lection 11 (Презентации лекций), страница 2

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойАЦПАналого-цифровой преобразователь (АЦП, Analogto-digital converter, ADC) - устройство,преобразующее входной аналоговый сигнал вцифровой сигнал (дискретный код). Обратноепреобразование осуществляется при помощи ЦАП(цифро-аналогового преобразователя, DAC)Четырехканальный АЦПКак правило, АЦП – электронное устройство,преобразующее напряжение в двоичный цифровойкод. Простейшим одноразрядным двоичным АЦПявляется компараторЦифровой сигналФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойАЦПРазрядность АЦП характеризует количестводискретных значений, которые преобразовательможет выдать на выходе.В двоичных АЦП разрядность измеряется в битах.Например, двоичный АЦП, способный выдать 256дискретных значений (0…255), имеет разрядность8 бит, поскольку 28 = 256Четырехканальный АЦПРазрешение по напряжению равно разностинапряжений, соответствующих максимальному иминимальному выходному коду, деленной наколичество выходных дискретных значений.Цифровой сигналНа практике разрешение ограничено шумами навходе.

При большом уровне шумов различитьсоседние уровни становится невозможно. При этомреальное разрешение описывают эффективнойразрядностью, меньшей разрядности АЦПФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойЛинейные и нелинейные АЦПБольшинство АЦП - линейные, что означает, чтодиапазон входных значений по линейному законусвязан с цифровым выходным значением, т.е.выходное значение k достигается при диапазоневходных значений от m(k + b) до m(k + 1 + b),где m и b — некоторые константыЧетырехканальный АЦПЦифровой сигналРаспределение амплитуды сигнала не всегдаравномерно.

В этом случае используют нелинейныеАЦП. Перед квантованием сигнал пропускают черезпреобразователь с передаточной функцией,повторяющей функцию распределения сигнала. Засчет этого важные области изменения амплитудыквантуются с лучшим разрешением. В ЦАП сигналобрабатывается функцией, обратной функциираспределения исходного сигналаФизические основы современных ЭВМ. ВМиК.

http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойОШИБКА КВАНТОВАНИЯsошибка квантования КВАНТОВАНИЕ ПОРОЖДАЕТ ОШИБКИts УВЕЛИЧЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА УРОВНЕЙКВАНТОВАНИЯ НЕ ВСЕГДА РЕШЕНИЕПРОБЛЕМЫ НЕРАВНОМЕРНОЕ КВАНТОВАНИЕ БОЛЬШЕ УРОВНЕЙ ТАМ, ГДЕ ЕСТЬОСЦИЛЛЯЦИИ С МАЛОЙ АМПЛИТУДОЙt МЕНЬШЕ УРОВНЕЙ ТАМ, ГДЕ НЕТРЕЗКИХ ИЗМЕНЕНИЙ СИГНАЛАФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойТипы АЦПАЦП прямого преобразования (параллельные)содержит по одному компаратору на каждыйдискретный уровень входного сигнала.Очень быстрые, но обычно имеют разрешение неболее 8 бит (256 компараторов). Дорогие, имеютвысокую входную емкость, используются дляцифровки видео и других высокочастотныхсигналовЧетырехканальный АЦППоследовательные АЦП содержит одинкомпаратор, вспомогательный ЦАП и регистрпоследовательного приближения.

Преобразуетсигнал за N шагов, где N - разрядность. На каждомшаге методом двоичного поиска определяется одинбит искомого цифрового значения, начиная состаршего значащего разряда и заканчиваямладшим.Цифровой сигналОбладают хорошим разрешением, но нуждаются вустройства выборки хранения погрешность великаФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойАНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП)АЦП С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ПРИБЛИЖЕНИЕМVвх+СхемасравненияУправляющаялогикаПоследовательноеприближение‘10’ЦАПНапряжение11V3V2 10V1 01V0 00Vвхвремя УСТАНОВКА ВЫХОДА ЦАП В V2 = ‘01’ ЦАП ГЕНЕРИРУЕТ АНАЛОГОВОЕНАПРЯЖЕНИЕ V2, V вх > V 2 УСТАНОВКА СТАРШЕГО БИТА в ‘1’ ЦАП ГЕНЕРИРУЕТ ТЕПЕРЬ V3 УСТАНОВКА МЛАДШЕГО БИТА в „0‟, т.к.

V3 >V вх ФОРМИРОВАНИЕ ЦИФРОВОГО СИГНАЛАВ ТЕЧЕНИЕ ДВУХ ЦИКЛОВ n БИТ= n ЦИКЛОВФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойТипы АЦППоследовательно-параллельные АЦП, сохраняявысокое быстродействие параллельных АЦП,позволяют уменьшить число компараторов, нужныхдля преобразования аналогового сигнала вцифровой с заданной разрядностью. Содержат всвоем составе дополнительный АЦП, повышающийточность преобразования путем оцифровки ошибкиквантования основного АЦПЦифровой сигналЧетырехканальный АЦПИнтегрирующие АЦП содержат генераторпилообразного напряжения, компаратор и счѐтчиквремени.

Пилообразный сигнал линейно нарастаетдо некоторого уровня, а затем быстро спадает донуля. В момент начала нарастания запускаетсясчѐтчик времени. Когда пилообразный сигналдостигает уровня входного сигнала, компараторсрабатывает и останавливает счѐтчик. Значениесчитывается со счѐтчика и подаѐтся на выход АЦПФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойРАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ АЦПЦЕПОЧКА ФОРМИРОВАНИЯ ЦИФРОВОГО СИГНАЛААЦПАналоговыйсигналОграничениеполосыДискретизацияи удерживаниеФормированиецифровогосигнала010011ДВУНАКЛОННОЕ АЦП МЕДЛЕННЫЕ ДОРОГИЕСИГНАЛЬНЫЕ АЦП ТРЕБУЮТ ТОЧНЫХ КОМПОНЕНТОВСИГМА-ДЕЛЬТА АЦП ИСПОЛЬЗОВАНА ЦИФРОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НАДЕЖНЫЕ СТАБИЛЬНЫЕФизические основы современных ЭВМ. ВМиК.

http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойЦАПЦифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) устройство для преобразования цифрового(обычно двоичного) кода в аналоговый (ток,напряжение или заряд).ЦАП является интерфейсом между дискретнымцифровым миром и реальным аналоговымВосьмиканальный ЦАПОсновные характеристики ЦАП:Разрядность - количество разных уровней выходногосигнала, которые ЦАП может воспроизвести (в битах)Максимальная частота дискретизации максимальная частота, на которой ЦАП можетработатьЦифровой сигналДинамический диапазон - соотношениенаибольшего и наименьшего сигналов (выражается вдБ)Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойТипы ЦАПВзвешивающий ЦАП - каждому биту соответствуетрезистор или источник тока, подключенный на общуюточку суммирования. Сила тока пропорциональна весубита, которому он соответствует.Один из самых быстрых, но ему свойственна низкаяточность из-за необходимости использованияпрецизионных элементов.

Обычно имеют разрядностьне более восьми битВосьмиканальный ЦАПШиротно-импульсный ЦАП - стабильный источниктока или напряжения периодически включается навремя, пропорциональное преобразуемомуцифровому коду. Далее полученная импульснаяпоследовательность фильтруется аналоговымфильтром низких частотЦифровой сигналФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойОТ ЦИФРОВОГО К АНАЛОГОВОМУ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КОДА “10”ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕПОДКЛЮЧАЕТ R К ИСТОЧНИКУ (VСС),2R ЗАЗЕМЛЯЕТАНАЛОГОВЫЙ ВЫХОД = (R1/R) * VccЦАП С УМНОЖЕНИЕМНАПРЯЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА УСИЛЕНИЕ = R1/ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕVccVO = - [10R1R2RVO+ЗЕМЛЯАНАЛОГОВЫЙВЫХОДVвх* ( R1/R) + Vвх* (R1/2R)MSBLSBMSB = СТАРШИЙ ЗНАЧАЩИЙ БИТLSB = МЛАДШИЙ ЗНАЧАЩИЙ БИТ ВОЗМОЖНЫЕ ВХОДЫ И ВЫХОДЫДЛЯ R1 = RВХОДЫ11100100ВЫХОДЫ1.5 VccVcc0.5 Vcc0Физические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ru]Лекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойСГЛАЖИВАНИЕ НА ВЫХОДЕ010001ЦИФРАНА ВХОДЕФНЧЦАПДИСКРЕТИЗАЦИЯ +УДЕРЖИВАНИЕСГЛАЖЕННЫЙ СИГНАЛНА ВЫХОДЕ~SStt ПРЕОБРАЗУЕТ ЦИФРЫ НА ВХОДЕ В АНАЛОГОВЫЙ СИГНАЛ УДЕРЖИВАЕТ ДО СЛЕДУЮЩЕГО ОТСЧЕТА ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ СГЛАЖИВАЕТСЯФизические основы современных ЭВМ. ВМиК.

http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойВнутренний фотоэффектВнутренний фотоэффект - перераспределениепод действием излучения электронов посостояниям в полупроводниках и диэлектриках.Внутренний фотоэффект был обнаруженУ. Смитом в 1873 г., проявляется в измененииконцентрации носителей зарядов и приводит квозникновению фотопроводимостиЗонная структураФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойПрибор с зарядовой связьюПЗС - прибор с зарядовой связью - прибор сосчитыванием накопленного электрическогозаряда методом последовательного сдвига этогозаряда от одной ячейки к другойУиллард Бойл1969 – У. Бойл и Дж.

Смитизобретение ПЗС(AT&T Bell Labs) –1970 -AT&T Bell Labs - фиксация изображений спомощью ПЗС - линеек1975 -внедрение телевизионных ПЗС матриц2009 -У. Бойл и Дж. Смит - Нобелевская премияпо физикеДжордж Элвуд СмитФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойПрибор с зарядовой связьюПЗС - это матрица очень близко расположенныхМДП -конденсаторов.На поверхности полупроводника, накрытой тонким(~ 0.1 мкм) слоем диэлектрика, находитсясистема прозрачных электродов. Причемрасстояния между соседними элементами в этойсистеме столь малы, что оказываютсясущественны эффекты взаимного влияниясоседейТри МДП конденсатораРабота ПЗС основана на возникновении(фотоэффект), хранении и направленнойпередаче зарядовых пакетов в потенциальныхямах, образующихся в приповерхностном слоеполупроводника при приложении к электродамвнешних электрических напряженийТрехфазный регистр и переносзаряда в ПЗСФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 11. Связь ЭВМ с внешней средойПЗС матрицыБольшинство ПЗС матриц ориентированона работу в телевизионном стандарте,что отражает их внутренняя структура.Обычно ПЗС матрицы состоят из двухразных областей (секций): накопленияи хранения-переноса заряда.Последний организуется по строчнокадровому принципу.Значительно реже секция храненияотсутствует. В этом случае перенос(строчный) заряда осуществляетсяпрямо по элементам секциинакопления. Во время такого переносапроцесс накопления останавливаетсяза счет использования оптическогозатвораСтроки ПЗС матрицы и переносФизические основы современных ЭВМ.