фиг 2.17 Функционална схема на 16-канален аналогов мултиплексор

За да работи нормално един четиривходов дешифратор, трябва на входа му да се подават потенциалите, съответстващи на значениеята на a и _, b и _, c и _, d и _. За съжаление на практика понякога се забравя това изискване и се подават само потенциалите, установени на четириразредната шина. Потенциалите на инверсния код могат да се получат на инверсните изходи на тригери или чрез инвертори. За да няма проблеми при свързването, фирмите - производителки на аналогови мултиплексори обикновено предвиждат в схемата инвертори, предхождащи дешифратора. На фиг. 2.17 с I е означен блокът на инверторите, а с II – дешифраторът. Към входа на схемите И-НЕ на дешифратора е свързана и една обща шина Разрешение. На нея се подава съответен потенциал когато се избира мултиплексор при комутиране на голям брой канали с няколко мултиплексора. Първият аналогов вход ще бъде включен при адрес 0000 и лог.1 на разрешаващия вход. Шестнадесетият аналогов канал ще бъде включен при 1111 на адресния вход и лог.1 на разрешаващия.

Мултиплексорите са едни от интегралните схеми, в които най-бързо навлизат най-новите постижения в полупроводниковите технологии. Това се дължи на обстоятелството, че от качествата на ключа силно зависят основните показатели на цялата система. От фиг. 2.17 се вижда, че за да се осъществи двупосочно предаване на двуполярни сигнали, във всеки канал се използва комплементарна ключова схема. Превключването на аналогови сигнали се осъществява чрез свързването на MOS транзистори с N – и P – канал. Когато управляващото напрежение на гейта на N – каналния транзистор е положително и превишава прага на задействане, а на гейта на Р – каналния транзистор е отрицателно и също е над прага на задействане, ключът ще се отпуши. Тогава положителните аналогови сигнали ще преминават през Р – каналния транзистор, а отрицателните – през N – каналния транзистор.

При избор на мултиплексор по каталожни данни ясно се очертават три групи параметри – на цифровия вход, на аналоговия вход и параметри, определящи бързодействието. Прави впечатление също, че фирмите гарантират нормална работа на мултиплексорите в широк температурен обхват – за обикновеното изпълнение от – 25 до +85^оC, а за специалното – от – 55 до +125 ^оC.

• 
  праг на ниското логическо ниво U _{пр н} – това е максималната стойност на ниското ниво на входа, която все още се възприема с определено логическо значение (най-често лог.0). За ТТЛ и CMOS схеми U _{пр н}≤ 0,8 V;
  
• 
  праг на високото логическо ниво U _{пр в} – това е минималната стойност на напрежението, което все още се възприема като високо ниво. За ТТЛ схеми U _{пр в} ≥ 2,4 V, а за CMOS - U _{пр в} ≥ 6 V;
  
• 
  ток на утечката при високо ниво I_{ут в} – трябва да се отчита винаги когато последователно с цифровия вход е включен резистор или съществува друго съпротивление. В противен случай може да се получи недопустимо спадане на високото ниво и невъзможност да се дешифрира адресът;
  
• 
  ток на утечката при ниско ниво I_{ут н} – при последователно включен резистор I_{ут н} може да доведе до спад на напрежението върху него, което е съпосочно с напрежението на ниското ниво и сумата им ще надвиши последното;
  
• 
  ток на цифровия вход – от порядъка на 0,01 до 1 µA. Трябва да се отчете с оглед товароспособността на адресните схеми.
  

• 
  време за превключване Т₀ – това е времето за преминаване от състояние „изключено” в състояние „включено”. За „включено” се приема достигането на 0,9 от максималното ниво на входния сигнал при реакцията на ключа на управляващия сигнал с номинални стойности на U _{пр в} и U _{пр н} (фиг. 2.18). При проектирането на интегралната схема закъснението t_зп се въвежда съзнателно, за да не се получи дълготрайно късо съединение между два канала в момента на превключването, когато изключеният канал още не е изключил, а включеният е вече с малко съпротивление. Времето Т₀ за различни мултиплексори се движи в границите от 1 µS до 34-40 ns;
  
• 
  време за припокриване на каналите t_пк – това е времето при бързодействащите мултиплексори, за което и двата канала са включени и между тях може да се осъщестни паразитна връзка. Прави се компромис между скорост и припокриване. Обикновено това време е 2-3 пъти по-малко от Т₀. Премахването на препокриването, т.е. изчакването да се установят процесите в предходния канал, води до увеличаване на общото време за превключване и до снижаване на бързодействието;
  
• 
  закъснение на превключването t_зп – за избягване на припокриването би трябвало да се въведе закъснение на превключването. Тогава съществува интервал t_зп, в който въпреки подадения сигнал ключът още не е включил – всички канали са изключени. Мултиплексорите, в които е въведено закъснение, имат време за превключване над 40 ns;
  
• 
  входен капацитет C_вх – това е капацитетът на запушения канал по отношение на общата маса;
  
• 
  изходен капацитет C_изх – капацитетът на изхода на мултиплекосра. Пропорционален е на броя на каналите. При 16 канален мултиплексор е до 90 pF;
  
• 
  капацитет между входа и изхода C_ви при отворена верига на мултиплекосра без включени канали. Той е част от pF;
  
• 
  развръзка (изолация) вход-изход – характеризира паразитното преминаване на сигнала между входно-изходните вериги при отворен ключ. Определя се в dB при определена честота на аналоговия сигнал. В един съвременен мултиплексор, този параметър е от порядъка -60 до – 90 dB.
  

• 
  размах на аналоговите канали ±U_c – определя максималната стойност на входните аналогови сигнали ±U_c, при които мултиплексорът работи все още без взаимно влияние между каналите или без излизането му от строя. Размахът трябва да е в границите на захранващото напрежение на аналоговите ключове ±Е;
  
• 
  съпротивление на отпушения ключ R₀ – трябва да е минимално. Ще се прояви при свързването на изхода с нискоомен товар. Когато след мултиплексора има буферен усилвател с Rвх >> R₀, съпротивлението на отпушения ключ се пренебрегва.
  

• 
  входен ток на утечка при изключен ключ I_{вх изкл} – в повечето случаи е от порядъка на рА и не играе съществена роля;
  

• 
  изходен ток на утечка при изключен канал I_{изх изкл} – това е сумарната стойност на всички обратни токове на утечка между дрейна и подложката, измерена на изхода. За да не се получи грешка, необходимо е съпротивленията на източника на сигнал и R₀ да се минимизират;
  
• 
  ток на утечка на включен канал I_{ут вкл} – определя се от тока на преходите сорс-подложка и дрейн-подложка на включения канал.
  

Броят на мултиплексорите N се определя от условието

където n е броят на контролираните точки, а m – броят на аналоговите входове на всеки мултиплексор. Когато N не е цяло число, закръглението се прави към по-голямото.

При по-голям брой контролирани точки са възможни два варианта на свързване на мултиплексорите към аналоговите входове.


а) б)

фиг. 2.19

Директно свързване на голям брой аналогови мултиплексори
На фиг 2.19а е дадена блоковата схема на вариант, при който изходите на всички мултиплексори са свързани в общ канал към входа на буферния блок. Еквивалента схема за n канала, включени към N мултиплексора с един отворен канал, е дадена на фиг 2.19б. В нея са отразени параметрите на аналоговите канали и на превключването. Токът на утечката на отворения канал I_{ут вкл} протича между диодите сорс-подложка и дрейн-подложка. Изходният ток на утечката при изключен ключ I_{изх изкл} зависи от входните и изходните нива на напрежението. Общият изходен капацитет е NC_изх.

Нека е включен само един канал. Останалите (n – 1) канала са изключени. Това е изразено на еквивалентната схема чрез съпротивлението на отворения канал R₀ и капацитета вход-изход C_ВИ на останалите невключени канали. Когато се пренебрегне съпротивлението на генератора на сигнал и се приеме, че I_{ут вкл} и I_{изх изкл} са съпосочни, което е най-тежкия случай се получава

където ∆U определя грешката, с която ще се отчете предаваното напрежение. Ако то е с амплитуда U, минималната грешка, която осигурява системата, е

.

Утечните токове на аналоговите мултиплексори ограничават точността. Избягването на влиянието се постига с подходящо включване на изходите.

Паралелното свързване на всички изходи увеличава общия иходен капацитет N пъти. Това се отрязява на времето за превключване T₀ на канала. За достигане на определено изходно ниво освен собственото време на ключа, влияе и времеконстантата, определена от общия канал, т.е.

Т_{0 общ =} T₀ + kNR₀C _изх,

където k е коефицент, който за ниво 0,9 U_max за широка гама-мултиплексори е 2,3.

За достигане на точност на предаването 0,1 % (ниво 0,999 U_max ) е необходимо да се избегнат преходните режими. За тази цел k=7 и от горната формула, се определя минималното време за отваряне на един канал Т_0min при желаната точност. Тогава максималната скорост на превключване при зададена грешка (съответно коефициент k) ще бъде

, отчитания/s.

При n аналогови канала честотата на включване на всеки аналогов вход към общия канал ще бъде

От теоремата на Найкуист следва, че максималната честота на контролирания аналогов сигнал е

Именно тази максимална честота на входния сигнал трябва да бъде ограничена от нискочестотния филтър.

За контрол на обекти с по-висока честота трябва да се предвиди приоритетно включване на дадения канал за сметка на други, в които процесите протичат по-бавно.

На фиг. 2.20.а е показана блоковата схема на втория вариант на включване на мултиплексорите. При това каскадно включване изходите на m на брой мултиплексори са свързани с аналоговите входове на m-канален мултиплексор. При N>m , т.е. n>m² е необходимо секциониране. Ако броят на секциите е малък, изходните канали на общите мултиплексори могат да се свържат заедно както в първия случай. При условие, че това намалява честотата на отваряне на каналите, изходните канали на общите мултиплексори трябва да се свържат с още един мултиплексор. Следователно за секционното включване не могат да се дадат единни разчетни формули. От еквивалентната схема (фиг 2.20.б) се вижда, че бързодействието ще бъде по-голямо в сравнение с конфигурацията при директното свързване. За вариант с m-канални мултиплексори (n=m²) и брой на каналните мултиплексори N, равен на този при варианта с деректно свързване, общия изходен капацитет C_изх е N пъти по-малък.

Времето за достигане на определено изходно напрежение се изчислява от формулата

където k₁ и k₂ са коефициенти, зависещи от желаната точност. За достигане на 90% от изходното ниво по време на включен канал k₁=6.5; k₂=2,3 , a за 99,9 % - k₁=18 и k₂=2,3.

За 16-канални мултиплексори скоростта на работа при каскадно включване е 5 пъти по-голяма. Приблизителнно 5 пъти е по-малка и грешката по напрежение ∆U

∆U = 3R₀I_{изх изкл .}

Тя е само 3 пъти по-голяма от грешката на самостоятелно работещ мултиплексор.

Повече информация може да се намери на сайтовете на Analog Devices и Texas Instruments.

В аналоговата памет (схема Sample and Hold – S/H) се запомня моментната стойност на аналоговата величина за време, достатъчно за извършване на преобразуването от АЦП или за получаване на изходния сигнал на системата, ако е след аналоговия демултиплексор. Схемата се управлява от микрокомпютъра и времеинтервалите и са подчинени и на неговото бързодействие.

Схемите S/H (независимо дали са високо- или нискокачествени) се изпълняват като повторители, т.е. коефициентът на усилване е приблизително равен на 1.



фиг. 2.21

Следене и запомняне при мултиплексиране на два сигнала към аналогова памет
Схемите S/H трябва да запомнят амплитудата на бързо изменящи се сигнали или в други случаи моментната стойност на сигнала след мултиплексирането на различните входове. На фиг. 2.21 са дадени графиките на процесите следене, запомняне и превключване при мултиплексирането на два сигнала към една аналогова памет. От графичното изобазяване на процесите се вижда, че трябва да се решат редица проблеми от схемен и технологичен характер, за да се осигури желаното бързодействие на аналоговата памет. Стремежът е да се получи максимално бързо превключване от отчитане към запомняне и обратно, при което изходното напрежение еднозначно да съответсва на входното.



а) б)

фиг. 2.22

Изменение на изходното напрежение на аналоговата памет – основни времеви съотношения: а) време за установяване t_уст ; б) грешка при различни сигнали и едно и също апертурно време t_ап
На фиг. 2.22 в увеличен мащаб е показано изменението на изходното напрежение на аналоговата памет при подаване на управляващ сигнал. Обикновено лог.1 e управляващ сигнал за следене на аналоговата величина, а лог.0 – за запомняне на моментната стойност, до която е достигнала. От графиките се вижда, че за достигане на следената аналогова стойност при всеки отчет е необходимо известно време, наречено време за установяване t_уст. В каталозите това е минималното време, през което трябва да се осигури достъп до входния сигнал (да е отворен ключа на схемата S/H) към запомнящия кондензатор, за да бъде достигната определена точност на изходния сигнал. Обикновено тази точност се дава в проценти от цялата амплитуда на сигнала. Например за един тип аналогова памет при амплитуда 10 V на входния сигнал и желана точност 0,1%(10 mV грешка) е необходимо време 3,5 µs, а за точност 0,01% (1 mV грешка) – 5 µs. Вижда се, че t_уст влияе силно на бързодействието на аналоговата памет и ограничава честотната лента на сигналите, които могат да бъдат обработени.

Времето за установяване трябва да се отчита винаги от конструктора съобразно честотата на преобразуване на АЦП. Често срещана грешка е да се повишава бързодействието на АЦП, без да се вземат под внимание другите блокове. Получава се така, че след избора на скъп, многоразреден бърз АЦП, системата започва да работи с по-голяма грешка. Причината е в това, че бързият АЦП не изчаква аналоговата памет да се установи. Преобразуването започва, а може и да завърши преди края на времето за установяване.

Върху бързодействието на аналоговите памети оказва влияние още един параметър – т.нар. апертурно време. Това е времето от подаване на фронта за превключване към запомняне до действителното запушване на ключа, свързващ входния сигнал със запомнящия елемент. В резултат ще се отчете не реалната стойност, съответстваща на момента на подаване на управляващия сигнал за превключване, а друга стойност, силно зависеща от скоростта на изменение на аналоговия сигнал. Отново се открива пряката зависимост: честота на преобразувания сигнал – скорост на превключване – точност на аналогово-цифровото преобразуване. От фиг.2.22.б се вижда че апертурното време tап, което е константа за определна интегрална схема на аналоговата памет, ще доведе до грешка, която силно зависи от честотата на аналоговия сигнал (висока честота - по голяма стръмност при изменение на сигнала). От друга страна, тази грешка трябва да е по-малка от грешката на АЦП. Следователно за определена честота на входния сигнал всеки АЦП с обективно избрана разредност изисква аналогова памет с определено апертурно време. Примерна графика на тази тройна зависимост е дадена на фиг. 2.23.



фиг 2.23

Зависимост на разредността n на използвания АЦП от граничната честота на сигнала и апертурното време
Тук са изброени само част от параметрите, определящи качествата или пригодността за конкретното приложение на аналоговата памет. На практика всяка фирма производител дава голям брой параметри, с които всеки конструктор на системата с дискретизация на сигналите трябва да се съобразява в една или друга степен. Има обаче още няколко изисквания, които трябва да се спазват винаги.

Първото от тях е да се прецени дали въобще е необходима схема S/H. Такава не се включва в случаите ,когато времето за преобразуване на АЦП е по-малко от минималното време, за което входната величина може да бъде подадена на входа му и през което тя не изменя стойността си с повече от една стъпка на квантуване.

Повече информация може да се намери на сайтовете на Analog Devices и Texas Instruments.
2.2.7. Аналогово-цифрови преобразуватели (АЦП)

В раздел 2.1 при разглеждането на обобщената схема бяха разгледани основните изисквания към АЦП от системна гледна точка и начините за включването им в МКСЦОС.

Подробно АЦП са изучавани в дисциплината „Теническа информатика 1”. Проблемите при съгласуването с другите блокове бяха дискутирани в предходните точки на този раздел.

С оглед спецификата на МКСЦОС трябва да се подчертаят няколко основни момента.

При системи с мултиплексиране на входните сигнали по принцип сигналите в два съседни канала могат да се различават съществено, като се намират в двата края на динамичния обхват. Поради характера на МКСЦОС, като типични системи с мултиплексиране на сигналите, е ясно, че в тях трябва да се използват АЦП с поразредно уравновесяване (последователно сравнение). При тези АЦП времето за аналогово-цифрово преобразуване е постоянно и зависи само от разредността на АЦП, а не от амплитудата на входния сигнал.

Необходимостта от ЦОС на видеосигнали с широк спектър (следователно голяма необходима честота на дискретизация) налагат при тяхната обработка да се използват бързите АЦП с паралелно действие (с паралелни компаратори). При тях преобразуването става на един такт.

Цифрово-аналоговите преобразуватели са изучавани и изследвани в дисциплината „Теническа информатика 1”.

Използваните в МКСЦОС ЦАП са практически от почти всички видове. Тяхното многообразие се определя от типа на обработваните сигнали, желаната точност, а при многотиражните изделия (като телевизионни приемници, битови уреди, висококачествени аудио системи) и от конкретните цели в дадения сектор.

Типичен пример е използването на ЦАП в телевизионен приемник с цифрова обработка на сигналите. Висококачественият звук изисква минимум четиринадесет разреден цифров код. Практика в аудио системите е кодиране с n>16 разреда. В цифровия телевизионен приемник се използват два ЦАП за двата звукови стерео канала. За отклонителните напрежения също се използват ЦАП с преминаване през широчинно-импулсна модулация. Още ЦАП са необходими за контраст, яркост, и т.н. Във видео канала три ЦАП са необходими за трите цвята R,G,B. Видеосигналът е широколентов, изисква много добра филтрация на изходното напрежение и затова в тези канали се използват ЦАП с резисторни матрици R-2R. Как тогава цената на обединаните в една интегрална схема 3 канала, дадени на схемата на фиг. 2.3 достига налаганата от производителите на TV приемници цена под 10 долара? Отговорът е – чрез комплексни схемни решения, високотехнологично полупроводниково производство и масови тиражи на използваните интегрални схеми.

Това е двупосочен мултиплексор, включен в режим на демултиплексиране. Всичко, написано в т.2.2.5 е в сила и тук.

Предназначението на цифровите мултиплексори е да превключат p-разреден цифров сигнал от M входни устройства по p-разреден цифров канал към микрокомпютъра на системата и обратно – от микрокомпютъра към М изходни устройства. Това показва, че цифровите мултиплексори могат да бъдат едно и двупосочни.

Това може да са всички известни и използвани в микрокомпютърната техника, респективно в телекомуникациите, средства за въвеждане на информация за управление на МКСЦОС директно чрез комуникация с оператора; чрез използване на оптични, магнитни и графични записи; дистанционно и т.н.

Блоковете за индикация може да са всички известни и използвани в информационно – управляващите МКСЦОС системи за представяне на информация - видео, звукови, тактилни, стрелкови и други. Регистрацията като вид – буквено-цифрова, цифрова, графики, схеми най-често е на хартиен носител. Записът е с цел архвиране на подходящ носител с голям капацитет – магнитен, оптичен диск, електронна памет и др.

Възможността да се изпълняват контролно-диагностични функции е показана чрез включването на блока на програмно управляваните устройства – синтезатори, функционални генератори и токоизправители.

Изходните сигнали на МКСЦОС могат да бъдат от говор и музика до такива за промяна на траекторията на движещ се самолет или следване на релефа на малка височкина при крилати ракети и нисколетящи самолети.