Дешифраторы позволяют преобразовывать одни виды бинарных кодов в другие. Например, преобразовывать позиционный двоичный код в линейный восьмеричный или шестнадцатеричный. Преобразование производится по правилам, описанным в таблицах истинности, поэтому построение дешифраторов не представляет трудностей. Для построения дешифратора можно воспользоваться правилами .

Десятичный дешифратор

Рассмотрим пример разработки схемы дешифратора из двоичного кода в десятичный. Десятичный код обычно отображается одним битом на одну десятичную цифру. В десятичном коде десять цифр, поэтому для отображения одного десятичного разряда требуется десять выходов дешифратора. Сигнал с этих выводов можно подать на . В простейшем случае над светодиодом можно просто подписать индицируемую цифру.Таблица истинности десятичного дешифратора приведена в таблице 1.

Таблица 1. Таблица истинности десятичного дешифратора.

Входы				Выходы
8	4	2	1	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0
0	0	1	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0
0	1	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0
0	1	0	1	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0
0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0
0	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0
1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0
1	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1

Микросхемы дешифратора на принципиальных схемах приведено на рисунке 2. На этом рисунке приведено обозначение двоично-десятичного дешифратора, полная внутренняя принципиальная схема которого изображена на рисунке 1.

Рисунок 2. Условно-графическое обозначение двоично-десятичного дешифратора

Точно таким же образом можно получить принципиальную схему и для любого другого декодера (дешифратора). Наиболее распространены схемы восьмеричных и шестнадцатеричных дешифраторов. Для индикации такие дешифраторы в настоящее время практически не используются. В основном такие дешифраторы используются как составная часть более сложных цифровых модулей.

Семисегментный дешифратор

Для отображения десятичных и шестнадцатеричных цифр часто используется . Изображение семисегментного индикатора и название его сегментов приведено на рисунке 3.

Рисунок 3. Изображение семисегментного индикатора и название его сегментов

Для изображения на таком индикаторе цифры 0 достаточно зажечь сегменты a, b, c, d, e, f. Для изображения цифры "1" зажигают сегменты b и c. Точно таким же образом можно получить изображения всех остальных десятичных или шестнадцатеричных цифр. Все комбинации таких изображений получили название семисегментного кода.

Составим таблицу истинности дешифратора, который позволит преобразовывать двоичный код в семисегментный. Пусть сегменты зажигаются нулевым потенциалом. Тогда таблица истинности семисегментного дешифратора примет вид, приведенный в таблице 2. Конкретное значение сигналов на выходе дешифратора зависит от к выходу микросхемы. Эти схемы мы рассмотрим позднее, в главе, посвящённой отображению различных видов информации.

Таблица 2. Таблица истинности семисегментного дешифратора

Входы				Выходы
8	4	2	1	a	b	c	d	e	f	g
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1
0	0	0	1	1	0	0	1	1	1	1
0	0	1	0	0	0	1	0	0	1	0
0	0	1	1	0	0	0	0	1	1	0
0	1	0	0	1	0	0	1	1	0	0
0	1	0	1	0	1	0	0	1	0	0
0	1	1	0	0	1	0	0	0	0	0
0	1	1	1	0	0	0	1	1	1	1
1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	1	0	0	0	0	1	0	0

В соответствии с принципами построения произвольной таблицы истинности по произвольной таблице истинности получим принципиальную схему семисегментного дешифратора, реализующего таблицу истинности, приведённую в таблице 2. На этот раз не будем подробно расписывать процесс разработки схемы. Полученная принципиальная схема семисегментного дешифратора приведена на рисунке 4.

Шифратор (coder) - это комбинационное устройство, выполняющее функции, обратные дешифратору. При подаче сигнала на один из его входов (унитарный код) на выходе должен образоваться соответствующий двоичный код.

Если число входов шифратора равно 2n, то число выходов, очевидно,

должно быть равным n, т.е. числу разрядов двоичного кода, которым можно закодировать 2n ситуаций.

Проиллюстрируем синтез схемы шифратора при n=3. Таблица истинности имеет вид, приведенный в табл. 2.

Работа шифратора описывается тремя функциями y3, y2, y1, каждая из которых равна единице на четырех наборах (номер набора соответствует номеру входа). Сов ДНФ функций выхода равны:

Три функции реализуются тремя дизъюнкторами (рис. 11), на выходах которых формируется трехразрядный двоичных код.

При этом аргумент x0 не входит ни в одну из логических функций и шина x0 остается незадействованной. Действительно, входному сигналу x0 должен соответствовать код «000», который все равно будет на выходе шифратора, если все остальные аргументы равны нулю.

Рис. 11.

Структура шифратора

При построении шифратора для получения на выходе натурального двоичного кода учитывают, что единицу в младшем разряде такого кода имеют нечетные десятичные цифры 1, 3, 5, 7,…, т.е. на выходе младшего разряда должна быть 1, если она есть на входе №1 или на входе №3 и т.д. Поэтому входы под указанными номерами через элемент ИЛИ соединяются с выходом младшего разряда. Единицу во втором разряде двоичного кода имеют десятичные цифры 2, 3, 6, 7,…; входы с этими номерами через элемент ИЛИ должны подключаться к выходу шифратора, на котором устанавливается второй разряд кода. Аналогично, входы 4, 5, 6, 7,… через элемент ИЛИ должны быть соединены с выходом, на котором устанавливается третий разряд, так как их коды имеют в этом разряде единицу, и т.д.

Схема шифратора, построенная в соответствии с изложенным принципом, приведена на рис. 12, а, а условное изображение - на рис. 12, б, где E - вход разрешения работы, а Е0 - выход, логический 0 на котором свидетельствует о том, что ни один информационный вход не возбужден.

Для расширения разрядности (каскадирования) шифраторов вход E последующего шифратора соединяют с выходом E0.предыдущего. Если информационные входы предыдущего шифратора не возбуждены (E0=0), то последующий шифратор получает разрешение работать.

Рис. 12. Схема шифратора (а) и условное изображение (б)

Применение шифраторов

Шифратор может быть организован не только для представления (кодирования) десятичного числа двоичным кодом, но и для выдачи определенного кода (его значение заранее выбирается), например, при нажатии клавиши с соответствующим символом. При появлении этого кода система оповещается о том, что нажата определенная клавиша клавиатуры.

Шифраторы применяются в устройствах, преобразующих один вид кода в другой. При этом вначале дешифрируется комбинация исходного кода, в результате чего на соответствующем выходе дешифратора появляется логическая 1. Это отображение входного кода, значение которого определено номером возбужденного выхода дешифратора, подается на шифратор, организованный с таким расчетом, чтобы каждый входной код вызывал появление заданного выходного кода.

Шифраторы используются для построения устройств ввода первичной информации - клавиатур. Для этого необходимо активные уровни сигнала унитарного входного кода формировать с помощью ключей-кнопок клавиатуры. Аналогично можно реализовывать устройства вывода информации с использованием дешифраторов, например индикаторы или исполнительные механизмы.

На рис. 13 показан пример построения линейной и матричной клавиатур на 8 и 64 клавиш соответственно.

Рис. 13.

В схеме рис. 13, а входной логический ноль формируется путем нажатия соответствующей кнопки и замыкания входной цепи на нулевой потенциал общего провода. При отсутствии воздействия на кнопки входные потенциалы шифратора через резисторы R1…R8 подтянуты к напряжению питания, т.е. имеют пассивные уровни логических единиц. Соответствующий двоичный код номера нажатой кнопки с выхода шифратора поступает в цифровую часть схемы измерительного устройства для последующей обработки. Признаком того, что хотя бы одна из кнопок нажата, является активный уровень сигнала «кнопка нажата», сформированный выводом G микросхемы шифратора. Этот сигнал может служить командой цифровому устройству, к которому подключена клавиатура, на то, чтобы оно приступило к считыванию кода нажатой кнопки. Такой сигнал может быть подан, например, на линию прерывания микропроцессорной системы.

Линейные клавиатуры имеют ограничения по количеству кнопок, определяемые разрядностью шифратора. Поскольку многие современные измерительные устройства имеют широкую функциональность и могут требовать наличия большого количества управляемых органов, линейная организации в таком случае может оказаться недостаточной. Когда требуется формировать клавиатуры с большим количеством кнопок, конструктивно и схемотехнически оптимальной является матричная организация, пример которой показан на рис. 13, б. В такой схеме кнопки SA1…SA64 устанавливаются в пересечениях строк и столбцов прямоугольной матрицы размерностью 8х8. Опрос кнопок осуществляется путем сканирования их в матрице. Цифровое устройство вырабатывает двоичный код, который преобразуется дешифратором DD2 (дешифратор в схеме изображен в зеркальном отображении, т.е. его входы в УГО показаны справа, а выходы слева) в унитарный инверсный код, в результате чего выбранный столбец матрицы приобретает потенциал уровня логического нуля. Это эквивалентно подключению к земле одного из контактов кнопок SA1…SA8 в схеме рис. 10, а. Далее, если в выбранном столбце нажата кнопка, то на выходе шифратора DD1 сформируется ее двоичный код, а также станет активным сигнал «кнопка нажата». В противном случае сигнал «кнопка нажата» будет иметь пассивный уровень. С определенной периодичностью цифровое устройство будет менять двоичный код активизируемого столбца матрицы, в результате чего циклически будет производиться опрос всех столбцов. Таким образом, двоичный код активизируемого столбца будет выходным для цифрового устройства, к которому данная клавиатура подключена, а код номера кнопки в столбце - входным. При такой организации от цифрового устройства требуется, чтобы оно постоянно опрашивало клавиатуру, формируя двоичный код столбца на дешифратор столбцов. Часто подобным цифровым устройством является микропроцессорная система. Возложение на нее задачи постоянного формирования и чередования кодов столбцов матрицы приводит ее к загрузке этим процессом, что снижает производительность системы. Поэтому для разгрузки микропроцессорной системы в схеме клавиатуры используют устройство, автономно формирующее и чередующее коды столбцов матрицы. Таким устройством является счетчик DD3, на входы которого подается последовательность импульсов с генератора импульсов GN. В схеме подключение счетчика к входам дешифратора показано пунктирными линиями. В общем случае счетчик формирует на выходе двоичный код количества импульсов, поступающих на его вход. Таким образом, код с выхода счетчика будет постоянно увеличиваться на единицу, что повлечет за собой активизацию соседних столбцов в матрице. Этот же код будет поступать в цифровое устройство уже как входной код для идентификации им номера активного столбца матрицы. Признаком того, что хотя бы одна кнопка нажата, будет наличие на выходе «кнопка нажата» активного уровня сигнала, являющегося для цифрового устройства командой на считывания кодов номеров столбца и нажатой кнопки в столбце.

Приоритетные шифраторы

Кроме обычных шифраторов существуют также приоритетные шифраторы. Такие шифраторы выполняют более сложную операцию. При работе ЭВМ и других устройств часто решается задача определения приоритетного претендента на обслуживание. Несколько конкурентов выставляют свои запросы на обслуживание, которые не могут быть удовлетворены одновременно. Нужно выбрать, кому предоставляется право первоочередного обслуживания. Простейший вариант задачи - присвоение каждому источнику запросов фиксированного приоритета. Например, группа из восьми запросов R7,…, R0 (R - от англ. request - запрос) формируется так, что высший приоритет уменьшается от номера к номеру. Самый младший приоритет у нулевого источника - он будет обслуживаться только при отсутствии всех других запросов. Если имеются одновременно несколько запросов, обслуживается запрос с наибольшим номером.

Приоритетный шифратор вырабатывает на выходе двоичный номер старшего запроса. При наличии всего одного возбужденного входа приоритетный шифратор работает так же, как и двоичный. Поэтому в сериях ИС двоичный шифратор как самостоятельный элемент может отсутствовать. Режим его работы - частный случай работы приоритетного шифратора.

Шифратор (иначе кодер) - устройство, преобразующее десятичные числа

в двоичную систему счисления. Пусть в шифраторе имеется т входов,

последовательно пронумерованных десятичными числами (0, 1, 2, 3, ..., т - 1), и п

выходов. Поступление сигнала на один из входов вызывает появление на выходах

двоичного «-разрядного числа, соответствующего номеру возбужденного входа.

Известно, что построить шифраторы с большим числом входов технически

трудно, поэтому их используют для преобразования в двоичную систему

счисления небольших десятичных чисел. Для преобразования больших десятичных

чисел используются специальные методы.

Шифраторы широко применяют в устройствах ввода информации в

цифровые системы. Такие устройства часто снабжают клавиатурой, каждая клавиша

которой связана с определенным входом шифратора, и на его выходе

воспроизводится двоичное число, соответствующее написанному на клавише символу.

На рис. 7.14, а показано обозначение шифратора, преобразующего первые

десять цифр десятичного счисления в двоичное представление. Символ CD в

обозначении образован из букв, входящих в английское слово «CODER». Слева на

схеме показано 10 входов, представленных соответствующими десятичными

числами 0, 1, 2, ..., 9. Справа показаны выходы шифратора: цифрами 1, 2, 4, 8

обозначены весовые коэффициенты двоичных разрядов, соответствующих

отдельным его выходам.

Дешифратор (иначе декодер) предназначен для обратного преобразования

двоичных чисел в небольшие по значению десятичные числа. Входы

дешифратора служат для подачи двоичных чисел, а выходы последовательно

нумеруются десятичными числами. Дешифраторы широко используют в цифровой и

вычислительной технике. В частности, их применяют в системах, печатающих на

бумаге выводимые из цифровой схемы текст или числа. В таких устройствах

двоичное число, поступая на соответствующий вход дешифратора, вызывает

появление сигнала на его определенном выходе.

На рис. 7.14, б приведено обозначение структурной схемы дешифратора.

Символ DC образован из букв английского слова «DECODER». Слева

представлены входы дешифратора: цифрами 1, 2, 4, 8 обозначены весовые коэффициенты

двоичных разрядов. Справа на схеме показаны 10 выходов, пронумерованных

десятичными числами 0, 1, 2, ..., 9, соответствующими отдельным комбинациям

входного двоичного числа.

Принцип работы

Шифратор

При активизации одной из входных линий шифратора на его выходах формируется код, отображающий номер активного входа.
Например, при появлении сигнала на нулевом входе шифратора мы получим на выходе код 00, при сигнале на первом входе - на выходе будет 01, при сигнале на втором входе - на выходе соответственно код 10 и так далее.
Шифраторы применяются гораздо реже, чем дешифраторы. Это связано с более специфической областью их применения. Значительно меньше и выбор микросхем в стандартных сериях.
В отечественных сериях шифраторы имеют в названии буквы ИВ.
Входы шифраторов на принципиальных схемах нумеруются последовательными десятичными цифрами 0,1,2,3…., а метки выходов отображают веса выходных двоичных переменных 1,2,4…
Входы и выходы шифраторов, как правило, являются инверсными, то есть их активное состояние отображается значением логического 0, а не логической 1. Микросхема может иметь вход разрешения EI. C помощью сигнала на этом входе определяется момент срабатывания шифратора. На выходе шифратора возможно наличие дополнительных выходов: GS - выход признака прихода любого входного сигнала и EO - выход переноса, позволяющий объединять несколько шифраторов для увеличения разрядности. Выход EO становится активным при отсутствии входных сигналов, но при разрешении работы шифратора сигналом EI.
Стандартное применение шифраторов состоит в сокращении количества сигналов. Это очень удобно, например, при передаче сигналов на большие расстояния. При этом входные сигналы не должны приходить одновременно.
Наличие у шифраторов входов EI и EO позволяет увеличить количество входов и разрядов шифратора, с помощью дополнительных элементов на выходе.Для получения шифраторов с большим числом входов, т. е. наращивания размерности шифратора, объединяют микросхемы шифраторов с дополнительными выводами.

Дешифратор

Функция дешифратора понятна из названия. Дешифратор преобразует входной двоичный код в управляющий сигнал только на одном из своих выходов. В общем случае дешифратор имеет n однофазных входов и 2 в степени n выходов, где n - разрядность дешифрируемого кода. Микросхемы дешифраторов обозначаются на схемах буквами DC (от английского слова Decoder).
Активным всегда является только один выход дешифратора, причем номер этого выхода и соответствующего ему сигнала однозначно определяется входным кодом.
То есть при сигнале на входе дешифратора 00 мы получаем 1 на нулевом выходе, при сигнале на входе 01 получаем 1 на первом выходе, при сигнале на входе 10 - 1 на втором выходе и так далее.
В стандартные серии входят дешифраторы на 4, 8 и 16 выходов, что соответствует 2, 3 и 4 разрядам входного кода.
Входы, на которые поступает входной код, часто называют адресными входами. Их обозначают 1, 2, 4, 8, где число соответствует весу двоичного кода. Код на входах 1, 2, 4, 8 определяет номер активного выхода.
Входы С1, С2, С3 - это входы разрешения, объединенные по функции "И". С помощью сигнала на этих входах определяется момент срабатывания дешифратора. Входы разрешения могут также использоваться для наращивания разрядности входного кода.
Выходные сигналы дешифраторов и входы разрешения, часто имеют отрицательную полярность, то есть их активное состояние отображается значением логического 0, а не логической 1.
Если нужно дешифровать код с большим числом разрядов, используют объединение нескольких микросхем дешифраторов.
Еще одно распространенное применение дешифраторов - селекция заданных входных кодов. Появление сигнала на выбранном выходе дешифратора будет означать поступление на вход интересующего нас кода. В данном случае увеличивать число разрядов входного селектируемого кода становится гораздо проще.
В отечественных сериях микросхемы дешифраторов обозначаются буквами ИД.

Мультиплексор

Мультиплексор - это логическое устройство, предназначенное для поочередной передачи на один выход одного из нескольких входных сигналов, то есть их мультиплексирования. Количество мультиплексируемых входов называется количеством каналов мультиплексора, а количество выходов - числом разрядов мультиплексора.
Число каналов мультиплексоров, входящих в стандартные серии, составляет от 2 до 16, а число разрядов - от 1 до 4.
Управление работой мультиплексора осуществляется с помощью входного кода адреса. Связь между числом информационных (n) и адресных (m) входов определяется соотношением n = 2 в степени m. Таким образом, для 4-канального мультиплексора необходим 2-разрядный управляющий адресный код, а для 16-канального - 4-разрядный код.
Например, мы имеем на адресном входе код 00, в этом случае сигнал на выходе мультиплексора будет равен сигналу на нулевом входе, при адресном коде 01 сигнал на выходе мультиплексора будет равен сигналу на первом входе, при адресном коде 10 сигнал на выходе мультиплексора будет равен сигналу на втором входе и так далее.
Функция мультиплексора на условном графическом обозначении записывается буквами MUX или MS. Разряды кода обозначаются цифрами 1, 2, 4 или A0, A1, A2. Входная информация подается на входы 0, 1, 2, 3…….Выходы мультиплексоров бывают прямыми и инверсными. Некоторые микросхемы мультиплексоров имеют вход разрешения или запрета S, который при запрете устанавливает на прямом выходе нулевой уровень.
Таким образом, мультиплексор реализует управляемую передачу данных от нескольких входных линий в одну выходную.
Мультиплексоры применяют для следующих операций: коммутации как отдельных линий, так и групп линий; преобразования параллельного кода в последовательный; реализации логических функций; построения схем сравнения; генераторов кодов.
Микросхемы мультиплексоров можно объединять для увеличения количества каналов. Например, два 8-канальных мультиплексора легко объединяются в 16-канальный с помощью инвертора на входах разрешения и элемента 2И-НЕ для смешивания входных сигналов.

мультиплексор с дешифратором

Демультиплексор

Демультиплексор - это логическое устройство, предназначенное переключения сигнала с одного информационного входа D на один из n информационных выходов.
Номер выхода, на который в каждый такт машинного времени передается значение входного сигнала, определяется адресным кодом.
Адресные входы (m) и информационные выходы (n) связаны соотношением n=2 в степени m.
Демультиплексор выполняет функцию, обратную функции мультиплексора.
Например, мы имеем на адресном входе код 00, в этом случае сигнал с входа будет поступать на нулевой выход демультиплексора, при адресном коде 01 - сигнал с входа поступит на первый выход, а при адресном коде 10 - на второй выход демультиплексора и так далее.
Функция демультиплексора на условном графическом обозначении записывается буквами DMX.
Демультиплексоры применяют для следующих операций: коммутации как отдельных линий, так и многоразрядных шин; преобразования последовательного кода в параллельный; реализации логических функций.
Демультиплексоры можно объединять для увеличения количества каналов. При этом число старших адресных разрядов используется дополнительным "ведущим" демультиплексором, который располагается на первом уровне схемы каскадирования. Ведущий демультиплексор определяет поочередное включение одного из демультиплексоров второго уровня.
Демультиплексоры не выпускаются как самостоятельные изделия на интегральных микросхемах. Функцию демультиплексора обычно реализуют на дешифраторах, имеющих входы стробирования.

Схема демультиплексора
с двумя выходами

Схема пятиразрядного
демультиплексора-дешифратора

№18 Генераторы импульсных электрических сигналов.

Генераторы импульсных сигналов Импульсными генераторами называются устройства, преобразующие энергию постоянного источника напряжения в энергию электрических импульсов. Наибольшее применение в импульсной технике имеют генераторы прямоугольных импульсов или релаксационные генераторы. Как известно, основой всех гармонических автогенераторов является линейный усилитель, охваченный частотно- зависимой обратной связью, фазовый сдвиг которой на частоте генерации составляет 360°. В релаксационных генераторах (мультивибраторах) автоколебания возникают за счет охвата усилительных элементов двумя контурами обратной связи – положительной и отрицательной. Положительная ОС обеспечивает лавинообразный переход усилителя из одного крайнего состояния в другое, практически минуя линейную фазу. Отрицательная ОС с некоторой задержкой возвращает усилитель к пороговой точке переключения в противоположное состояние. Релаксационные генераторы могут также иметь одно или два стабильных состояния. В первом случае генератор, называемый одновибратором требует для запуска внешний импульс и, отработав полный цикл, возвращается в исходное состояние. Бистабильный генератор или триггер Шмитта требует внешнего импульса для перехода в каждое из двух устойчивых состояний. 8.1. Генераторы на логических элементах Генераторы прямоугольных импульсов являются неотъемлемой частью большинства цифровых устройств, все счетные процессы в которых осуществляются по тактовым импульсам задающего генератора. В логических схемах в качестве генераторов бывает удобно использовать сами логические элементы. Поскольку логический элемент обладает свойствами усилителя, для перевода его в режим автогенерации достаточно организовать соответствующую обратную связь. На рисунке 8.1.1 приведен пример простейшего релаксационного генератора на двух логических инверторах. Резистор R образует отрицательную обратную связь для инвертора 1, переводя его в режим инвертирующего усилителя, инвертор 2 переворачивает фазу на Рис 180°, а конденсатор C замыкает цепь.8.1.1 89 положительной обратной связи. Процесс переключения генератора показан на рисунке 8.1.2. На верхнем графике показана осциллограмма напряжения на входе первого элемента, на нижнем – выходное напряжение генератора. Период генерации определяется постоянной времени RC и уровнями переключения логического элемента Uпор0 и Uпор1. Рис.8.1.2 Диапазон номиналов сопротивления и емкости определяется типом используемой логики, исходя из входных токов и нагрузочной способности элементов. Для ТТЛ элементов величина сопротивления может лежать в пределах 0.5÷5 кОм, а для КМОП – 1 кОм÷10 МОм. Отсюда видно, что на ТТЛ элементах труднее сделать генератор с большим периодом колебаний - потребуется очень большая величина емкости. Расширить диапазон допустимых сопротивлений можно, используя эмиттерный повторитель (Рис.8.1.3), для которого потребуется три логических элемента, или схему с общим эмиттером (Рис.8.1.4). Рис.8.1.3 Рис.8.1.4 Генератор можно построить и на одном инверторе, если обеспечить необходимый сдвиг фазы пассивными RC-фильтрами (Рис.8.1.5). Нетрудно догадаться, что минимально необходимое число звеньев 1-го порядка равно трем, чтобы обеспечить суммарный сдвиг фазы 180° на частоте генерации. 90 Рис.8.1.5 Все приведенные схемы генераторов не отличаются высокой стабильностью частоты генерации. Помимо стабильности номиналов резисторов и конденсаторов она зависит от напряжения питания, уровней переключения элемента, которые могут значительно «плавать» от температуры и имеют разброс для разных экземпляров. В генераторах с высокими требованиями к стабильности частоты (часах и т.п.) применяются кварцевые резонаторы (или, как их еще называют, «кварцы»). Кварц включается в цепь обратной связи элемента, как показано на рисунке 8.1.6. Колебания возбуждаются на строго определенной резонансной частоте кварца и имеют очень высокую стабильность (конденсаторы C1 и C2 нужны для исключения генерации на кратных гармониках). В настоящее время кварцевые генераторы выпускаются в виде отдельной микросхемы, не требующей дополнительных логических элементов. 8.2. Генераторы одиночных импульсов (одновибраторы) Как уже говорилось, одновибратором называется релаксационный генератор, имеющий одно стабильное и одно квазистабильное состояние. Такие моностабильные генераторы применяются для формирования импульсов заданной длительности по внешнему короткому синхроимпульсу, либо если внешний импульс имеет неопределенную длительность. Пример одновибратора с использованием двух логических элементов приведен на рисунке 8.2.1. Рис.8.1.6 91 Рис.8.2.1 В состоянии покоя на выходе второго элемента присутствует «1» независимо от уровня входного сигнала, поскольку вход второго элемента «отрезан» по постоянному току емкостью C от выхода первого элемента и зашунтирован на «землю» резистором R. Запуск одновибратора происходит по отрицательному перепаду на входе (1→0). На выходе формируется инверсный импульс, длительность которого не зависит от длительности запускающего импульса и определяется только временем релаксации RC звена, в течение которого на входе второго элемента действует сигнал логической «1». Недостатком схем релаксационных генераторов на логических элементах с разделительной емкостью является кратковременное появление на входах элементов отрицательного напряжения, вызванное перезарядкой емкости, которое не является «штатным» режимом работы микросхемы. Защитить элемент на схеме Рис.8.2.1 от отрицательного выброса напряжения можно диодом, включенным параллельно резистору (Рис.8.2.2). Однако при этом возрастает нагрузка на предыдущий элемент. Еще одной разновидностью релаксационного генератора является формирователь по фронту. Его задача – сформировать короткий импульс по фронту либо спаду прямоугольного входного сигнала. Вариант схемы формирователя по отрицательному фронту показан на рисунке 8.2.3. Осциллограммы напряжения в разных точках схемы показаны на рисунке 8.2.4. Короткие инверсные импульсы на выходе устройства появляются в моменты времени, когда на обоих входах второго элемента присутствует уровень логической «1». Номиналы элементов схемы: R=1 кОм, C=3 нФ. Рис.8.2.2 Рис.8.2.3 92 Рис.8.2.4 8.3. Релаксационный генератор на операционном усилителе Генератор прямоугольных импульсов может быть построен на операционном усилителе, если охватить его положительной и отрицательной обратной связью, свойственно релаксационным генераторам. Принцип работы генератора на ОУ не отличается от релаксационных генераторов на логических элементах. Благодаря ПОС, выходное напряжение скачкообразно меняется от положительного до отрицательного напряжения насыщения ОУ, а ООС ограничивает время пребывания в состоянии насыщения, стремясь вернуть усилитель в линейное состояние. Схема генератора прямоугольных импульсов на операционном усилителе приведена на рисунке 8.3.1. Период колебаний зависит от постоянной времени R3C1 и коэффициента положительной обратной связи КПОС, который равен 1 2 2 R R R KПОС + = , и может быть посчитан по формуле:       = + − + = 2 1 2 3 ln1 1 2 1 1 2 ln R R R C K K T ПОС ПОС τ Рис.8.3.1 93 На рисунке 8.3.2 показаны осциллограммы работы генератора по схеме Рис.8.3.1 с номиналами элементов: R1=R2=R1=1 кОм, C1=1 мкФ и напряжением питания операционного усилителя ±12 В. Рис.8.3.2 8.4. Интегральный таймер 555. Существует ряд специализированных микросхем для применения в схемах генераторов различного назначения. Одной из таких удачных разработок является микросхема интегрального таймера 555, которой мы окажем отдельное внимание. Отечественный аналог известен под названием КР1006ВИ1. Впервые таймер был выпущена в 1971 г. фирмой «Signetics» и назывался «микросхема машины времени». Это комбинированная аналого-цифровая микросхема, содержащая все необходимые элементы для построения высокостабильных мультивибраторов, одновибраторов и других импульсных схем. Благодаря своей универсальности, интегральный таймер завоевал большую популярность среди радиолюбителей и профессиональных разработчиков электронных устройств. Внутреннее устройство таймера показано на рисунке 8.4.1 Рис.8.4.1 Он состоит из прецизионного делителя напряжения, обеспечивающего значения напряжения 2/3UПИТ и 1/3UПИТ, двух 94 компараторов, RS-триггера, усилительного двухтактного каскада и вспомогательного транзистора. Напряжение питания таймера – от 4.5 до 15 В, потребляемый ток от 3 до 15 мА в зависимости от напряжения питания. Таймер имеет довольно высокую нагрузочную способность – до 200 мА и может работать непосредственно на обмотку реле и другие «мощные» потребители. Максимальная частота переключения составляет 100 кГц. В настоящее время микросхему выпускает более десятка производителей. В базовом варианте микросхема построена на биполярных транзисторах, но существует и её КМОП аналог – 555С, который имеет существенно меньшее потребление, более низкий порог рабочего напряжения (таймер ZSCT1555 фирмы Zetex работает от 0.9 В!) и более высокое быстродействие – до 1 МГц. Микросхема позволяет с минимальным количеством навесных элементов строить различные функциональные устройства. На рисунке 8.4.2 приведена схема одновибратора на таймере 555. В исходном состоянии на инвертирующем входе компаратора К2 (вывод 2) напряжение равно напряжению питания. Триггер находится в состоянии сброса (Q=0) и выходное напряжение равно нулю. Одновременно, транзистор Т3 открыт и шунтирует на «землю» времязадающую емкость С2. Внешний импульс запуска отрицательной полярности заставляет сработать компаратор К2, который взводит триггер Т. На выходе появляется положительное напряжение, а транзистор Т3 запирается, давая возможность емкости С2 заряжаться через резистор R2. Емкость заряжается до тех пор, пока напряжение на входе 6 не достигнет порога срабатывания компаратора К1, который сбрасывает триггер Т, и схема переходит в исходное состояние. Длительность положительного импульса на выходе микросхемы равна T ≈ 1.1 R2C2 . Рис.8.4.2 95 Другой вариант применения таймера – в качестве мультивибратора приведен на рисунке 8.4.3. Напряжение с времязадающей емкости C подается одновременно на входы компараторов К1 и К2. Это напряжение изменяется в пределах порогов срабатывания компараторов – от 1/3UПИТ до 2/3UПИТ, когда таймер меняет свое состояние на противоположное. Период колебаний генератора равен T ≈ 4.1 RC . Замечательным свойством таймера является его высокая временная стабильность, слабо зависящая от внешних параметров (нестабильность составляет менее 1%). В первую очередь это связано с применением аналоговых компараторов, имеющих высокий коэффициент усиления и позволяющих очень точно задавать пороги переключения. Во-вторых, в схеме применен прецизионный делитель напряжения. В-третьих, длительность выходного импульса практически не зависит от напряжения питания, поскольку цепь опорного делителя напряжения и времязадающая цепь питаются от общего источника напряжения, а значит, при его изменении одновременно меняется зарядный ток емкости и пропорционально меняются пороги срабатывания компараторов. Общий принцип работы всех релаксационных генераторов заключается в сравнении плавно меняющегося напряжения времязадающей емкости с некоторым опорным уровнем. Для получения более высокой стабильности генератора нужно придерживаться нескольких правил: 1. Обычно изменение напряжения на емкости не линейно, а имеет экспоненциальный характер. Сравнение его с опорным уровнем нужно производить в зоне максимальной скорости изменения этого напряжения, так как при этом уменьшается влияние шумового фона напряжения. Этот эффект поясняет рисунок 8.4.4. При более высоком пороговом напряжения UПОР1 «дрожание» момента переключения ∆t1, вызванное шумами в сигнале, меньше, чем дрожание ∆t2 при той же амплитуде шумов, но более низком пороге сравнения UПОР2. Рис.8.4.3 96 Рис.8.4.4 2. Схему нужно проектировать таким образом, чтобы отношение UC/UПОР не зависело от напряжения питания (как это сделано в интегральном таймере 555) 3. Пороговые уровни сравнения не должны зависеть от параметров нелинейных элементов схемы (транзисторов, диодов и т.п.), поскольку сами эти параметры нестабильны – они могут изменяться от температуры, питающего напряжения и даже от одного экземпляра к другому.

№19 Аналого-цифровые и цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Другими словами, АЦП - это устройства, которые принимают аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые.

Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование.

Дискретизация - это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов (дискрет означает отличный, различный). По-другому можно сказать, что дискретизация - это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность.Глянем на рисунок 1, где изображен принцип дискретизации.

Рис. 1 - Принцип дискретизации

На рисунке показана наиболее распространенная равномерная дискретизация. Сначала имеется непрерывный сигнал S(t). Затем он подвергается разбиению на равные промежутки времени Δt. Вот эти промежутки "дельта тэ" и есть дискретные отсчеты, называемые периодами дискретизации. В результате получается последовательность отсчетов (дискретных) с шагом в Δt. По сути в основе дискретизации непрерывных сигналов лежит возможность представления их, т. е. сигналов в виде взвешенных сумм некоторых коэффициентов, обозначим их как ai, иначе называемых отсчетами, и набора элементарных функций, обозначим их как fi(t), используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

Период дискретизации выбирается из условия:

где Fв - максимальная частота спектра сигнала. Это выражение есть не что иное, как теорема Котельникова, которая гласит: Любой непрерывный сигнал можно абсолютно точно восстановить на выходе идеального полосового фильтра (ПФ) с полосой Fв, если дискретные отсчеты взяты через интервал Δt = 1 / 2Fв. А это значит, что частота дискретизации должна быть вдвое больше максимальной частоты сигнала. На практике, например, это хорошо иллюстрирует обычный компакт диск (КД или CD) или, как его называют, AudioCD. КД записывают с частотой дискретизации 44,1 кГц. А это значит, что максимальная верхняя частота будет равна 22 кГц, что, как считается, вполне достаточно для уха человека (помните, частотный диапазон для уха человека равен 20...20 000 Гц).

При квантовании шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования. посмотрим на рисунок:

Рис. 2 - Квантование

На рисунке изображено равномерное квантование. Одним из основных параметров является δ - шаг квантования. Соответственно, при равномерном квантовании шаг квантования одинаков. Итак, согласно определению помещаем отсчеты в подготовленную сетку. Первый (слева направо) отсчет находится ближе к уровню 3 (уровни квантования - по вертикальной оси). Второй - к 5-му уровню и т. п. Таким образом, вместо последовательности отсчетов получаем последовательность чисел, соответствующих уровням квантования.

При равномерном квантовании динамический диапазон получается довольно большим, а это не хорошо. Поэтому придумали так называемое неравномерное квантование, при котором динамический диапазон уменьшается. Шаг квантования δ будет различным при различных уровнях. При малых уровнях сигнала шаг небольшой, при больших он увеличивается. На практике же неравномерное квантование практически не используется.

Кодирование - это сопоставление элементов сигнала с некоторой кодовой комбинацией символов. Широко используется двоичный код.

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. ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков (Audio CD).

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 нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-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 верхних частот для шума квантования.

Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействиедельта-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 плёночных резисторов, расположенных на одной подложке гибридной микросхемы, 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 (то есть наносекунды). В троичных ЦАП матрица постоянного импеданса состоит из резисторов 3R-4R с терминатором 2R .

ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом.

Наиболее важные характеристики ЦАП .

· 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 () уровня, а восьмибитный - 256 () 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 стеоремой 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 компьютерныхзвуковых 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.

№20 Выпрямители напряжения. Основные схемы. Фильтрация в выпрямителях. Импульсные источники питания. Стабилизация напряжения.

Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

• Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.
• Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.
• Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:

• по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.
• По типу выпрямительного элемента – ламповые(кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.
• По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого.
• По назначению –для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.

Основные характеристики выпрямителей:

Основными характеристиками выпрямителей являются.

Логические устройства разделяют на два класса: комбинационные и последовательностные.

Устройство называют комбинационным , если его выходные сигналы в некоторый момент времени однозначно определяются входными сигналами, имеющими место в этот момент времени.

Иначе устройство называют последовательностным или конечным автоматом (цифровым автоматом, автоматом с памятью). В последовательностных устройствах обязательно имеются элементы памяти. Состояние этих элементов зависит от предыстории поступления входных сигналов. Выходные сигналы последовательностных устройств определяются не только сигналами, имеющимися на входах в данный момент времени, но и состоянием элементов памяти. Таким образом, реакция последовательностного устройства на определенные входные сигналы зависит от предыстории его работы.

Среди как комбинационных, так и последовательностных устройств выделяются типовые, наиболее широко используемые на практике.

Шифраторы

Шифратор - это комбинационное устройство, преобразующее десятичные числа в двоичную систему счисления, причем каждому входу может быть поставлено в соответствие десятичное число, а набор выходных логических сигналов соответствует определенному двоичному коду. Шифратор иногда называют «кодером» (от англ. coder) и используют, например, для перевода десятичных чисел, набранных на клавиатуре кнопочного пульта управления, в двоичные числа.

Если количество входов настолько велико, что в шифраторе используются все возможные комбинации сигналов на выходе, то такой шифратор называется полным, если не все, то неполным. Число входов и выходов в полном шифраторе связано соотношением n= 2 m , где n- число входов, m- число выходов.

Так, для преобразования кода кнопочного пульта в четырехразрядное двоичное число достаточно использовать лишь 10 входов, в то время как полное число возможных входов будет равно 16 (n = 2 4 = 16), поэтому шифратор 10×4 (из 10 в 4) будет неполным.

Рассмотрим пример построения шифратора для преобразования десятиразрядного единичного кода (десятичных чисел от 0 до 9) в двоичный код. При этом предполагается, что сигнал, соответствующий логической единице, в каждый момент времени подается только на один вход. Условное обозначение такого шифратора и таблица соответствия кода приведены на рис. 3.35.

Используя данную таблицу соответствия, запишем логические выражения, включая в логическую сумму те входные переменные, которые соответствуют единице некоторой выходной пере­менной. Так, на выходе у 1 будет логическая «1» тогда, когда логическая «1» будет или на входе Х 1 ,или Х 3 , или Х 5 , или Х 7 , или X 9 , т. е. у 1 = Х 1 + Х 3 + Х 5 + Х 7 +X 9

Аналогично получаем у 2 = Х 2 + Х 3 + Х 6 + X 7 у 3 = Х 4 + Х 5 + Х 6 + Х 7 у 4 = Х 8 + X 9

Представим на рис. 3.36 схему такого шифратора, используя элементы ИЛИ.
На практике часто используют шифратор с приоритетом. В таких шифраторах код двоичного числа соответствует наивысшему номеру входа, на который подан сигнал «1», т. е. на приоритетный шифратор допускается подавать сигналы на несколько входов, а он выставляет на выходе код числа, соответствующего старшему входу.

Рассмотрим в качестве примера (рис. 3.37) шифратор с приоритетом (приоритетный шифратор) К555ИВЗ серии микросхем К555 (ТТЛШ).

Шифратор имеет 9 инверсных входов, обозначенных через PR l , …, PR 9 . Аббревиатура PR обозначает «приоритет». Шифратор имеет четыре инверсных выхода B l , …, B 8 . Аббревиатура B означает «шина» (от англ. bus). Цифры определяют значение активного уровня (нуля) в соответствующем разряде двоичного числа. Например, B 8 обозначает, что ноль на этом выходе соответствует числу 8. Очевидно, что это неполный шифратор.

Если на всех входах - логическая единица, то на всех выходах также логическая единица, что соответствует числу 0 в так называемом инверсном коде (1111). Если хотя бы на одном входе имеется логический ноль, то состояние выходных сигналов определяется наибольшим номером входа, на котором имеется логический ноль, и не зависит от сигналов на входах, имеющих меньший номер.

Например, если на входе PR 1 - логический ноль, а на всех остальных входах - логическая единица, то на выходах имеются следующие сигналы: В 1 − 0, В 2 − 1, В 4 − 1, В 8 − 1, что соответствует числу 1 в инверсном коде (1110).

Если на входе PR 9 логический ноль, то независимо от других входных сигналов на выходах имеются следующие сигналы: В 1 − 0 , В 2 − 1 , В 4 − 1, В 8 − 0, что соответствует числу 9 в инверсном коде (0110).

Основное назначение шифратора - преобразование номера источника сигнала в код (например, номера нажатой кнопки некоторой клавиатуры).

Дешифраторы

Называется комбинационное устройство , преобразующее n-разрядный двоичный код в логический сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Число входов и выходов в так называемом полном дешифраторе связано соотношением m= 2 n , где n- число входов, а m- число выходов. Если в работе дешифратора используется неполное число выходов, то такой дешифратор называется неполным. Так, например, дешифратор, имеющий 4 входа и 16 выходов, будет полным, а если бы выходов было только 10, то он являлся бы неполным.

Обратимся для примера к дешифратору К555ИД6 серии К555 (рис. 3.38).

Дешифратор имеет 4 прямых входа, обозначенных через А 1 , …, А 8 . Аббревиатура A обозначает «адрес» (от англ.address). Указанные входы называют адресными. Цифры определяют значения активного уровня (единицы) в соответствующем разряде двоичного числа. Дешифратор имеет 10 инверсных выходов Y 0 , …, Y 9 . Цифры определяют десятичное число, соответствующее заданному двоичному числу на входах. Очевидно, что этот дешифратор неполный.

Значение активного уровня (нуля) имеет тот выход, номер которого равен десятичному числу, определяемому двоичным числом на входе. Например, если на всех входах - логические нули, то на выходе Y 0 - логический ноль, а на остальных выходах - логическая единица. Если на входе А 2 - логическая единица, а на остальных входах - логический ноль, то на выходе Y 2 - логический ноль, а на остальных выходах - логическая единица. Если на входе - двоичное число, превышающее 9 (например, на всех входах единицы, что соответствует двоичному числу 1111 и десятичному числу 15), то на всех выходах - логическая единица.

Дешифратор - одно из широко используемых логических устройств. Его применяют для построения различных комбинационных устройств.

Рассмотренные шифраторы и дешифраторы являются примерами простейших преобразователей кодов.

Преобразователи кодов

В общем случае, называют устройства, предназначенные для преобразования одного кода в другой, при этом часто они выполняют нестандартные преобразования кодов. Преобразователи кодов обозначают через X/Y.

Рассмотрим особенности реализации преобразователя на примере преобразователя трехэлементного кода в пятиэлементный. Допустим, что необходимо реализовать таблицу соответствия кодов, приведенную на рис. 3.39.

Здесь через N обозначено десятичное число, соответствующее входному двоичному коду. Преобразователи кодов часто создают по схеме дешифратор - шифратор. Дешифратор преобразует входной код в некоторое десятичное число, а затем шифратор формирует выходной код. Схема преобразователя, созданного по такому принципу, приведена на рис. 3.40, где использован матричный диодный шифратор. Принцип работы такого преобразователя довольно прост. Например, когда на всех входах дешифратора логический «О», то на его выходе 0 появляется логическая «1», что приводит к появлению «1» на выходах у 4 и у 5 , т. е. реализуется первая строка таблицы соответствия кодов.


Промышленность выпускает большое число шифраторов, дешифраторов и преобразователей кодов, таких как дешифратор 4×16 со стробированием (К555ИДЗ), преобразователь кода для управления светодиодной матрицей 7×5 (К155ИД8), преобразователь кода для управления шкальным индикатором (К155ИД15) и др.

При конструировании систем дистанционного управления, особенно у начинающих радиолюбителей, часто возникает вопрос: какой способ кодирования информации управления выбрать? Самые распространенные способы кодирования информации: число-импульсный и частотно-импульсный. В первом случае команда передается определенным количеством импульсов, которые "обрабатываются" дешифратором и распределяются по каналам исполнительных механизмов . Обычно такие системы кодирования выполняют полностью на микросхемах. Они многокомандные (от 4 до 16 команд). Настроить такую аппаратуру начинающему радиолюбителю трудно. А самое главное, при современной насыщенности диапазона 27-30 МГц аппаратура становится помехонезащищенной, особенно если она собрана по КМОП-технологии.

При частотно-импульсном способе кодирования каждая команда передается определенными частотами, отличающимися друг от друга. При частотно-импульсном кодировании аппаратура более устойчива к помехам. Основным недостатком аппаратуры является ограниченное число команд из-за сложности дешифратора. В дешифраторе используют LC-фильтры. Изготовить и настроить эти фильтры без определенных навыков и оборудования невозможно, это усложняет схему.

Предлагаю читателям несложную аппаратуру дистанционного управления. Она построена по принципу частотно-импульсного кодирования, собрана на микросхемах. Отличительными особенностями являются ее помехоустойчивость и отсутствие ЬС-фильтров в дешифраторе, что делает аппаратуру простой в наладке.

Шифратор (рис.1) собран на четырех микросхемах серии К555. На микросхеме DD1 собран задающий генератор частоты на 1 МГц, стабилизированный кварцевым резонатором ZQ1. На микросхемах DD2, DD3, DD4 собраны делители частоты . Не совсем стандартное включение микросхем выбрано для удобства монтажа и не несет никаких функциональных изменений. Импульсы с частотой следования 1 МГц поступают на вход С2 счетчика DD2 (выв.1).

Счетчик выполняет роль делителя частоты на 16. На выводе 12 DD2 появляется сигнал с частотой 62,500 Гц, который поступает на счетчики DD3 и DD4. На выводе 12 DD3 появляются импульсы с частотой 3906,25 Гц, которые формируют команду 5. На выводах 9, 8, 11, 12 DD4 появляются частоты 1953,125 Гц, 976,5525 Гц, 488,28125 Гц и соответственно образуют команды 3, 4, 1, 2, которые через переключатели S1...S4 подаются на модулятор передатчика при нажатии на одну из кнопок. В отжатом состоянии на модулятор подается команда 5, не несущая информации, так называемая команда сброса.

Для питания схемы использован стабилизатор DA1, так как передатчик обычно питается напряжением +9...12 В. Светодиод н1 служит индикатором включения схемы. Диод VD1 защищает схему от переполюсовки напряжения питания, С2, С3 - помехозащищающие конденсаторы.

Детали.

Резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-0,25. Конденсаторы типа КМ, микросхемы К555 можно заменить на микросхемы К155, но при этом ток потребления схемы увеличивается. Схема собрана на плате из текстолита размером 75х60 мм. На рис.2 приведена печатная плата шифратора.

Наладка. Правильно собранная схема наладки не требует. 0сциллографом и частомером проверяют наличие сигналов в контрольных точках схемы (рис.1): вывод 12 DD2, вывод 12 DD3, вывод 9, 8, 11, 12 DD4. Резисторы R1, R3 определяют стабильную работу задающего генератора. Это зависит от типа кварцевого резонатора.

Дешифратор (рис.3) собран на четырех микросхемах типа К555 и четырех транзисторах VT1 - VT4. Устройство имеет четыре идентичных канала. Рассмотрим работу одного из них. На элементе DD1.1 собран формирователь импульса, который формируется по переднему фронту входного импульса . На элементе DD2.1 собран узел сравнения. Входной импульс поступает на вход В1 (выв.10) микросхемы DD1 и на вывод 12 элемента DD2.1. По переднему фронту входного импульса одновибратора DD1.1 формируется импульс, длительность которого зависит от элементов R3, С1. Номиналы резисторов R3...R10 и конденсаторов С1...С4 подобраны таким образом, чтобы длительность команд шифратора совпадала с длительностью вырабатываемых импульсов одновибраторов дешифратора. На рис.4,а приведена диаграмма работы дешифратора при отсутствии команды.

При поступлении команды 1 на вход дешифратора (рис.4,б) на выводе 5 DD1.1 и на выводе 12 DD2.1 появляются импульсы одинаковой длительности. На выводе 11 DD2.1 при этом будет лог."0", транзистор VT1 закрыт, на выводе 8 DD3.1 - уровень лог."0". При поступлении на вход дешифратора любой другой команды на выводе 5 DD1.1 будут импульсы с постоянной длительностью, на выводе 12 DD2.1 будут импульсы с длительностью, отличной от длительности импульсов одновибратора DD1.1. На выводе 11 DD2.1 появляются импульсы, которые через выпрямитель с удвоением напряжения, С5, С6, VD1, VD2 открывают транзистор VT1, на выводе 8 DD3.1 появляется уровень лог.Т. Емкость конденсаторов С5 и С6 подобрана таким образом, чтобы при изменении длительности импульсов в пределах частот поступающих команд на базу транзисторов VT1 - VT4 поступало выпрямленное напряжение, не влияющее на работу элементов DD3.1 - DD3.4. Аналогично работают и остальные каналы дешифратора, настроенные на длительности соответствующих команд резисторами R3...R10 и конденсаторами С1 ...С4. При отсутствии команды управления на вход дешифратора поступает команда сброса, формирующая единицы на выходах DD3.1...DD3.4. При поступлении помех происходит то же самое, что и при поступлении команды сброса. Благодаря применению в дешифраторе вышеописанного способа, пропускная способность фильтров команд составляет от ±20 Гц (команда 1) до ±240 Гц (команда 4), а частоты команд в ЬС-фильтрах - от нескольких сотен герц и выше (в зависимости от типа схемы), что является еще одним поме-хозащищающим фактором.

Детали. Резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-0,25; подст-роечные резисторы типа СП5-1, СП5-2, СП5-3; конденсаторы С1-С3 типа КМ с наименьшим ТКЕ; диоды - КД503, КД509; транзисторы КТ315 с любым буквенным индексом.

Микросхемы серий К555 можно заменить на К155, К1533, микросхему К555ТЛ3 - на К135ЛА3, но при этом ухудшается "крутизна" фронтов импульса команды. Электролитические конденсаторы импортного производства. Схема собрана на плате из стеклотекстолита размером 75х60 мм (рис.5).

Наладка. Правильно собранная схема начинает работать сразу. После проверки правильности монтажа подключают настроенный шифратор к дешифратору. Подавая по очереди команды резисторами r4, R6, R8, R10, настраивают каналы дешифратора. Включение светодиодов Н1-Н2 облегчает процедуру наладки. При срабатывании команды соответствующий светодиод светится. Далее осциллографом контролируют импульсы соответствующего канала. Для первого канала на выводах 12, 13 DD2.1 длительности импульсов должны быть одинаковые, при этом на выводе 11 DD2.1 должен быть уровень лог."0". При необходимости более точно настройку повторяют резистором R4 и конденсатором С1. Остальные каналы настраивают идентично.

Литература:

1. Проскурин А. А. Модульная аппаратура радиоуправле-ния.М.: ДОСААФ СССР, 1988.

2. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы.-М.:Радио и связь,1989.

3. Миль Г. Модели с дистанционным управлением.-Л.: Судо-строение,1984.

Программы