Сушкин И.Н. Вычислительная техника и информационные технологии. Курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

измерения АЧХ аналоговых систем с последующей обработкой данных на

вычислителе и возможностью перестройки входного сигнала по амплитуде и

частоте.

Вычислитель Интерфейс АЦП

Аналоговое

устройство

Перестраиваемый

генератор

Рис. 1.33. Структурная схема

Низкий уровень шумов, обеспечиваемый интегрирующими АЦП в

процессе преобразования аналоговых сигналов, делает их незаменимыми для

применения в щитовых приборах, мультиметрах, цифровых термометрах и т. п.

С увеличением разрядности и быстродействия АЦП и ЦАП области

применения значительно расширились. На рис. 1.34 представлена

структурная схема блока цифровой обработки сигналов. Структурная схема

ЦОС реализуется аналого–цифровым преобразователем (АЦП), цифровым

вычислительным устройством (ЦВУ), цифроаналоговым преобразователем

(ЦАП) и сглаживающим фильтром (СФ).

Дискретизация

по времени

Квантование

по уровню

Кодирование

СФ ЦАП ЦВУ

АЦП

X(t)

Y(t)

Рис. 1.34. Структурная схема блока цифровой обработки сигналов.

1.3.2.2. Электрические параметры, эксплуатационные характеристики

АЦП и ЦАП

Параметры, характеризующие динамическую точность.

В общем случае учитываются число разрядов b, нелинейность δ

дифференциальная нелинейность

, абсолютная погрешность

преобразования в конечной точке шкалы δ

, входные и выходные

напряжения высокого уровня U

, U

, токи потребления I

число каналов С, максимальная частота входного напряжения F

максимальная частота преобразования F

, время преобразования T

, время

установления по току и по напряжению T

и T

, диапазон рабочих

температур

∆

Перечисленные параметры наиболее точно описывают работу

преобразователей в статическом и динамическом режимах при воздействии

внешних факторов.

Под разрядностью ЦАП и АЦП понимается разрешающая способность,

определяемая числом уровней квантования 2

, на передаточной

характеристике ЦАП или АЦП. На быстродействие ЦАП влияет

максимальное время установления по току или по напряжению. В свою

очередь быстродействие АЦП определяется типовым или максимальным

временем преобразования T

. Под типовым понимается среднее

статистическое значение параметра.

Нелинейность – отклонение сглаженной характеристики квантования

АЦП от идеальной прямой во всем диапазоне изменения входного сигнала.

Время преобразования – это время, отсчитываемое от начала

преобразования до появления на выходе устойчивого кода,

соответствующего данной выборке. Для одних типов преобразователей эта

величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для

других – примерно постоянной. Время при работе без устройства выборки и

запоминания является апертурным временем и определяет достижимую

частоту дискретизации.

Апертурное время характеризует время, в течение которого

сохраняется неопределенность между значением выборки и моментом

времени, к которому она относится.

Параметры, характеризующие внешние условия работы.

Эта группа параметров характеризует АЦП и ЦАП как черный ящик со

стороны входа и выхода, а также по отношению к различным внешним

воздействиям.

К параметрам входных сигналов относятся их абсолютные и

относительные значения, полярность, форма, спектр и др., к параметрам

источника входных сигналов – входное сопротивление и его изменения,

амплитудная характеристика, ее стабильность и др.

Параметры источников опорных и питающих напряжений включают в

себя их номиналы, допуски, стабильность напряжений, нагрузочные

способности источников и др.

1.3.2.3 Классификация АЦП

Аналого-цифровым преобразователем (АЦП) называют устройство,

преобразующее входную аналоговую величину в соответствующий ей

цифровой эквивалент – код, являющийся выходным сигналом

преобразователя. АЦП обеспечивает как дискретизацию непрерывного

сигнала по времени, так и его квантование по уровню.

В последнее время наибольшее распространение получил подход к

классификации, основанный на том, как во времени развертывается процесс

преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования

выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции

квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо

последовательной, либо параллельной, либо последовательно–параллельной

процедуры приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

Исходя из этого целесообразно разделить методы построения АЦП на

последовательные, параллельные и последовательно–параллельные.

Последовательные АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением.

Этот преобразователь является типичным примером построения АЦП с

единичными приближениями (рис. 1.35) и состоит из компаратора, счетчика

и ЦАП. На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой –

сигнал обратной связи с ЦАП.

схема

"И"

генератор

счетных

импульсов

схема

управления

счетчик

ЦАП

источник

опорного

напряжения

выходной код

импульс

запуска

Рис. 1.35. АЦП с единичными приближениями

Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска,

который включает накопительный счетчик. Процесс преобразования

продолжается до тех пор, пока напряжения обратной связи сравняются с

входными напряжениями и срабатывает компаратор, который своим

выходным сигналом прекратит поступление счетных импульсов на счетчик и

осуществит считывание с него выходного кода, представляющего цифровой

эквивалент входного напряжения в момент окончания преобразования.

Время преобразование этого АЦП является переменным и зависит от

амплитуды входного напряжения.

Статическая погрешность преобразования определяется суммарной

статической погрешностью используемых ЦАП и компараторов, при этом

надо иметь в виду, что частоту счетных импульсов необходимо выбирать с

учетом завершения переходных процессов в них.

АЦП последовательных приближений.

Одним из наиболее распространенных является метод порязрядного

уравновешивания, называемый также методом последовательного

приближения.

Преобразователь этого типа является наиболее распространенным

вариантом последовательных АЦП с двоично–взвешенными приближениями

(рис. 1.36).

В основе этого класса преобразователей лежит принцип

последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от

возможного максимального значения ее. Это позволяет для m-разрядного АЦП

выполнить весь процесс преобразования за m последовательных шагов

приближения. В то же время статическая погрешность этого типа

преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может

быть очень малой.

генератор

тактовых

импульсов

программн.

устройство

управления

ЦАП

источник

опорного

напряжения

выходной код

импульс

запуска

преобразование

Рис. 1.36. АЦП с двоично-взвешенными приближениями

Интегрирующие АЦП.

Интегрирующие аналого-цифровые преобразователи уступают по

быстродействию преобразователям последовательного приближения. Вместе

с тем они имеют и явные преимущества: минимальное число необходимых

точных компонентов, высокую помехоустойчивость, отсутствие

дифференциальной нелинейности, низкую стоимость. Эти свойства

интегрирующих АЦП определили их широкое применение для построения

измерительных приборов и систем невысокого быстродействия (от одного

измерения до нескольких тысяч в секунду), для которых в качестве основных

выступают требования высокой точности и нечувствительность к помехам.

Интегрирующий АЦП, как правило, состоит из двух преобразователей:

преобразователя напряжения или тока в частоту или длительность импульсов

и преобразователя частоты или длительности в код.

Параллельные АЦП.

Метод параллельного преобразования позволяет строить

быстродействующие, хотя и сложные в реализации АЦП. Преобразователи

этого типа осуществляют одновременно квантование сигналов с помощью

наборов компараторов, включенных параллельно источнику сигнала (рис.

1.37). Пороговые уровни компараторов установлены с помощью

резистивного делителя в соответствии с используемой шкалой квантования.

При подаче на такой компаратор исходного сигнала на выходах последнего

будет иметь место проквантованный сигнал, представленный в унитарном

коде. Для преобразования этого кода в двоичный используются логические

схемы, называемые обычно кодирующей логикой.

Динамические погрешности при работе без устройства выборки и

хранения определяются в первом приближении временем преобразования

входного сигнала в унитарный код. Частота преобразования такого АЦП 100–

200 МГц.

Отечественная промышленность выпускает интегральные АЦП

параллельного преобразования серии К1107.

кодирующая логика

к7 к6 к5 к4 к3 к2 к1

вх

оп

Рис. 1.37. Параллельный АЦП

Последовательно–параллельные АЦП.

Этот класс преобразователей (рис. 1.38) позволяет в значительной мере

уменьшить объем параллельных преобразователей и увеличить

быстродействие последовательных. В приведенном примере 6-разрядного

АЦП этого типа два 3-разрядных параллельных АЦП. Первый из них

вырабатывает три старших разряда выходного кода. Эти же три разряда

поступают на вход 3- разрядного ЦАП.

3-х разр.

АЦП

3-х разр.

АЦП

3-х разр.

АЦП

вх

Рис. 1.38. Последовательно-параллельный АЦП

Выходной сигнал последнего подается на один вход устройства

вычитания, на другой его вход подается входной сигнал. Разность сигналов с

устройства вычитания поступает на второй 3-разрядный АЦП,

вырабатывающий три младших разряда 6-разрядного выходного кода.

Статическая погрешность АЦП такого типа может достигать значения,

соответствующего разрешающей способности 8-, 12-разрядных АЦП, частота

преобразования 10–20 МГц.

1.3.2.4. Классификация ЦАП

Цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) называется устройство,

преобразующее входное сообщение из цифровой формы сообщения в

аналоговую.

ЦАП находят широкое применение не только как составная часть АЦП

уравновешивающего преобразования, но и в качестве устройств сопряжения

с ЭВМ с управляющими и регистрирующими устройствами, в

программируемых источниках питания и генераторах функций и др. ЦАП, в

которых источник опорного напряжения может изменяться, обычно

называют умножающими, а ЦАП с внутренним неизменным источником –

полным.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) вырабатывают напряжение

или ток, функционально связанные с управляющим кодом.

Схемы ЦАП можно классифицировать по различным признакам:

- по принципу действия или способу формирования выходного сигнала

(с суммированием напряжений, делением напряжения, суммированием токов);

- по роду выходного сигнала (с токовым выходом, потенциальным

выходом, резистивным выходом);

- по полярности выходного сигнала (униполярные, биполярные);

- по характеру опорного сигнала (с постоянным опорным сигналом,

изменяющимся опорным сигналом (умножающие).

К интегрирующим ЦАП относятся преобразователи, в которых входная

величина, выраженная в цифровой форме, представляется на входе в

аналоговом эквиваленте, пропорциональном ее среднему значению.

Указанный принцип реализуется в преобразователях частота–напряжение, в

частности в микросхеме КР1108ПП1, обладающей свойством дуальности и

работающей в режиме ПЧН.

В настоящее время на базе полупроводниковой интегральной

технологии созданы ЦАП с резистивными схемами. Наиболее

приспособленными к миниатюризации оказались ЦАП с суммированием

токов.

Существует несколько схем, каждая из которых служит базой для

построения многих разновидностей ЦАП соответствующего класса (рис.

1.39).

Для формирования требуемых уровней аналоговые ключи управляются

цифровыми сигналами, либо подключается к выходу ЦАП необходимое

количество источников опорных сигналов (рис. 1.39, а), либо

устанавливаются соответствующее дискретное значение коэффициента

деления (рис. 1.39, б). Цепь из двух управляемых резисторов в последнем

случае представляет собой одну из резистивных схем.

b1 b2 bn

а)

Rн

б)

Рис. 1.39. ЦАП

Сопротивление резисторов, соответствующих разрядам входного

слова, кратно двум при переходе к соседнему биту. Напряжение на выходе

такого ЦАП вычисляется по следующей формуле:

U R KI

ВЫХ i i

∑

где

– ток через i сопротивление, K

равно нулю, если ключ

разомкнут, и единице, если замкнут.

Наиболее часто на практике используются ЦАП с суммированием

токов (рис. 1.40). Каждый из аналоговых ключей К0–К3 может находиться в

одном из двух состояний: закрытом или открытом.

Uвых

Рис. 1.40.

Статические параметры ЦАП.

Погрешность нелинейности – максимальное отклонение от идеальной

прямой во всем диапазоне преобразования. Относительное значение

отклонения измеряется в процентах, а абсолютное – в долях.

Дифференциальная погрешность нелинейности – максимальное

отклонение от идеальной прямой при переходе от одного значения к

другому.

Монотонность характеристики преобразования – возрастание

(уменьшение) или постоянство выходных значений при равномерном

возрастании (уменьшении).

Динамические параметры.

Время установления – интервал времени от момента изменения

логического уровня на 50% до момента установления выходного сигнала.

Динамическая погрешность – разность значений между соседними

выборками, вызванная тем, что следующее переключение произошло в

момент, когда еще не закончился процесс установления выходного сигнала.

2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ

И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРОВ

2.1. Общие методы представления

операционной информации в ЭЦВУ

2.1.1. Введение

Идея использования вычислительного устройства с программным

управлением была впервые высказана английским математиком Чарльзом

Бэббиджем ещё в 1833 г., однако реализовать её он не сумел. Он использовал

идею Жаккарда при разработке замечательного устройства, которое он назвал

«Аналитической машиной». Планировалось, что кроме вычислений машина будет

выдавать результаты – печатать их на негативной пластине для фотопечати.

Технические трудности не позволили ему до конца реализовать свой проект. Он

умер в 1871 г., оставив более 37 кв. м подробнейших чертежей. Следует отметить,

что вариант такой машины был всё же реализован другим учёным, С.Шойцом, в

1853 г. Многое из того, что известно о машине Жаккарда, дошло до нас благодаря

научным трудам одарённого математика-любителя Огасты Ады Байрон (графини

Лавлайс), дочери поэта лорда Байрона, Её называют первым программистом. В

1843 г. она перевела статью об Аналитической машине, написанную одним

итальянским математиком, снабдив её собственными комментариями, которые

касались потенциальных возможностей машины. Она описала приёмы

управления последовательностями вычислений, которые используются в

программировании и сейчас. Её именем назван один из языков

программирования.

В 1938 г. центр разработок ненадолго смещается из Америки в Германию,

где К.Цузе создаёт машину, оперирующую в отличие от своих предшественников,

не десятичными числами, а двоичными. Если обратиться к истории появления

двоичного кода, то уместно вспомнить, что двоичная система счисления была

предложена в 1666 г. Г Лейбницем. Он пришёл к ней, занимаясь философской

концепцией единства и борьбы противоположно

стей.

Первая машина К.Цузе также была механической, но уже в 1941 году создаётся

электромеханическая машина, арифметическое устройство которой выполнено на

базе реле. В 1944 году в США Г.Айзен спроектировал машину, также работающую

на реле, но оперирующую с данными в десятичной форме. Становится

очевидным, что оптимальнее вместо реле использовать вакуумные лампы

(первый триод был изобретён ещё в 1906 году Л.Форестом). В 1946 году в США в

университете города Пенсильвания была создана первая универсальная ЭВМ –

ENIAC. Она весила 30 тонн, занимала площадь 200 кв. м и содержала 18 тысяч

ламп. С этой машиной связана разработка одной из важнейших идей

вычислительной техники – принципа хранимой программы. Считается, что эта

идея принадлежит математику Джону фон Нейману, хотя он скорее описал в

статье то, что предложили талантливые инженеры-разработчики этой машины.

Впрочем, история развития вычислительной техники, как и вся история, тоже

изобилует драматическими ситуациями.

Следующая машина, названная EDVAC, разработана в 1951 году. В ней

применяется двоичная арифметика и используется оперативная память,

построенная на ультразвуковых ртутных линиях задержки. Память могла хранить

1024 слова размерностью в 44 двоичных разряда.

До середины 80-х годов, говоря о вычислительных машинах, активно

пользовались термином «поколение». Чем же определяются поколения машин? –

Видом элементной базы и реализуемой в машине архитектурой. Приведём

краткие качественные характеристики этим поколениям.

1-е поколение (1945 – 1954 гг.) – активно развиваются фон-неймановские

структуры. Машины этого поколения работали на ламповой элементной базе, что

требовало больших энергетических затрат и имело невысокую надёжность. В

СССР в это время были разработаны вычислительные машины типа МЭСМ,

БЭСМ под руковдоством академика А.С.Лебедева (8000 операций в секунду).

Большой влад в развитие отечественной вычислительной техники внесли

академики Келдыш М.В., Глушков В.М., Семенихин В.С. Программы для машин

первого поколения уже можно было составлять не на машинном языке, а на языке

ассемблера.

2-е поколение (1955 – 1964 гг.). Вычислительные машины второго

поколения были выполнены на полупроводниковых элементах.

Совершенствование таких машин происходило по двум направлениям:

создавались машины-гиганты, требующие больших помещений, систем

охлаждения, дорогостоящие, поэтому необходимо было эксплуатировать эти

машины круглосуточно. Для этих машин были разработаны 2 режима работы:

пакетный и разделения времени. В пакетном режиме решается только одна

задача, затем после окончания – другая и т.д. В режиме разделения времени

одновременно решалось несколько задач. В это время появляются мини-ЭВМ,

они являются не такими мощными, как ЭВМ-гиганты, но они значительно

дешевле, меньше по габаритам (приблизительно, как письменный стол).В СССР

это машины марки «Наири», «Мир», «Минск 22», «Минс 32», «Урал 14» и т. д.

Появились языки высокого уровня – Algol, FORTRAN, COBOL. С появлением

языков высокого уровня появились компиляторы для них.

3-е поколение (1965 – 1970 гг.) Вместо транзисторов в различных узлах

стали использоваться интегральные микросхемы, это повысило

производительность, снизило габариты и стоимость. Программное обеспечение

становится дорогим, поэтому появляется тенденция к созданию семейств ЭВМ,

то есть машины становятся совместимыми снизу вверх на программно-

аппаратном уровне.

4-е поколение (1970 – 1984 гг.). В эти годы активно разрабатываются и

производятся большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС),

позволяющие разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. В начале

70-х годов был выпущен первый микропроцессор. В мире вычислительной техники

появилось ещё одно направление – микропроцесорное.

5-е поколение можно назвать микропроцессорным. Что же такое

микропроцессор (МП)? МП – это программно-управляемое устройство,

предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом

этой обработки, выполненное в виде одной или нескольких интегральных схем с

высокой степенью интеграции. МП способен выполнять под программным

управлением обработку информации, включая ввод и вывод, принятие решений,

арифметические, логические и некоторые другие операции.

Машины 5-го поколения, конечно, повысят быстродействие, но и получат

новые возможности: взаимодействие с помощью человеческой речи и