Генератор формування електричних сигналів

У комп'ютері XT застосовувалася  шина з розрядністю даних 8 біт і адреси 20 біт. У комп'ютерах AT шину розширили до 16 біт даних і 24 біт адреси. У такому вигляді вона існує і понині як сама поширена шина для периферійних адаптерів.

Шина забезпечує своїм абонентам можливість відображення 8- або 16-бітних регістрів на простір вводу/виводу і пам'яті.

Діапазон адрес  вводу/виводу зверху обмежений кількістю  біт адреси, що використовуються для  дешифрації, нижній кордон обмежений  областю адрес 0 - FFh, зарезервованих під пристроїв системної плати. У PC була прийнята 10-бітна адресація введення/виведення, при якій лінії адреси А[15:10] пристроями ігнорувалися. Таким чином, діапазон адрес пристроїв шини ISA обмежується областю 100h - 3FFh

Типове підключення деякої функціональної мікросхеми (наприклад, i8255 — KP580BB55) до шини ISA, що добре ілюструє принципи з'єднання пристроїв мікропроцесорної техніки приведене на  рисунку 5. 

 

Рисунок 5 –Функціональна схема підключення  мікросхеми i8255  (KP580BB55) до шини ISA

 

Для з'єднання зовнішнього  пристрою з мікропроцесором завжди є шина даних (Data Bus), шина адреси (Address Bus) і шина керування (Control Bus).

Призначення шини даних зрозуміло  з її назви. Пристрій, що підключається, звичайно має свій буфер даних. Цей  буфер відкривається сигналом OE# (Output Enable — дозвіл виходу), якщо на шині адреси присутня адреса, що відноситься до діапазону пристрою, що підключається. «Черговим» напрямком передачі є напрямок від шини до пристрою, а переключення в зворотну сторону виробляється по сигналі IORD# шини керування.

Таким чином, буфер має право передавати дані на шину (керувати шиною даних) тільки під час дії сигналу читання, що відноситься до зони адрес даного пристрою. Якщо пристрій, що підключається, приписаний до простору пам'яті, то в логіці керування напрямком був би присутній  сигнал MEMRD#. 

Дешифратор адреси призначений  для виявлення зони адрес, що відноситься  до пристрою, що підключається. Якщо пристрою потрібно більш однієї адреси, молодші  лінії адреси (у даному прикладі — А0 і А1), використовуються для  декодування адреси усередині пристрою. Інші лінії надходять на вхід комбінаційної схеми (чи програмувальної логічної матриці), що формує сигнал звертання до пристрою, традиційно називаний CS# (Chip Select).

Шина керування в приведеній схемі представлена сигналами IORD# (читання порту), IOWR# (запис у порт) і AEN. Склад цих сигналів може бути розширений сигналами звертання до пам'яті MEMRD# і MEMWR#, а також сигналами запитів переривань, керування каналами прямого доступу і іншими.

Таким чином, підключення ВІС ППА  до шини ISA реалізується описаним способом, за виключенням керуючого сигналу IORD# та буфера шини даних.

На рисунку 6 приведена функціональна  схема ВІС МАХ038.

Рисунок 6 – Функціональна схема  ВІС МАХ038

 

Вона містить генератор сигналів трикутної форми 1, формувач керуючого струму 2 для генератора, джерело опорної напруги 3, перетворювач 4 сигналів трикутної форми в синусоїдальну (з рівнем перекручувань не більш 0,75 %), компаратор 5, формуючий прямокутні імпульси (меандр), мультиплексор 6 і підсилювач 7 (з вихідним опором 0,1 Ом), Крім того, у її склад входять компаратор 8, формуючий синхроімпульси і фазовий детектор 9.

Частота генерації визначається ємністю  конденсатора (від 20 пФ до сотень мікрофарад), підключеного до входу COSC  і величиною  струму (від 2 до 750 мкА) на вході ІІN, так що діапазон частот простирається від часток герца до 10…20 МГц. Крім того, частоту можна змінювати в межах ±70 % подачею на вхід FADJ напруги ± 2.4 В. При цьому шпаруватість імпульсів не змінюється. Подачею на вхід DADJ напруги ±2,3 В можна змінювати шпаруватість від 10 до 1,1, при цьому частота не змінюється.

Подачею керуючих сигналів з рівнями  ТТЛ на входи А0, А1 мультиплексора забезпечується проходження через  нього одного із сигналів: синусоїдального, трикутного, імпульсного чи прямокутного. Вихідний підсилювач забезпечує стабільну амплітуду сигналів різної форми (1 В) при струмі навантаження до ±20 мА.

 

 

4 Вибір елементної  бази генератора

 

 

  При розробці будь-якого   пристрою вибір елементної бази  для нього виконується на основі таких параметрів електрорадіоелементів як швидкодія, надійність, потужність споживання, доступність, умови експлуатації, тривалість роботи на відмову. Згідно з вихідними даними, пристрій, що розробляється, призначений для експлуатації в лабораторних умовах. Тому при його розробці  пріоритетними характеристиками елементної бази є: надійність,  низька потужність споживання, напруга живлення  5 В (ТТЛ-рівні)  та низька вартість.

Беручи до уваги, що вибір спеціалізованої  ВІС-генератора був зроблений в попередньому підрозділі зупинимося на виборі інших ІС пристрою, а саме:

• ППА;
• ЦАП;
• комутатора;
• дешифратора адреси ППА.

 

_{Основним елементом  схеми генератора є ВІС програмованого паралельного адаптера, в якості якої виберем ВІС КР580ВВ55, умовно-графічне зображення якої приведене на рисунку 6.}

 

_{Рисунок 6 – УГЗ ВІС ППА  КР580ВВ55}

 

У ППА входять схема керування  вводом-виводом і двонаправлений буфер даних, призначений для  підключення внутрішньої шини ППА  до шини даних мікропроцесорної системи. ППА також містить три 8-розрядних порти (А, В и С), що призначені для організації обміну між мікропроцесором і зовнішніми пристроями. Порт А складається з вихідного і вхідного 8-розрядних синхронних регістрів і двонаправленого шинного формувача. Порт В містить вхідний-вихідний 8-розрядний синхронізований регістр і двонаправлений шинний формувач. Порт С складається з двох вхідних і двох вихідних 4-розрядних регістрів, двох двонаправлених шинних формувачів і двох схем керування розрядами порту С. Порт А, 4-розрядний порт С (старші розряди) і схема керування групою А складають незалежну групу А и можуть розглядатися як незалежний 12-розрядний порт. У свою чергу, таку ж групу (групу Д) утворять порт В, чотирьохрозрядний порт С (молодші розряди) і схема керування групою В. Кожна схема керування групою дешифрує інформацію, що надходить з регістра керуючого слова, і виробляє сигнали для керування своєю групою.

Таким чином, для комутації частотних  діапазонів використаєм порт В ППА (біти [0-2] порта), для регулювання частоти – порт А (біти [0,1]), для перемикання форми вихідного сигналу – молодші біти порта С (біти РС0, РС1).

  _{Наступним компонентом схеми генератора є цифро-аналоговий перетворювач, параметри якого визначають точність встановлення вихідної частоти.}

   ЦАП являє собою пристрій, з допомогою якого формується вихідний аналоговий сигнал А при дії на його входи цифрового коду D  і зразкового сигналу  Р, тобто А=Р*D.

            Так як код D являє собою N-розрядне двійкове слово ( b12-¹ + b22-² + ... bn2-ⁿ ), то  вихідний сигнал дорівнює :

А =P( b12-¹ + b22-² + ... + bi2-² + ... +... bn2-ⁿ),

 де коефіцієнти b1, b2, bi, bn дорівнюють 0 чи 1 взалежності від потрібного значення А.

Цифроаналоговий перетворювач, рисунок 7, складається з генераторів струму Go, G1, G2,..., Gn..., gn, які живляться від джерела опорної напруги U_R (через перемикачі SWo, SW1, SW2,..., SWn,..., SWN і вимірювального перетворювача струм — напруга на операційному підсилювачі А1 з резистором R₀ у колі зворотного зв'язку. Струм кожного наступного генератора струму вдвічі більший від струму попереднього генератора, тобто струми генераторів відповідають розрядам двійкової системи числення.

 

Рисунок 7 – Загальна структура  ЦАП

 

 

Якщо на перемикач подати управляючий  сигнал «логічна одиниця», то струм відповідного генератора спрямовується у шину додавання підсилювача А1, у випадку «логічний нуль» — на спільну шину. Сукупність сигналів керування перемикачами становить N — розрядне двійкове число.

Таким чином, вихідний сигнал Uвих перетворювача буде прямо пропорційний двійковому N-розрядному числу: Uвих = βn.

Резистори ЦАП включені за стандарною матричною схемою R-2R. Така матриця має таку властивість, що її опір праворуч від будь якої точки розгалуження дорівнює 2R, тому струми, що у двох сусідніх резисторах 2R, відрізняються у два рази, тобто І₂=2І₁, І₃=2І₂, …,І₁₀=2І₉ і т.д.

Згідно з описом ВІС  МАХ380  ЦАП повинен мати діапазон вихідних напруг  ± 2,4 В. Крок вихідної напруги визначає дискретність регулювання частоти. Приймемо дискретність частоти – 256. Отже, необхідно мати 256 значень вхідного цифрового коду. Крім того, даний ЦАП повинен забезпечувати похибку  встановлення  вихідної  напруги,  яка   визначає  стабільність  частоти   ± 0,5 %.  

На сьогодніший час надзвичайно обширною є номенклатура ЦАП зарубіжних фірм. Одним з ведучих  виробників цієї елементної бази є фірма. Advanced Technology. В таблиці 1 приведені параметри деяких ЦАП цього виробника.

 

Таблиця 1 - Параметри прецизійних  ЦАП 

 

Тип ЦАП	Кількість ЦАП в корпусі	Розрядність	Формат вхідного коду	Вихід	Напруга живлення	Рівень опорної напруги, В	Тип корпусу
AD7801	1	8	Параллельний	напруга	2.7...5.5	1.80	20-TSSOP
AD5530	1	12	SPI	біпол. напруга	12/-12	4.25	16-TSSOP
AD5553	1	14	SPI	струм	5	6.50	8-MSOP
А05543	1	16	SPI	струм	5	9.94	8-MSOP
AD7849	1	16	последоват.	біпол. напруга	5/15/-15	8.93	20-SOIC
AD7302	1	8	параллельный	біпол. напруга	2.7...5.6	2.50	20-TSSOP
AD5302	2	8	SPI	напруга	2.5...5.5	1.95	10-MSOP
AD7303	2	8	последоват.	напруга	2.7...5.5	2.35	8-MSOP
AD5313	2	10	SPI	напруга	2.5...5.5	2.85	16-TSSOP
AD5323	2	12	SPI	напруга	2.5...5.5	4.50	16-TSSOP
AD5304	4	8	SPI	напруга	2.5...5.5	2.95	10-MSOP
AD5305	4	8	PC	напруга	2.5...5.5	2.95	10-MSOP
AD5314	4	10	SPI	напруга	2.5...5.5	3.55	10-MSOP
AD5583	4	10	параллельный	біпол. напруга	± 5	10.24	48-TSSOP
Примітка: найнижча точність перетворення для даних ЦАП складає 0,1 %

Аналіз параметрів ЦАП, приведених в таблиці 1 показує, що найдоцільнішим вибором буде ЦАП AD7302. Умовно-графічне зображення цього приладу приведене на рисунку 8.

Рисунок 8 – Умовно-графічне зображення ЦАП AD7302

 

До складу багатьох серій  мікросхем входять ІС, призначені для замикання і розмикання певних електричних кіл з допомогою дискретних керуючих сигналів. На практиці широко застосовують ключі на біполярних транзисторах, виконаних у вигляді ІС серій К124, К162, К743, К435, КР590. Найкращі параметри мають аналогові мультиплексори серії КР590. Для реалізації комутатора на 8 входів застосуємо мікросхему КР590КН6,  рисунок  9.

В таблиці 2 приведені основні параметри  вибраного комутатора.

 

Таблиця 2 – Параметри комутатора КР590КН6

Параметр	Значення параметру
Напруга живлення, В	± 5…±15
Опір відкритого ключа, Ом	300
Час включення, нс	300
Струм споживання, мА	1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9 – Умовно-графічне зображення комутатора

 

В якості дешифратора адреси виберем ІМС типу К555ИД7, УГЗ якої приведене на рисунку 10.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок  10 – Умовно-графічне зображення дешифратора 

 

Технічні характеристики всіх інтегральних мікросхем генератора приведені в таблиці 3.

 

Таблиця 3 – Параметри мікросхем  генератора

Тип ІМС	Параметр
	Напруга живлення, В	Струм споживання, мА
МАХ 038	+5	20
AD7302	+2,7…+5,6	12
КР580ВВ55	+5	120
К555ИД7	+5	10
К555ЛЛ1	+5	8
КР590КН2	±5…±12	1