Параметры цифровых микросхем

СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Учебное пособие

Новосибирск

УДК 681.325.5-181.8(07)

Доцент А.В. Микушин.

Профессор В.И. Сединин

Учебное пособие предназначено для студентов радиотехнических специальностей, однако может быть использовано как радиолюбителями, так и инженерами, желающими освоить новые методы исследования цифровых схем. Пособие содержит описание цифровой техники, достаточное для понимания начинающими читателями. В качестве примеров применения цифровых микросхем использованы наиболее распространенные узлы радиоэлектронной аппаратуры. Особое внимание уделено применению цифровой техники в аппаратуре связи. При этом подробно рассмотрены особенности цифрового формирования радиосигналов и прием этих сигналов в цифровой форме.

Кафедра САПР

Иллюстраций – 274, список литературы – 16 названий

Рецензенты: д.т.н., профессор В.Д. Фроловский

д.т.н., профессор В.А. Майстренко.

Для студентов, обучающихся по направлению: 210400 – Телекоммуникации.

Утверждено РИС СибГУТИ в качестве учебного пособия.

Ó Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики, 2008г.

Оглавление

Введение. 5

1 Параметры цифровых микросхем. 7

1.1 Уровни логического нуля и единицы.. 7

1.2 Входные и выходные токи цифровых микросхем. 10

1.3 Параметры, определяющие быстродействие цифровых микросхем. 11

1.4 Описание логической функции цифровых схем. 13

2 Основные логические функции и элементы.. 17

2.1 Функция "НЕ", инвертор. 17

2.2 Функция "И", логическое умножение. 18

2.3 Функция "ИЛИ", логическое сложение. 20

3 Основные схемотехнические решения цифровых микросхем. 23

3.1 Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) 23

3.2 Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) 28

3.3 Логика на комплементарных МОП транзисторах (КМДП) 31

4 Согласование цифровых микросхем между собой. 39

4.1 Согласование микросхем из различных серий между собой. 40

4.2 Регенерация цифрового сигнала. 44

5 Арифметические основы цифровой техники. 48

5.1 Системы счисления. 48

5.2 Преобразование чисел из одной системы счисления в другую.. 60

6 Комбинационные цифровые схемы.. 67

6.1 Законы алгебры логики. 67

6.2 Построение цифровой схемы по произвольной таблице истинности. 72

6.3 Декодеры.. 77

6.4 Шифраторы.. 82

6.5 Мультиплексоры.. 85

6.6 Демультиплексоры.. 89

7 Генераторы.. 91

7.1 Усилительные параметры КМОП инвертора. 92

7.2 Осцилляторные схемы.. 93

7.3 Мультивибраторы.. 96

7.4 Особенности кварцевой стабилизации частоты генераторов. 98

7.5 Одновибраторы.. 100

8 Цифровые схемы последовательностного типа. 105

8.1 Триггеры.. 105

8.2 Регистры.. 121

8.3 Счётчики. 128

9 Индикаторы.. 146

9.1 Малогабаритные лампочки накаливания. 147

9.2 Газоразрядные лампы.. 151

9.3 Светодиодные индикаторы.. 156

9.4. Динамическая индикация. 160

9.5 Жидкокристаллические индикаторы.. 164

10 Разработка цифрового устройства на примере электронных часов. 172

10.1 Разработка структурной схемы часов. 172

10.2 Разработка принципиальной схемы часов. 177

11 Синхронные последовательные порты.. 188

11.1 SSI интерфейс (DSP порт) 188

11.2 SPI порт. 192

11.3 I²С порт. 198

12 Синтезаторы частоты.. 200

12.1 Схемы фазовой подстройки частоты.. 202

12.2 Схемы определения ошибки по частоте. 205

12.3 Умножители частоты.. 213

12.4 Частотные детекторы, построенные на основе ФАПЧ. 215

13 Цифровая обработка сигналов. 217

13.1 Структурная схема цифрового устройства обработки сигнала. 217

13.2 Особенности аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования 220

13.3 Фильтры для устранения эффекта наложения спектров (Антиалайзинговые фильтры) 232

13.4 Дискретизация сигнала на промежуточной частоте (субдискретизация) 239

13.5 Статическая передаточная функция АЦП и ЦАП и погрешности по постоянному току. 241

13.6 Погрешности преобразования переменного тока. 248

Искажения и шум в идеальном N-разрядном АЦП.. 249

14 Виды аналого-цифровых преобразователей. 251

14.1 Параллельные АЦП.. 251

14.2 Последовательно-параллельные АЦП.. 253

14.3 АЦП последовательного приближения. 255

14.4 åD-АЦП.. 258

15 Основные блоки микросхем цифровой обработки сигналов. 264

15.1 Двоичные сумматоры.. 264

15.2 Цифровые умножители. 270

15.3 Постоянные запоминающие устройства. 273

15.4 Статические оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) 284

15.5 Цифровые фильтры.. 287

16 Реализация передатчиков радиосигналов в цифровом виде. 300

16.1 Генераторы с цифровым управлением (NCO) 301

16.2 Микросхемы прямого цифрового синтеза (DDS) 306

16.3 Квадратурные модуляторы (Up converter) 307

16.4 Интерполирующие цифровые фильтры.. 308

17 Реализация радиоприёмников в цифровом виде. 319

17.1 Цифровые преобразователи частоты.. 320

17.2 Цифровой квадратурный демодулятор. 322

17.3 Децимирующие фильтры.. 323

Список литературы.. 328

Введение

Цифровые микросхемы первоначально разрабатывались для построения электронно-вычислительных машин, получивших в дальнейшем название компьютеры. То есть первое их предназначение было заменить человека при выполнении рутинной вычислительной работы. Сейчас, наверное, никто и не вспомнит, что слово калькулятор ещё каких-нибудь шестьдесят лет назад обозначало не маленький карманный прибор, а профессию большого числа людей, которые занимались расчётами по заданным математическим формулам.

Однако вскоре после начала массового производства цифровых микросхем выяснилось, что они очень удобны для управления какими либо объектами. При этом управляемая схема обычно может находиться только в двух состояниях. Например: схема может быть включена, или выключена, светодиод может гореть, или не гореть, соединение в телефонной станции может присутствовать или отсутствовать, радиостанция может находиться в режиме передачи или в режиме приёма. Это означает, что большинство технических устройств прекрасно описываются (и управляются) двоичными сигналами. При выполнении задачи управления для описания состояния объекта достаточно двух значений: напряжение высокое или низкое (положительное или отрицательное) ток протекает или не протекает.

Это свойство цифровых сигналов позволило избавиться от многих неприятных моментов аналоговых схем. Например, ошибка при прохождении через цифровую схему не увеличивается (в отличие от шумов аналоговых схем), а в ряде случаев даже может быть исправлена. Сами цифровые схемы при правильном их применении не вносят ошибок. Эти свойства цифровых микросхем привели к бурному развитию цифровой техники.

Кроме перечисленных достоинств цифровые микросхемы при массовом производстве оказались чрезвычайно дёшевы, а вскоре превзошли другие технические решения и по габаритам и по массе. В результате цифровые микросхемы практически полностью вытеснили применявшиеся ещё с девятнадцатого века для управления приборами электромагнитные реле и перфокарты. Использование цифровых микросхем резко повысило надёжность устройств управления объектами.

Приведённые выше преимущества цифровых микросхем привели к тому, что в дальнейшем цифровая техника стала использоваться для решения и других задач. Например, для формирования высокостабильных колебаний в радиотехнических изделиях или в качестве эталонных интервалов времени в электронных и электромеханических часах. В этих устройствах, как и в устройствах управления, не стоит задача формирования сигнала строго определённой формы. Единственным условием является стабильность частоты генерируемого колебания. В результате в современном мире полностью изменилась технология изготовления генераторного оборудования и часовая промышленность.

С течением времени стали разрабатываться методы и теория применения цифровых микросхем для формирования аналоговых сигналов. И здесь тоже основным фактором была возможность заранее рассчитывать уровень шумов устройства. При этом уровень шума зависит только от сложности схемы, и не зависит (ну, или почти не зависит) от количества схем, через которые проходит сигнал. Эта особенность приводит к возможности передавать сигнал на любое расстояние (или производить любое количество копий записанного сигнала).

Постоянный прогресс в технологии производства цифровых микросхем позволяет снижать потребление энергии этими микросхемами и увеличивать сложность алгоритмов обработки сигналов. В результате область применения цифровых методов обработки аналоговых сигналов постоянно расширяется, как в область всё более высоких частот, так и в области, ранее не охватываемые радиотехникой (например, цифровая фотография).

Отметим, что уровни логических сигналов не уменьшаются при распространении сигнала по цифровой схеме. Это означает, что цифровые микросхемы принципиально должны обладать усилением. В то же самое время логические уровни на выходе цифрового устройства точно такие же, как и на входе, то есть они не возрастают при прохождении через логический элемент. Это обеспечивается тем, что на выходе цифровой микросхемы происходит ограничение сигнала, то есть цифровые микросхемы работают в ключевом режиме: транзистор цифровой микросхеме может быть только открыт или закрыт. В результате на идеальном транзисторе рассеивания энергии не происходит ни в том, ни в другом состоянии. Это означает, что в цифровых микросхемах можно достичь коэффициента полезного действия близкого к 100%.

Изучение цифровой техники начнем с самых элементарных вопросов: из каких элементов состоят цифровые схемы и как они устроены? Затем научимся реализовывать на основе этих простейших элементов цифровые устройства любой сложности. Для этого нам потребуется изучить основы алгебры логики и методы запоминания цифровых сигналов. Мы научимся отображать цифровую информацию и вводить ее в цифровые микросхемы.

Параметры цифровых микросхем

Цифровые микросхемы или микросборки, их элементы или компоненты обозначаются на принципиальных схемах условно-графическим обозначением в соответствии с ГОСТ 2.743-91. Условно-графическое обозначение микросхемы имеет форму прямоугольника, к которому подводят линии выводов. Условно-графическое обозначение микросхемы может содержать три поля: основное и два дополнительных, которые располагают слева и справа от основного (рисунок 1.1). В первой строке основного поля условно-графическое обозначение помещают обозначение функции, выполняемой элементом. В последующих строках основного поля располагают информацию по ГОСТ 2.743-91.

Рисунок 1.1 – Условно-графическое изображение цифровых микросхем

В дополнительных полях помещают информацию о назначениях выводов (метки выводов, указатели). Дополнительные поля на условно-графическом изображении цифровых микросхем могут отсутствовать. Входы на условно-графическом изображении цифровых микросхем располагают слева, а выходы – справа. Номера выводов микросхем помещают над линией вывода ближе к изображению микросхемы.

Точно так же как и аналоговые схемы, цифровые схемы должны описываться какими-то параметрами. Аналоговые схемы характеризуются напряжением питания, при котором они могут работать. Цифровые микросхемы тоже обладают этим параметром. В настоящее время наиболее распространены цифровые микросхемы с напряжением питания +5В и +3,3В, однако существуют микросхемы, способные работать в диапазоне напряжений от 2 до 6В. Минимальное напряжение питания, при котором работают современные цифровые микросхемы составляет 0,7В.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: