Структурные схемы ИС с аналоговой и цифровой передачей сигнала
Для измерения небольшого количества величин с относительно невысоким быстродей- ствием, характерна структурная схема, приведенная на рис. 3.3.
Рис.3.3. Измерительная система с аналоговой передачей информации
Передача по КС информации в цифровой форме отличается большой помехозащищен- ностью. На рис. 3.4 представлена структурная схема системы с цифровой передачей инфор- мации.
Рис. 3.4. Измерительная система с цифровой передачей информации
Выбор точности.
Рис. 4.1 Схема полей допусков
Применение средств контроля приводит к уменьшению конструкторского (табличного допуска) Т на изготовление детали
Таким образом, чем точнее технологический процесс, тем меньше неправильно принятых деталей по сравнению с неправильно забракованными, так как m 
n 0,1...1,1.
Принцип инверсии.
Принцип инверсии устанавливает связь между технологическим процессом, процессом контроля и выполнением функций при эксплуатации.
Принцип Тейлора
Следовательно, любое изделие должно быть проконтролировано по крайней мере два- жды - по двум схемам контроля: с помощью проходного и непроходного калибров.
Принцип Аббе
Минимальные ошибки измерения возникают, если контролируемый геометрический элемент и элемент сравнения находятся на одной линии - линии измерения. Этот принцип справедлив для поступательно перемещающихся звеньев. Последовательное расположение контролируемого и образцового элемента по одной линии приводит к увеличению габарит- ных размеров СИ, поэтому в ряде случаев применяют параллельное расположение сравни- тельных элементов, но и тогда нужно соблюдать условия, при которых ошибки измерения минимальны.
|
|
|
Аттенюаторы
Аттенюатор применяется в том случае, когда измеряемый сигнал слишком велик для непосредственного измерения. Эта операция не должна допускать искажения сигнала и свя- занной с этим потери измерительной информации.
Аттенюатор сдвигает входной динамический диапазон измерительной системы в сторо- ну более высоких уровней сигнала. Аттенюатор можно реализовать в виде резисторной цепи
Входные аттенюаторы
Часто измеряемый сигнал проще всего ослабить непосредственно на входе измеритель- ного прибора с использованием его входного импеданса Zi.
Делители напряжения
Аттенюатор, включенный между источником напряжения и высокоимпедансным вхо- дом прибора, обычно называется делителем напряжения.
а б
Рис. 5.2. (а) Применение потенциометра в качестве делителя напряжения. (б) Резистор- ная декада с пошаговым переключением в качестве делителя напряжения
|
|
|
На рис. 5.2, а показан простой потенциометр, используемый в качестве делителя
Характеристические аттенюаторы
В высокочастотных или широкополосных измерительных системах, рассчитанных на работу с определенным характеристическим сопротивлением, следует применять характе- ристические аттенюаторы. Этот тип аттенюатора обеспечивает требуемое ослабление только в том случае, когда применяется совместно с точно определенным (характеристиче- ским) сопротивлением нагрузки. Поэтому источник, сигнал которого подается на вход атте- нюатора, должен иметь конкретное выходное сопротивление.
а б
Рис. 5.3. (а) Характеристический аттенюатор, состоящий из одного Т-образного звена.
(б) Симметричное Т-образное звено. Rc
- характеристическое сопротивление
Для идеального трансформатора отношение числа витков п полностью определяет как коэффициент передачи напряжения, так и коэффициент передачи тока.
,
Для ослабления высоких напряжений и больших токов обычно применяют трансформа- торы,
а б
Рис. 5.4. (а) Идеальный трансформатор. (б) Более реалистический электрический эквива- лент трансформатора
Фазов
|
|
|
усилители
Когда речь заходит об усилителях, то обычно имеют в виду усилители электрических сигналов.
Измерительные усилители, в отличие от упомянутых усилителей для силовых устройств, являются измерительными преобразователями и должны обладать стабильными метрологи- ческими характеристиками. Они, в первую очередь, различаются видом используемого ак- тивного элемента.
Рис 5.37. Усилительные каскады. а - ламповый, б - транзисторный, в – магнитный.
Существуют ламповые, транзисторные, магнитные усилители (см. соответствующие схемы рис. 5.37), а также усилители на основе элементов с отрицательным сопротивлением и регулируемым реактивным сопротивлением, на туннельных диодах и молекулярные.
Для ламповых усилителей характерны высокое входное сопротивление и малый сеточ- ный ток,
Транзисторы, по сравнению с лампами, потребляют намного меньше мощности, имеют значительно больший срок службы и еще ряд преимуществ, в том числе миниатюрное ис- полнение.
Магнитные усилители (рис. 5.37, в) в измерительной технике применяют лишь в тех случаях, когда необходимо усилить электрическую мощность порядка 10 -11 Вт до единиц и сотен Вт.
Операционные усилители
|
|
|
Операционный усилитель (ОУ) - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Условное обозначе- ние, принятое для всех типов операционных усилителей - представлено на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Условное обозначение операционного усилителя
Входы обозначают (+) и (-).
Важнейшие правила, которые определяют поведение операционного усилителя охва- ченного петлей обратной связи, формулируются следующим образом:
Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений меж- ду его входами была равна нулю.
Входы операционного усилителя ток не потребляют. Рассмотрим основные схемы включения операционных усилителей.
Инвертирующий усилитель
Рис. 3.4. Схема инвертирующего усилителя
Рассмотрим схему на рис. 3.4. Воспользовавшись сформулированными выше правилами
Недостаток инвертирующего усилителя состоит в том, что он обладает малым входным импедансом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых резистор R 1как правило, бывает небольшим.
Неинвертирующий усилитель.
Рис. 3.5. Схема неинвертирующего усилителя
Детекторы среднего значения
Когда говорят о среднем значении переменного напряжения, фактически имеют в виду среднее по абсолютной величине значение переменного напряжения или среднее значение его амплитуды. Это точно соответствует среднему значению сигнала на выходе двуполярно- го выпрямителя, что позволяет воспользоваться схемой, изображенной на рис. 3.57.
Отсюда следует нежелательная нелинейность характеристики: ток через измерительный прибор становится равным нулю при малых входных напряжениях.
Детекторы среднеквадратического значения
Среднеквадратическое значение является мерой, часто применяемой в качестве характе- ристики переменных сигналов. Эта мера используется как в случае детерминированных, так и в отношении случайных сигналов (то есть шума). Среднеквадратическое значение - это квадратный корень из среднего значения квадрата величины. Такая схема способна реализовать нелинейное преобразование входного напряжения Vi. Выходной сигнал V0 может быть произвольной монотонной функцией Vi.
Пример одной из таких диодно-резисторных схем приведен на рис. 3.59.
Схемы такого типа часто применяются для коррекции нелинейных датчиков.
Другой метод измерения среднеквадратического значения сигнала состоит в определе- нии количества рассеиваемого тепла.
Среднеквадратическое значение переменного напряжения можно измерить точно, ис- пользуя два идентичных термоспая в схеме, где осуществляется компенсация выходного напряжения,
Триггеры
Триггером называют устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием внешних сигналов переключаться из одного состояния в другое. При этом напря- жение на его выходе изменяется скачкообразно.
В общем случае триггер содержит собственно элемент памяти и входную комбинацион- ную схему, преобразующую входные сигналы триггера в сигналы, требуемые для уп- равления элементом памяти. Триггер имеет два выхода: прямой Q и инверсный Q.
Существующие типы триггеров классифицируются по различным признакам. Наиболее часто используется классификация по типу используемых информационных входов. Приня- ты следующие обозначения входов триггеров:
RS-триггеры
RS-триггер - это триггер с раздельной установкой состояний логического нуля и логиче- ской единицы (с раздельным запуском). Он имеет два информационных входа S и R. По вхо- ду S триггер устанавливается в состояние Q =1 (Q =0), по входу R - в состояние Q =0 (Q =1).
Асинхронные RS-триггеры. В асинхронных триггерах срабатывание происходит непо- средственно в момент изменения сигнала на информационных входах. Асинхронные RS- триггеры являются наиболее простыми.
D-триггеры
D-триггер или триггер задержки передает информацию со входа на выход при появле- нии синхронизирующего импульса. Поэтому момент смены информации на выходе задержан относительно момента смены на входе на время прихода синхросигнала. D-триггер имеет один информационный вход. Поскольку смена информации в D-триггере происходит по синхросигналу, то этот триггер может быть только синхронным.
Счетный T-триггер
Т-триггер — это триггер со счетным входом. Он имеет один информационный вход. При приходе активного сигнала Т-триггер меняет свое состояние на противоположное и сохраня- ет предыдущее значение при отсутствии сигнала на входе.
Триггер принимает новую информацию и сразу же передает ее по цепи обратной связи на вход.
Триггеры с динамическим управлением
В триггерах с динамическим управлением срабатывание происходит по фронту синхро- низирующего сигнала. Поэтому процессы, связанные с переключением, происходят в тече- ние короткого времени вблизи фронта сигнала на синхронизирующем входе только при пе- репаде тактового сигнала.
Двухступенчатые триггеры
Триггеры с двухступенчатым запоминанием информации состоят иp двух триггерных структур. Одна называется ведущий триггер, другая - ведомый триггер (рис. 3.16).
В двухступенчатом триггере устраняется противоречие между процессами хранения старой и приема новой информации. Это дает возможность построения синхронных автома- тов без опасных временных состояний, исключить предпосылки к режиму генерации. Позво- ляет обеспечить высокую надежность функционирования триггеров с внутренними цепями обратной связи.
JK-триггер
JK-триггеры - это двухступенчатые универсальные синхронные триггеры. Универсаль- ность заключается в том, что на их основе можно сделать любой другой, тип логических триггеров RS, D, Т.
Отличие от RS-триггера заключается в том, что JK-триггер не имеет запрещенных вход- ных комбинаций. Если на оба входа J и К подать активный логический уровень, то триггер
перейдет в состояние, противоположное предыдущему: Qn 1= Qn
при J=К=1.
Входной сигнал зависит не только от состояния входных сигналов, но и от предыдущего состояния JK-триггера. Таблица 3.8 переходов JK-триггера показана при условии, что актив- ным уровнем является логическая единица.
Таблица 3.8 Таблица переходов JK-триггера
| J | K | C | Qn 1 |
| - | - | Qn | |
| Qn | |||
| Qn |
Регистры
Регистром называется устройство, предназначенное для записи, хранения и (или) сдвига информации, представленной в виде многоразрядного двоичного кода (от английского - Reg- ister).
Из определения вытекает, что регистры должны содержать элементы памяти и, следова- тельно, строятся на триггерах. Также в регистрах используются вспомогательные элементы в виде комбинационных схем для управления работой триггеров.
параллельные - информация записывается и считывается только в параллельной форме;
Сдвиговые регистры могут быть однонаправленные, когда записанную информацию сдвигают только в одном направлении, и двунаправленные, в которых информация сдвигает- ся как вправо, так и влево. Для таких регистров предусматривается специальный вход вклю- чения режима направления сдвига.
Параллельный регистр
В параллельных регистрах прием и выдача двоичных слов осуществляется по всем раз- рядам одновременно. Поэтому триггеры, соответствующие разным разрядам не связаны между собой
Каждый триггер в параллельном регистре имеет свои независимые входы и выходы.
Сдвиговые регистры
В сдвиговом (последовательном) регистре триггеры соединены последовательно, т. е. выходы предыдущего триггера передают информацию на входы последующего.
В сдвиговых регистрах используются только двухступенчатые триггеры или триггеры с динамическим управлением.
.
Кодирующие устройства Преобразователи кодов
В цифровых устройствах часто возникает необходимость преобразования информации из одной двоичной системы в другую (из одного двоичного кода в другой).
На аппаратном уровне задачу преобразования информации из одного кода в другой вы- полняют комбинационные устройства - преобразователи кодов.
Преобразователь кода - комбинационное устройство, предназначенное для изменения вида кодирования информации (английское — converter).
Шифраторы
Шифратор преобразует сигнал, поданный только в один входной провод, в выходной параллельный двоичный код на выходах шифратора. Шифратор также называют кодером (CD). Таким образом, подача сигнала на один из входов приводит к появлению на выходах двоичного числа, соответствующего номеру возбужденного входа.
Применение шифраторов приводит к сокращению количества сигналов в цифровых устройствах (линий передачи).
При работе шифратора в составе цифрового устройства возможен приход сигналов на несколько входов.
Дешифраторы
Дешифратор преобразует код, поступающий на его входы, в сигнал только на одном из его выходов, т. е. двоичные дешифраторы преобразуют двоичный код в код «1 из N». Актив ным всегда является только один выход дешифратора, причем номер этого выхода одно- значно определяется входным кодом.
Дешифраторы относятся к комбинационным устройствам.
Дешифраторы различаются по емкости, по числу каналов, а также форматом выходного код На основе дешифраторов можно строить различные схемы преобразования кодов: муль- типлексоры, демультиплексоры, формирователи произвольных логических функций, Схемы управления различными индикаторными устройствами и т. д.
Компараторы кодов
Цифровой компаратор - комбинационное устройство, предназначенное для сравнения двоичных слов.
Компаратор выполняет следующие действия над двумя двоичными словами: F (А=В) - равенство двоичных слов А и В;
F (А>В) - слово А больше слова В; F (А<В) - слово А меньше слова В.
Рассмотрим компаратор, приведенный на рис. 3.31. и представляющий собой схема сравнения двух четырехразрядных слов. Результатом является обнаружение одного из трех возможных состояний: А<В, А=В, А>В.
Мультиплексоры
Устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу, называется мультиплексором.
Мультиплексор имеет информационные входы (D 0, D 1,...), адресные входы (A 0, A 1,...), вход С для подачи стробирующего сигнала и один выход Q.
Мультиплексор представляет собой двухступенчатое устройство, выполненное на осно- ве инверторов и схем типа И-ИЛИ, И-ИЛИ-НЕ, которые используют стробирующие свойства функции И аргументов канала информации и адреса.
Максимальное число информационных входов мульти- плексоров, выполненных в виде интегральных схем, равно 16. Если требуется построить мультиплексорное устройство с большим числом входов, можно объединить мультиплек- соры в схему так называемого мультиплексорного дерева
Демультиплексор
Демультиплексоры выполняют операцию, обратную операции мультиплексоров - пере- дают данные из одного входного канала в один из нескольких каналов приемников. Демуль- типлексор имеет один информационный вход и несколько выходов и осуществляет коммута- цию входа к одному из выходов, имеющему заданный адрес (номер).
Счетчики
Счетчиком называется устройство, предназначенное для счета входных импульсов и фиксации их числа.
Основное функциональное назначение счетчиков:
счет импульсов, поступивших на вход;
деление частоты.
Из определения и логики работы счетчиков следует, что их текущее состояние зависит не только от нового пришедшего импульса, но также и от количества предыдущих импуль- сов. Значит, счетчики относятся к устройствам с памятью.
В счетчиках выполняются следующие логические операции:
установка в нулевое состояние (сброс);
запись входной информации в параллельной форме - начального кода, с которого начинается счет;
хранение записанной информации;
выдача хранимой информации в параллельной форме;
инкремент - увеличение хранящегося числа на единицу;
декремент - уменьшение хранящегося числа на единицу.
Основным параметром счетчика является модуль счета М, равный максимальному числу импульсов, после которых счетчик устанавливается в исходное состояние (обнуляется) и начинается новый цикл работы счетчика.
По направлению счета счетчики бывают:
суммирующие (прямого счета), в которых происходит увеличение состояния счетчика -
инкремент;
вычитающие (обратного счета), в которых состояние счетчика уменьшается - декре- мент;
реверсивные, которые по управляющему сигналу могут как увеличивать, так и умень- шать свое состояние.
Двоично-кодированные счетчики с произвольным модулем счета
. Из них наиболее часто встречаются дво- ично-десятичные счетчики, поскольку десятичная система счисления является общеприня- той.
Наибольшее распространение при построении таких счетчиков получили:
метод исключения лишних состояний;
метод управляемого сброса.
Первый метод основывается на алгоритме синтеза цифрового устройства.
Гораздо чаще на практике применяют метод управляемого сброса. Для реализации дан- ного алгоритма пригоден любой двоичный счетчик, имеющий входы сброса и начальной установки. Идея метода состоит в принудительном формировании сигнала сброса триггеров разрядных схем двоичного счетчика при появлении на его выходе кода, совпадающим с тре- буемым модулем счета М.
Сумматоры
Сумматоры выполняют арифметическую операцию сложения двух чисел.
Они имеют как самостоятельное значение, так и являются составной частью арифмети- ческо-логического устройства (АЛУ).. Например, вычитание - это суммирование с использованием дополнительного либо обратного кода, умножение сводится к сдвигу и сложению (суммированию) двоичных чисел.
По числу выводов различают: полусумматоры, одноразрядные сумматоры, многораз- рядные сумматоры.
Одноразрядный сумматор имеет три входа и два выхода, предназначен для сложения двух одноразрядных слов и формирует сигнал выхода и сигнал переноса в старший разряд из входных слов и сигнала переноса из младшего разряда.
Многоразрядный сумматор предназначен для сложения многоразрядных слов.
Дата добавления: 2015-12-16; просмотров: 106; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!