Приблизительно Oi5-mm диаметра,- Прим. ред.

присущие длинным линиям. Для наиболее быстродействующих элементов ЭСЛ ( MECL ИЬ - время нарастания менее I не) эти э441екты настолько серьезны, что передача сигнала дальше чем на несколько сантиметров должна рассматриваться как передача по длинной линии с соответствующими ограничениями!

Для шин ощутимой длины (0,4 м и более) лучше всего использовать вспомогательную плату с поверхностью заземления. Эта плата, как будет показано в гл. 12, представляет собой простую печатную плату, которая содержит ряд печатных разъемов, предназначенных для подключения к ним индивидуальных логических плат. Такие платы являются экономичным решением проблемы межплатных соединений и при правильном выполнении обеспечивают также наилучшие электрические характеристики. Проводники, расположенные вблизи поверхности заземления, обладают меньшей индуктивностью, а емкостные связи с соседними проводниками получаются более слабыми. Неплохо выполнять вспомогательную плату таким образом, чтобы все сигнальные проводники располагались бы на одной стороне, а печатная поверхность заземления - по другую сторону платы (двухсторонние печатные платы имеют широкое распространение, а для сложных схем используют даже многослойные платы).

Последнее замечание: если э44)екты длинной линии, такие, как звон или выбросы на проводнике заземления, поставят вас в тупик, вы, наверное, попытаетесь использовать обычный прием: включить конденсатор непосредственно на вход вентиля, управляемого с линии. Несмотря на то что так поступают иногда и сами авторы, этот грубый прием не может быть рекомендован, так как он является всего лишь компромиссом в решении проблемы больших токов, возникающих на земляком проводе при переключениях логических схем (разд. 9.14).

Оконечная нагрузка шины. Если шины имеют значительную длину, то на конце каждого сигнального проводника обычно устанавливают резистивную нагрузку, подключенную к земле или шине питания. Как будет показано в гл. 13, длинные линии или коаксиальные кабели имеют характеристическое сопротивление Zo- Если такое же сопротивление имеет и нагрузка, подключенная на конце кабеля (обычно это омическое сопротивление), то любой сигнал, пройдя кабель, будет воспринят полностью, без отражения. Любая другая нагрузка, даже ее отсутствие, вызывает отраженные волны, амплитуда и фаза которых зависят от степени несогласованности сопротивлений. Проводники на печатных платах обычно имеют характеристическое сопротивление порядка 100 Ом, что близко jc характеристическому сопротивлению витой пары проводов, сделанной из изоли^ванного провода 24-го калибра или другого, близкого сечения,

В системах с элементами ТТЛ на шины данных часто устанавливают делители напряжения, включенные между источником питания

Шесть схем буфер/инвертор с тремя состояниями Шесть схем буфер/инвертор с тремя состояниями Два 2-входовых элемента И, НЕ-И, ИЛИ,

НЕ-ИЛИ с открытым коллектором Выходные формирователи с открытым коллектором и приемопередатчики, некоторые со встроенной нагрузкой Унифицированные выходные формирователи с тремя состояниями и приемопередатчики с высоко-омными входами Выходные формирователи с тремя состояниями и приемопередатчики

Нагрузочная способность по току определяется НИЗКИМ уровнем остаточного напряжения, максимальное значение которого составляет 0,4 или 0,5 В. Однокорпусные универсальные линейные формирователи (приемопередатчики) в интегральном исполнении подключаются к каждой линии шины данных одновременно и выходом и входом.

9.17. Кабельные связи

В связи с тем, что линии из отдельных проводников подвержены действию помех, для связи с удаленными устройствами используются витые пары или коаксиальные кабели. Коаксиальные кабели будут рассматриваться в гл. 13, посвященной радиосигналам, а здесь мы кратко охарактеризуем некоторые методы передачи цифровых сигналбЁ по таким линиям, так как эти методы играют важную роль в технике сопряжения цифровых схем. В большинстве случаев эту функцию выполняют специальные ИМС - линейные формирователи (передатчики/приемники).

Их также называют линейными передатчиками,- Прим. перев.

4-5 В и землей. Высокий логический уровень в этом случае составляет -f 3 В; а это значит, что при переключении нужен меньший перепад напряжения и поэтому через емкость нагрузки протекает меньший ток. Типовые значения сопротивлений делителя - 180 Ом на положительную шину источника и 390 Ом - на землю.

Формирователи сигналов для шин данных. Для получения выходов с большими коэ44)ициентами разветвления, а также для формирования сигналов, предназначенных для передачи по протяженным шинам данных, используются специальные элементы ТТЛ с повышенной нагрузочной способностью по току. Приведем наиболее распространенные типы:

Описание

Четыре отдельных 2-входовых элемента НЕ-И Четыре 2-входовых НЕ-И

Стандарт RS-232C. При относительно медленной передаче сигналов (порядка сотен битов в секунду) наиболее подходящим является стандарт RS-232C. Этот стандарт определяет уровни сигналов обеих полярностей, а величины гистерезиса и времени запаздывания обычно задаются

1488 RS-2,32C д-Пб

ТТЛ

330 пФ

66 -

2В

-2В

08

-6В

Однопроаодный двухподярный сигнал

входными формирователями (для выходного формирователя нужны источники питания отрицательной и положительной полярностей, а для входного формирователя это не обязательно). Типовая структура приведена на рис. 9.29. Отметим, что при конденсаторе нагрузки емкостью 330 пФ обеспечиваются времена нарастания и спада на уровне менее 1 мкс. Стандарт RS-232C широко используется при передаче данных между терминальным оборудованием и ЭВМ со стандартизованными скоростями в диапазоне от 110 до 19 200 бит/с. Полный стандарт определяет даже распайку контактных выводов сверхминиатюрного 25-контактного разъе- . матипа!) и обычно исполь-

Отчрытый J-S

коллектор г4 щв

Входные пороги

Выходной сигнал

Рис. 9,29. Кабельные приемники и передатчики высокой помехоустойчивости; выполнены по стандарту RS-232C,

т

ТТЛ

+ 5 Д.

ТТЛ {триггер Шмитта)

зуется при передаче данных в коде ASCII (см. разд. 10.17). Новый стандарт IEEE422 допускает значительно большие скорости передачи данных, но внедряется медленно.

Выход на шины данных непосредственно с элементов ТТЛ. Выход на линию средней длины, так же как и на шины данных, может осуществляться непосредственно с элементовТТЛ: разумеется, они должны иметь высокую нагрузочную способность. Как это обычно делается, показано на рис. 9.30. На первой схеме выход в линию производится через буферный элемент (в качестве него может быть использован элемент с открытым коллектором), а на входе для

33Q пТ

Я

Рис. 9.30. Работа элементов ТТЛ на линии средней длины.

повышения помехоустойчивости используется ТТЛ-триггер Шмитта. При высоком уровне помех можно применить замедляюш,ую ЯС-цепь, как показано на второй схеме. Постоянная времени (и скорость передачи) выбирается такой, чтобы обеспечить достаточно хорошую помехоустойчивость. В этой схеме триггер Шмитта необходим.

Важно отметить следуюш^ее: нельзя подключать к длинным линиям выходы тактируемых элементов (таких, как триггеры, одновибра-торы и регистры сдвига). Если на выходах этих элементов нет буферных каскадов, емкостная нагрузка и эффекты длинной линии могут вызывать сбои или приводить к неустойчивой работе.

Дифференциальные структуры ТТЛ. Можно получить значительно более высокую помехоустойчивость, применяя для связи по витой паре проводов дифференциальные сигналы Q и Q в сочетании с дифференциальным приемником (рис. 9.31). С помощью двух инверторов на элементах ТТЛ в этой схеме формируются прямой и инверсный сигналы для передачи по витой паре проводов а линейный входной дифференциальный приемник типа 75115 восстанавливает уровни сигналов ТТЛ. Эта схема обеспечивает высокую степень подавления

Выход

Ркс. 9 31. Кабельный передатчик и приемник дифференциальной структуры и повышенного быстродействия на элементах ТТЛ. (Вместо открытого коллектора может использоваться обычный мощный ТТЛ-выход )

синфазных помех и хорошо восстанавливает логические уровни сигналов, искаженные при передаче по линии связи. Форма показанных на рисунке сигналов позволяет понять, за счет чего обеспечивается относительно неискаженная передача; отдельные сигналы, несмотря на появление колебаний и искажений фронтов, остаются монотонными, так как отсутствует обратная, отраженная волна.

Элемент 75115 является примером линейного приемника с регулируемым временем задержки, а другой линейный приемник 75152, имеющий дифференциальный вход, позволяет изменять величину

гистерезиса. Используя подобные приемники с гистерезисом (и с регулируемой постоянной времени), за качество приема можно не волноваться.

Формирователи с токовым выходом. Элементы типа 75110 имеют коммутируемые токовые выходы (отвод тока); их можно ис-

Рис. 9.32. Дифференциальная схема токовой связи с приемником.

пользовать как в однопро-водной схеме, так и в рассмотренной выше ди44)е-ренциальной. На рис. 9.32 показан вариант дифференциальной связи. Микросхема 75107 представляет собой парный дифференциальный приемник, который может использоваться как в схемах с нормальной нагрузкой линии (рис. 9.32), так и с согласованной парной нагрузкой на обоих концах линии. Подобная простая схема связи позволяет передавать данные со скоростью свыше I Мегабит в 1 с (Мбит/с) по линии длиной 500 м, а для линии длиной порядка 100 м скорость может достигать 10 Мбит/с.

Формирователи для коаксиального кабеля. Благодаря полному экранированию коаксиальный кабель обеспечивает высокую помехозащищенность (защиту от взаимных помех). Имеется несколько пар передатчик/приемник, предназначенных для работы по кабелю. Пример такой схемы приведен на рис. 9.33.Кабель нагружен на характеристическое сопротивление, в данном случае 51 Ом. Элемент 8Т23 рассчитан непосредственно на нагрузку 50 Ом, а элемент 8Т24

имеет фиксированную ве-

8ггз , ,

RG5&{U{50 0m) \&TZ4

ТТЛ

ТТЛ выход

личину гистерезиса для шумоподавления и малое время переключения. Есть и другие пары передатчике приемник - 8Т13/8Т14, 75123/75124, а также ряд элементов из интерфейсной серии 75ххх. Для уверенной работы с коаксиальным 50-омным кабелем следует применять специальные приемники, так как получаемые логические уровни могут оказаться меньшими, чем уровни ТТЛ. Схема, показанная на рис. 9.33, обеспечивает скорости передачи свыше 100 кбит/с при длине кабеля, равной 1,6 км, а если кабель короче, скорость может достиг-ать 20 Мбит/с.

Рис. 9.33. Прием и передача по 50-омному кабелю.

С ВЫХОДОВ элементов ТТЛ можно выходить на 50-омный кабель при помощи эмиттерного повторителя на п/?п-транзисторе (рис. 9.34). 2N4401 - это небольшой мощный транзистор с высоким значением

коэффициента усиления (бе-

7404

ч

Л) при больших токах 10 (Яа1э>100 при /к= 150 мА).

Для защиты от короткого замыкания включен 10-ом-2N4401 . ный резистор. По сравне-

нию с существующими, специальными дорогими ли- JrSlOvi нейными формирователями

У для 50-омных кабелей эта

схема отличается просто-Рис. 9.34. той. Заметим, что для нор-

мальной работы схема выхода с открытым эмиттером должна иметь низкоомную цепь возврата на землю, что, впрочем, также относится к некоторым интегральным кабельным формирователям (например, к упомянутому выше элементу 8Т13).

аналого-цифровые преобразователи

9.18. Предварительные замечания об аналого-цифровых преобразователях (

Кроме чисто цифрового сопряжения (ключи, лампы и т. п.), которое обсуждалось в нескольких предыдущих разделах, часто требуется точно преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде этого сигнала и наоборот. Это необходимо в тех случаях, когда ЭВМ или процессор следят или управляют экспериментом или процессом, а также если цифровая техника используется для выполнения обычно аналоговых -функций. Аналого-цифровое преобразование необходимо для применений, в которых аналоговая информация подвергается промежуточному преобразованию в цифровую форму для помехозащищенной передачи (например, цифровая звукотехника или импульсно-кодовая модуляция - ИКМ). А/Ц-преобразование необходимо для целого ряда измерительных устройств (включая обычные настольные приборы, такие, как цифровые муль-тиметры, и более экзотические приборы, как, например, усреднители переходных процессов, ловушки игольчатых импульсов и осциллографы с цифровой памятью). Они также нужны в устройствах формирования и обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы и шифраторы данных.

И наконец, эти методы преобразования, которые мы ниже рассматриваем, играют важную роль в аналоговых дисплеях, применяемых в сочетании с цифровой техникой, например приборные инди-

каторы или двухкоординатные дисплеи (графопостроители), управляемых от ЭВМ. А/Ц- или Ц/А-преобразователи можно использовать даже в относительно простых электронных устройствах, поскольку уже в блилайшем будущем стоимость аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) будет совсем незначительной (порядка 5 долл.).

Наше изложение различных методов преобразования не преследует цели обучения искусству проектирования преобразователей. Скорее мы попытаемся показать достоинства и недостатки каждого метода, поскольку в большинстве случаев лучше приобрести имеющиеся в продаже ИМС или модули, чем разрабатывать преобразователь от начала и до конца. Понимание методов преобразования и их недостатков поможет сделать выбор среди сотен имеющихся модификаций.

Коды, В разд. 8.03 уже рассматривались различные цифровые коды, используемые для представления чисел. В АЦП часто используются смещенный и дополнительный коды, а иногда прямой код и код Грея. Приведем памятку:

Смещенный двоичный код Дополнительный код'

+ Вся шкала + ВСЯ шкала-1

0+1 МЗР О

0-1 МЗР

- Вся шкала-[-1

- Вся шкала

Погрешности преобразователей. Погрешности А/Ц- и Ц/А-преобразований - весьма сложная тема, о которой можно писать и писать... Как утверждает Берни Гордон из Analogic, если разработчик рассчитывает получить преобразователь высокой точности, основываясь исключительно на паспортных данных, значит, он недостаточно ясно представляет себе этот вопрос. Не придерживаясь в точности указанной точки зрения, рассмотрим четыре основных типа погрешностей преобразования. Вместо того чтобы утомлять читателя обилием сложных сведений, приведем говорящие сами за себя диаграммы четырех основных типов погрешностей: погрешности сдвига, погрешности шкалы, нелинейности и немонотонности (рис. 9.35).

.19. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

Задача заключается в преобразовании величины, которая задана двоичным (или многозначным двоично-десятичным) числом в пропорциональный уровень напряжения или тока. Приведем ряд наиболее распространенных методов.

Б

7=Т

а

111 г

110 101 100 011 010

001 ООО

Конец шкалы

у

о

(О

Конец шкалы

О

УгМЗР

Аналоговый бмд

коней шкалы

1 МЗР диф, нелинейность

\ МЗР диф нелиней-ность I /

г

Конец ШШЫ

ООО 001 010 011 100 101 110 m

Цифровой код

Mi МЗР

)1 J

J I L

ООО 001 010 oil 100 101 110 m

и^ифровой код

OOQ 001 010 011 100 101 110 m

Цифровой код

Рис. 9.35, Четыре основных типа погрешностей аналого-цифрового преобразования.

а - передаточная характеристика АЦП со сдвигом нуля на V* МЗР, 6 - линейная погрешность шкалы иа 1 МЗР, в-:±:/а МЗР иелинейиости (включая возможную погрешность 1 МЗР), 1 МЗР дифференциальной нелинейности (при сохранений монотонности), г - немоиогОниость (иелиней-ыость должна быть больше =tVa МЗР). (По данным National Semiconductor Corp )

Подключение масштабирующих резисторов к суммирующей точке. Как было показано в разд, 3.09, соединяя набор резисторов с точкой суммирования операционного усилителя, мы получим выходной сигнал, пропорциональный сумме входных напряжений с учетом весовых коэффициентов (рис. 9.36). Напряжение на выходе этой схемы изменяется от нуля до -10 В, причем максимальное напряжение на выходе соответствует входному числу 64. На самом деле максимальное число на входе всегда равно 2 -1, то есть всему множеству битов без 1, или 63; при этом выходное напряжение равно -10x63/64. Путем соответствующего выбора резистора обратной связи можно добиться, чтобы выходное напряжение изменялось ,от

Весовых,- Прим. ред.

>4

20 нОм 2%

9,9 ком (%

нуля до -6,3 В (то есть выходное напряжение 1 В эквивалентно 1/10 входного кода). Если добавить инвертирующий усилитель или подать постоянное смещение в точку суммирования, можно получить выход положительной полярности. Изменяя должным образом величины входных резисторов, мож- +10 в но получить преобразование многозначного двоично- СЗР десятичного кода или любых других взвешенных кодов. Подаваемые напряжения должны иметь точно фиксированные опорные уровни, а резисторы меньших номиналов должны иметь соответственно большую точность. Принимая во внимание, что ключи реальных схем выполняются на биполярных или полевых транзисторах, заметим, что сопротивление ключа должно составлять менее чем 1/2 от сопротивления самого НИЗКООМНОГО jgp резистора. Рис. g 36.

Упражнение 9.1, Разработайте 2-разоядный двоично-десятичный ЦАП. Считайте, что входные уровни могут принимать значения О или +1 В, а выходное напряжение должно изменяться от О до 9,9 В.

Многозвенная цепная схема R-2R, Интересным вариантом предшествующей схемы является многозвенная цепная схема типа R-2R, она непосредственно формирует выходное напряжение, используя набор резисторов только двух номиналов (рис. 9.37). Выход-

50 нОм 50 лОм 50 кОм 50 кОм Г

50 кОм

+10,0 В

Рис. 9,37.

ное напряжение приведенной схемы изменяется от нуля до +10 а конечное значение выходного сигнала соответствует входному числу 16 (для максимального входного кода 15 выходное напряжение

также составляет Юх 15 кк .. 16). с некоторыми изменениями схему R-2R можно использовать для преобразования двоично-десятичного кода.

Рис. 9.38.

-~W Применение масш jyj3P табарующих источни-

ков тока. При данном методе преобразования входной двоичный кодуправляет включением источников, генерирующих токи, в соответствии с их весовыми коэффициентами (рис. 9.38). Эти токи суммируются, и суммарный ток либо непосредственно используется в качестве выходного, либо

Л

Опорный источник

т сзр-1

СЗР-2 !

СЗР-3

ч

МЗР

Отдельный -7

управлЕниЕ

К|6 N2 Rl

}jt -JOB----

(опорный

вых

C3P C3P-t C3P-2

Рис. 9.39. Классическая схема ЦАП с коммутацией токов.

преобразуется в напряжение посредством операционного усилителя (преобразователь ток - напряжение, см. разд. 3.09). Масштабные