Цифровые устройства и микропроцессоры (ЦУ и МП)

лабораторные работы

Жаркова Надежда Алексеевна

2 модуль –лекции, семинары, лабораторные работы
Глотов Александр Николаевич
Круглов Геннадий Валентинович

— М.: Издательский центр «Академия», 2005. .- 400 с.

Гусев В.Г.,

Гусев Ю.М.  Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов.- 5-е изд., стер.- М.: Высш. шк., 2008.- 797 с.

Нарышкин А.К. Цифровые устройства и микропроцессоры.-2-е изд.-М.:Академия,2008.- 320 с.

Калабеков В.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов: Учеб. пособие для вузов М: РиС 1988 г.

Кузин А.В. Микропроцессорная техника: Учебник для сред. проф. образования. — М.: Издательский центр «Академия», 2004.- 304 с

пособие для втузов.- СПб.: Политехника, 1996. - 885 с.

Янсен Й.

Курс цифровой электроники: В 4-х т. Т.4. Пер. с Голланд.-М.:Мир, 1987.

Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник: В 2 т./ Под ред. В. А. Шахнова. - М.: Радио и связь, 1988. - Т. 1.-368 с.

Гуртовцев А. Л„ Гудыменко С. В. Программы для микропроцессоров: Справ. пособие. - Мн.: Высш. шк., 1989. - 352 с.

Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. Каган Б.М., Сташин В.В. М: Энергия 1987 г.

Страница кафедры на сайте МГТУ им. Н.Э. Баумана http://www.bmstu.ru/~rl1/courses/dmpt/ - материалы для самостоятельной проработки курса на сайте кафедры РЛ-1.

сигналов, ключевые схемы, формирователи импульсов и импульсные генераторы, ЛЗ и

т.п.

Задачи импульсной техники (ИТ)

Формирование импульсов
В линейных и нелинейных электрических цепях
формирование импульсов необходимой длительности и формы,
формирование импульсных последовательностей необходимой частоты и скважности.

2) Генерирование импульсов
с самовозбуждением,
с внешним запуском.

3) Управление импульсами
управление их положением во времени и учет (счет) импульсов

проведение вычислительных операций.
Цифровые устройства и микропроцессоры (ЦУ и МП)

Оперируют

с сигналами, имеющими два информационных состояния:
«1» - «включено», наличие импульса Е1,
«0» - «выключено», отсутствие импульса Е0.

Операции, выполняемые цифровыми сигналами описываются логическими функциями подчиняются законами алгебры Буля и являются операциями преобразования информации.

От обработки импульсных сигналов зависят параметры управляющих устройств: быстродействие, предельная частота работы, амплитудные и другие характеристики.

если интервалы между импульсами одинаковые.

Переходный процесс - это

время, за которое происходит изменение тока (напряжения) до установившегося значения при воздействии на цепь скачка тока (напряжения).
Переходный процесс не учитывают, если он полностью закончился до прихода следующего импульса.
В реальной цепи возникают искажения вызываемые наложением переходного процесса на начало последующих импульсов.
Понятие импульса связано с параметрами цепи, и не для всякой цепи данный сигнал можно считать импульсным.

плоской вершины импульса.
Прямоугольные или видеоимпульсы (ВИ)
Um - наибольшая (средняя)

величина импульса.
tф, tср и tи - активные длительности фронта и среза и длительность импульса.

Идеальный

t<0 u=0;
0t>tи u=0

Um – величина импульса

формы.
Характеристики огибающей аналогичны видеоимпульсу.
Дополнительный параметр несущая частота f0 или

0=2πf0.

t

. Радиоимпульсы (РИ).

Нет постоянной составляющей

Радиоимпульсы получают путем модулирования высокочастотных колебаний по амплитуде.

Огибающая радиоимпульса имеет форму видеоимпульса.

– длительность прямого хода,
Тобр – длительность обратного хода
Коэффициент нелинейности.
Реальный
t ср

- активная длительность среза.

времени.
τ

среза импульса tср.
tф=2,2
Решим первое и второе уравнение:
tф=t0,9 - t0,1
t0,1=0,1 ,

t0,9=2,3 

tф=t0,9 - t0,1

tср=2,2

прямоугольных импульсов эти выражения принимают вид:
F= 1/T,

Q = T/tи, Кз = 1/Q.

Периодическая последовательность импульсов
характеризуется:
F – частотой следования или
T – периодом повторения импульсов,
Q – скважностью или
Кз – коэффициентом заполнения:

цифровых и МП устройств.
Электронные ключи ЭК при подачи управляющего

сигнала принимают два (реже три) состояния.

ЭК строят диодах, БПТ и ПТ –транзисторах в дискретном или интегральном исполнении.

Основные характеристики ЭК: быстродействие, длительность фронтов, Rвх и Rвых в открытом и закрытом состоянии,  потребляемая мощность, помехоустойчивость, стабильность пороговых уровней,  надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, нестабильности источников питания и т.д..

Ключ – элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.).

характеристику (ВАХ).

Токи и напряжений в нелинейной эквивалентной схеме (ЭС)

описываются нелинейными дифференциальными уравнениями

Решения производят итерационными методами. Приближение к точному решению возможно только с применением компьютерных технологий.

Для импульсного сигнала упрощают ЭС, и используют кусочно-линейную аппроксимацию НЭ.

Диоды и особенности работы диодов в ключевом режиме.
Используют: точечные, плоскостные, диффузионные, с барьером Шотки (ДБШ контакт металл-полупроводник), стабилитроны, диоды с накоплением заряда.

в переходе, т.е. диод обладает C(u) подключенной параллельно p-n переходу.

C - диффузионная перераспределение зарядов в базе
С - барьерная перераспределение зарядов в переходе.
При прямом смещение – С диффузионная
При обратном – С барьерная

Наиболее быстродействующими в настоящее время являются ДБШ. Нет диффузионной емкости.
В

импульсном режиме величина барьерной емкости Сбар оказывает большее влияние на работу схемы :
т.к. Rобр>>Rпр RобрCбар>>RпрCдиф

Uвых = е0 [В] Е0
Е1

Ег>Е0н [B] диод закрыт Uвых = E0н [B] Е1

Е0 Ег=0 В Uвых = 0 В Е0
Е1 Ег=>e0 B Uвых = (Ег-e0)B Е1

к уровню логической Е1 .
Наличие е0 не позволяет строить сложные

логические схемы на диодных ключах, т.к. при их каскадирование происходит сближение уровней.

Каскадирование диодных ключей

переходе.

С0 = См+Сн - емкость монтажа и цепей нагрузки.
Сд

- пренебрегают при ВЧ диодов,
Cб – пренебрегают если Сб << С0,

при включении

при выключении

ДК с учетом Сб, Сн и См

диод закрывается.
Далее емкость C0 заряжается через R0н, и (Rг+Rобр)

(Rобр+Rг) можно пренебречь - Rобр→∞

Если перенести начало координат, то

При большом Rобр происходит скачек ΔU за счет Сб

разном уровне:
для режима А при котором Ег>=E0н установившееся Uвых=Е0н,
для

режима С - Ег

Длительность фронта включения находят из уравнения:

Пример:
Если полагаем Ег = 0,9Е’0н: tф= з ln10 tф= 2,3з.

2) Если полагаем Ег =0,5 Е’0н : tф= з ln2 tф = 0,7 з

Вывод: для повышения быстродействия выгодно не полностью закрывать диод.

малое Rпр.
Во всех режимах равна: tср = 2,2 р.
Длительность спада

импульса

р<<з

логической обработки сигналов.
Логические функции И и ИЛИ
U1вых = (E11)и(E21)и(E31)

– информационный сигнал «1» - функция «И».

U0вых=(E10)или(E20)или(E30) – информационный сигнал «0» - функция «ИЛИ».

на диоде e0 (Uд пр ) , при многокаскадном включении

диодной логики происходит сближение логических уровней E0 и E1, как самостоятельный логический элемент диодные ключи используются редко.

- За счет отсутствия Сд ДБШ быстродействующие. Время переключение может быть достигнуто < 1 нс.

В реальных схемах очень часто диод получают из транзистора.

Выводы

- Диодные ключи используют для построения логических схемы И и ИЛИ

- Быстродействие схемы можно увеличить за счет не полного закрывания диода.

режиме.
Усилительный каскад находится в активном режиме, которому соответствуют линейные характеристики

транзистора.

Ключевая схема находится в одном из статических режимов: отсечки (закрыт) или насыщения (открыт и насыщен).

Назначение транзисторных ключей: коммутация (переключения) тока в цепи нагрузки или создание двух резко отличающихся уровней напряжения на нагрузке под воздействием внешних управляющих сигналов.

«Основы транз. и транзисторных схем» И.П.Степанко (несколько выпусков).

смещен в прямом, а коллекторный - в обратном направлении:
Uбэ>0, Uкэ=Eк-IкRк,

Iк=Iб+Iк0(1+)  Iб, Iк = Iэ+Iк0  Iэ , Iэ =Iк+Iб, Iб Iб и Iк – в режиме линейных характеристик,
Iк0 - тепловой ток коллектора,
Iбн, и Iкн - токи насыщения,
- коэффициент передачи Iэ в цепь коллектора транзистора.
 - коэффициент передачи Iб в цепь коллектора транзистора.
 =/(+1), =/(1-)

К базе подключены два источника:
- ЭДС входного сигнала Ег=

Е0,
источник тока Iк0.

При определении Uбэ пользуются наложением ЭДС: не участвующие в расчете источники ЭДС считаются КЗ, а все источники токов разомкнутыми.

На входных характеристиках - Uбэ<0,
На выходных только одна кривая, где Iб≈0 .

Uбэ<0, Iб=-Iк0, Iк=Iк0, Iэ=0, Uкэ=Eк-Iк0Rк  Eк.

Если известны все параметры схемы, то нужно найти Uбэ и проверить Uбэ<=0?

= Eг (в случае если при Е0 Eг >0).
Возникает

необходимость введения (–Eсм ) для надежного запирания ключа.

При Ег=0: Iк0R1R2/(R1+R2) +(-Eсм) R1/(R1+R2) <0,

R2<|Eсм/Iк0|.

При Ег≠0:

открыт и насыщен
На входных характеристиках соответствует кривая, где Uкэ0, на

выходных - начальные участки кривых.

Iк0 (Т мах) = Iк0(+20С)

Iк0 (Т мах) = Iк0(+20С)

- для кремниевых транзисторов.

- для германиевых транзисторов.

Чтобы транзистор не открылся в расчете учитывают Iк0=Iк0 мах,
который соответствует току при максимальной рабочей температуре:

Должны выполняться следующие соотношениями:

Iкн=Eк/Rк, Iбн= Iкн/ = Eк/Rк, Uбэ>0, Uкэ0, Iб>Iбн.

Iб – имеет направление соответственно стрелке.
Учитывая, что в режиме насыщения

rвх транзистора  0 и Uбэн≈0
I1=Eг/R1.
I2=Eсм/R2.
Ток базы транзистора равен:

Для насыщенного режима представим входную цепь ключа

Iб = Eг /R1+(-Eсм/R2).

Для режима насыщения: Iб>Iбн Iбн= Iкн/  = Eк/(Rк)

Iб>Eк/(Rк.)

S= Iб/Iбн –коэффициент насыщения.
Если S>1 ключ - насыщенный

можно разделить на три стадии:
задержка фронта, стадия запаздывания;
формирование положительного фронта;
накопление

избыточного заряда.

Процесс выключения (размыкания) на две стадии:
рассасывания избыточного заряда,
формирование времени спада.

Анализ переходных процессов можно делать, решая уравнения непрерывности. Проще анализировать переходные процессы, используя «метод заряда». Подробно этот метод описан Степаненко И.П. «Осн. теории транз. и транз. схем». С.390.

можно при форсированном включении и выключении
Приближение к такой форме Iб

достигается за счет С-ускоряющей в базовой цепи.

перезаряда емкости в базовой цепи:
су = Су (Rб+RГ+rб) = СуRэкв,

Вследствие нелинейности rб су оказывается различной при включении и выключении. Обычно считают (выбирают) су ≤ tи

слабом последующем насыщении. Сус
Еф такое, что Iкн-н(ненасыщ. тран.)< Iкн
2) Ненасыщенные

ключи.
Два способа:
а) фиксация коллекторного потенциала
б) нелинейная обратная связь.

а) Если Еф>Uкн, то при достижении на коллекторе напряжения Uк= Еф-Uпр д диод открывается и на коллекторе фиксируется это напряжение Uк.

прямом направлении.
Диод открывается и тем самым начинает работать обратная

связь при токе коллектора:

Из этого соотношения можно найти напряжение открывания диода (Eф+Uбэ -Uдпр)≥Eк-IкRк, и транзистор фиксируется в активном режиме.

работать при Uкэ ≤ UА=Еф.
Сопротивление R выбирается, чтобы Еф >Uпр

(Uбэ≈0 и Uкэ≈0 ):

0

UA=Eф

0

не входит в режим глубокой отсечки.
В схеме фиксирующий диод

включают наоборот и Еф выбирают не много меньше Ек.
Когда потенциал коллектора становиться больше Еф диод открывается и Uк  Еф.
В результате фронт выключения становиться короче и дальше при включении уменьшается время на перезаряд емкостей.

не позволяющая режим насыщения.
Нелинейная ОС не позволяющая режим насыщения.

Iз, что соответствует Rвх>1014 Ом.
Управление Ic происходит при изменении

Uз.

n-p и p-n- типа в зависимости от проводимости канала.

ПТ с затвором в виде закрытого – перехода (с управляющим p-n переходом).

Работают только в режиме обеднения, это левая сток-затворная характеристика

двух типов n и p.
Работают МОП в режиме обогащения

и обеднения.

Проходные IC=f(Uз) характеристики

МОП-транзисторам обогащенного типа соответствует «правая» сток-затворная характеристика

работы: отсечки, активный и насыщения.
Так как ПТ управляется U

(Rвх велико), то на эквивалентных схемах входная цепь представлена входной емкостью Сзи.

Основной недостаток ПТ большие емкости Сзи, Сзс и Сси, что при большом Rвх приводит к увеличению времени на их перезаряд и соответственно ограничивает рабочую частоту.

ПТ имеют высокий выходной импеданс, в результате чего имеют невысокую нагрузочную способность.

Быстродействие ПТ

слаботочные, буферные.
Цифровая логика
Аналоговые ключи
Как переменные сопротивления, источники

тока.
Как альтернатива БПТ.