Руководство лаб ЭВМ и ПУ_ 1 часть весна 2013 1878 kB

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
“САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”
К а ф е д р а «Вычислительная техника»
С.П. ОРЛОВ
Н.В. ЕФИМУШКИНА
В.П. ЗОЛОТОВ
С.А.ФЕДОСОВ
ЭВМ И ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА
Часть 1
Лабораторный практикум
Самара
Самарский государственный технический университет
2013
3
ЧАСТЬ 1 ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ
ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
Цель работы: изучение структуры и основных параметров персонального компьютера и его устройств, исследование их влияния на вычислительный процесс в компьютере.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Современный персональный компьютер представляет собой сложную систему, в которую входят различные подсистемы: процессор, кэшпамять и оперативная память (ОП), видеоадаптеры, жесткие диски, интерфейсы связи с периферийными устройствами и др. Типовая структура персонального компьютера приведена на рисунке 1.1. Основой построения системы является набор - чипсет (chipset) из трех специальных
микросхем.
Северный мост – это микросхема чипсета, которая управляет обменом данных между ОП и кэш-памятью, а также между процессором и
графической подсистемой (видеокарты и монитор). Связь осуществляется через параллельную системную шину FSB (Front Side Bus). В последних моделях современных процессоров шину FSB заменили высокоскоростные последовательные шины QPI и HyperTransport.
Микросхема южного моста чипсета содержит набор контроллеров,
управляющих обменом данными с устройствами ввода-вывода и внешними запоминающими устройствами, такими, как жесткие магнитные
диски и оптические диски. Третья микросхема чипсета Firmware Hub
содержит базовую систему ввода-вывода BIOS.
4
Процессор
Монитор
Кэш-память
DVI, HDMI
FSB
Северный
мост
Northbridge
Видеокарты
Оперативная
память
PCI-Express
DMI
USB - устройства
Audio
Южный мост
Southbridge
Интерфейсы ВЗУ
Сетевая карта
10/100/1000
SPI
Жесткие
диски
Оптические
диски
LAN
Firmware Hub
BIOS
Р и с. 1.1. Структура персонального компьютера
DVI, HDMI – интерфейсы для подключения монитора; FSB – системная шина;
PSI-Express – высокоскоростной последовательный интерфейс; ВЗУ – внешние
запоминающие устройства; SPI – интерфейс подключения BIOS,
LAN – локальная вычислительная сеть
Для исследования параметров устройств персонального компьютера и изучения вычислительного процесса в нем в лабораторной работе
используются программы мониторинга CPU-Z, EVEREST Home Edition
5
и PC Wizard. Они позволяют получить подробные сведения практически обо всех устройствах персонального компьютера и следить за загрузкой процессора и других систем. Главные окна этих программ
представлены на рис. 1.2 – 1.4.
Лабораторная работа рассчитана на исследование структуры и параметров персонального компьютера с многоядерным процессором.
Эффективная производительность процессора будет реализована в том
случае, если все его ядра будут загружены равномерно и близко к максимальному значению.
Р и с. 1.2. Окно программы CPU-Z с параметрами исследуемого процессора
6
Одним из главных показателей является частота процессора, которая для современных моделей лежит в диапазоне 1GHz – 3 GHz
(1000 MHz – 3000 MHz).
Р и с. 1.3. Главное окно программы PC Wizard
7
Р и с. 1.4. Главное окно программы EVEREST Home Edition
Описание лабораторной установки
Лабораторная работа выполняется на ПЭВМ типа IBM, работающей в среде Windows XP/Vista/7. Программы мониторинга системы
компьютера CPU-Z, EVEREST Home Edition и PC Wizard установлены на жестком диске и позволяют получить сведения о состоянии и
функционировании практически всех устройств компьютера.
8
Методика выполнения работы
1. Запустите программу EVEREST Home Edition или PC Wizard
(по заданию преподавателя).
2. Выбирая подсистемы компьютера в меню программы, получите информацию о процессоре ПК, оперативной памяти и кэш-памяти,
чипсете системы, BIOS, видеоадаптере, мультимедиа.
3. Получите сведения о периферийных устройствах ПК: жестких
дисках, оптических накопителях, мониторе, клавиатуре, мыши, сетевых адаптерах.
4. Запустите дополнительно программу CPU-Z и откройте главное окно. По заданию преподавателя выберете три тестовые задачи
Z1, Z2 и Z3. Каждая задача имеет свою специфику обработки данных, например видеопоток или аудиопоток, математические вычисления, поиск в больших массивах и др.
Запустите их в следующих режимах:
а) Z1, Z2 и Z3 выполняются последовательно;
б) Z1, Z2 и Z3 выполняются одновременно;
в) Z1, Z2 и Z3 выполняются в сочетаниях по две одновременно.
Для каждого режима с помощью CPU-Z определите загрузку
ядер процессора и памяти. Одновременно проверьте полученные данные с помощью другой программы мониторинга (EVEREST Home
Edition или PC Wizard).
5. Запустите специальный тест компьютера, имеющийся в программе мониторинга. Зафиксируйте полученные результаты.
6. Определите параметры электропитания персонального компьютера.
Указания по оформлению отчёта
Отчёт в письменном виде должен содержать:
1) полученные характеристики о подсистемах персонального
компьютера;
9
2) результаты выполнения тестовых задач Z1, Z2 и Z3 в виде
таблиц и графиков;
3) результаты выполнения теста программы мониторинга.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чём отличие компьютеров с многоядерным процессором от много
процессорных систем?
2. Какие функции выполняет микросхема северного моста?
3. Какие функции выполняет микросхема южного моста?
4. Как соотносятся между собой объем ОП и объемы кэш-памяти?
5. Проанализируйте результаты выполнения п. 4 задания. Как распределяются задачи между ядрами процессора?
6.Какие устройства расположены на системной «материнской плате»?
7. Какие порты используются для подключения USB- устройств?
8. Какая основная задача возникает при планировании вычислительного
процесса в многоядерном процессоре?
9. Как влияет на производительность процессора изменение его тактовой
частоты?
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Цель работы: ознакомление студентов с теорией работы цифроаналоговых преобразователей ЦАП, изучение схем их построения, исследование метрологических характеристик преобразователя.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Информация, которая поступает из реального мира, должна быть
преобразована в форму, допускающую её обработку в ЭВМ. При использовании средств вычислительной техники для управления техно10
логическим процессом исходные неэлектрические величины контролируемых параметров техпроцесса с помощью датчиков преобразуются в аналоговые электрические сигналы, параметры которых нормализуются соответствующими формирователями. Далее реализуются преобразования электрических сигналов (чаще всего напряжения
постоянного тока) в цифровую форму с помощью аналого-цифровых
преобразователей АЦП и обработка информации в ЭВМ. Целью обработки является нахождение для текущих значений входных параметров техпроцесса по её математической модели той совокупности
величин управляющих воздействий, которые следует ввести в технологический процесс для обеспечения нужного его качества. Выходные управляющие сигналы с ЭВМ, представляемые в цифровом
виде, зачастую должны быть переведены в аналоговую форму с помощью цифроаналоговых преобразователей ЦАП для воздействия на
регулирующие элементы технологического процесса. Тем самым реализуется обратная связь, являющаяся необходимым элементом в
управлении любым объектом. Преобразователи АЦП, ЦАП находят
широкое применение во многих областях техники (радиолокация, телевидение, связь и т.д.) [ 4, 5, 6,7].
На рис. 2.1 представлена типичная структурная схема n–разрядного ЦАП. Он содержит регистр из n триггеров, в котором находится n-разрядное двоичное число, подлежащее преобразованию в
соответствующее аналоговое напряжение. Каждый триггер управляет
работой транзисторного ключа, связанного с определённым резистором соответствующего разряда в резисторной матрице. Прецизионный источник опорного напряжения Uоп, подключённый к резисторной матрице, задаёт диапазон изменения выходного напряжения
ЦАП. Выходной операционный усилитель ОУ выполняет функцию
сумматора, обеспечивая сложение токов при реализации той или иной
комбинации включения ключей. Для простых ЦАП общего назначения все эти компоненты объединяют в одной интегральной микросхеме. ЦАП с высокими техническими характеристиками, обладаю11
щие высоким разрешением и высоким быстродействием, изготавливаются по гибридной технологии.
Uоп
CS
D0
Dn
.
.
.
n – триггеров
и n транзисторных ключей
.
.
.
Резисторная
матрица
Uвых
Рис. 2.1. Структурная схема ЦАП
На рис. 2.2 показана базовая структурная схема 4-разрядного ЦАП
(так называемая схема на взвешенных резисторах). Четыре бита, фиксируемые в регистре, управляют состоянием четырёх ключей и обеспечивают 16 различных комбинаций. ОУ включён по схеме сумматора. При
замыкании одного из ключей выходное напряжение ЦАП определяется
произведением опорного напряжения Uоп на отношение сопротивлений
резистора обратной связи ОУ к резистору матрицы, находящемуся в цепи данного ключа. Если, например, замкнут ключ, соответствующий
старшему значащему разряду СЗР регистра (при установке в триггере
этого разряда логической 1), то выходное напряжение Uвых= – (R/2R)Uоп
= –Uоп / 2. При установке уровня сигнала 1 в разряде 1 получим Uвых = –
(R/8R) Uоп = –Uоп / 8. Замыкание каждого следующего ключа (в направлении увеличения веса разрядов) вызывает прирост выходного напряжения, вдвое превышающий результат замыкания предыдущего ключа.
При замыкании нескольких ключей результирующее выходное напряжение определяется суммой вкладов от каждого замкнутого ключа.
Например, при установке логической 1 в разрядах 3 и 1 получаем выходное напряжение Uвых= –(Uоп / 2 + Uоп / 8). Таким образом, можно получить 16 различных дискретных уровней выходного напряжения, соответствующих 16 различным двоичным комбинациям на входе ЦАП. Со12
отношения сопротивлений резисторов должны быть выдержаны с высокой точностью для обеспечения необходимой линейности преобразования входного кода в выходное напряжение.
R
4х - разрядный
регистр
СЗР
S3
2R
Разряд 3
S2
4R
Uвых
Разряд 2
S1
8R
Разряд 1
S0
МЗР
16R
Разряд 0
Uоп
Рис. 2.2. Базовая структурная схема ЦАП
Конструирование такого ЦАП на одном кристалле вызывает определённые трудности. Это объясняется слишком большим диапазоном
величин сопротивлений входящих в него резисторов. В рассматриваемом 4-разрядном ЦАП сопротивление резистора в цепи младшего значащего разряда МЗР должно быть в 16 раз больше сопротивления резистора обратной связи. В общем случае для n–разрядного преобразователя
нужны n+1 резистор, а сопротивление резистора в цепи МЗР должно
быть в 2n раз больше сопротивления резистора обратной связи. Реальное
значение R, которое можно получить для резистора в рамках интегральной микросхемы, составляет 5-10 КОм. А в 8-разрядном ЦАП требуется
9 резисторов с сопротивлением от 5 КОм до 1.28 МОм (256 × 5 кОм), в
то время как в 12-разрядном – 13 резисторов с нереальным диапазоном
сопротивлений вплоть до 20.48 МОм.
Такие значения сопротивлений недостижимы в интегральной технологии. В то же время возможности интегральной технологии реали13
зуются наилучшим образом при повторении на одном кристалле одной
и той же структуры. На основании этого желательно построение преобразователя с малыми и одинаковыми сопротивлениями резисторов.
R
Uоп
2R
a3
S3
Uвых
I3'
R
I3
2R
a2
R
I2'
I2
2R
a1
R
S2
S1
I1'
I1
2R
a0
S0
I0'
2R
I0
Рис. 2.3. Схема ЦАП на основе R-2R резисторной матрицы
На рис. 2.3 показана принципиальная схема ЦАП, по своим функциональным характеристикам эквивалентная схеме на рис. 2.2, но в ней
используются резисторы только двух номиналов – R и 2R. Для доказательства возможности использования такой резисторной матрицы в
схеме ЦАП рассмотрим величины токов в параллельных ветвях к суммирующей точке ОУ.
Потенциалы средней точки переключателей S0,…S3 вне зависимости
от положения подвижного элемента (верхнее или нижнее) остаются
одинаковыми и равными потенциалу земли, так как в нижнем положении они подключаются к клемме “земля”, а в верхнем положении они
подключаются к суммирующей точке операционного усилителя ОУ, потенциал которой по условиям работы ОУ близок к потенциалу земли.
Отсюда следует, что переключения Si не вызывают изменения картины
токов в резисторной матрице R-2R.
Рассмотрим картину токов в нижнем плече матрицы – точка a0. К
ней подключены два резистора с одинаковым номиналом 2R, то есть то-
14
ки I0 и I0’ равны. Общее же сопротивление этих двух параллельно включенных резисторов R0об = (2R*2R)/(2R+2R) = R.
По закону Кирхгофа ток I1 = I0 + I0’ = 2I0’. Сопротивление вертикального участка цепи между точкой а1 и землёй равняется R1 = R + R0об
= R + R = 2R, то есть равно сопротивлению горизонтального участка от
этой же точки. Следовательно, протекающие по ним токи также равны:
I1 = I1’. Так как I1 = 2I0’, и I1’ = 2I0’. Общее же сопротивление резисторов, подключенных к точке а1, по отношению к земле R1об =
(R1*2R)/(R1+2R) = (2R*2R)/(2R+2R) = R.
Рассуждая аналогично по отношению к точкам а2, а3, придём к соотношениям: I2’ = 2I1’ = 4I0’, I3’ = 2I2’ = 8I0’. Отсюда следует, что отношения величин токов в соседних параллельных ветвях матрицы кратны двум;
их соотношения соответствуют коэффициентам 8-4-2-1, как это имеет место в схеме, показанной на рис. 2.2. Поэтому схема на рис. 2.3 реализует
преобразование цифры в аналог по двоичной системе счисления.
Матрица R-2R содержит почти в два раза больше резисторов, но сопротивления их относительно малы – обычно 5-10 КОм, они требуют
сравнительно небольшого участка полезной площади кристалла и могут
быть изготовлены с хорошо согласованными значениями сопротивлений. Поэтому все ЦАП строятся на резисторной матрице R-2R.
ЦАП обеспечивает преобразование исходного двоичного кода в
выходное напряжение в соответствии со следующим выражением:
n 1
U в ых  (U оп /( 2 n  1))  ai 2 i ,
i 0
(2.1)
где аi – двоичная цифра i-разряда (0 или 1) в представлении двоичного
кода исходного числа.
Основными системными параметрами для ЦАП являются:
– число двоичных разрядов, обычно 8 – 12;
– диапазон выходных сигналов, чаще всего 0 – 1 В или 0 – 10 В;
– время преобразования – быстродействие – в диапазоне 0.05 мкс
– 100 мс;
– точность преобразования, оцениваемая в несколько единиц
младшего значащего разряда;
15
– электрические, температурные и габаритные характеристики.
Точность преобразования включает в себя погрешности номиналов
сопротивлений резисторной матрицы и цепи обратной связи сумматора,
временной и температурной нестабильности элементов схемы и т.п. Эти
погрешности проявляются в виде смещения нуля передаточной характеристики, изменения коэффициента передачи. Обычно точность преобразования оценивается в одну единицу младшего значащего разряда
(е.м.з.р.), и величина последней определяется выражением
е. м. з. р.  ( U max  U min ) /( 2 n  1) ,
(2.2)
где Umax, Umin – максимальное и минимальное (обычно 0) выходные
напряжения ЦАП.
При проектировании ЦАП перед разработчиком ставится задача
синтеза – определение тех технических требований на элементы схемы,
которые обеспечат заданные метрологические характеристики этого
устройства. Общая погрешность ЦАП δоб по его основной δос и дополнительной δд погрешностям определяется формулой
 об   ос2   д2
.
(2.3)
Основная погрешность ЦАП определяется числом разрядов и равна
единице младшего значащего разряда. Дополнительная погрешность
определяется рядом факторов, основные из которых и исследуются при
проведении данной лабораторной работы:
δт.д. – технологический допуск на номинал используемых резисторов матрицы;
δt – допуск на изменение сопротивления резистора в зависимости от
температуры;
δu – допуск на нестабильность источника опорного напряжения.
В этом случае дополнительная погрешность δд находится как корень
квадратный из суммы квадратов всех этих составляющих:
δд =
 т2.д.   t2   u2
16
,
(2.4)
и задачей разработчика ЦАП является установление допусков на погрешности всех этих мешающих факторов.
Для упрощения задачи можем принять все составляющие дополнительной погрешности δд одинаковыми, отсюда величина погрешности
ЦАП от каждого фактора
δi = δд /
3.
(2.5)
Влияние каждого из дополнительных факторов – технологического допуска номинала резистора, температурной зависимости сопротивления резисторов, нестабильности источника опорного напряжения – на результирующую величину погрешности ЦАП не одинаково. В ходе экспериментов лабораторной работы для задаваемой величины погрешности каждого мешающего фактора мы находим максимальную результирующую величину погрешности ЦАП (обычно
для начальных точек) и определяем её корреляцию (соотношение) с
погрешностью интересующего нас параметра элемента ( δi ЦАП /δ i элта), фиксируя эту корреляцию в выводах по каждому эксперименту.
Последние будут использованы затем при синтезе ЦАП с нужными
метрологическими характеристиками.
Далее при проверке качества усвоения материала по контрольным вопросам студенту даётся задача на проектирование ЦАП с заданными метрологическими параметрами – определёнными величинами об, δос и δд. Задачей студента будет определение количества разрядов ЦАП, исходя из величины заданной или принятой студентом
основной погрешности ЦАП, и нахождение δт.д., δt , δu элементов
схемы по величине заданной дополнительной погрешности ЦАП и
величинам коэффициентов корреляции по результатам проведённых
ранее экспериментов.
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Запустите программное обеспечение Multisim. В настройках
«Options» → «Global Preferences» → закладка «Parts» выберите европейский стандарт обозначения элементов электронных схем «DIN».
17
Далее для выбора режима симуляции процесса в меню «Simulate» выберите «Digital Simulation Settings» и в открывшемся окне установите
режим «Ideal».
2. Соберите схему 4-разрядного ЦАП, как показано на рис. 2.4,
используя перечень элементов, приведенный в табл. 2.1. Номиналы
резисторов в матрице R–2R установите (двойным нажатием левой
клавиши мыши по элементу, закладка «Value», параметр «Resistance»)
соответственно равными 1 КОм и 2 КОм, номинал резистора в цепи
обратной связи ОУ установите равным 1 КОм.
Рис. 2.4. Рабочая схема ЦАП на основе матрицы R-2R
В качестве источника опорного напряжения включите регулируемый по напряжению источник постоянного напряжения, установив в
нём двойным щелчком левой клавиши мыши напряжение 10 В.
Управление переключателями Si обеспечьте от клавиш с цифрами 0,
1, 2, 3 соответственно (курсор мыши установите на изображении переключателя и двойным щелчком левой клавиши вызовите окно
Switch, в закладке Value которого задайте нужный символ управления
работой элемента). Для измерения выходного напряжения ЦАП используйте мультиметр на шкале постоянного тока.
18
3. Снимите выходную характеристику ЦАП, последовательно задавая от нуля до максимума все комбинации кодов ключами и контролируя выходное напряжение схемы. Результаты эксперимента поместите в табл. 2.2. Постройте график выходной характеристики.
Таблица 2.1
Название
Резистор
Источник напряжения
Заземление
Операционный усилитель
Ключ
Мультиметр
Путь расположения в базе
Group: Basic
Family: Resistor
Component: 1k
Group: Sources
Family: Power _sources
Component: DC _Power
Group: Sources
Family: Power _sources
Component: Ground
Group: Analog
Family: Analog _virtual
Component: Opamp_3T_Virtual
Model manuf./ID: IIT/IDEAL_5
Group: Basic
Family: Switch
Component: SPDT
Toolbar: Instruments
Component: Multimeter
4. Оцените влияние технологического допуска номинала резисторов в резисторной матрице и в цепи обратной связи ОУ на метрологические характеристики ЦАП. Так как величина сопротивления от
образца к образцу изменяется в пределах установленного допуска,
например в 0.5% для прецизионного резистора по нормальному закону, для определённости установите отклонения от номиналов резисторов Ri и 2Ri по рис. 2.4 в соответствующих разрядах кода с противоположными знаками, как это показано в табл. 2.3. Номинал резистора в цепи обратной связи установите равным 1.005 кОм.
19
Таблица 2.2
Число
0
1
…
15
Код
0000
0001
…
1111
Uвых , В
…
Таблица 2.3
Разряд
3
2
1
0
R вертикальный,
кОм
R-0.5%=0.995
R+0.5%=1.005
R-0.5%=0.995
2R+0.5%=2.010
R горизонтальный,
кОм
2R+0.5%=2.010
2R-0.5%=1.990
2R+0.5%=2.010
2R-0.5%=1.990
Снимите выходную характеристику ЦАП для этого случая, заполняя табл. 2.4. В строке 4 введена абсолютная погрешность  = Uзам
– Uист, а в строке 5 рассчитывается значение относительной погрешности  в точке измерения как отношение (/Uист)100%. Здесь в качестве Uист необходимо брать значения выходного напряжения ЦАП
по табл. 2.2 для каждой комбинации ключей, а в качестве Uзам следует использовать соответствующие значения выходного напряжения
той же кодовой комбинации по табл. 2.4.
Таблица 2.4
Число
Код
Uвых, В
, В
, %
0
0000
1
0001
…
…
15
1111
Какой можно сделать вывод о влиянии технологического допуска
номинала резистора на погрешность ЦАП из анализа данных таблицы
2.4? Как коррелируются эти погрешности?
5. Выясните, каково влияние температуры на метрологические
характеристики ЦАП за счёт температурного изменения сопротивлений всех резисторов в резисторной матрице и в цепи обратной связи
20
ОУ. В данном эксперименте будем считать, что все резисторы изготовлены по интегральной технологии в пределах одного кристалла,
что обеспечивает одинаковость изменения их номиналов в функции
температуры. В соответствии с этим фактором в схеме ЦАП (рис. 2.4)
увеличьте на 1% значения сопротивлений всех резисторов и определите выходную характеристику ЦАП для данного случая, заполняя
графы в табл. 2.5, аналогичной табл. 2.4. Какой можно сделать вывод
из анализа данных о влиянии температурной погрешности резисторов
на погрешность ЦАП в случае одинакового изменения всех сопротивлений от температуры? Как они коррелируются?
6. Определите, каково влияние температуры на метрологические
характеристики ЦАП в случае неодинаковости температурных режимов резисторной матрицы и резистора обратной связи ОУ, что может
иметь место при гибридной технологии изготовления ИС. То есть резисторная матрица по интегральной технологии изготовлена на кристалле ИС, а резистор обратной связи ОУ как дискретный элемент
электрической схемы подключён к ОУ на ИС. В этом случае без специальных технических приёмов одинаковость температурных режимов всех резисторов невозможна. Поэтому в схеме ЦАП (рис. 2.4) резисторы матрицы оставьте неизменными в соответствии с п. 5., т.е.
увеличенными на 1% от номинала, а номинал резистора в цепи ОУ
установите равным 1 кОм. Определите выходную характеристику
ЦАП, заполняя графы в табл. 2.6, аналогичной табл. 2.4. Вычислите
абсолютные и относительные погрешности преобразования, сделайте
выводы из результатов эксперимента о влиянии температурной погрешности резисторов на погрешность ЦАП в случае неодинаковости
температурных режимов сопротивлений. Как они коррелируются?
7. Оцените воздействие нестабильности источника опорного
напряжения на метрологические характеристики ЦАП. Для этого в
схеме (рис. 2.4) с номиналами резисторов по п. 2 измените напряжение источника опорного напряжения на 1%, установив его равным
10.1 В. Снимите выходную характеристику ЦАП, заполняя графы в
табл. 2.7, аналогичной табл. 2.4. Рассчитайте величины абсолютной и
21
относительной погрешностей преобразования, сделайте выводы из
результатов эксперимента. Как коррелируется погрешность ЦАП от
погрешности источника опорного напряжения?
8. В схеме ЦАП (рис. 2.4) нарушено условие равенства проводимости цепей, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ. Это условие определяется общей теорией работы
операционных усилителей. Для проверки влияния данного ограничения на работу ЦАП включите в цепь между неинвертирующим входом ОУ и землёй резистор с номиналом в 500 Ом (параллельное соединение резистора цепи обратной связи R5 = 1 кОм и общего сопротивления всей резисторной матрицы R = 1 кОм) и снимите выходную
характеристику преобразователя. Предварительно задайте характеристики реального операционного усилителя, установив Component:
LF353H. По результатам эксперимента заполните табл. 2.8, аналогичную табл. 2.4. Какие выводы можно сделать из опыта?
Указания по оформлению отчёта
Отчёт в письменном виде должен содержать:
1) рабочую схему четырёхразрядного ЦАП на основе матрицы R2R и его выходную характеристику (табл. 2.2) для всех кодовых комбинаций от 0000 до 1111;
2) выходную характеристику ЦАП (табл. 2.4) при установленной
величине технологического разброса номиналов резисторов в 0,5% и
рассчитанных величинах абсолютной и относительной погрешностей
ЦАП в точках измерения по табл. 2.4. Найти величину коэффициента
корреляции Кт.р. как отношение максимальной величины погрешности ЦАП к величине допуска на технологический разброс в 0,5%;
3) выходные характеристики ЦАП с рассчитанными величинами
абсолютных и относительных погрешностей ЦАП для всех других
мешающих факторов:
– температурной погрешности ЦАП в 1% вследствие изменения
номинала всех резисторов матрицы и резистора цепи обратной связи
(табл. 2.5) и изменения резисторов только матрицы (табл. 2.6). Найти
22
величины коэффициентов корреляции Кt1 и Кt2 как отношение максимальной величины погрешности ЦАП к погрешности величины резистора в 1% из-за температуры;
– погрешности ЦАП от нестабильности опорного напряжения Uo
в 1% (табл. 2.7). Найти величину коэффициента корреляции Ко как
отношение максимальной относительной погрешности ЦАП к величине погрешности Uo в 1%;
4) выходную характеристику ЦАП при равенстве проводимости
цепей, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя (табл. 2.8);
5) выводы и оценку полученных результатов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чём заключается основное свойство резисторной матрицы R–2R?
2. Какой результат можно ожидать при проведении эксперимента в соответствии с п. 5, если номиналы всех резисторов будут уменьшены на 1%?
3. Подсчитайте веса в процентах единицы младшего разряда для ЦАП с
резисторной матрицей на 8 и 12 разрядов.
3. При проведении исследований по данной лабораторной работе максимальное выходное напряжение преобразователя равно 9.375 В. Здесь нарушается требование к диапазону стандартного выходного напряжения в 0 – 10 В.
Что необходимо изменить в схеме на рис. 2.3, чтобы обеспечить требования
стандарта? Экспериментально проверьте ваши соображения.
4. Для заданных преподавателем комбинаций погрешностей об, δос, δд
ЦАП рассчитайте величины погрешностей на технологический допуск номинала резисторов, температурную погрешность сопротивлений и нестабильность
источника опорного напряжения.
23
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВОГО МУЛЬТИПЛЕКСОРА
Цель работы: изучение студентами элементной базы аналоговых
ключей, исследование их характеристик, построение и проверка работы схемы аналогового мультиплексора.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Аналоговый мультиплексор представляет собой схему, которая
осуществляет подключение в произвольном порядке не более чем одного из нескольких различных аналоговых входов к одному аналоговому выходу. Обращение к каждому индивидуальному входному каналу обычно осуществляется с помощью цифрового адресного кода,
который подаётся на цифровые входы устройства.
В основе построения аналогового мультиплексора лежит применение аналогового ключа – схемы, действующей как замкнутый или
разомкнутый контакт, пропускающий или не пропускающий аналоговый сигнал между двумя точками электрической цепи [4,5]. То или
иное положение ключа обычно задаётся цифровым способом с использованием адресных буферов и схем дешифрации.
В качестве переключаемых элементов в аналоговых ключах почти
всегда используют полевые транзисторы, так как симметричность их
конструктивного исполнения обеспечивает одинаково нормальную работу транзистора, если истоковый и стоковый выводы меняют местами.
Поэтому полевые транзисторы одинаково работают при переключении
положительных и отрицательных сигналов. А биполярный транзистор
пропускает сигнал только одной полярности. Второе принципиальное
преимущество полевых транзисторов – отсутствие напряжения сдвига
по постоянному току. Ключ на полевом транзисторе имеет только последовательное сопротивление между входом и выходом и не имеет каких-либо связанных с переходами потенциалов, вносящих сдвиг по постоянному току. Когда полевой транзистор включен, последовательное
24
сопротивление мало (около 10-100 Ом); выключенный полевой транзистор имеет сопротивление порядка 1010 – 1011 Ом.
При построении ключевых схем из двух типов полевых транзисторов предпочтение отдаётся МОП-транзистору (или МДПтранзистору) по сравнению с полевым транзистором с управляемым
p-n–переходом. Расшифровка равнозначных аббревиатур: структура
МОП – металл затвора, окисел плёнки SiO2 , полупроводник Si кристалла; структура МДП – металл затвора, диэлектрик из плёнки окиси
SiO2, полупроводник Si кристалла. На рис. 1.9 показана структура n –
канального МОП-транзистора. В толще пластины монокристалла
кремния Si с проводимостью p созданы области истока И и стока С с
проводимостью n, границы которых совпадают с проекциями затвора
З на кристалл кремния.
Рис. 1.9. Структура n-канального МОП-транзистора
Поверхность пластины покрыта изолирующим слоем окиси
кремния SiO2, в котором выполнены сквозные отверстия под выводы
соответствующих областей. В углублении в изолирующем слое SiO2
находится металлическая пластина затвора З. При отсутствии потенциала на затворе электрическая цепь исток-сток разомкнута, поскольку в пластине кремния между этими областями отсутствуют электроны, выполняющие функции носителя электрического тока для цепи
И-С. Сопротивление цепи И-С в пластине кремния велико. Для замыкания электрической цепи в кристалле между истоком и стоком необходимо подать на затвор З положительное напряжение относительно
подложки. Тогда под действием положительного электрического поля
«затвор-подложка» электроны из области р под действием силы Кулона будут притягиваться в приповерхностный слой пластины под за25
твор между областями «исток-сток», в результате чего здесь будет
сформирован канал проводимости n, соединяющий области И-С с той
же проводимостью. Во внешней цепи И-С потечёт электрический ток.
Отрицательный потенциал на затворе усиливает эффект запирания
цепи «исток-сток», привлекая в приповерхностную зону дырки.
Наличие изолирующего слоя под затвором предотвращает проникновение в цепь «исток-сток» сигнала управляющего напряжения,
используемого для изменения состояния прибора. Для МОПтранзисторов могут быть получены большие напряжения обратного
пробоя, чем у полевых транзисторов с p-n переходом. Далее для ключевых применений целесообразнее использовать МОП-транзисторы с
обогащением, то есть повышенным содержанием атомов примеси в
монокристалле кремния, поскольку приборы с обогащением при отсутствии управляющего напряжения разомкнуты.
Отдельный n–канальный или p–канальный МОП-транзистор с
обогащением может работать как аналоговый ключ. На рис. 1.10 приведены
схемы
для
снятия
выходных
характеристик
МОП-
транзисторов c обогащением. Для n–канального транзистора (рис.
1.10, а) положительное напряжение от источника регулируемого
напряжения подаётся на затвор прибора, а подложка соединяется со
стоком, то есть с выводом отрицательного потенциала. Для p–
канального транзистора (рис. 1.10, б) на затвор подаётся отрицательное напряжение, а подложка соединяется с истоком, то есть с выводом положительного потенциала. Выходные характеристики (рис.
1.11) показывают, что каждый прибор для пропускания тока между
выводами исток и сток требует задания напряжения на затворе Uзс
больше порогового и составляющего приблизительно 2 В (nканальный прибор имеет положительное пороговое напряжение «затвор-сток», тогда как для p-канального прибора необходимо отрицательное напряжение). Отдельный МОП-прибор лучше всего работает
26
в качестве аналогового ключа при прохождении сигнала одной полярности.
V3
20 V
V2
20 V
XMM1
XMM4
Q1
V1
5V
Q2
V4
5V
IRF3710
а
IRF5210
б
Рис. 1.10. Схемы для снятия выходных характеристик МОП-транзисторов:
а – n-канального; б – p-канального
а
б
Рис. 1.11. Выходные характеристики МОП-транзисторов:
а – n-канального; б – p-канального
Переключение биполярных аналоговых сигналов выполняется
наилучшим образом при использовании комплементарной ключевой
схемы, изображённой на рис. 1.12.
27
Аналоговый вход
n
Управление
ключом
p
1
Аналоговый выход
Рис. 1.12. Схема ключа на МОП-транзисторах с дополнительной
симметрией (комплементарная ключевая схема)
Эта схема может пропускать сигнал любой полярности благодаря параллельной структуре. Ключ замыкается при подаче на затвор n–канального прибора положительного управляющего напряжения, превышающего пороговое, и на затвор p–канального прибора – отрицательного напряжения, которое больше порогового.
Большие положительные аналоговые сигналы будут проходить через n–канальный прибор, а отрицательные сигналы – через p–
канальный прибор. Сопротивление «исток-сток» каждого прибора
является функцией полярности и амплитуды входного сигнала. Однако, поскольку схема является комплементарной, при снижении
сопротивления одного канала сопротивление другого канала прибора увеличивается. В результате эффективное сопротивление в
параллельном соединении остаётся относительно неизменным для
биполярных входных сигналов с любой амплитудой.
На рис. 1.13 представлена функциональная схема 4-канального
аналогового мультиплексора на КМОП-транзисторах. Любой канал
28
может быть опрошен простым заданием его цифрового адреса в виде
двухразрядного двоичного кода.
Дополнительный цифровой вход, называемый разрешающим входом, позволяет управлять включением или отключением всех 4 каналов,
что требуется в системах, имеющих более одного мультиплексора.
Все три цифровых входа совместимы с логическими уровнями
транзисторно-транзисторной логики ТТЛ. Но сигналы ТТЛ в блоке 1
с помощью внутренних буфера и схемы смещения уровня переводятся в уровни напряжений КМОП-транзисторов. Если при использовании положительной логики подавать все логические нули на цепи А1,
А0 и логическую единицу на разрешающий вход (Разр.), то будет открыта только первая схема И-НЕ блока дешифратора 2.
На выходе этой схемы возникает логический 0, который будет
приложен к МОП-транзисторному ключу с каналом р-типа в блоке
ключей мультиплексора 3. Кроме того, выходной сигнал И-НЕ инвертируется и в виде логической 1 поступает на МОП-транзисторный
ключ с каналом n–типа. Оба МОП-транзистора открываются и подВход 1
ключают вход 1 к общему выходу.
А1
1
Цифровой адрес
&
p
n
1
Выход
&
А0
1
&
Разр.
Вход 4
1
&
1
2
29
p
n
3
Рис. 1.13. Четырехканальный аналоговый мультиплексор
Смещённый уровень адреса;
на дешифратор
10
каскад
8
каскад
6
каскад
4
каскад
V+
Адресный вход
Vоп
2
каскад
Полная принципиальная схема входного буфера, схемы смещения
уровня и адресного дешифратора аналогового мультиплексора показаны на рис. 1.14 и рис. 1.15 соответственно. Схема на рис. 1.14 построена на базе КМОП-транзисторов. Сигнал адресного входа ТТЛуровня подаётся на первый каскад схемы и параллельно на четвёртый
каскад. Выходной сигнал первого каскада, амплитуда которого регулируется величиной Vоп, подаётся на третий каскад преобразования. Выходной сигнал с разделённой нагрузки третьего каскада вторым, пятым
и шестым каскадами преобразуется в сочетание двух противофазных
сигналов, управляющих работой седьмого и восьмого каскадов КМОПтранзисторов. Выходные противофазные сигналы с последних каскадов
V+ и V– соответственно для логической 1 и логического 0 через инверторы, собранные на 9 и 10 каскадах, подаются далее на дешифратор.
Схема адресного дешифратора (рис. 1.15) состоит из элементов
И-НЕ и инверторов. Если на входы всех последовательно соединённых n–канальных МОП-транзисторов подан потенциал V+, соответствующий логической 1, то все эти полевые транзисторы открыва–
ются, устанавливая через выходной сигнал инвертора аналоговый
ключ (рис. 1.12) данного канала в состояние «включено».
V-
Рис. 1.14. Входной буфер и схема смещения уровня аналогового мультиплексора
30
p
p
p
p
p
n
n
n
К транзистору
с p-каналами
V+
К транзистору
с n-каналами
A0 или A0
n
A1 или A1
n
Разрешение
V-
Рис. 1.15. Дешифратор адреса аналогового мультиплексора
Однако если на один или несколько цифровых входов подан потенциал V-, соответствующий логическому 0, по крайней мере, один
полевой n–канальный МОП-транзистор будет закрыт. В этом случае
откроется, по меньшей мере, один из параллельно включенных p–
канальных МОП-транзисторов и изменит полярность сигнала на выходном формирователе ключа, устанавливая аналоговый ключ (рис.
1.12) в состояние «выключено».
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Запустите программное обеспечение Multisim. В настройках «Options» → «Global Preferences» → закладка «Parts» выберите европейский
стандарт обозначения элементов электрических схем «DIN». Далее для
выбора режима симуляции процесса в меню «Simulate» выберите «Digital
Simulation Settings» и в открывшемся окне установите «Ideal».
2. Снимите выходные характеристики МОП-транзистора с обогащением для приборов с n–каналом и постройте графики зависимости
статического сопротивления открытого транзистора от напряжения ис31
ток-сток для различных величин напряжения на затворе. Для этого соберите необходимую электрическую схему (рис. 2.2, а), взяв из базы
элементов в группе «Transistors» семейства MOS_3TEN компонент
IRF3710 для n-канального транзистора. Для транзистора с n–каналом
при напряжениях Uзс от 0 до 10 В с шагом в 2 В измерьте токи в цепи
«исток-сток» для напряжений «исток-сток» в 0, 0.5, 1, 5, 10, 15, 20 В.
Вычислите значение сопротивления транзистора в каждой точке как отношение напряжения цепи исток-сток к току в этой цепи. Результаты
сведите в табл. 1.5, постройте графики изменения сопротивления ключа,
объясните наблюдаемый характер изменения параметров.
Таблица 1.5
Uзс, В
Uис, В
Iис, mA
Rис, кОм
0
0,5
0
5
1
10
15
20
...
Uзс, В
Uис, В
Iис, mA
Rис, кОм
10
0
0,5
1
5
10
15
20
3. Проведите испытания интегральной микросхемы аналоговых
ключей 4066BD_10V (контейнер CMOS, Family CMOS_10) по рис.
1.16. В корпусе ИМС размещены четыре аналоговых ключа с n– каналом. Входной сигнал подаётся на клеммы Si, управление подаётся
на клеммы INi, а выход снимается с выводов Di. Уровни входных сигналов и управления не должны превосходить величины питающих
напряжений микросхемы. Амперметры ХММ1 и ХММ3 контролируют
32
ток нагрузки и входной ток микросхемы от источника сигнала.
XMM2
0
V1
4V
2
XMM3
J1
Key = A
8
7
0
0
3
13
1
5
4
6
8
J2
Key = B
0
4
12
11
IN1
S1
0
V3
10 V
14
VDD
U2
D1
IN2
S2
D2
IN3
S3
D3
IN4
S4
XMM1
1
D4
5
2
6
R1
1kΩ
3
9
0
10
VSS
7
V2
5V
4066BD_10V
9
V4
10 V
0
0
1.
Рис. 1.16. Схема испытаний аналогового ключа в ИМС 4066BD
2.
Прибор ХММ2 измеряет уровень выходного напряжения на сопротивлении нагрузки в 1 кОм.
В данном эксперименте проведите определение величины сопротивления аналогового ключа первого канала в замкнутом состоянии. Установите по V2 напряжение на входе первого канала 5 В и, изменяя уровень
напряжения сигнала управления по V1 от нуля до 10 В с шагом в 2 В,
проведите измерения входного тока Iвх, тока Iн и напряжения Uн на
нагрузке R1. По полученным данным определите падение напряжения на
полевом транзисторе и отсюда найдите сопротивление аналогового ключа в замкнутом состоянии. Результаты опыта занесите в табл. 1.6.
Таблица 1.6
Uвх1, В
Uуп1, В
Uн, В
Iвх, mA
Iн, mA
5
0
2
33
4
6
8
10
ΔUкп=Uвх-Uн, В
Rкп=ΔUкп/Iн, кОм
4. Повторите действия, описанные в п. 3, для напряжения входного сигнала на первом канале в 10 В, результаты сведите в табл. 1.7 и
сравните величины сопротивления канала один при разных входных
сигналах. Какой вывод из этого можно сделать?
Таблица 1.7
Uвх1, В
Uуп1, В
Uн, В
Iвх, mA
Iн, mA
ΔUкп=Uвх-Uн, В
Rкп=ΔUкп/Iн, кОм
10
0
2
4
6
8
10
5. Проведите испытания первого канала ИМС по определению сопротивления аналогового ключа в разомкнутом состоянии. Ключ управления А – в правом положении, ключ В цепи входного сигнала – в левом. Входное напряжение постоянного тока от V2 последовательно
устанавливайте равным 10, 50, 100 и 150 вольтам. Напряжение питания
микросхемы установите в этом эксперименте равным 150 В. Контролируйте величины входного тока, тока нагрузки и падение напряжения на
нагрузочном сопротивлении. Результаты эксперимента внесите в табл.
1.8. По этим данным найдите сопротивление ключа в разомкнутом состоянии как отношение падение напряжения на ключе к току нагрузки.
Какой можно сделать вывод из результатов опыта?
Таблица 1.8
Uвх1 , В
Uуп1 , В
Iвх , мА
Iн , мА
10
50
100
150
Окончание табл. 1.8
Uвх1 , В
Uн , В
Uкл = Uвх-Uн , В
10
50
34
100
150
Rкл = Uн/Iн , кОм
6. Соберите схему четырёхканального аналогового мультиплексора
по рис. 1.17. Функционально он состоит из счётчика на базе двух триггеров D–типа (группа «TTL», семейство «74STD», компонент «7474N»)
для задания кода выбираемого канала, дешифратора-демультиплексора
– микросхема 74LS139N (группа «TTL», семейство «74LS»), из схемы
четырёх аналоговых ключей – микросхема 4066BD (группа «CMOS»,
семейство «CMOS_5V», компонент «4066BD_5V»). Предварительно
необходимо по отдельности собрать каждую функциональную часть,
привлекая дополнительный информационный материал нажатием клавиши F1 при выделенном нужном элементе. Убедитесь в работоспособности каждой функциональной части и только затем скомпонуйте всю схему аналогового мультиплексора в единое целое.
X2
VDD
4
3
1B
1Y1
5
1Y2
6
1Y3
7
74LS04N
U4A
74LS139N
X3
74LS04N
U5A
U6
13
1
IN1
S1
D1
2
5
4
IN2
S2
D2
3
6
8
IN3
S3
D3
9
12
11
IN4
S4
D4
10
7
4066BD_5V
2.5 V
VEE
X6 2.5 V
5V
J1
Key = Space
3
~1PR
1CLK
2
1D
1
~1CLR
R1
1kΩ
-5V
U7A
4
XSC1
VSS
X4
2.5 V
74LS04N
VCC
14
VDD
+
Ext Trig
1Y0
5 Vrms
60 Hz
0°
+
1A
2.5 V
A
2
74LS04N
U3A
_
~1G
5V
+
1
V1
B
U1A
VDD
5V
_
U2A
_
2.5 V
X1
XMM1
U8A
1Q
5
4
~1Q
6
3
7474N
X5 2.5 V
~1PR
1CLK
2
1D
1
~1CLR
1Q
5
~1Q
6
XFG1
7474N
Рис. 1.17. Схема испытаний 4-канального аналогового мультиплексора
7. Проведите испытания четырёхканального аналогового мультиплексора. Выбор нужного канала определяется кодом со счётчика.
Задайте по входам аналоговых ключей различные сигналы: по первому каналу – напряжение постоянного тока 5 В; по второму каналу –
35
напряжение переменного тока 5 В, 60 Гц; по третьему и четвёртому
каналам – сигналы с функционального генератора, снимаемые в противофазе с клеммы «+» и клеммы « – » соответственно. На панели
управления генератора установите вид выходного сигнала – треугольный, амплитуду выходного напряжения 5 В, частоту 50 Гц, длительность цикла 90%, смещение – 0.
Задавая ключом J1 коды на выходе счётчика, обеспечьте последовательное подключение каналов к выходу мультиплексора. Для каждого канала при указанных входных воздействиях определите амплитуды выходных напряжений и токов на нагрузочное сопротивление 1
кОм в соответствии с табл. 1.9, на основании данных которой рассчитайте в процентах отклонения значения сопротивления аналогового
ключа от средней величины. Измерения выходных амплитудных значений напряжений и токов целесообразно производить с помощью
двулучевого осциллографа. Амплитудные значения входных напряжений определите последовательным подключением канала В осциллографа к выводам «S1», «S2», «S3» и «S4» микросхемы 4066BD. Выходные напряжения контролируются измерением в нужные моменты
времени соответствующих сигналов по каналу А двулучевого осциллографа. Приведите в отчёте графики выходных величин.
Таблица 1.9
№ канала
1
2
3
4
Uвх, В
Uвых, В
ΔUкл, В
Iн, mA
Rкл, Ом
Указания по оформлению отчёта
Отчёт в письменном виде должен содержать:
1) схему для снятия выходных характеристик МОП-транзистора с
n-каналом, экспериментальные данные работы транзистора при различных величинах напряжения управления и питания по цепи исток36
сток, графики изменения сопротивления канала исток-сток. Сформулируйте письменно вывод по этому испытанию;
2) схему, результаты эксперимента по определению сопротивления замкнутого канала исток-сток микросхемы 4066BD-10 при различных величинах сигнала управления (табл. 1.6 и 1.7). Сформулируйте письменно вывод по этому испытанию;
3) результаты эксперимента по определению сопротивления канала исток-сток в разомкнутом состоянии (табл. 1.8). Сформулируйте
письменно вывод по этому испытанию;
4) схему и результаты испытаний четырёхканального аналогового
мультиплексора по рис. 1.17. Должно быть приведено подробное описание его работы и демонстрация в процессе объяснения. Как меняется
сопротивление перехода исток-сток при подключении того или иного
канала мультиплексора (табл. 1.9)? Какие можно сделать выводы?
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Для чего необходимы аналоговые ключи, в какой области техники они
находят наиболее широкое применение?
2. Почему нецелесообразно использование биполярных транзисторов в качестве основы построения аналоговых ключей?
3. Объясните принцип работы МОП-транзистора. Что такое обогащённый
транзистор?
4. Какое условное обозначение принято для МОП-транзисторов с n–
каналом и р-каналом?
5. Объясните работу КМОП-транзистора в аналоговом ключе при прохождении биполярного входного сигнала.
6. В чём заключаются преимущества построения однокаскадного усилителя на базе двух МДП-транзисторов, включенных последовательно и образующих комплементарный (дополняющий) КМОП-транзистор?
37
Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
С ДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ
Цель работы: усвоение студентами принципов работы аналогоцифровых преобразователей (АЦП), изучение структурной схемы
АЦП с динамической компенсацией, отдельных её узлов, сборка
принципиальной схемы этого АЦП и проведение испытаний.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Преимущества обработки информации и осуществления функций
управления с использованием цифровых методов становятся всё более очевидными. Однако данные, которые поступают из реального
мира, обычно представлены в аналоговой форме. Необходимый аналого-цифровой интерфейс обеспечивает система сбора данных. Она
преобразует исходные данные от одного или нескольких измерительных преобразователей в выходной сигнал, пригодный для цифровой
обработки; преобразование осуществляется с помощью таких компонентов, как усилители, фильтры, схемы выборки-хранения, мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
Наиболее важным компонентом таких систем является аналогоцифровой преобразователь АЦП [5,6].
Принципы работы АЦП. Основное соотношение между входными и выходными сигналами. Аналого-цифровое преобразование,
по существу, является операцией, устанавливающей отношение двух
величин. Входной аналоговый сигнал Uвх преобразуется в цифровой
код Nвых по какой-либо функциональной зависимости, чаще всего линейной или, точнее, кусочно-линейной: Nвых= f(Uвх). При этом могут
использоваться различные алгоритмы отыскания цифрового эквивалента входному аналоговому сигналу. Довольно часто в основе этого
38
процесса лежит преобразование входного сигнала в дробь х путём сопоставления его значения с уровнем опорного сигнала Uоп. Цифровой
сигнал преобразователя есть кодовое представление этой дроби. Это
фундаментальное соотношение иллюстрируется на рис. 1.18, а.
Если выходной двоичный код преобразователя является n–
разрядным, то число дискретных выходных уровней равно 2n. Для
взаимно однозначного соответствия диапазон изменения входного
сигнала должен быть разбит на такое же число уровней. Каждый
квант – величина интервала такого разбиения – представляет собой
значение аналоговой величины, на которое отличаются уровни входного сигнала, представляемые двумя соседними кодовыми комбинациями. Этот квант называют также величиной младшего значащего
разряда (МЗР). Таким образом,
Q = МЗР = ПД / 2n,
где Q – квант; МЗР – аналоговый эквивалент единицы МЗР; ПД –
полный диапазон изменения входного аналогового сигнала.
Все аналоговые величины внутри заданного интервала разбиения
представляются одним и тем же цифровым кодом, которому ставят в
соответствие значение аналоговой переменной в средней точке интервала, называемой пороговым уровнем. Тот факт, что входной сигнал может отличаться от порогового уровня на величину, достигающую +1/2 МЗР, не отличаясь при этом по кодовому представлению,
означает, что любому процессу аналого-цифрового преобразования
присуща неопределённость (погрешность) дискретизации, равная
1/2 МЗР. Её влияние можно уменьшить, увеличивая число разрядов
в выходном коде преобразователя. На рис. 1.18, б показана взаимосвязь входных и выходных сигналов для идеального 3-разрядного
АЦП. Величина МЗР равна 1/8 ПД, а диапазон изменения входного
сигнала разбит на 8 отдельных уровней, от 0 до 7/8. Обратим внимание, что максимальное двоичное число 111 на выходе преобразователя соответствует не полному диапазону, а 7/8 ПД. С учётом того, что
одна из кодовых комбинаций присваивается нулевому уровню вход39
Uвх
АЦП
Выходной сигнал
x = Uвх / Uоп
Цифровой
выход
Uоп
Выходной сигнал АЦП
ного сигнала, максимальный выходной сигнал АЦП всегда соответствует аналоговой величине полного диапазона минус 1 МЗР.
х
Код
7/8
111
3/4
110
5/8
101
1/2
100
3/8
011
1/4
010
1/8
001
000
0
1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8
Квантованные
Аналоговый входной сигнал
уровни
ПД
а
б
Рис. 1.18. Аналого-цифровой преобразователь:
а – взаимосвязь сигналов; б – передаточная характеристика идеального
3-разрядного АЦП
Точность преобразователя. Точность преобразователя определяется как максимальная разность между фактическим входным
напряжением и аналоговым эквивалентом двоичного выходного кода
при заданном полном диапазоне. Этот параметр называют абсолютной точностью, когда его значение указывается в вольтах. Однако гораздо чаще при определении точности за единицу измерения аналогового сигнала принимается величина МЗР; тогда речь идёт об относительной точности. В любом случае погрешность преобразователя есть
максимальное значение суммы всех его погрешностей, включая погрешность квантования. В спецификации погрешностей преобразователя обычно указываются отдельные погрешности в единицах МЗР.
Входные и выходные сигналы преобразователя. Аналоговый
входной сигнал. Большинство АЦП сконструировано в расчёте на работу с дифференциальным или отсчитываемым от потенциала «земли»
однополярным входным сигналом. Уровень этого сигнала должен быть
согласован с установленным входным диапазоном преобразователя.
Чаще всего используются входные диапазоны 0…10 и 0…5 В. Если
40
фактический диапазон изменения входного сигнала составляет только
часть полного входного диапазона АЦП, то некоторые выходные кодовые комбинации преобразователя никогда не будут реализованы. При
этом неоправданно сужается динамический диапазон преобразователя,
что приводит к более сильному влиянию погрешностей преобразования.
Наилучшее решение – выбор АЦП с наиболее подходящим входным
диапазоном или предварительное масштабирование входного сигнала с
помощью операционного усилителя.
Для двухполярного (биполярного) входного сигнала тоже можно
использовать однополярный преобразователь, сначала масштабируя
этот сигнал, а затем добавляя к нему напряжение смещения
(рис. 1.19).
а)
R
4R
Uвх
4R
к АЦП
-10В
б)
Рис. 1.19. Согласование биполярного сигнала с униполярным АЦП:
а – входной сигнал масштабируется и смещается;
б – схема реализации такого преобразователя
41
Если же на выходе необходимо иметь информацию о полярности
сигнала, приходится использовать биполярный преобразователь. Биполярные АЦП работают с биполярными входными сигналами, чаще
всего от –5 до +5 В, и вырабатывают выходные сигналы в виде цифровых кодов (дополнительного, смещённого, прямого или обратного),
позволяющих определять знак входного сигнала.
Для работы каждого АЦП нужен аналоговый сигнал, с которым
сравнивается входной сигнал. Любая погрешность опорного сигнала
проявляется как погрешность усиления в передаточной характеристике АЦП. Поэтому точность и стабильность опорного сигнала являются важнейшими факторами в реализации полной точности АЦП.
Выходной цифровой сигнал АЦП характеризуется числом разрядов (разрешением) и типом используемого кода. Наибольшее распространение получили АЦП с 8– и 12-разрядным разрешением. В униполярных преобразователях в качестве выходного кода чаще всего
используется обычный двоичный код.
Для функционирования любого АЦП требуются синхронизирующий и некоторые управляющие сигналы. Представление об управляющих сигналах лучше всего получить, рассматривая один цикл
преобразования типичного АЦП. Внешнее устройство, с которым
связан АЦП (например, микропроцессор), инициирует процесс преобразования путём переключения на один такт входа АЦП в состояние высокого уровня. В момент начала процесса преобразования
АЦП переводит в состояние низкого уровня свою линию BUZY/ЕОС
(АЦП занят/Преобразование завершено). Таким образом, внешним
устройствам сообщается, что идёт процесс преобразования и что пока
не следует вести поиск выходных данных, не следует инициировать
новый цикл преобразования. По завершении текущего преобразования АЦП возвращает эту линию в исходное состояние высокого
уровня. Этот переход используется, как правило, для генерации сигнала прерывания микропроцессора или какого-либо другого сигнала,
сообщающего центральному устройству о завершении преобразова42
ния. Центральное устройство посылает в АЦП сигнал разрешения вывода (ОЕ), разрешающий АЦП выдачу выходного слова на шину данных. В преобразователях с более чем 8-разрядным разрешением сигнал ОЕ может разбиваться на два сигнала – разрешение вывода старшего байта (НВЕ) и разрешение вывода младшего байта (LВЕ), в результате чего выходное слово преобразователя может передаваться
по 8-разрядной шине данных в виде двух последовательных посылок.
На рис. 1.20, а показана структурная схема АЦП с динамической
компенсацией (или последовательного счёта). В этом АЦП используется счётчик импульсов, который в процессе счёта обеспечивает постепенное нарастание выходного сигнала связанного с ним ЦАП, пока этот сигнал не превысит уровень входного сигнала. Показания
счётчика сбрасываются на нуль перед началом каждого преобразования, и затем счетчик увеличивает своё содержимое на 1 при прохождении каждого тактового импульса. Выходной сигнал ЦАП при каждом единичном изменении состояния счётчика возрастает на величину МЗР, как показано на рис. 1.20, б. Компаратор останавливает счётчик, когда выходное напряжение ЦАП достигает уровня входного
сигнала. Состояние триггеров счётчика в этот момент как раз и определяет цифровой выходной сигнал АЦП. Главный недостаток этого
простого способа аналого-цифрового преобразования – зависимость
времени преобразования от уровня входного сигнала, причём это
время может быть довольно велико (2n периодов тактовых импульсов
для n–разрядного преобразователя в случае входного сигнала, близкого по уровню к величине полного диапазона).
В модифицированном варианте АЦП с динамической компенсацией – так называемом следящем АЦП – используется реверсивный
счётчик, позволяющий ЦАП непрерывно отслеживать входной сигнал
при условии, что изменения входного сигнала невелики. Останавливая счётчик подачей внешнего воздействия в нужный момент времени, можно использовать следящий АЦП в качестве устройства выборки и хранения (УВХ) с цифровым выходом и сколь угодно боль43
шим временем хранения. Допуская возможность счёта или только в
прямом, или только в обратном направлении, можно с помощью этого АЦП получать цифровой выходной сигнал, соответствующий максимальному или минимальному значению входного сигнала в данном
временном интервале.
а
ПД
Аналоговый входной
сигнал Uвх
t
Выходной сигнал ЦАП
б
Рис. 1.20. АЦП с динамической компенсацией:
а – упрощенная структурная схема; б – временная диаграмма сигналов
44
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Запустите программное обеспечение Multisim. В настройках
«Options» → «Global Preferences» → закладка «Parts» выберите европейский стандарт обозначения элементов «DIN». Далее для выбора
режима симуляции процесса в меню «Simulate» выберите «Digital
Simulation Settings» и в открывшемся окне установите «Ideal».
2. Соберите схему аналогового ключа по рис. 1.21, а. Для этого
возьмите из группы «Basic» семейства «Switch» компонент
«SBREAK» – 2 ключа, управляемых напряжением, и в поле задания
параметров ключа, вызываемом при двойном на нём щелчке, верхнему ключу установите Von = 5 В и Voff = 4 В. Для нижнего ключа схемы установите Von = 1 В и Voff = 6 В. Этим обеспечивается совместная
их работа в режиме переключения.
а
б
V1
0
IO2
1
R1
2
1kΩ
4V
V2
J1
3
J2
0
Key = A
0
IO1
IO2
J7
Key = B
IO1
0
5V
IO3 IO3
SBREAK
5V4V
0
XMM1
J8
0
IO4
IO4
SBREAK
1V6V
0
XMM2
с
Рис. 1.21. Аналоговый ключ:
а – принципиальная схема; б – субсхема; с – схема проверки работы аналогового ключа
45
Подключив выходы и входы схемы к клеммам (меню «Place» →
«Connectors» → «HB/SC Connector»), преобразуйте схему в субсхему
аналогового ключа (выделите всю схему и выберите в меню «Place»
→ «Replace by Subcircuit»), задав имя AnKL (по рис. 1.21, б). Изменения в размещении клемм субсхемы реализуются через контекстное
меню (правой кнопкой мыши по выбранной субсхеме) выбором «Edit
Symbol/Title Block». Проверьте работу субсхемы в соответствии со
схемой на рис. 1.21, с, задавая с помощью J2 высокий или низкий
уровень сигнала управления и измеряя выходное напряжение то на
проводе I03, то на проводе I04 субсхемы.
3. При помощи субсхемы AnKL соберите схему 4-разрядного
цифроаналогового преобразователя по рис. 1.22, а (напряжение питания источника опорного напряжения установите равным 10.67 В) и
преобразуйте её в субсхему DAC цифроаналогового преобразователя
(рис. 1.22, б).
IO2 IO3
IO4
IO5
R9
1kΩ
V1
10.67 V
IO3
IO2
R1
U1
IO1
IO1
2kΩ
IO4
X1
AnKL
R2
OPAMP_3T_VIRTUAL
IO3
IO2
R5
1kΩ
IO1
2kΩ
IO4
X2
AnKL
IO3
IO2
R6
1kΩ
R3
IO1
2kΩ
IO4
X3
AnKL
IO3
IO2
R7
1kΩ
R4
IO1
R8 2kΩ
2kΩ
IO4
X4
AnKL
а
46
б
Рис. 1.22. Цифроаналоговый преобразователь:
а – принципиальная схема; б – субсхема
Резисторы возьмите из группы «Basic», семейство «Resistor»,
компоненты «1к» и «2к», а операционный усилитель из группы «Analog», семейство «Analog_virtual», компонент Opamp_3T_Virtual.
4. Соберите схему 4-разрядного двоичного счётчика по рис.
1.23, а, используя D–триггер из группы «TTL», семейство «74STD»,
компонент «7474N». Из него сформируйте субсхему Schet
(рис.
1.23, а, б).
а
б
Рис. 1.23. 4-разрядный двоичный счетчик:
а – принципиальная схема; б – субсхема
47
5. Соберите схему АЦП с динамической компенсацией по рис.
1.24 с необходимыми компонентами для её испытания. Собственно
АЦП включает в себя компаратор (группа «Analog», семейство «Analog_Virtual», компонент «Comparator_virtual»), цифроаналоговый преобразователь DAC, счётчик Schet и логический элемент И (группа
«TTL», семейство «74STD», компонент «7408N»). Роль генератора
тактовых импульсов выполняет ручной переключатель С, сброс показаний счётчика производится вручную переключателем R при замыкании на землю. Входной сигнал Uвх на АЦП задаётся источником
регулируемого напряжения, текущие состояния цифроаналогового
преобразователя и компаратора контролируются вольтметрами V1 и
V2. Индикатор (группа «Indicators», семейство «Probe», компонент
«Probe_red») на выходе логического элемента И показывает прохождение импульсов на счётчик.
VDD
VDD
Key = C
IO1
5V
IO6
IO5
&
IO4
IO2
IO3
5V Key = R
Schet
7408N
V1
+
1.070m
V
COMPARATOR_VIRTUAL
IO5
IO4
IO3
IO2
UCOMP
X
IO1
Y
X>Y
+
DAC
10 V
Uвх
-
5.000
V
V2
Рис. 1.24. Схема испытания аналого-цифрового преобразователя
6. Снимите выходную характеристику АЦП – зависимость цифрового кода в функции от входного напряжения. Для этого установите входное напряжение на компараторе равным 10 В, запустите схему моделирования, кнопкой R установите начальное нулевое состояние счётчика и
48
кнопкой С последовательно подавайте синхроимпульсы на элемент И,
контролируя каждый раз выходные напряжения DAC V1 и компаратора
V2. Полученные данные сведите в табл. 1.10, объяснив преподавателю
динамику работы АЦП при отработке данного входного сигнала.
Таблица 1.10
Uвх, В
V1, В
V2, В
Число
Двоичный код
10
….
….
0
0000
1
0001
….
15
1111
7. Повторите действия, описанные в пункте 6, для входного напряжения 5 В с контролем необходимых выходных данных. Составьте табл.
1.11, аналогичную предыдущей, объяснив работу схемы преподавателю.
8. В схеме (рис. 1.25) вместо субсхемы счётчика подключите четырёхразрядный двоичный счётчик 74191N (рис. 1.26). Цифровой индикатор DCD HEX подключается к схеме в соответствии с указаниями, выносимыми на экран при выделении этого элемента и нажатии
клавиши Help. Продемонстрируйте преподавателю следящий режим
работы такого АЦП, снимите зависимость выходного цифрового кода
со счётчика и выходных напряжений V1, V2 при изменении входного
напряжения Uвх на входе компаратора (для двух точек 5 и 10 В).
Результаты эксперимента сведите в табл. 1.12 и 1.13, аналогично
пункту 6.
3.
49
4
5
11
VDD
Key = R
5V
DCD_HEX
13
14
~CTEN ~RCO
~U/D
~LOAD
MAX/MIN
CLK
15
A
QA
3
1
B
QB
2
10
C
QC
6
9
D
QD
7
12
VDD
Key = C
&
5V
7408N
74191N
V1
+
1.070m
V
COMPARATOR_VIRTUAL
IO5
IO4
IO3
IO2
UCOMP
X
IO1
Y
X>Y
+
DAC
10 V
Uвх
5.000
-
V
V2
Рис. 1.26. Схема испытаний АЦП в следящем режиме
Указания по оформлению отчёта
Отчёт в письменном виде должен содержать:
1) краткое описание работы аналого-цифрового преобразователя,
определение точности преобразования, описание работы с биполярным
сигналом, структурную схему АЦП с динамической компенсацией;
2) результаты экспериментальной проверки работы аналогового
ключа на компонентах SBREAK по рис. 1.22, а; субсхему AnKL и проверку её функционирования по рис. 1.22, с;
3) схему четырёхразрядного ЦАП на субсхеме AnKL по рис.
1.23, а, субсхему цифроаналогового преобразователя DAC по
рис.1.23, б с результатами экспериментальной проверки ее работы;
4) схему четырёхразрядного двоичного счётчика на базе Dтриггера по рис. 1.24, а и субсхему Schet по рис. 1.24, б с результатами экспериментальной проверки;
50
5) схему АЦП по рис. 1.25 с результатами экспериментальной
проверки её работы в соответствии с табл. 1.10 и табл. 1.11, объяснение функционирования каждого компонента схемы;
6) схему и результаты экспериментальной проверки работы АЦП
в следящем режиме для тех же входных напряжений по п. 5 в соответствии с табл. 1.12 и 1.13;
7) выводы в письменном виде по работе аналого-цифрового преобразователя с динамической компенсацией.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Для чего используются АЦП?
2. Какова зависимость величины выходного кода от входного напряжения АЦП?
3. Объясните принцип работы АЦП с динамической компенсацией.
4. В чём обычно измеряется точность преобразования АЦП?
5. Какие элементы входят в состав АЦП с динамической компенсацией?
6. В чём преимущество и в чём недостаток АЦП с динамической компенсацией?
7. В чём заключается смысл работы “следящего” АЦП, как можно его использовать в качестве УВХ, определителя локальных экстремумов входного сигнала?
51
Лабораторная работа № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ТИПОВОГО КОММУТАТОРА
Цель работы. Изучение с помощью простейшей имитационной
модели структуры и особенностей функционирования одного из основных периферийных устройств современных суперЭВМ и компьютерных сетей – мультиплексора (коммутатора).
Краткая теория
Пользователи подключаются к суперЭВМ или сети с помощью
терминальных устройств (абонентских пунктов – АП). Абонентский
пункт содержит аппаратуру передачи данных (АПД), обслуживающую канал связи, а также набор периферийных устройств (ПУ), используемых для ввода–вывода данных, и обеспечивает обмен данными между каналом связи и периферийными устройствами. В общем
случае у суперЭВМ имеется значительное число пользователей, которые подключаются к ней через мультиплексор передачи данных
(МПД), работающий в режиме разделения времени.
Общая структура МПД представлена на рисунке 8.1.Устройство
сопрягает интерфейс ввода – вывода ЭВМ с АПД, обслуживающей
каналы связи. По этому интерфейсу в коммутатор передаются команды и данные, а также посылаются в ЭВМ байты, характеризующие
состояние мультиплексора, линейных адаптеров и каналов связи.
Блок сопряжения с каналом ввода–вывода (БСК) обеспечивает взаимодействие с каналом через интерфейс ввода–вывода, а также прием
и передачу передаваемых сообщений. Блок осуществляет обмен байтами данных с линейными адаптерами (ЛА). Последние преобразуют
выводимые байты в последовательность бит, передаваемых в АПД, а
при вводе данных выполняют обратное преобразование.
Для расширения функциональных возможностей коммутатора в
его состав вводится микропроцессор, позволяющий проводить программную обработку принимаемых и отправляемых сообщений. Такие мультиплексоры называются программируемыми.
52
ЛА
ЛА
ЭВМ
ЛА
ЛА
БСК
БСК
ЛА
ЛА
ЛА
ЛА
Рис. 8.1 – Общая структура мультиплексора передачи данных
(коммутатора)
В большинстве каналов передачи данных основной единицей информации является кадр или пакет. Любой коммутатор может рассматриваться как узел, в который прибывают потоки пакетов и коммутируются в выходной канал адресата. Он содержит буферную память, чтобы гарантировать, что прибывающие одновременно пакеты
не будут потеряны.
Любой реальный коммутатор имеет определенное количество
портов. Каждый порт содержит буфер определенной длины, в котором находится еще не обработанная информация. В модели порт имеет три очереди, как показано на рисунке 8.2.
Входящая очередь для
пакетов с высоким
приоритетом
Исходящая очередь
Входящая очередь для
пакетов с нормальным
приоритетом
Коммутатор
Коммутатор
Рис. 8.2 – Схема работы коммутатора
Каждый порт работает в дуплексном режиме, поэтому входящее
и исходящее направление представлено разными очередями. Две вхо53
дящие очереди отличаются приоритетами. В реальных коммутаторах
количество очередей варьируется и зависит от конкретной марки
устройства.
Сети пакетной коммутации предназначены для предоставления
широкого набора услуг с разнообразными требованиями к качеству
обслуживания. Чтобы выполнить эти требования, используются различные дисциплины обслуживания.
Самой простой является дисциплина FIFO (First Input First Output)
, при которой пакеты передаются на выход в порядке их поступления,
как показано на рисунке 8.3, а). Если буфер переполнен, пакеты теряются. Для такого типа очереди задержка и потеря прибывающих
пакетов зависят от интенсивности их поступления. Если интенсивность велика, будет накапливаться очередь и происходить потеря пакетов, что ухудшает характеристики системы связи. При рассматриваемой дисциплине все пакеты равноправны, поэтому невозможно
обеспечить различные информационные потоки. При такой дисциплине возникает напряженная ситуация (hogging), когда пользователь, передающий пакеты на высокой скорости, заполняет буфер
коммутатора, лишая других пользователей, доступа к устройству.
Одним из возможных способов решения проблемы перегрузки
является алгоритм RED (Random Early Detection). Он позволяет
маршрутизатору освобождать буфер, даже если в нем еще имеется
место. При достижении определенной длины очереди происходит отбрасывание пакетов, выбранных случайным образом, как показано на
рисунке 8.3, б). В результате абонент посылающий пакеты с высокой
интенсивностью, чаще теряет их. Благодаря такому подходу достигается равномерное обслуживание разных абонентов. При определенных настройках удается полностью избежать потери пропускной способности сети, но количество потерянных пакетов при этом растет.
54
Пакетный буфер
а)
Прибывающие
пакеты
Линия
передачи
Пакеты, отброшенные
при переполнении
буфера
Пакетный буфер
б)
Прибывающие
пакеты
Линия
передачи
Пакеты, отброшенные
при переполнении
буфера
Пакеты, отброшенные
при достижении
порогового значения
RED
Рисунок 8.3 - Дисциплина обслуживания:
а) в порядке поступления;
б) в порядке поступления с использованием алгоритма RED
Использование приоритетов позволяет реализовать дисциплину,
учитывающую различные требования к качеству обслуживания отдельных пакетов. Например, пакет, который требует малого времени
задержки, получает высокий приоритет, а пакет, который не требует
срочной передачи - низкий. Размеры буферной памяти могут быть
различными для каждого класса приоритетов. Пакет из низкоприоритетной очереди передается только в случае отсутствия заявок в буферной памяти высокого приоритета. Это видно из рисунка 8.4.
Рассматриваемая дисциплина обслуживания имеет ряд недостатков. Так, пакеты низкого приоритета могут быть задержаны на длительное время. Кроме того, редко поступающие заявки высокого приоритета могут блокировать длинную очередь низкого. Другая проблема состоит в том, что пакеты различных пользователей с одним и
тем же приоритетом обслуживаются по дисциплине FIFO. При этом
может оказаться, что пользователь с напряженной нагрузкой блокирует работу других.
55
Пакеты, отброшенные
при переполнении
буфера
Пакеты с
высоким
приоритетом
Пакетный буфер
Линия
передачи
Когда отсутствуют
пакеты с высоким
приоритетом
Пакеты с
низким
приоритетом
Пакетный буфер
Пакеты, отброшенные
при переполнении
буфера
Рисунок 8.4 - Обслуживание пакетов в соответствии с приоритетом
Модель, используемая в лабораторной работе, поддерживает как
приоритетные, так и бесприоритетные дисциплины обслуживания.
Она позволяет исследовать дополнительные сервисы: RED и CLP –
приоритетное обслуживание.
Описание лабораторной установки
Лабораторная работа выполняется на ПЭВМ типа IBM, работающей в среде Windows XP/Vista/7. В ней используется программа имитационного моделирования типового коммутатора. Программа составлена на языке Delphi. Она позволяет задать
Количество портов коммутатора от 4 до 10, а также следующие
исходные данные, в миллисекундах:
56
a) Период пакетов – время, через которое происходит генерация
очередного пакета с низким приоритетом от 100 до 10000 с
шагом 100.
b) Период особых пакетов – время, через которое происходит генерация пакета с высоким приоритетом от 100 до 10000 с шагом 100.
c) Время коммутации – период, который имитирует задержку
при коммутации, связанную с физической организацией этого
процесса от 100 до 10000 с шагом 100.
d) Время пребывания пакетов в исходящей очереди. Параметр
имитирует задержку при передаче информации на линии связи
от 0 до 10000 с шагом 100.
Исполняемый модуль программы моделирования имеет имя
Commutator.exe и находится в папке Lab 8. Запускается программа
традиционным для Microsoft Windows способом. После запуска на
экране появляется главное окно приложения. В верхней левой части
окна задается количеств портов. Ниже вводятся параметры передаваемых пакетов, а в самом низу располагается матрица коммутации, загружаемая из файла CommutMatr.CM. Матрица имеет фиксированные
значения, которые предусматривают связь портов с конкретными
устройствами ввода-вывода. В правой части окна представлено общее
изображение коммутатора.
Для начала эксперимента необходимо задать количество портов
коммутатора в поле «Количество портов» и нажать на кнопку «Установить». Их может быть от 4 до 10. После этого на главной форме появляются изображения портов. Нумерация портов выполняется слева
направо, начиная с нулевого. Далее, нажатием левой клавишей мыши
на один из портов, необходимо вызвать диалоговое окно «Настройки
портов».
В нем можно задать длину каждой очереди (от 4 до 12), выбрать
дисциплину обслуживания (бесприоритетную, или с приоритетами), а
так же включить дополнительный сервис (CLP или RED). Все
настройки можно применить как к одному порту, выбрав его в соответствующем поле, так и ко всем портам, установив соответствующую галочку. После настройки портов необходимо нажать кнопку
«ОК» для их применения, или «Отмена» - для отмены.
Далее задаются параметры передаваемых пакетов из списка
«Эксперимент». После этого можно начать исследования, нажав на
57
кнопку «Старт». В каждую входную очередь с заданной периодичностью начнут поступать пакеты. Цвет пакета зависит от номера порта,
на который его необходимо передать. В выходной очереди каждого
порта будут накапливаться пакеты одного цвета.
Выполнение программы можно приостановить, нажав кнопку
«Пауза». Для возобновления работы, требуется нажать эту кнопку повторно. Для остановки эксперимента необходимо нажать кнопку
«Стоп». При этом на экране появляется окно с графиками зависимости числа переданных и потерянных пакетов от времени эксперимента.
Программа может работать бесконечно долго. Считается, что
поток пакетов в системе не иссякает. Для завершения эксперимента,
как отмечалось выше, необходимо нажать на кнопку «Стоп». При
этом форма результирующих графиков будет приемлемой, если число
обработанных пакетов не превысит 100 – 120 штук.
Методика выполнения лабораторной работы
Подготовка к работе
1. Знакомство со всеми разделами руководства.
2. Получение у преподавателя задания на исследование коммутатора с различным числом портов и параметрами пакетов, а также режимами их обслуживания.
3. Исследование коммутатора.
4. Оформление отчета.
Последовательность выполнения лабораторной работы
В лабораторной работе необходимо исследовать следующие режимы работы коммутатора:
1) С количеством портов, изменяющимся от 4 до 10, одинаковыми параметрами пакетов (заданных по умолчанию), а также длинами очередей и режимом обслуживания пакетов, заданными по умолчанию;
2) С количеством портов, равным 4, длинами очередей и режимом обслуживания пакетов, заданными по умолчанию и следующими
58
временными характеристиками передачи пакетов:
a) Минимальным (100 мс) и максимальным (10000мс) периодом
низкоприоритетных пакетов;
b) Минимальным (100 мс) и максимальным (10000мс) периодом
особых (высокоприоритетных) пакетов;
c) Минимальным (0 мс) и максимальным (10000мс) временем
коммутации;
1) С количеством портов, равным 4 и режимом обслуживания
пакетов, заданным по умолчанию, при минимальных (равных 4) и
максимальных (равных 12) длинах очередей каждого типа и следующих временных характеристиках передачи пакетов:
a) Минимальным (100 мс) и максимальным (10000мс) периодом
низкоприоритетных пакетов;
b) Минимальным (100 мс) и максимальным (10000мс) периодом
особых (высокоприоритетных) пакетов;
c) Минимальным (0 мс) и максимальным (10000мс) временем
коммутации;
2) С количеством портов, равным 4 при длинах очередей каждого типа, равных 10, и режимах обслуживания пакетов, использующих сервисы RED CLP, а также следующих временных характеристиках передачи пакетов:
a) Минимальным (100 мс) и максимальным (10000мс) периодом
низкоприоритетных пакетов;
b) Минимальным (100 мс) и максимальным (10000мс) периодом
особых (высокоприоритетных) пакетов;
c) Минимальным (0 мс) и максимальным (10000мс) временем
коммутации.
Содержание отчета о выполненной работе
Отчет должен содержать следующее:
1. Название и цель работы. Исходные данные.
2. Графики всех зависимостей, полученных с помощью моделирующей программы.
59
Контрольные вопросы
1. Для чего и в каких системах используются коммутаторы?
2. Каковы основные функции коммутаторов?
3. В какой форме представляется информация, передаваемая через МПД?
4. Где хранятся поступившие в коммутатор данные?
5. Может ли хранить и передавать МПД бесконечное количество пакетов
данных?
6. Какие дисциплины обслуживания пакетов применяются в коммутаторах?
7. Как влияет на характеристики коммутатора увеличение количества его
портов?
8. Как влияет на характеристики коммутатора увеличение или уменьшение
периода следования низкоприоритетных пакетов?
9. Как влияет на характеристики коммутатора увеличение или уменьшение
периода следования высокоприоритетных пакетов?
10.Как влияет на характеристики коммутатора увеличение или уменьшение времени пребывания пакетов?
11.Как влияет на характеристики коммутатора увеличение или уменьшение длин входных и выходных очередей в портах?
12.Как влияет на характеристики коммутатора использование сервиса
RED?
13.Как влияет на характеристики коммутатора использование сервиса
CLP?
14.Какой режим работы исследованного Вами коммутатора является
наиболее эффективным?
60
ПРИЛОЖЕНИЕ
ОБЩИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ
МИКРОСХЕМ ЦАП И АЦП СЕРИЙ К572, К1107
В данном приложении указаны общие эксплуатационные особенности отечественных БИС ЦАП и АЦП, объединяемых в рамках различных серий.
Серия К572. Микросхемы, выполняемые по КМОП-технологии,
предназначены для построения радиоэлектронной аппаратуры (РЭА)
разного назначения, используют цифровые методы обработки, передачи
или отображения информации и не требуют высокого быстродействия.
Достоинствами серии являются низкая потребляемая мощность, совместимость со стандартными ТТЛ и КМОП логическими уровнями, возможность работы от одного источника питания и др. К недостаткам серии относятся умеренное быстродействие и критичность ИС к пробою
статическим электричеством в процессе монтажа и наладки.
Микросхемы серии К572 эксплуатируются в диапазоне температур
окружающей среды от –10 до +70оС. Относительная влажность воздуха
при температуре окружающей среды 35оС не должна превышать 98%.
В состав серии К572 входят умножающий 10-разрядный ЦАП универсального назначения К572ПА1, аналогичный 12-разрядный ЦАП
К572ПА2 с двумя входными регистрами для хранения цифровой информации, многофункциональный 12-разрядный АЦП последовательного приближения К572 ПВ1 с организацией управления процессом
преобразования и вводом (выводом) данных, ориентированный на работу с МП, интегрирующие АЦП (двухтактного интегрирования)
К572ПВ2 и К572ПВ5 для применения в измерительных приборах с 3.5–
и 4.5-декадными светодиодными (или жидкокристаллическими) индикаторами, 8-разрядный АЦП последовательного приближения
К572ПВ3, сопрягаемый с МП, многоканальная (число каналов 8) 8разрядная аналого-цифровая система сбора данных КР572ПВ4.
61
Следует отметить, что микросхема К572ПВ1 может быть использована в режиме умножающего ЦАП и ориентирована для применения в преобразователях типа угол-код.
Для микросхем серии К572 продолжительность пайки при температуре жала паяльника 235 5оС не должна превышать 5 с.
Установка и извлечение микросхем из контактных устройств могут производиться только при выключенных источниках питания и
входных сигналов. При этом не допускается попадание внешнего
электрического потенциала на крышку корпуса ИС.
Подача электрических сигналов на выводы ИС при выключенных
источниках напряжения питания, а также подключение к незадействованным выводам корпуса запрещается.
Микросхемы серии К572 требуют защиты от воздействия статического электричества с абсолютным значением потенциала 30 В и более.
Проверка цепей ИС в РЭА может проводиться при выключенных
источниках питания путём подачи на выводы напряжения 3 В при
токе не более 100 мкА.
Не следует производить какие-либо операции с выводами ИС, не
задействованными в схеме включения.
Серия К1107. Микросхемы быстродействующих 6-8-разрядных
параллельных БИС АЦП серии К1107 изготавливаются по биполярной технологии с применением ТТЛ (К1107ПВ1, К1107ПВ2) и ЭСЛ
структур (К1107ПВ3, К1107ПВ4). Типовой для этой серии АЦП является технология, при которой области коллектора, базы и эмиттера np-n транзисторов формируются последовательно легированием исходного материала через окна в окисной плёнке.
Рабочие температуры окружающей среды БИС АЦП находятся в
диапазоне от –10 до + 70оС.
Для микросхем серии К1107 температура индивидуальной и
групповой пайки не должна превышать 260оС при времени касания 3
сек. с интервалами между пайками 10 сек. (примерно 5 мин в режиме
групповой пайки при температуре расплавленного припоя 235оС).
62
В процессе подготовки БИС к пайке запрещается обрезка незадействованных в схеме включения выводов.
Монтаж и демонтаж БИС серии К1107 в РЭА должны производиться только при отключенных источниках напряжения питания.
Следует помнить о недопустимости попадания электрических
сигналов на незадействованные выводы и поверхность корпуса БИС.
При проверке микросхем в составе блоков и узлов РЭА допускается подключение между любыми из выводов напряжения не более
0.5 В при максимальном токе в цепи 1 мА.
Микросхемы серии К1107 устойчивы к воздействию статического
электричества с потенциалом не более 100 В.
В случае необходимости принятия мер защиты печатных плат с
БИС от воздействия влаги следует использовать покрытия лаками УР231, Э4100 при оптимальной толщине равномерно нанесённого по
поверхности изоляционного слоя 35-55 мкм.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ефимушкина Н.В., Орлов С.П. Вычислительные системы и комплексы:
учеб. пособие. – М.: Машиностроение-1, 2006. – 268 с.
2. Ефимушкина Н.В., Орлов С.П. Организация вычислительных систем:
лабор. практикум. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2009. – 286 с.
3. Орлов С.П., Ефимушкина Н.В. Организация компьютерных систем:
учеб. пособие. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. – 188 с.
4. Ратхор Т. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. – 2-е изд. – М.: Техносфера, 2009. – 392 с. – ISBN -5-94836-012-1.
5. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование. – М.: Техносфера, 2007.
– 1016 с. – ISBN-5-94836-146-8.
6. Стюарт Болл Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (Analog
Interfacing to Embedded Microprocessors). Сер. Программируемые системы. – М.: Изд-во Додэка-XXI, 2007. – 360 с. – ISBN-978-5-94120142-6.
7. Микросхемы АЦП и ЦАП: справочник (+CD-ROM). Сер. Интегральные
микросхемы. – М.: Изд-во Додэка-ХХI, 2005. – 432 с. – ISBN-5-94120091-9.
63
8. Библиотека электронных компонентов. Вып. 17. Аналоговые и цифроаналоговые микросхемы фирмы Mitsubishi Electric. – М.: Изд-во Додэка-ХХI, 2000. – 48 с. – ISBN– 5-94020-008-7.
9. Золотов В.П., Семенов В.С., Чуваков А.В. Периферийные устройства:
лабор. практикум. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. – 67 с.
10.Тихонов В.А. Организация ЭВМ и систем: учебник для вузов. – М.:
«Гелиос АРВ», 2008. – 384 с.
11.Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2004. – 586 с.
64
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ
ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА.............................................................................................4
Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОАНАЛОГОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ .....................................................................................................................10
Лабораторная работа № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВОГО МУЛЬТИПЛЕКСОРА ........24
Лабораторная работа № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ............................................38
Лабораторная работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ТИПОВОГО КОММУТАТОРА .......................52
ПРИЛОЖЕНИЕ ................................................................................................................................61
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................................................63
65