Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Высокие технологии АНАЛОГОВЫЕ ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ЦИФРО –АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В УСТРОЙСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ
просмотров - 265

ЛЕКЦИЯ 7

Сигналы процесса термообработки представляют собой аналоговые сигналы амплитуда которых зависит от температуры процесса обработки (лазерной, плазменной и т.д.). Для того чтобы эту информацию использовать крайне важно преоборазовать ее в цифровую форму. Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую выпол­няется в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразователœем (АЦП). В преобразователœе сигналов из аналоговой формы в цифровую можно выделить следующие процессы: дискретизацию, квантование, кодирование. Рассмотрим сущность этих процессов. При этом для опре­делœенности в последующем изложении будем считать, что преобразова-ние в цифровую форму осуществляет­ся над сигналом, представленным в форме меняющегося во времени на­пряжения.

Дискретизация непрерывных сиг­налов. Процесс дискретизации заклю­чается в том, что из непрерывного во времени сигнала выбираются отдель­ные его значения, соответствующие моментам времени, следующим через определœенный временной интервал Т Интер­вал Г принято называть тактовым интервалом времени, а моменты в которые берутся отсчеты, — тактовыми моментами времени.

Дискретные значения сигнала следует отсчитывать с таким малым тактовым интервалом Г, чтобы по ним можно было бы восстановить сигнал в аналоговой форме с требуемой точностью.

Квантование и кодирование. Сущность этих операций заключается в следующем. Создается сетка так называемых уровней квантования, сдвинутых друг относительно друга на величину Д, назы­ваемую шагом квантования. Каждому уровню квантования можно приписать порядковый номер (0, 1, 2, 3, 4 и т.д.). Далее полученные в результате дискретизации значения исходного аналогового напряже­ния заменяются ближайшими к ним уровнями квантования. Так, на диаграмме рис. 3.59 значение напряжения в момент Г0 заменяется ближайшим к нему уровнем квантования с номером 3, в тактовый момент ft значение напряжения ближе к уровню 6 и заменяется этим уровнем и т.д.

Описанный процесс носит название операции квантования, смысл которой состоит в округлении значений аналогового напряжения, выбранных в тактовые моменты времени. Как и всякое округление, процесс квантования приводит к погрешности (к ошибкам квантова­ния) в представлении дискретных значений напряжения, создавая так называемый шум квантования. При проектировании АЦП стремятся снизить шум квантования до такого уровня, при котором он еще обеспечивает требуемую точность. Подробнее шум квантования будет рассмотрен далее.

Следующая операция, выполняемая при аналого-цифровом преоб­разовании сигналов, — кодирование. Смысл ее состоит в следующем. Округление значения напряжения, осуществляемое при операции кван­тования, позволяет эти значения представлять числами — номерами соответствующих уровней квантования.

Получаемая таким образом последовательность чисел представля­ется двоичным кодом.

Так как в процессе квантования значение напряжения в каждый тактовый момент округляется до ближайшего уровня квантования, ошибка в представлении значений напряжения оказывается в пределах Следовательно, чем больше шаг квантования Л, тем больше ошибки квантования Считая, что в указанных пределах любые значения равновероятны, можно получить выражение сред­неквадратичного значения ошибки квантования Уменьшение шума квантования достигается только уменьшением шага квантования. Так как Л — промежуток между сосœедними уров­нями квантования, то с уменьшением А, очевидно, должно возрасти число уровней Квантования в заданном диапазоне значений напряже­ния. Пусть А = Umax - Umin — ширина диапазона изменений напряже­ния. Тогда требуемое число уровней квантования. Отсюда видно, что уменьшение шума квантова­ния путем уменьшения А приводит к увеличению числа уровней кван­тования N. Это увеличивает число разрядов при представлении номеров уровней квантования двоичными кодами. При организации телœефонной связи номера уровней квантования обычно выражаются семи- восьмиразрядными двоичными числами, а число уровней кван­тования N = 27...28 = 128...256.

Наряду с рассмотренными выше погрешностями квантования при аналого-цифровом преобразовании возникают аппаратурные погреш­ности, связанные с неточностью работы отдельных узлов АЦП. Эти погрешности будут выявляться при рассмотрении различных схемных построений АЦП.

преобразователя. Очередным тактовым импуль­сом счетчик сбрасывается в нулевое состояние и одновременно запуска­ется генератор линœейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Выходное напряжение ГЛИН поступает на входы компараторов К1 и К2, на другие входы которых подаются соответственно нулевое напряжение и подлежащее преобразованию в числовую форму напряжение £/вх на входе схемы (Вх). В момент времени, когда линœейно изменяющееся напряжение, нарастая от небольших отрицательных значений, прохо­дит нулевое значение, выдает импульс первый компаратор. Этим им­пульсом триггер устанавливается в состояние 1. В момент, когда линœейно изменяющееся напряжение достигает значения UBX, выдается импульс вторым компаратором. Этим импульсом триггер возвращается в состояние 0.

Время, в течение которого триггер находится в состоянии 1, про­порционально входному напряжению. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, входное напря­жение преобразуется во временной интервал, продолжительность которого пропорциональна значению входного напряжения.

В течение времени Т с выхода триггера подается высокое напряжение на вход элемента И, и импульсы генератора импульсной последователь­ности (ГИП) проходят через элемент на вход счетчика (Сч). устанавливающееся в счетчике число пропорционально Т, а следова­тельно и аналоговому сигналу.

Для получения нового отсчета напряжения следует вновь подать импульс запуска. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, импульсы запуска должны следовать с частотой дискретизации входного напряжения. Покажем, как опреде­ляются параметры элементов преобразователя.

По заданной относительной погрешности преобразователя опре­деляется максимальное число до которого счетчик должен произ­водить счет.

Процесс преобразования значения в число занимает время, пропорциональное. Максимальное значение Ттшх принято называть вре­менем преобразования:

При проектировании преобразователя время бывает задано. Этот параметр определяет так называемую динамическую погрешность преобразователя, связанную с тем, что за время преобразования входное напряжение UBX может измениться. Изменение UBX за время Гпр должно быть меньше напряжения, соответствующего единице младшего разря­да счетчика.

Крутизна напряжения ГЛИН Р = UmBX / Tmax = Umax / Гпр.

Аппаратурные погрешности преобразователя связаны с неточнос­тью работы отдельных его элементов: нелинœейностью напряжения ГЛИН; отклонениями момента времени, в который компаратором вы­дается импульс, от момента точного равенства входных напряжений компаратора; конечным временем срабатывания триггера, элемента И; нестабильностью частоты следования импульсов генератора.

АЦП с двойным интегрированием. Схема АЦП приведена на рис. В ней, как и в схеме рассмотренного выше типа АЦП, не исполь­зуется ЦАП, который для своего построения требует применения резис- торной матрицы с высокоточными значениями сопротивлений..

Рассмотрим работу преобразователя. В момент г0 (рис. пода­чей импульса Un в цепь Пуск осуществляется запуск схемы: сбрасыва­ется в 0 счетчик (Сч), первый ключ (Кл1) устанавливается в замкнутое состояние, второй ключ (Кл2) — в разомкнутое.

Предварительно разряженный конденсатор С начинает заряжать­ся током от источника входного напряжения UBX. Так как входное напряжение операционного усилителя (ОУ) близко к нулю, практи­чески всœе напряжение UBX падает на резисторе R1 и ток в цепи резис­тора р = UBX/R{. Этот ток замыкается через конденсатор С. В случае если за время длительности импульса значение напряжения UBX считать неизменным, конденсатор будет заряжаться постоянным током и напряжение на нем будет изменяться по линœейному закону, достигая к моменту /2 значения

В момент окончания импульса на входе "Пуск" счетчик начинает счет импульсов, поступающих в него из генератора импульсной последовательности (ГИ) через элемент И. В данный же момент ключ Кл1 устанавливается в разомкнутое состояние, ключ Кл2 — в замкнутое. В цепи конденсатара возникает ток обратного направления. Конденсатор разряжается постоянным током, и напряжение на нем снижается по линœейному закону. В момент напряжение на конденса­торе Uq и напряжение на выходе операционного усилителя проходят нулевое значение, на выходе компаратора (К) устанавливается уровень лоᴦ.О, прекращается прохождение импульсов ГИ через элемент И на вход счетчика (Сч). Образующееся к этому моменту в Сч число N есть значение UBX, представленное в цифровой форме.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного счета. Струк­турная схема преобразователя данного типа приведена на рис. Тактовым импульсом (ТИ) счетчик (Сч) сбрасывается в нулевое состо­яние. Нулевое напряжение UцАП = 0 возникает на выходе ЦАП, преоб­разующего числа в счетчике в пропорциональное напряжение. Устанавливается неравенство при котором компаратор (К) подает на вход элемента И уровень этом импульсы генератора импульсной последовательности (ГИ) проходят через элемент И на вход счетчика. Каждый поступивший на вход счетчика импульс вызывает увеличение на единицу хранившегося в нем числа, на одну элементар­ную ступеньку возрастает напряжение на выходе ЦАП. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, напряжение растет по ступенчатому закону, как показано на рис. В момент времени, когда достигает значения, превышаю­щего UBX, компаратор выдает уровень лоᴦ.О, и в дальнейшем прекраща­ется доступ импульсов генератора в счетчик. Полученное к этому моменту времени в счетчике число пропорционально напряжению UBX.

Из-за тога, что в АЦП рассматриваемого типа не используется генера­тор линœейно изменяющегося напряжения, его аппаратурные погрешности меньше, чем бывают в АЦП с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал.

В необходимые моменты времени с выхода счетчика могут сниматься числа, пропорциональные значениям UBX.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения. Структурная схема преобразователя приведена на рис.. В схеме предусмотрен построенный на RS-триггерах 1 ... п регистр числа. В этом регистре формируется число, пропорциональное напряжению UBX.

Вначале записывается единица только в триггер п старшего разряда этого регистра. Получающееся в регистре число с помощью ЦАП пре­образуется в напряжение кот°Р°е сравнивается с напряжением UBX. В случае если выполняется неравенство UBX > число, в ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ преобразуется UBX, действительно содержит единицу в старшем разряде. При невыполнении неравенства триггер п сбрасывается в нуль. Далее производится запись единицы в триггер п - 1 следующего разряда регистра и вновь сравнением напряжения UBX с соответствующим имеющемуся к этому моменту времени числу в регистре, выясняется, должна ли быть сохранена единица в данном разряде или триггер этого

разряда должен быть возвращен в состояние 0. Аналогичные операции выполняются во всœех разрядах, после чего получающееся в регистре число может быть выдано на выход.

Рассмотрим выполнение указанных действий в преобразователœе, схема которого представлена на рис.. Тактовый импульс устанав­ливает триггер п в состояние 1, остальные триггеры 1 ... п - 1 — в состояние 0. Этим же импульсом одновременно производится запись единицы в старший разряд сдвигового регистра RG, и на л-м выходе регистра появляется уровень лоᴦ.1.

Компаратор сравнивает UBX с соответствующим имеюще­муся к этому моменту числу в регистре числа, и при выполнении условия UBX < выдает уровень лоᴦ.У. При поступлении импуль­са сдвига логический уровень с выхода компаратора через элемент И0 передается на вход элемента͵ и если данный уровень был уровнем лоᴦ.1, то триггер п возвращается в состояние 0. В момент окончания импульса сдвига завершается процесс сдвига на один разряд вправо содержимого регистра, появляется уровень лоᴦ.1 на (л - 1)-м выходе этого регистра, триггер п устанавливается в состояние 1. Далее с приходом очередного импульса сдвига определяется требуемое со­стояние триггера л - 1 и в момент окончания импульса триггер л - 2 устанавливается в состояние 1. Эти действия повторяются до тех пор, пока не будет определœено состояние всœех триггеров.

Для управление лазером или плазменной установкой крайне важно формировать напряжение в аналоговой форме. Для этого служат цифро-аналоговые преобразователи. Рассмотрим цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), построен­ные по принципу суммирования напряжений или токов, пропорцио­нальных весовым коэффициентам двоичного кода. Схема ЦАП с суммированием напряжений. Одна из таких схем с суммированием напряжений на операционном усилителœе приведена на рис.. Триггеры 1 ... п образуют регистр, в который помещаются двоичные числа, предназначенные для перевода в пропорциональные им значения напряжения на выходе.

Будем считать, что напряжение на выходе каждого из триггеров может прини­мать одно из двух возможных значений: при состоянии 1 и 0 при состоянии 0

Напряжения с выходов триггеров пере­даются на выход ЦАП через операцион­ный усилитель (ОУ), работающий в режиме взвешенного суммирования на­пряжений (аналогового сумматора). Для каждого триггера предусматривается от­дельный вход в сумматоре с коэффициен­том передачи

В случае если в состоянии 1 находятся одновременно триггеры нескольких разрядов, то напряжение на выходе усилителя равно сумме напряже­ний, передаваемых на данный выход от отдельных разрядов двоичного числа в регистре:

Здесь N — десятичное значение двоичного числа, введенного в ре­гистр. Из последнего выражения видно, что напряжение на выходе ЦАП пропорционально числу в регистре.

Рассмотрим работу ЦАП в случае, когда на триггерах 1... л построен двоичный счетчик. В случае если подать на вход этого счетчика последователь­ность импульсов, то с приходом каж­дого очередного импульса число в счетчике будет увеличиваться на еди­ницу напряжение на выходе ЦАП будет возрастать на ступеньку , соот­ветствующую единице младшего разря­да счетчика. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, напряжение на выходе ЦАП будет иметь ступенчатую форму, как показано на рис.. После поступления 2я - 1 импульсов всœе разряды счетчика будут содер­жать 1, на выходе ЦАП образуется максимальное напряжение

Далее очередным импульсом счетчик будет сброшен в нулевое со­стояние, нулевым будет и выходное напряжение ЦАП. После этого счетчик начинает счет импульсов сначала, и на выходе ЦАП вновь формируется напряжение ступенчатой формы.

Аппаратурные погрешности преобразования в данной схеме связаны с отклонениями сопротивления резисторов от их номинальных значе­ний, неидеальностью ключей (сопротивление реального ключа в закры­том состоянии не равно бесконечности, а в открытом — не равно нулю), нестабильностью источника напряжения Е. Наибольшее влияние на погрешность ЦАП оказывают эти отклонения в старших разрядах

Схема ЦАП с суммированием токов. На рис. показан еще один вариант схемы ЦАП — схема с суммированием токов в резисторной матрице. Вместо источника стабильного напряжения Е в данной схеме используются источники стабильного тока. В случае если триггер находится в состоянии 1, ток I источника через открытый ключ втекает в резисторную матрицу, если триггер в состоянии 0, то открывается другой ключ, который замыкает источник.

Рассмотрим схемные решения элементов, используемых в ЦАП. Источник стабильного напряжения. На риспредставлена схема простого стабилизатора напряжения. В цепь между входом и выходом стабилизатора последовательно включен транзистор VT1. Стабилиза­ция выходного напряжения Vст обеспечивается тем, что при возраста-

нии входного напряжения UBX увеличивается напряжение на транзисто­ре VT1 и, наоборот, при снижении UBX напряжение на транзисторе уменьшается. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, всœе изменения входного напряжения га­сятся на транзисторе VT1. Такой режим транзистора VT1 обеспечивает­ся усилителœем, построенным на транзисторе VT2. Пусть, к примеру, UBX растет и вследствие этого имеется тенденция к увеличению и С/Ст. Малое увеличение Uст, далее усиливаясь, уменьшает напряжение на коллекторе VT2 и базе VT1, увеличивается падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора VT1.

Цепочка из резистора R1 и стабитрона VD1 обеспечивает в цепи эмиттера VT2 постоянное напряжение £0, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ стремится запереть транзистор. Для компенсации этого отрицательного смещения исполь­зуется положительное напряжение, снимаемое с резистора R4 делителя напряжения, составленного из резисторов R3 и R4. Чем больше £0, тем ббльшая часть напряжения (/ст должна передаваться с R4 на базу VT2 и вместе с этим и ббльшая часть изменений напряжения Uст будет прикла­дываться к базе VT2 и, усиливаясь, передаваться на базу VT1.

Источник стабильного тока. Стабилизатор тока, схема которого при­ведена на рис., работает аналогично стабилизатору напряжения. Отличие состоит в том, что входное напряжение усилителя на транзис­торе VT2 снимается с резистора R4, который в схеме стабилизатора тока включен последовательно с нагрузкой (ток нагрузки I проходит через RH, VT1, R3, R4). В случае если, к примеру, UBX возрастает или сопротивление RH уменьшается и, таким образом, ток имеет тенденцию к росту, возрастает напряжение на R4 и на базе транзистора VT2. Это приводит к снижению потенциала коллектора VT2 и базы VT1, растет напряжение между коллектором и базой транзистора VT1, что препятствует росту тока /.

Ключевые устройства. Ключи преобразователя с суммированием на­пряжений на резисторной матрице бывают выполнены по схеме, представленной на рис. 3.69,д. Транзисторы VT1 и VT2 управляются напряжениями с выходов триггера. Выход схемы подключается к резис­торной матрице.

VT1

Рис.

Пусть триггер находится в состоянии 1. На его инверсном выходе низкий потенциал и транзистор VT2, на базу которого поступает данныйпотенциал, закрыт. На прямом выходе триггера напряжение вы­сокого уровня. Оно поступает на вход транзистора VT1 и удержи­вает его в открытом состоянии. Через открытый транзистор VT1 в резисторную матрицу подается напряжение, близкое к Е. В случае если триггер находится в состоянии О, закрыт транзистор VT1, а через открытый транзистор VT2 в ре­зисторную матрицу поступает на пряжение низкого уровня. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, реализованное по данной схеме устройство выполняет роль двух ключей в разряде преобразова­теля.

В преобразователœе с суммированием токов не обязательно стремить­ся к малому сопротивлению открытого ключа. В этом преобразователœе, может быть использован диодный переключатель, схема которого пред­ставлена на рис.. В случае если триггер находится в состоянии 0, высокое напряжение, поступающее с инверсного выхода триггера, удерживает диод VD2 в открытом достоянии. Ток источника замыкается через диод VD2 и триггер. В случае если триггер находится в состоянии 1, диод VD2 закрыт и ток / замыкается через диод VD1 и резисторную матрицу.

Для хранение небольших массивов кодовых слов могут использо­ваться регистры. Но уже при крайне важности хранить десятки слов при­менение регистров приводит к неоправданно большим аппаратурным затратам. Для хранения больших массивов слов строят запоминающие устройства (ЗУ) с использованием специальных микросхем, в каждой из которых может храниться информация объемом в тысячи битов.

По выполняемым функциям различают следующие типы запомина­ющих устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), посто­янное запоминающее устройство (ПЗУ), перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ).

Оперативное ЗУ используется в условиях, когда крайне важно выби­рать и обновлять хранимую информацию в высоком темпе работы процессора цифрового устройства. Вследствие этого в ОЗУ предусмат­риваются три режима работы: режим хранения при отсутствии обраще­ния к ЗУ, режим чтения хранимых слов и режим записи новых слов. При этом в режимах чтения и записи ОЗУ должно функционировать с высо­ким быстродействием (обычно время чтения или записи слова в ОЗУ составляет доли микросœекунды). В цифровых устройствах ОЗУ исполь­зуются для хранения данных (исходных данных, промежуточных и ко­нечных результатов обработки данных) и программ.

Постоянное ЗУ предназначено для хранения некоторой однажды записанной в него информации, не нарушаемой и при отключении источников питания. В ПЗУ предусматриваются два режима работы: режим хранения и режим чтения с высоким быстродействием. Режим записи не предусматривается. Используются ПЗУ для хранения про­грамм в таких специализированных цифровых устройствах, которые, функционируя длительное время, многократно выполняют действия по одному и тому же алгоритму при различных исходных данных.

Перепрограммируемое ПЗУ в процессе функционирования цифро­вого устройства используется как ПЗУ. Оно отличается от ПЗУ тем, что допускает обновление однажды занесенной информации, ᴛ.ᴇ. в нем предусматривается режим записи. При этом в отличие от ОЗУ запись информации требует отключения ППЗУ от цифрового устройства, про­изводится с использованием специальных предназначенных для записи устройств (программаторов) и занимает длительное время, достигаю, щее десятков минут. Перепрограммируемые ПЗУ дороже ПЗУ, и их применяют в процессе отладки программы, после чего их можно заме­нить более дешевым ПЗУ.

Запоминающее устройство содержит неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ число N ячеек, в каждой из которых может храниться слово с определœенным числом разрядов п. Ячейки последовательно нумеруются двоичными числами. Номер ячейки принято называть адресом. В случае если для представления адресов используются комбинации /п-разрядного двоичного кода, то число ячеек в ЗУ может составить N= 2т.

Количество информации, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ может храниться в ЗУ, определяет его емкость. Емкость можно выражать числом ячеек N с указанием разрядности п хранимых в них слов в форме N х л, либо ее можно определять произведением Nun: М= N -п бит. Часто разрядность ячеек выбирают кратной байту (1 байт равен 8 битам). Тогда и емкость удобно представить в байтах. Большие значения емкости часто выражаются в единицах К = 210 = 1024. К примеру, М = 64 Кбайт означает емкость, равную М = 64 • 1024 • 8 бит.

Быстродействие ЗУ характеризуется двумя параметрами: временем выборки гв, представляющим собой интервал времени между моментом подачи сигнала выборки и появлением считанных данных на выходе, и циклом записи определяемым минимально допустимым временем между моментом подачи сигнала выборки при записи и моментом, когда допустимо последующее обращение к памяти.

Запоминающие устройства строятся из набора однотипных микрос­хем ЗУ с определœенным их соединœением. Каждая микросхема ЗУ кроме времени обращения и емкости характеризуется потребляемой мощнос­тью, набором питающих напряжений, типом корпуса (числом выводов). Микросхемы ППЗУ дополнительно характеризуются временем хране­ния записанной в них информации (по истечении которого хранящаяся в ячейках информация может самопроизвольно измениться), допусти­мым количеством циклов перезаписи (после чего микросхема считается негодной для использования).

Оперативное запоминающее устройство

На рис. приведена типичная структура микросхемы ОЗУ. Ин­формация хранится в накопителœе. Он представляет собой матрицу, со­ставленную из элементов памяти (ЭП), расположенных вдоль строк и столбцов. Элемент памяти может хранить 1 бит информации (лоᴦ.О либо лоᴦ.1). Вместе с тем, он снабжен управляющими цепями для установки элемента в любом из трех режимов: режиме хранения, в котором он отключается от входа и выхода микросхемы, режиме чтения, в котором содержащаяся в ЭП информация выдается на выход микросхемы, режи-

ме записи, в котором в ЭП записывается новая поступающая со входа микросхемы информация.

Каждому ЭП приписан номер, называемый адресом элемента. Для поиска требуемого ЭП указывается строка и столбец, соответствую­щие положению ЭП в накопителœе. Адрес ЭП в виде двоичного числа принимается по шинœе адреса в регистр адреса. Число разрядов адреса связано с емкостью накопителя. Число строк и число столбцов нако­пителя выбираются равными целой степени двух.

Разряды регистра адреса делятся на две группы: одна группа из Л] разрядов определяет двоичный номер строки, в которой в накопителœе расположен ЭП, другая группа из л2 разрядов — двоичный номер столб­ца, в котором расположен выбираемый ЭП. Каждая группа разрядов адреса подается на соответствующий де шифратор: дешифратор строк и дешиф ратор столбцов. При этом каждый из дешифраторов создает на одной из своих выходных цепей уровень лоᴦ. 1 (на остальных выходах дешифратора уста­навливается уровень лоᴦ.О), выбранный оказывается под воздействием уров­ня лоᴦ. 1 одновременно по цепям строки и столбца. При чтении содержимое ЭП выдается на усилитель чтения и с него — на выходной триггер (Т) и выход микросхемы. Режим записи устанавливается подачей сигнала на вход разрешения записи (РЗ). При уровне лоᴦ.О на входе РЗ открывается усилитель записи и бит информа­ции со входа данных поступает в выбранный ЭП и запоминается в нем.

Указанные процессы происходят в том случае, если на входе выбора кристалла (ВК) действует активный уровень лоᴦ.О. При уровне лоᴦ.1 на этом входе на всœех выходах дешифратора устанавливается уровень лоᴦ.О и ЗУ оказывается в режиме хранения.

На рис. показано условное графическое обозначение микросхе­мы ОЗУ.

Рассмотрим последовательность подачи сигналов в режимах чтения и записи. На рис. а представлена временная диаграмма сигналов в режиме чтения. С определœенной задержкой | относительно момента подачи адреса и сигнала в цепь ВК (связанной с процессами дешифра­ции адреса и включения выходных цепей выбранного ЭП) на выход микросхемы передается содержимое выбранного ЭП. В режиме запи­си (рис.) должны быть соблюдены условия, которые исключали бы нарушение содержимого ячеек, в которые не производится обраще­ние. Это обеспечивается тем, что сигнал в цепь РЗ подается с задержкой относительно момента подачи сигналов в цепь адреса, ВК и входных данных и снимается сигнал в цепи РЗ прежде, чем будет снят сигнал в цепи ВК. В противном случае, при преждевременной подаче сигнала РЗ, может произойти запись в ячейку с адресом, не совпадающим с адресом на входах микросхемы.

Микросхемы ОЗУ допускают наращивание емкости памяти наращи­ванием разрядности (и, следовательно, разрядности хранимых слов) и наращиванием числа ячеек (и, значит, числа слов, которые можно хра­нить в памяти). Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, используя соответствующее число мик­росхем в определœенном их соединœении, можно строить память с требуемой организацией.

Рассмотрим схему наращивания разрядности ячеек (рис. ). На всœе микросхемы подается один и тот же адрес. При чтении каждой микрос­хемой выдается определœенный разряд считываемого слова. При записи входное слово поразрядно заносится в ЭП отдельных микросхем. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, если микросхемы имеют организацию Nx 1 (;V одноразрядных ячеек), то для блока памяти с организацией N*n(N ячеек с разряднос­тью каждой п) потребуется п микросхем.

На рис. показана схема наращивания числа ячеек и их разряд­ности. Блок памяти состоит из микросхем, образующих отдельные ли­нейки (ряды), каждая из которых строится по схеме наращивания разрядности. Разряды адреса блока памяти в этом случае делятся на две группы Лх и Л2. Группа разрядов Л2 определяет номер линœейки, группа разрядов А — номер ячейки в выбранной линœейке.

Выбор линœейки осуществляется с помощью дешифратора, на вход кото­рого подается Л2, а каждый из выходов подключен к входу ВК опреде­ленной линœейки. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в зависимости от кодовой комбинации, содержащейся в Л2, на соответствующем выходе дешиф­ратора появляется уровень лоᴦ.О, который обеспечивает выбор опреде­ленной линœейки микросхем. На входы ВК остальных линœеек с выходов дешифратора поступает уровень лоᴦ.1, и микросхемы этих линœеек уста­навливаются в режим хранения, в котором они не реагируют на адрес­ную группу Л j.

Рассмотрим пример наращивания емкости блока памяти. Пусть на микросхемах с организацией 1024 х 1 крайне важно построить блок памяти, имеющий организацию 4096 х 8, ᴛ.ᴇ. блок памяти на 4096 8-разрядных ячеек. Наращивание разрядности потребует в каждой линœейке схемы на рис. 3.80 использовать восœемь микросхем; для уве­личения числа ячеек с 1024 до 4096 (в четыре раза) крайне важно пред­усмотреть четыре линœейки микросхем. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, общее число требуемых микросхем 8 • 4 = 32. Адрес, по которому в таком блоке памяти будет производиться обращение, формируется следующим образом. Для выбора линœейки в адресе потребуется двухразрядная группа Л2, каждой из четырех кодовых номбинаций этой группы (00, 01, 10, 11) будет соответствовать определœенная линœейка в блоке памяти. Выбор ячейки в линœейке микросхем потребует наличия в адресе 10-разрядной группы Лх (число комбинаций 10-разрядной группы210 = 1024 равно числу ЭП в микросхеме). Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, адрес рассматриваемого блока памяти должен иметь 12 разрядов.

В каждом столбце матрицы микросхем на рис. выходы всœех микросхем объединяются в цепь соответствующего разряда выхода дан­ных блока, всœе входы данных — в цепь соответствующего разряда входа данных блока памяти.

Постоянные запоминающие устройства

Как и ОЗУ, ПЗУ состоит из ячеек, обратившись к которым можно вывести их содержимое. Отличие от ОЗУ состоит по сути в том, что инфор­мация в ячейки записывается однократно, после чего в процессе эксплу­атации используется лишь режим чтения.

По способу занесения информации ПЗУ делятся на два вида: ПЗУ, программируемые маской на предприятии-изготовителœе, и ПЗУ, про­граммируемые пользователœем.

В первые информация заносится в процессе изготовления микросхем с помощью соответствующего фотошаблона. Очевидно, такой способ записи пригоден в тех случаях, когда производится выпуск крупной партии ПЗУ с одной и той же записанной в них информацией. Промыш­ленность выпускает такие ПЗУ, к примеру, для использования в качестве преобразователя двоичного кода в определœенные двоично-десятичные коды и других преобразователœей. В них входная кодовая комбинация служит адресом ячейки, а содержимое ячейки — выходной кодовой комбинацией (являющейся, к примеру, кодовой комбинацией двоично- десятичного кода).

В ПЗУ, программируемых пользователœем, запись информации производится непосредственно пользователœем с помощью специаль­ных устройств, называемых программаторами. Программатор выда­ет в микросхему соответствующие напряжения для записи информации, набираемой на клавиатуре либо предварительно нане­сенной путем пробивок на перфоленту. Этими напряжениями осу­ществляется прожигание плавких перемычек в элементах памяти. Очевидно, однажды записанная в ПЗУ информация в дальнейшем не может быть изменена. При крайне важности изменить содержимое ПЗУ микросхемы с ранее записанной информацией заменяются но­выми, в которые записываются новые данные.

На рис приведена структура ПЗУ, программируемого пользо­вателœем. Как и в ОЗУ, матрица-накопитель состоит из элементов памя­ти, образующих строки и столбцы, но в отличие от ОЗУ при считывании из накопителя выдается содержимое целой строки элементов памяти. Такая строка обычно содержит несколько слов. С помощью селœектора из строки выделяется и передается на выход требуемое слово.

Пусть, к примеру, ПЗУ имеет емкость М = 210 бит, разбивающихся на N = "2я слов по 22 = 4 разрядов в каждом слове. Накопитель будет содержать 210 элементов памяти, расположенных вдоль 2s = 32 строк и 25 = 32 столбцов. При обращении должен указываться адрес слова, данный адрес в рассматриваемом примере будет содержать восœемь разрядов, разбивающихся на две группы разрядов А 2 и А1: пятиразрядную группу Ах и трехразрядную группу Аг Группа At подается на дешифратор 1, который выбирает одну из 25 = 32 строк накопителя. Содержимое строки состоит из 32 бит или восьми 4-разрядных слов. Номер слова в строке задается группой Аг Дешифратор 2 преобразует эту адресную группу в сигнал на одном из восьми своих выходов. По этому сигналу в селœекторе из содержимого строки выделяется требуемое слово, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ передается через буфер ввода-вывода на выход микросхемы.

Перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства

Перепрограммируемые ПЗУ обладают всœеми достоинствами ПЗУ, храня записанную в них информацию неопределœенно долго и при от­ключении питания. В то же время они допускают стирание записанной информации и запись новой информации. При этом если чтение осущест­вляется за доли микросœекунды, то время записи на много порядков больше. Рассмотрим принцип работы приведенного на рис. элемента памяти с электрической записью информации и стиранием ультрафио­летовым светом.

Транзистор VT1 служит для выборки элемента памяти. Хранение информации осуществляется в транзисторе VT2. Особенность транзис­тора VT2, структура которого показана на рис. , состоит в том, что он имеет изолированный затвор.

При подаче достаточно большого напряжения кр—л-переходу исто­ка либо стока происходит инжекция электронов в затвор, после чего данный заряд может удерживаться на затворе длительное время. Отрица­тельный заряд на затворе, притягивая дырки, создает в области прово­дящей р-канал между истоком и стоком.

Транзистор оказывается в состоянии 0. В случае если же к переходу не прикладывалось повышенного напряжения, заряд на затворе отсут­ствует, транзистор оказывается в непроводящем состоянии (состоя­ние 1).

Стирание информации в одних микросхемах производится путем подачи соответствующих напряжений, в других — путем подачи ультрафиолетового излучения через прозрачную кварцевую крышку в корпусе микросхемы.

Под действием напряжений либо светового излучения, действующе­го в течение примерно 10 мин, снимается заряд с затворов транзисторов, и всœе транзисторы накопителя оказываются установленными в непрово­дящее состояние. Обычное комнатное освещение практически не оказы­вает влияния на состояние транзисторов.

Перепрограммируемые ПЗУ дороже ПЗУ, и их применяют в процес­се отладки цифровых устройств, когда крайне важно уточнить информа­цию, которая должна храниться в памяти. После отладки ППЗУ можно заменить более дешевыми ПЗУ.