. После программирования часть перемычек устраняется либо возникают новые. При этом в исходном состоянии ЗУ имеет все перемычки, а при программировании часть их ликвидирует путем расплавления импульсами тока достаточно большой амплитуды и длительности. В исходном состоянии запоминающий элемент хранит логическую единицу для записи хронического 0 перемычку необходимо расплавить.
Создание частей перемычек соответствует схемам ЗУ, которые в исходном состоянии имеют непроводящие перемычки в виде пары встречно включенных диодов (рис в) или тонких диэлектрических слоев, пробиваемых при программировании. В исходном состоянии всех ЗЭ хранится 0. При программировании ЗЭ подается напряжение, пробивающее встречный диод и перемычку. В результате создается проводящая перемычка и записывается логическая единица.
17 и 29 ЗУ типов EPROM и EEPROM
В репрограммируемых ЗУ типов EPROM и EEPROM (или E2PROM) возможно стирание старой информации и замена ее новой в результате специального процесса, для проведения которого ЗУ выводится из рабочего режима. Рабочий режим (чтение данных) – процесс, выполняемый с относительно высокой скоростью. Замена же содержимого памяти требует выполнения гораздо более длительных операций.
По способу стирания старой информации различают ЗУ со стиранием ультрафиолетовыми лучами (EPROM или в русской терминологии РПЗУ-УФ, т. е. репрограммируемые ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием) и электрическим стиранием (E2PROM или РПЗУ-ЭС).
Запоминающими элементами современных РПЗУ являются транзисторы типов МНОП и ЛИЗМОП (добавление ЛИЗ к обозначению МОП происходит от "Лавинная Инжекция Заряда").
МНОП-транзистор отличается от обычного МОП-транзистора двухслойным подзатворным диэлектриком. На поверхности кристалла расположен тонкий слой двуокиси кремния SiO2, далее более толстый слой нитрида кремния Si3N4 и затем уже затвор (рис. 19). На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата заряда. Благодаря туннельному эффекту, носители заряда могут проходить через тонкую пленку окисла толщиной не более 5 нм и скапливаться на границе раздела слоев. Этот заряд и является носителем информации, хранимой МНОП-транзистором. Заряд записывают созданием под затвором напряженности электрического поля, достаточной для возникновения туннельного перехода носителей заряда через тонкий слой SiO2. На границе раздела диэлектрических слоев можно создавать заряд любого знака в зависимости от направленности электрического поля в подзатворной области. Наличие заряда влияет на пороговое напряжение транзистора.
Для МНОП-транзистора с n-каналом отрицательный заряд на границе раздела слоев повышает пороговое напряжение (экранирует воздействие положительного напряжения на затворе, отпирающего транзистор). При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочие напряжения на затворе транзистора не в состоянии его открыть (создать в нем проводящий канал). Транзистор, в котором заряд отсутствует или имеет другой знак, легко открывается рабочим значением напряжения. Так осуществляется хранение бита в МНОП: одно из состояний трактуется как отображение логической единицы, другое – нуля.
При программировании ЗУ используются относительно высокие напряжения, около 20 В. После снятия высоких напряжений туннельное прохождение носителей заряда через диэлектрик прекращается и заданное транзистору пороговое напряжение остается неизменным.
После 104…106 перезаписей МНОП-тр-р перестает устойчиво хранить заряд. РПЗУ на МНОП-тр-х энергонезависимы и могут хранить информацию в течение долгого времени.
Перед новой записью старая информация стирается записью нулей во все запоминающие элементы.
Транзисторы типа ЛИЗМОП
ЛИЗМОП всегда имеет так называемый плавающий затвор, который может быть единственным или вторым, дополнительным к обычному (управляющему) затвору.
Транзисторы с одним плавающим затвором используются в ЗУ типа РПЗУ-УФ, а транзисторы с двойным затвором пригодны для применения как в РПЗУ-УФ, так ив РПЗУ-ЭС. Рассмотрим более современный тип – ЛИЗМОП-тр-р с двойным затвором, приведенный на рис. 20.
Рис. 20. ЛИЗМОП-тр-р с двойным затвором
Принцип работы ЛИЗМОП с двойным затвором близок к принципу работы МНОП-тр-ра. Здесь также между управляющим затвором и областью канала помещается область, в которую при программировании можно вводить заряд, влияющий на величину порогового напряжения тр-ра. Только область введения заряда представляет собой не границу раздела слоев диэлектрика, а окруженную со всех сторон диэлектриком проводящую область (обычно из поликр. Si), в которую, как в ловушку, можно ввести заряд, способный сохранятся в ней в течении очень длительного времени. Эта область называется плавающим затвором.