ไมโครเซอร์กิตแบบอะนาล็อกคืออะไร วงจรรวมแบบอะนาล็อก ซีรีส์วงจรไมโครสำหรับเครื่องบันทึกเทปและอิเล็กโทรโฟน

การคูณสัญญาณอะนาล็อก เช่น การขยายเสียง เป็นหนึ่งในการดำเนินการหลักในการประมวลผลสัญญาณไฟฟ้า เพื่อดำเนินการคูณ ได้มีการพัฒนาไอซีเฉพาะทาง - ตัวคูณสัญญาณแอนะล็อก (ASM) PAS ต้องให้การคูณที่แม่นยำในช่วงไดนามิกที่กว้างของสัญญาณอินพุตและช่วงความถี่ที่กว้างที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หาก PAS อนุญาตให้คุณคูณสัญญาณของขั้วใดๆ สัญญาณเหล่านั้นจะถูกเรียกว่าสี่ควอแดรนท์ หากสัญญาณตัวใดตัวหนึ่งสามารถมีได้เพียงขั้วเดียวเท่านั้น สัญญาณเหล่านั้นจะถูกเรียกว่าสองควอแดรนท์ ตัวคูณที่คูณสัญญาณแบบขั้วเดียวเรียกว่าควอแดรนท์เดี่ยว มี PAS แบบหนึ่งและสองควอแดรนท์ที่รู้จักหลายแบบ โดยอิงตามองค์ประกอบที่มีความต้านทานแบบควบคุม ความชันแบบแปรผัน และการใช้ลอการิทึมและแอนติลอการิทึม ตัวอย่างเช่น ตัวควบคุมที่เปลี่ยนโหมดการทำงานขององค์ประกอบดังแสดงในรูปที่ 7.7c สามารถใช้เป็นตัวคูณได้หากใช้แรงดันไฟฟ้ากับอินพุตดิฟเฟอเรนเชียล คุณ xและแทน อีคอนโทรลส่ง คุณ- ภายใต้อิทธิพล คุณความชันของลักษณะการถ่ายโอนของทรานซิสเตอร์เปลี่ยนไปที่ฐานที่ใช้แรงดันไฟฟ้าคูณที่สอง คุณ x- ก็สามารถแสดงได้ว่าแรงดันไฟขาออก คุณออกไปถอดออกระหว่างตัวสะสมของทรานซิสเตอร์กระแสตรงด้วย อาร์ถึง 1 =อาร์ถึง 2 =อาร์ถึงกำหนดโดยสูตร

อัตราขยายปัจจุบันของ BT ที่เชื่อมต่อตามวงจรกับ OB; - ต- ศักยภาพของอุณหภูมิ - ต=25.6 มิลลิโวลต์

ถ้า คุณ x<<- ตแล้วนิพจน์สำหรับ คุณออกไปสามารถทำให้ง่ายขึ้น:

ข้อเสียของตัวคูณที่ง่ายที่สุดที่พิจารณาใน DC ตัวเดียวคือช่วงไดนามิกของสัญญาณอินพุตที่เล็กมาก ซึ่งรับประกันความแม่นยำในการคูณที่ยอมรับได้ เช่นแล้วที่ คุณ x=0,1- ตข้อผิดพลาดในการคูณถึง 10%

ช่วงไดนามิกที่กว้างขึ้นของแรงดันไฟฟ้าคูณที่มีข้อผิดพลาดน้อยกว่านั้นมาจากตัวคูณลอการิทึมที่สร้างขึ้นบนหลักการ "ลอการิทึม-แอนติลอการิทึม" แผนภาพของ PAS ดังกล่าวแสดงในรูปที่ 7.23

รูปที่ 7.23. ตัวคูณลอการิทึม

ที่นี่ op amps DA 1 และ DA 2 รับลอการิทึมของแรงดันไฟฟ้าอินพุตและ DA 3 ถูกใช้เป็นตัวบวกซึ่งแรงดันเอาต์พุตจะเท่ากับ:

คุณ 0 = เค 1 (ล คุณ x+อิน คุณ) = เค 2 ล คุณ x คุณ.

การใช้ op amp DA 4 จะดำเนินการแอนติลอการิทึม

คุณออกไป = เค 3 แอนติน คุณ 0 = เค 3 คุณ x คุณ

ควรสังเกตว่านิพจน์เหล่านี้ใช้แรงดันไฟฟ้าที่ทำให้เป็นมาตรฐานที่หนึ่งโวลต์ ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วน เค 1 , เค 2 , เค 3 ถูกกำหนดโดยองค์ประกอบความต้านทานที่รวมอยู่ในวงจร OOS ของออปแอมป์ที่ใช้ ข้อเสียใหญ่ของ PAS ดังกล่าวคือการพึ่งพาช่วงความถี่การทำงานอย่างมากกับแอมพลิจูดของสัญญาณอินพุต ดังนั้นหากแรงดันไฟฟ้าอินพุต 10V ความถี่ด้านบนของแรงดันไฟฟ้าคูณสามารถเป็น 100 kHz ดังนั้นด้วยแรงดันไฟฟ้าอินพุต 1V ย่านความถี่การทำงานจะแคบลงเหลือ 10 kHz

หลักการของลอการิทึมและแอนติลอการิทึมใช้ในวิธีการทั่วไปในการสร้าง PAS สี่ควอแดรนท์ด้วยการทำให้เป็นมาตรฐานในปัจจุบัน ซึ่งมีชุดพารามิเตอร์ที่ดีที่สุด เช่น ความเป็นเส้นตรง บรอดแบนด์ และความเสถียรของอุณหภูมิ พวกเขามักจะมีอินพุตที่แตกต่างกันซึ่งจะขยายฟังก์ชันการทำงานของพวกเขา ตัวคูณที่มีการทำให้เป็นมาตรฐานในปัจจุบันนั้นถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์แบบรวม

แผนภาพวงจรแบบง่ายของ PAS IC ที่มีการปรับกระแสให้เป็นมาตรฐานประเภท 525PS1 แสดงในรูปที่ 7.24

อุปกรณ์ประกอบด้วยน้ำตกดิฟเฟอเรนเชียลที่ซับซ้อนโดยใช้ทรานซิสเตอร์ VT 7, ... , VT 10 ครอสคัปปลิ้งของตัวสะสมของทรานซิสเตอร์เหล่านี้ทำให้เกิดการผกผันของสัญญาณที่จำเป็นสำหรับการคูณสี่ควอแดรนท์ ขั้นตอนการป้อนข้อมูลบนทรานซิสเตอร์ VT 3, ..., VT 6 และ VT 11, ..., VT 14 แปลงแรงดันไฟฟ้าอินพุต คุณ xและ คุณเข้าสู่กระแส ด้วยความช่วยเหลือของทรานซิสเตอร์ที่เชื่อมต่อไดโอด VT 1 และ VT 2 สัญญาณปัจจุบันที่อินพุต Y จะถูกลอการิทึม สัญญาณ Y จะถูกแอนติลอการิทึมและคูณด้วยสัญญาณ X ด้วยเครื่องขยายเสียงโดยใช้ทรานซิสเตอร์ VT 7, ... , VT 10

รูปที่ 7.24. แผนภาพวงจรอย่างง่ายของ IC ตัวคูณ 525PS1

ในอุปกรณ์ที่กำลังพิจารณา การเชื่อมต่อระหว่างสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตสามารถแสดงเป็นอัตราส่วนกระแสได้ กระแสเอาท์พุตของตัวคูณถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์

ที่ไหน ฉัน Xและ ฉัน Y- กระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน อาร์ เอ็กซ์และ อาร์ วาย; ไอพีเอ็กซ์และ ฉันปี- กระแสการทำงานในช่อง X และ Y

แรงดันไฟขาออกที่ถูกลบออกจากความต้านทานโหลดตัวใดตัวหนึ่งจะเท่ากับ

ปัจจัยขนาด

ตัวต้านทานทั้งหมดที่แสดงในรูปที่ 7.24 ยกเว้น R 1 และ R 2 เป็นตัวต้านทานภายนอก ทางเลือกของพวกเขาขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะสำหรับ PAS

หากต้องการรับแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ที่เอาต์พุต PAS เมื่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตเท่ากับศูนย์ การปรับจะทำโดยใช้ตัวต้านทานผันแปร R 4 และ R 5 หากตัวคูณทำงานเพียงขั้วเดียวของสัญญาณอินพุตตัวใดตัวหนึ่งเท่านั้น จะเรียกว่าเอนเอียง หากต้องการเปลี่ยน PAS สี่ควอแดรนท์ให้เป็นแบบเอนเอียง ก็เพียงพอที่จะใช้อคติคงที่กับอินพุตตัวใดตัวหนึ่งซึ่งสัญญาณที่อินพุตนี้จะน้อยกว่าแรงดันไบแอสเสมอ

ดังนั้นคุณมักจะต้องประนีประนอมและจ่ายไฟให้กับ op-amp ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า (สำหรับมัน) ออปแอมป์ที่ทันสมัยส่วนใหญ่ใช้งานได้โดยมีแรงดันไฟฟ้ามากกว่า 3 V (±1.5 V) และเฉพาะซีรีย์ K574 เท่านั้นที่มีแรงดันไฟฟ้ามากกว่า 5 V นอกจากนี้โดยเฉพาะสำหรับการใช้งานในแรงดันต่ำ (5 V ) เทคโนโลยีดิจิทัล op-amps ของซีรีส์ LM2901 ก็ผลิตเช่นกัน... LM2904: พารามิเตอร์เหมาะอย่างยิ่งกับแรงดันไฟฟ้า 5 V และการทำงานยังคงอยู่ในช่วง "มาตรฐาน" ที่ 3...30 V " ครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟจ่าย” ที่จำเป็นสำหรับการทำงานของ op-amp และเครื่องเปรียบเทียบสามารถ “สร้าง” ได้โดยใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าโดย

ปัญหาอีกประการหนึ่งคือการประสานงานข้ามระดับ เป็นไปไม่ได้ที่จะส่งสัญญาณดิจิตอลไปยังอินพุตของวงจรไมโครแอนะล็อกโดยเฉพาะสัญญาณจากเอาต์พุตของวงจรไมโคร (แอมพลิจูดแรงดันเอาต์พุตเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย) มีการพูดคุยเรื่องนี้ในรายละเอียดเพิ่มเติมข้างต้น และคุณสามารถลดความกว้างของสัญญาณจากเอาท์พุตดิจิตอลได้โดยใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า

สัญญาณที่เอาต์พุตของระบบอะนาล็อกที่ทำงานในโหมดดิจิทัลมักจะมีแอมพลิจูดเพียงพอสำหรับการทำงานแบบดิจิทัลปกติ แต่ก็มี "ตัวประหลาด" ในเรื่องนี้ด้วย วงจรไมโครแอนะล็อกบางตัวมีระดับบันทึก “0” สอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตเท่ากับ +2.1…2.5 V สัมพันธ์กับสายทั่วไป (ซึ่งเชื่อมต่อกับกำลังไฟฟ้าลบ) และสำหรับวงจร TTL และแรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งบางส่วนคือ 1.4…3.0 V จากนั้น จึงเป็นไปได้ เพื่อตั้งค่าระดับการบันทึกโดยใช้อะนาล็อกดังกล่าว "0" ที่อินพุตดิจิตอลที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นไปไม่ได้ แต่ด้วยการตั้งค่าระดับบันทึก “1” ที่อินพุตดิจิตอล ปัญหาแทบไม่เคยเกิดขึ้นเลย ดังนั้นจึงมีสองเอาต์พุต: หรือใช้เฉพาะอะนาล็อกกับอินพุต "-U" แรงดันลบเล็กน้อย (-2...-3 V) สัมพันธ์กับสายสามัญ (รูปที่ 2.8, o) ซึ่งสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าใด ๆ ไปยังเอาต์พุตที่เชื่อมต่ออยู่ - ( รูปที่ 2.8, b); จำเป็นต้องใช้ R เพื่อว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของ op-amp น้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าบนสายทั่วไปจะไม่สร้างความเสียหายให้กับวงจรไมโครดิจิทัล (TTL) หรือโอเวอร์โหลดตัวป้องกัน () อาจอยู่ที่ 1 kOhm ถึง 100 kOhm เอาต์พุตที่สองจะถูกวางไว้ระหว่างวงจรไมโครแอนะล็อกและดิจิทัล (รูปที่ 2.8, c): ในกรณีนี้แรงดันไฟฟ้าที่อินพุตดิจิทัลจะลดลงที่ระดับบันทึกด้วย “1” ซึ่งไม่สำคัญ และระดับแรงดันไฟฟ้าจะถูกบันทึกไว้ “0” ซึ่งเป็นสิ่งที่เราต้องการ

เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบมักจะทำตามวงจร open collector (รูปที่ 2.8, d) ดังนั้นเมื่อใช้ตัวเปรียบเทียบเพื่อควบคุมวงจรดิจิทัลจึงจำเป็นต้องมี "pull-up" (เชื่อมต่อระหว่างเอาต์พุตตัวเปรียบเทียบและ " +U” บัส) ในวงจร TTL สิ่งเหล่านี้จะถูกติดตั้งไว้ภายในแต่ละอินพุต ส่วนในวงจรจะต้องติดตั้ง "ภายนอก" ไม่เคยมีตัวเปรียบเทียบ "ภายใน" ของตัวต้านทานแบบดึงขึ้น

แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมการเปลี่ยนผ่านของทรานซิสเตอร์เอาท์พุตตัวเปรียบเทียบ (รูปที่ 2.8, d) ไม่เกิน 0.8...1.0 V ดังนั้นจึงไม่เคยมีปัญหาในการควบคุมวงจรดิจิทัลเลย เนื่องจากเอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบถูกสร้างขึ้นตามวงจร open-collector แรงดันไฟฟ้าของตัวเปรียบเทียบ (“+U”) อาจมากกว่าหรือน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายดิจิทัล โดยไม่จำเป็นต้องทำการเปลี่ยนแปลงกับวงจร ในกรณีนี้ จะต้องเชื่อมต่อ "pull-up" ระหว่างเอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบและบัส "+U" ของชิ้นส่วนดิจิทัล

สมมติว่าเราจำเป็นต้องสร้างอันที่จะควบคุมค่าของแรงดันไฟฟ้าของตัวเองและทันทีที่มันมากหรือน้อยกว่าปกติก็จะเปิดขึ้นมา

ก่อนอื่นเรามาลองสร้างวงจรขึ้นมาโดยใช้ไมโครวงจรดิจิทัล ดังที่ทราบกันดีว่าแรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งแบบดิจิตอลนั้นอ่อนแอมากจากแรงดันไฟฟ้าดังนั้นเพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟจึงสามารถเชื่อมต่ออินพุตขององค์ประกอบลอจิกได้โดยตรงผ่านบัสกำลัง (รูปที่ 2.10, a) ในวงจรนี้วงจรด้านล่างตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าที่ลดลง (จากนั้นเอาต์พุตจะถูกตั้งค่าเป็น "หนึ่ง") และวงจรด้านบนตอบสนองต่อการเพิ่มขึ้น - และในกรณีนี้เอาต์พุตขององค์ประกอบ DD1.2 ถูกตั้งค่าเป็น ระดับบันทึก "1" สัญญาณจากเอาต์พุตของทั้งสองช่องสัญญาณจะถูกรวมเข้าด้วยกันโดยวงจรไดโอด "2OR" และเมื่อตั้งค่า "หนึ่ง" ที่เอาต์พุตตัวใดตัวหนึ่ง ระดับบันทึกจะถูกตั้งค่าที่เอาต์พุต DD1.4 “0” ทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานได้

วงจรนี้สามารถทำให้ง่ายขึ้นได้หากใช้หลายอินพุต (รูปที่ 2.10, b) ในโครงร่างเหล่านี้ DD1.2 (รูปที่ 2.10, a)

ข้าว. 2.10. อุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า: a - บนอินเวอร์เตอร์; b - ปรับปรุงองค์ประกอบเชิงตรรกะ c - วงจรไมโครแบบอะนาล็อกใช้หนึ่งในองค์ประกอบ "อินพุต" - ด้วยเหตุนี้จึงไม่จำเป็นต้องมี adder ฉันหวังว่าคุณจะคิดออกเองว่าสิ่งเหล่านี้ทำงานอย่างไร

เมื่อประกอบวงจรใดวงจรหนึ่งแล้ว คุณจะสังเกตได้ว่าในขณะที่แรงดันไฟฟ้าอยู่ในช่วงปกติ กระแสไฟฟ้าที่วงจรใช้จะต้องไม่เกินสองสามไมโครแอมป์ แต่เมื่อเข้าใกล้ขีดจำกัดปกติ จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วหลายพันครั้ง โดยกระแสน้ำได้เกิดขึ้น เมื่อแรงดันไฟจ่ายเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติม มันจะเปิดขึ้น (หากแรงดันไฟจ่ายเต้นเป็นจังหวะจากนั้นจะเริ่ม "ดังก้อง" ตามเวลาที่มีระลอกคลื่น) และหลังจากนั้นครู่หนึ่งเมื่อแรงดันไฟจ่ายเปลี่ยนแปลงมากยิ่งขึ้น กระแสไฟฟ้าที่วงจรใช้จะเริ่มลดลง

หากคุณไม่ต้องการ "เทคนิค" ดังกล่าว ให้ใส่ไว้ในวงจรหรือออปแอมป์ หากเปิดตัวตามระดับบันทึก “O” สะดวกกว่า: สามารถเชื่อมต่อเอาต์พุตเข้าด้วยกันได้ (คุณไม่สามารถทำเช่นนี้กับ op-amp ได้!) และ “ทำ” ด้วยตัวต้านทานแบบ “ดึงขึ้น” ทั่วไป แต่ถ้าเริ่มต้นด้วย "หนึ่ง" op-amp จะสะดวกกว่า: คุณจะบันทึกตัวต้านทาน 2 ตัวซึ่งกระแสไฟฟ้าไหลในโหมด "สแตนด์บาย" (ตราบใดที่แรงดันไฟฟ้ายังอยู่ภายในขีดจำกัดปกติ)

วงจรดังกล่าวจะต้องใช้แหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิงซึ่งต่างจากที่กล่าวไว้ข้างต้น วิธีที่ง่ายที่สุดคือการประกอบโดยใช้ตัวต้านทานและซีเนอร์ไดโอด หรือเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้าและตัวต้านทาน (หรือที่ดีกว่านั้นคือซีเนอร์ไดโอด) ตัวเลือกตัวต้านทานที่มีซีเนอร์ไดโอดมีราคาถูกที่สุด แต่ซีเนอร์ไดโอดส่วนใหญ่จะเริ่มทำงานตามปกติก็ต่อเมื่อมีกระแสหลายมิลลิแอมป์ไหลผ่านและสิ่งนี้ส่งผลต่อการใช้พลังงานของทั้งระบบ อย่างไรก็ตามในประเทศขนาดเล็กที่ทันสมัยเริ่มรักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ที่กระแส 10 μA ขึ้นอยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าปัจจุบัน () กระแสเสถียรภาพขั้นต่ำสามารถเป็นได้

เพื่อให้โหลดน้อยลง เราจะเชื่อมต่อเอาต์พุตโดยตรงกับอินพุตของตัวเปรียบเทียบ (ออปแอมป์และตัวเปรียบเทียบที่ทันสมัยนั้นมีค่าเล็กน้อยและไม่เกิน 0.1 μA) และเราจะเปิดทริมเมอร์ "ควบคุม" ในลักษณะเดียวกับ ในวงจรที่กล่าวถึงข้างต้น ผลลัพธ์ที่ได้คือดังแสดงในรูปที่ 1 2.10 ใน; ใครก็ตามสามารถเชื่อมต่อกับเอาต์พุตของวงจรเหล่านี้ได้ หากคุณใช้ quad op-amps () ในวงจร คุณสามารถประกอบเข้ากับองค์ประกอบ "อิสระ" ได้

ตอนนี้ เพื่อตัดสินใจว่าวงจรใด (ดิจิทัลหรือแอนะล็อกเป็นดิจิทัล) ดีกว่า เรามาเปรียบเทียบคุณลักษณะกัน:

อย่างที่คุณเห็นทั้งสองแผนมีข้อดีและข้อเสียและข้อดีของแผนหนึ่งครอบคลุมข้อเสียของอีกแผนหนึ่งและในทางกลับกัน ดังนั้น คุณไม่จำเป็นต้องพยายามอย่างดีที่สุดเพื่อประกอบวงจรของคุณตามวงจรที่ "ถูกต้อง" ซึ่งสัญญาณดิจิทัลจะทำงานร่วมกับสัญญาณดิจิทัล และสัญญาณแอนะล็อกจะทำงานร่วมกับสัญญาณแอนะล็อก บางครั้งการรวมองค์ประกอบที่ไม่ได้มาตรฐานดังในรูป 2.10,a และ 2.10.6 ช่วยให้คุณประหยัดทั้งค่าอะไหล่และค่าไฟฟ้า แต่ด้วยการรวมที่ไม่ได้มาตรฐาน คุณจะต้องระมัดระวังอย่างยิ่ง: องค์ประกอบส่วนใหญ่ในโหมดนี้ไม่เสถียร และภายใต้อิทธิพลของอิทธิพลเพียงเล็กน้อย องค์ประกอบเหล่านั้นสามารถ "หยุดงาน" หรืออาจล้มเหลวไปเลยก็ได้ เป็นเรื่องยากมากแม้แต่นักวิทยุสมัครเล่นที่มีประสบการณ์ในการทำนายการพัฒนาของเหตุการณ์เมื่อมีการเปิดองค์ประกอบต่างๆ ที่ไม่ได้มาตรฐาน ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะระบุประสิทธิภาพ (หรือความสามารถในการใช้งานไม่ได้) ของ "ที่ไม่ได้มาตรฐาน" อย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้นใน จำลอง ในเวลาเดียวกันคุณจะพบกระแสไฟที่ใช้โดยวงจรและคุณลักษณะอื่น ๆ ที่คุณสนใจและคุณยังสามารถปรับการจัดอันดับของแต่ละองค์ประกอบได้อีกด้วย

สถานที่พิเศษในประวัติศาสตร์อิเล็กทรอนิกส์ถูกครอบครองโดยสิ่งที่เรียกว่า "ตัวจับเวลา 555" หรือเรียกง่ายๆว่า "555" (บริษัท ที่พัฒนาชิปนี้เรียกว่า "ΝΕ555" จึงเป็นที่มาของชื่อ) อันนี้เป็นการผสมผสานระหว่างอุปกรณ์อะนาล็อกและดิจิตอลที่เรียบง่าย เช่นเดียวกับความชาญฉลาดอื่นๆ และด้วยเหตุนี้ ความเก่งกาจของมันจึงน่าทึ่ง ครั้งหนึ่ง (ต้นทศวรรษที่ 90) สื่อสิ่งพิมพ์เกี่ยวกับวิทยุสมัครเล่นหลายฉบับมีคอลัมน์เช่น "มากับการใช้งานใหม่สำหรับตัวจับเวลา 555" - จากนั้นจะมีการเสนอเฉพาะวงจรมาตรฐานสำหรับการเปิดสวิตช์นี้มากกว่าหน้าต่างๆ ในหนังสือเล่มนี้

และมัน (หลักการทำงาน) นั้นง่ายมาก: ภายใต้อิทธิพลของสัญญาณมอดูเลตอะนาล็อกภายนอก (ไม่ใช่ดิจิตอล!) ความถี่ รอบการทำงาน หรือระยะเวลาของการเปลี่ยนแปลงสัญญาณเอาท์พุต

มีสองประเภท: เชิงเส้นและชีพจร เชิงเส้น (แอมพลิจูด ความถี่ เฟส ฯลฯ) จะใช้เฉพาะในการออกอากาศทางวิทยุเท่านั้น ดังนั้นจึงไม่นำมาพิจารณาในที่นี้ มีประเภทความกว้างพัลส์ (PWM) และพัลส์เฟส (PPM) ในทางปฏิบัติแล้วพวกเขาไม่ได้แตกต่างกันดังนั้นพวกเขาจึงมักจะสับสนซึ่งไม่สามารถทำได้ - ท้ายที่สุดหากพวกเขาคิดชื่อที่แตกต่างกันสองชื่อแสดงว่ามีคนต้องการมัน พวกเขาต่างกันตรงที่ PIM ความถี่ของสัญญาณเอาท์พุตจะไม่เปลี่ยนแปลง (เช่น หากระยะเวลาพัลส์เพิ่มขึ้น X เท่า ระยะเวลาของการหยุดชั่วคราวจะลดลง X เท่า) ในขณะที่ PWM จะเปลี่ยน (ระยะเวลาของหนึ่งใน ครึ่งรอบ - ชีพจรหรือหยุดชั่วคราว - จะเหมือนเดิมเสมอ และสำหรับอย่างอื่นจะเปลี่ยนตามเวลาด้วยแรงดันไฟฟ้ามอดูเลต)

เราจะพิจารณาการทำงานของโมดูเลเตอร์โดยใช้ไดอะแกรมที่อยู่ถัดจากรูปภาพ สะดวกมากที่จะใช้สัญญาณมอดูเลตสำหรับตัวจับเวลา 555 กับอินพุต REF (อินพุตของตัวจับเวลา 555 นี้มีไว้สำหรับสิ่งนี้อย่างแม่นยำ เป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดสัญญาณ "มอดูเลต" ให้กับอินพุต REF ของวงจรไมโครอื่น ๆ !) ซึ่งเป็นสิ่งที่มักจะทำกัน

มาเริ่มกันที่ FIM เครื่องนี้ไม่แตกต่างจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั่วไปและความถี่ของพัลส์เอาต์พุต PPM คำนวณโดยใช้สูตรสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แต่มาดูกันว่าเกิดอะไรขึ้นหากใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกกับอินพุต REF ของ "เครื่องกำเนิดไฟฟ้า"

ดังที่เห็นได้จากแผนภาพ ภายใต้อิทธิพลของแรงดันไฟฟ้ามอดูเลต หรือหากใครลืมสาระสำคัญของคำนี้ อัตราส่วนของคาบพัลส์ (log. “1” + log. “O”) ต่อ ระยะเวลาพัลส์ (บันทึก “1”) เปลี่ยนแปลง และนี่คือสาเหตุว่าทำไมสิ่งนี้จึงเกิดขึ้น

เมื่อไม่มีการใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกกับอินพุต REF แรงดันไฟฟ้าที่อินพุตจะเป็น 2/3 ของแรงดันไฟฟ้าและเท่ากับ 2 กล่าวคือ ระยะเวลาพัลส์จะเท่ากับระยะเวลาหยุดชั่วคราว ง่ายต่อการตรวจสอบโดยใช้การคำนวณทางทฤษฎี: ระดับคือบันทึก “ O” ที่เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นหลังจากที่แรงดันไฟฟ้าที่อินพุต R และ S เท่ากับ 1/3 U cc ที่สัมพันธ์กับบัส“ U cc” และระดับจะถูกบันทึก “ 1” - หลังจากแรงดันไฟฟ้าที่อินพุตจะเท่ากับ 2/4 U cc สัมพันธ์กับสายสามัญ ในทั้งสองกรณี แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวต้านทานการตั้งค่าความถี่ R1 จะเท่ากัน ดังนั้นระยะเวลาพัลส์และการหยุดชั่วคราวจึงเท่ากัน

สมมติว่าภายใต้อิทธิพลของสัญญาณภายนอก แรงดันไฟฟ้าที่อินพุต REF จะลดลง จากนั้นแรงดันสวิตชิ่งของตัวเปรียบเทียบตัวจับเวลาทั้งสองจะลดลง - เช่น เป็น 1/4 และ 2/4 ตามลำดับ จากนั้นระดับจะถูกบันทึก “1” จะเปลี่ยนเป็นบันทึก “O” ที่เอาต์พุตของตัวจับเวลาหลังจากแรงดันไฟฟ้าบนตัวเก็บประจุตั้งค่าความถี่เพิ่มขึ้นจาก 1/4 U cc เป็น 2/4 U cc และระดับจะเป็นบันทึก “O” จะถูกแทนที่ด้วยระดับบันทึก "1" หลังจากนั้นลดลงจาก 2/4 U cc เป็น 1/4 U cc สังเกตได้ง่ายว่าในกรณีแรกแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวต้านทานการตั้งค่าความถี่มีค่ามากกว่า (ที่ U cc = 10 V เปลี่ยนจาก 7.5 V เป็น 5.0 V) มากกว่าในวินาที (2.5 V - 5.0 V) และ ถ้าเราจำกฎของโอห์มได้ กระแสที่ไหลผ่านในกรณีแรกจะมากกว่าในกรณีที่สอง 2 เท่านั่นคือ ที่ระดับบันทึก “1” ที่เอาต์พุตตัวจับเวลาจะชาร์จเร็วกว่าการคายประจุ 2 เท่า - ที่ระดับบันทึก "0" นั่นคือระยะเวลาพัลส์จะน้อยกว่าระยะเวลาหยุดชั่วคราว 2 เท่าและเมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลงอีก REF จะลดลงมากยิ่งขึ้น

เป็นเหตุผลที่ควรสังเกตว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่อินพุตเพิ่มขึ้น REF จะเริ่มเพิ่มขึ้น และทันทีที่เกิน 2/3 U cc ระยะเวลาพัลส์จะนานกว่าระยะเวลาหยุดชั่วคราว

ด้วยโมดูเลเตอร์ดังกล่าวทำให้สะดวกในการประกอบพัลส์ที่หลากหลาย C4 ที่ง่ายที่สุดชาร์จได้เร็ว ทันทีที่แรงดันไฟฟ้าเริ่มเข้าใกล้ค่าที่กำหนดโดยตัวต้านทาน R7 VT3 จะเริ่มเปิดขึ้นเล็กน้อย แรงดันไฟฟ้าที่อินพุต REF DA1 จะเริ่มลดลง และระยะเวลาของพัลส์ที่เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะลดลง ในแต่ละรอบการสั่นของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าใน C4 ผ่าน VT1 และ VT2 พลังงานจะถูก "สูบ" น้อยลงเรื่อยๆ จนกระทั่งเกิดความสมดุลแบบไดนามิกในที่สุด: C4 จะได้รับพลังงานในปริมาณเท่ากันทุกประการกับพลังงานที่จ่ายให้กับโหลด - ในขณะที่ แรงดันไฟฟ้ายังคงไม่เปลี่ยนแปลง หากกระแสโหลดเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน แรงดันไฟฟ้าบนตัวเก็บประจุจะลดลงเล็กน้อย (“โหลด“ ซับ” แหล่งพลังงาน”) VT3 จะปิดลงเล็กน้อยและระยะเวลาพัลส์จะถูกบันทึก ค่า "1" ที่เอาท์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นจนกว่าจะถึงสมดุลไดนามิกอีกครั้ง เมื่อกระแสโหลดลดลง ในทางกลับกัน ระยะเวลาพัลส์จะลดลง

ความสมดุลแบบไดนามิกไม่ควรสับสนกับความสมดุลที่แท้จริง อย่างหลังเกิดขึ้นเมื่อ ตัวอย่างเช่น วางน้ำหนักที่มีมวลเท่ากันบนตาชั่งสองตาชั่ง ความสมดุลดังกล่าวไม่เสถียรมาก และเป็นเรื่องง่ายมากที่จะทำให้เสียสมดุลโดยการเปลี่ยนมวลของน้ำหนักใดๆ เล็กน้อย ความคล้ายคลึงกันของความสมดุลที่แท้จริงจากโลกอิเล็กทรอนิกส์คือเมื่อเพื่อลดแรงดันไฟฟ้า พวกเขาใช้แหล่งพลังงานไฟฟ้าแรงสูงเพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์แรงดันต่ำบางชนิด ตราบใดที่กระแสที่ใช้โดยวงจรคงที่ แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมก็จะคงที่เช่นกัน แต่ทันทีที่กระแสที่ใช้เพิ่มขึ้น แรงดันไฟฟ้าในวงจรจะลดลง - ความสมดุลจะหยุดชะงัก

ดังนั้นในวงจรจ่ายไฟสมัยใหม่ทั้งหมด (และไม่เพียงเท่านั้น) หลักการของความสมดุลแบบไดนามิกจึงถูกนำไปใช้: ส่วนหนึ่ง (เรียกว่า "วงจร OOS" - คำนี้คุ้นเคยกับคุณแล้ว) ตรวจสอบสัญญาณที่เอาต์พุตของ อุปกรณ์เปรียบเทียบกับสัญญาณอ้างอิง (ในวงจรในรูปที่ 2.14 “แรงดันอ้างอิง” - แรงดันทริกเกอร์ของทรานซิสเตอร์ VT3 มันไม่เสถียรมาก แต่เราไม่ต้องการความแม่นยำมากขึ้น เพื่อเพิ่มความแม่นยำในการบำรุงรักษา แรงดันเอาต์พุตคงที่เราสามารถแทนที่ด้วยอินเวอร์เตอร์ (k ycU และ 20...50) บน op-amp) และหากสัญญาณสองสัญญาณไม่เท่ากัน ให้เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของอุปกรณ์ ทิศทางที่เหมาะสมจนตรงกัน

เนื่องจากในวงจรนี้จึงสามารถวางน้ำตกในวงจร OOS ได้ (เฉพาะเช่นนี้และแม้แต่ op-amp ที่มีราคาแพงเท่านั้นที่สามารถขยายสัญญาณแรงดันไฟฟ้าได้ และ k ycU ในวงจรนี้จะต้องเพิ่มเสถียรภาพของแรงดันไฟขาออก สำคัญ) จากนั้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นบนตัวต้านทานเครื่องยนต์ R7 แรงดันไฟฟ้าที่อินพุต REF จะลดลงโดยไม่คำนึงถึงโครงสร้าง (มันจะไม่ทำงานตามปกติ

ดังนั้นฉันจึงต้องโกงเล็กน้อย: วางสเตจกลางบนทรานซิสเตอร์ (VT1) ที่เอาต์พุต DA1 และถอดสัญญาณเพื่อควบคุมทรานซิสเตอร์กำลังของโครงสร้าง pnp (VT2) จากทรานซิสเตอร์นี้ จริงอยู่ที่ปัญหาใหม่เกิดขึ้น: ความจุของทรานซิสเตอร์ตัวส่งสัญญาณฐาน "นกหวีด" แต่จะคายประจุช้ามาก ด้วยเหตุนี้จึงเปิดออกอย่างรวดเร็ว (ซึ่งจำเป็น) และปิดอย่างราบรื่นมาก ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าตกที่ขั้วตัวสะสม-ตัวส่งสัญญาณก็ค่อยๆ เพิ่มขึ้นและพลังงานที่ปล่อยออกมาในรูปของความร้อนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ดังนั้น เพื่อเร่งกระบวนการปิดทรานซิสเตอร์ เราจึงต้องติดตั้ง R4 และ R6 ที่มีความต้านทานต่ำ ด้วยเหตุนี้ประสิทธิภาพของแอมพลิฟายเออร์ที่กระแสไฟเอาท์พุตสูงจึงมากกว่าหากไม่มี (การสูญเสียพลังงานเพื่อให้ความร้อนหม้อน้ำของทรานซิสเตอร์ VT2 จะลดลง) และที่ระดับต่ำ (น้อยกว่า 200 mA) จะน้อยกว่า: หลังจากนั้นเท่านั้น ภาวะแทรกซ้อนอีกสองสามประการ: ต้องใช้พัลส์กระตุ้นเพิ่มเติม นี่คือความแตกต่างพื้นฐานระหว่าง FIM และ PWM

วิธีการทำงานสามารถเห็นได้ชัดเจนจากแผนภาพ ระยะเวลาของพัลส์ทริกเกอร์สำหรับโมดูเลเตอร์ดังกล่าว (ดังแสดงในรูปที่ 2.12) ควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ อย่างน้อยก็ตามเวลาที่ C1 ถูกชาร์จเข้ากับแรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งที่อินพุต R ระดับบันทึกควรตั้งค่าไว้ที่ เอส อินพุต “1” ซึ่งจะต้องคงอยู่บนนั้นเป็นระยะเวลาหนึ่ง (ประมาณ 1/100 ของระยะเวลาพัลส์) เพื่อให้ C1 มีเวลาในการคายประจุ มิฉะนั้น การกระตุ้นตัวเองอาจเกิดขึ้นที่ความถี่ใกล้กับความถี่การทำงานสูงสุดที่ใช้ในวงจร

เป็นการยากที่จะประเมินค่าสูงไปถึงความสำคัญของวงจรรวมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมใหม่ได้ (FPGA) ในการสังเคราะห์ระบบลอจิก การพัฒนาฐานองค์ประกอบและระบบการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยอย่างครอบคลุมทำให้สามารถนำระบบลอจิคัลที่ซับซ้อนไปใช้ได้ในระยะเวลาอันสั้นอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนและด้วยต้นทุนวัสดุที่ต่ำที่สุด ดังนั้นความปรารถนาที่จะบรรลุผลที่คล้ายกันในการออกแบบและการผลิตระบบอะนาล็อกจึงเป็นที่เข้าใจได้ อย่างไรก็ตาม ความพยายามหลายครั้งในทิศทางนี้ยังไม่ได้ผลลัพธ์ตามที่คาดหวัง และไอซีแอนะล็อกแบบตั้งโปรแกรมได้ (PAIS) และไอซีแอนะล็อกเมทริกซ์ (MABIS) ยังไม่กลายเป็นสากล

ปัญหาในการออกแบบ LSI อนาล็อกแบบตั้งโปรแกรมได้

ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในด้านการออกแบบระบบลอจิคัลบน FPGA ถูกกำหนดไว้ล่วงหน้าจากข้อเท็จจริงที่ว่าระบบลอจิคัลทั้งหมดมีพื้นฐานอยู่บนเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่ได้รับการพัฒนาอย่างดีของพีชคณิตแบบ Boole ทฤษฎีนี้ทำให้สามารถพิสูจน์ได้ว่าการสร้างฟังก์ชันลอจิคัลตามอำเภอใจนั้นเป็นไปได้ผ่านองค์ประกอบที่ได้รับคำสั่งของตัวดำเนินการพื้นฐานเพียงตัวเดียวเท่านั้น นั่นคือตรรกะ AND-NOT (หรือ OR-NOT) กล่าวคือ ระบบลอจิคัลใดๆ ก็ตามสามารถออกแบบได้จากองค์ประกอบประเภทเดียว เช่น NAND

สถานการณ์แตกต่างอย่างสิ้นเชิงในด้านการออกแบบ (การสังเคราะห์) และการวิเคราะห์ (การสลายตัว) ของแผนภาพวงจรของระบบอะนาล็อก ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบแอนะล็อกยังไม่มีเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปเพียงเครื่องเดียวที่จะช่วยแก้ปัญหาการวิเคราะห์และการสังเคราะห์จากตำแหน่งระเบียบวิธีแบบครบวงจร ควรหาสาเหตุของปรากฏการณ์นี้ในประวัติศาสตร์ของการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบอะนาล็อก

ในระยะแรกวงจรของอุปกรณ์อะนาล็อกได้รับการพัฒนาตามแนวคิดของวิธีการโหนดฟังก์ชันซึ่งแนวคิดหลักคือการแบ่งไดอะแกรมวงจรที่ซับซ้อนออกเป็นโหนด โหนดประกอบด้วยกลุ่มขององค์ประกอบและทำหน้าที่เฉพาะเจาะจงมาก เมื่อรวมกัน โหนดจะสร้างบล็อก แผง ตู้ กลไก - เช่น โครงสร้างที่เป็นเอกภาพบางส่วนเรียกว่าอุปกรณ์ การรวมกันของอุปกรณ์ทำให้เกิดระบบ วิธี Functional-Nodal สันนิษฐานว่าส่วนประกอบพื้นฐานของระบบควรเป็นโหนด ซึ่งงานหลักคือการทำหน้าที่เฉพาะเจาะจงมาก

นั่นคือเหตุผลว่าทำไมฟังก์ชันการทำงานจึงถูกนำมาใช้เป็นเกณฑ์ในการจำแนกโหนด นั่นคือความจริงที่ว่าโหนดทำหน้าที่บางอย่าง อย่างไรก็ตาม เมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พัฒนาขึ้น ก็มีฟังก์ชันเฉพาะและแบบแยกอิสระจำนวนมาก (และรวมถึงโหนดด้วย) ความเป็นไปได้ของการย่อเล็กสุดและการรวมเข้าด้วยกันซึ่งจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ระบบที่ซับซ้อนได้หายไปแล้ว นั่นคือเหตุผลที่การพัฒนาเมทริกซ์แอนะล็อก LSI (MABIS) และวงจรรวมแอนะล็อกแบบตั้งโปรแกรมใหม่ได้ (PAIS) ได้รับการขัดขวางและยังคงถูกขัดขวางต่อไป

สถานะของกิจการในด้านวงจรอะนาล็อกที่ตั้งโปรแกรมได้สามารถตรวจสอบได้โดยการวิเคราะห์การพัฒนาของ บริษัท ชั้นนำของรัสเซียและต่างประเทศ ดังนั้น ผู้เชี่ยวชาญจาก OJSC NIITT และโรงงาน Angstrem จึงมุ่งความสนใจไปที่การพัฒนาและการผลิต BMC แบบอะนาล็อก-ดิจิทัล (คริสตัลเมทริกซ์พื้นฐาน) ประเภท Rul N5515HТ1, Н5515HТ101 ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อการเก็บข้อมูล ระบบตรวจสอบและควบคุม สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์และ ระบบควบคุมอุปกรณ์การวัด

การออกแบบ BMK เหล่านี้ประกอบด้วยเมทริกซ์แอนะล็อกและดิจิทัล เมทริกซ์ดิจิทัลประกอบด้วยเซลล์ฐานดิจิทัล 115 เซลล์ (เกท 2N-NOT 230 เซลล์) ซึ่งจัดเรียงเป็นห้าแถว เซลล์ละ 23 เซลล์ต่อแถว เมทริกซ์แอนะล็อกจะรวมเซลล์ฐานแอนะล็อก 18 เซลล์ที่จัดเรียงเป็นสองแถวจาก 9 เซลล์ ระหว่างแถวของเซลล์แอนะล็อกจะมีตัวเก็บประจุสองแถว (ค่าระบุ 17.8 pF) และตัวต้านทานการแพร่กระจายสองแถว (ตัวละ 24.8 kOhm) ระหว่างชิ้นส่วนอะนาล็อกและดิจิตอลจะมีตัวต้านทานขนาด 3.2 kOhm หนึ่งชุด

BMK มีเซลล์แอนะล็อกสองประเภท (A และ B) เซลล์ประเภท A ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์สะสมฉนวน PRP 12 ตัวและ RLR สี่ตัว และตัวต้านทานการแพร่กระจายแบบมัลติแทป 38 ตัว ในเซลล์ประเภท B ทรานซิสเตอร์ lRL สี่ตัวจะถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์ p-MOS สองตัว เซลล์อุปกรณ์ต่อพ่วงประเภท A และ B แต่ละเซลล์ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ LRL ที่ทรงพลังสี่ตัว (ในเซลล์ประเภท B - พร้อมตัวสะสมแบบแยก) และทรานซิสเตอร์สองขั้วสองตัว

เซลล์ฐานดิจิทัลมีสามประเภท ได้แก่ ทรานซิสเตอร์ l-MOS สี่ตัว ทรานซิสเตอร์ p-MOS สี่ตัว และทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์คู่เสริมหนึ่งคู่ นอกจากนี้ที่ขอบของคริสตัลยังมีเซลล์ดิจิทัลที่ทรงพลังซึ่งมีทรานซิสเตอร์ l-MOS และ r-MOS ที่ทรงพลังสี่ตัวรวมถึงทรานซิสเตอร์ lrl สองตัวที่เชื่อมต่อกันตามวงจรดาร์ลิงตัน

ไลบรารีขององค์ประกอบอะนาล็อกและดิจิทัลมาตรฐานได้รับการพัฒนาสำหรับ BMK ซึ่งอำนวยความสะดวกและเร่งกระบวนการออกแบบอุปกรณ์ตาม BMK อย่างมีนัยสำคัญ BMK เหล่านี้และที่คล้ายกันประกอบด้วยชุดองค์ประกอบวิทยุไฟฟ้า (ERE) ที่ไม่ได้เชื่อมต่อถึงกัน ซึ่งสามารถรับหน่วยการทำงานจำนวนหนึ่งที่ระบุในไลบรารีได้ ข้อเสียเปรียบหลักของวงจรไมโครดังกล่าวคือขอบเขตการใช้งานที่แคบมากซึ่ง จำกัด เฉพาะค่าพิกัดเฉพาะและลักษณะอื่น ๆ ของแหล่งจ่ายไฟในชุดที่กำหนด ความสามารถของหน่วยการทำงานที่พัฒนาและแนะนำสำหรับชุดนี้มีอยู่ในไลบรารีที่มาพร้อมกับชิป

ข้าว. 1. โครงสร้างของ ispPAC-10

ตั้งแต่ปี 2000 Lattice Semiconductor ได้ผลิตวงจรรวมอนาล็อกแบบตั้งโปรแกรมได้ (PAIC) ของตระกูล ispPAC (In-System Programmable Analog Circuit) ที่มีการโปรแกรมในระบบ เช่น โดยไม่ต้องถอดออกจากแผงวงจรพิมพ์ ภายในกลางปี ​​​​2000 มีการผลิตสมาชิกสามคนในตระกูลนี้: ispPAC-Yu (รูปที่ 1), ispPAC-20 (รูปที่ 2) และ ispPAC-80 โดยผสานรวมองค์ประกอบแบบแอคทีฟและพาสซีฟได้มากถึง 60 รายการ ซึ่งได้รับการกำหนดค่า จำลอง และตั้งโปรแกรมโดยใช้แพ็คเกจ PAC-Designer

PAIS ของกลุ่ม ispPAC ประกอบด้วย:

วงจรอินเทอร์เฟซแบบอนุกรม รีจิสเตอร์ และองค์ประกอบของหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนที่สามารถตั้งโปรแกรมใหม่ได้ทางไฟฟ้า (EEPROM) ซึ่งให้การกำหนดค่าเมทริกซ์
เซลล์แอนะล็อกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PACcells) และบล็อกแอนะล็อกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PACblocks) ประกอบด้วย
องค์ประกอบที่ตั้งโปรแกรมได้สำหรับการเชื่อมต่อระหว่างกัน (ARP - Analog Routing Pool)

สถาปัตยกรรมของซีรีส์นี้อิงตามเซลล์พื้นฐานที่ประกอบด้วย: แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด (IA); เครื่องขยายสัญญาณเอาท์พุต (OA) ใช้งานโดยใช้วงจรบวก/ตัวรวม แหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง 2.5 V (ION); DAC 8 บิตพร้อมเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าและตัวเปรียบเทียบคู่ (CP) เพื่อเพิ่มช่วงไดนามิกของสัญญาณที่ประมวลผล อินพุตและเอาต์พุตแบบอะนาล็อกของเซลล์ (ยกเว้น ION) จะถูกสร้างขึ้นโดยใช้วงจรดิฟเฟอเรนเชียล DUT สองตัวและ VU หนึ่งตัวจะสร้างมาโครเซลล์ เรียกว่าบล็อก PAC ซึ่งเอาต์พุตของ DUT จะเชื่อมต่อกับอินพุตรวมของ VU ชิป ispPAC-10 ประกอบด้วยบล็อก PAC สี่บล็อกและ ispPAC-20 - สองบล็อก ispPAC-20 ยังมี DAC และเซลล์เปรียบเทียบอีกด้วย ในเซลล์ อัตราขยายของ DUT จะถูกตั้งโปรแกรมไว้ในช่วงตั้งแต่ -10 ถึง +10 ในขั้นตอนที่ 1 และในวงจรป้อนกลับของ VU - ค่าความจุของตัวเก็บประจุ (128 ค่าที่เป็นไปได้) และเปิด/ปิด ความต้านทาน.

ผู้ผลิต IC หลายรายใช้เทคโนโลยี "ตัวเก็บประจุแบบสวิตช์" เพื่อตั้งโปรแกรมฟังก์ชันแอนะล็อก ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนความจุของวงจรการตั้งค่าความถี่โดยใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวิตช์ตามเงื่อนไข

ข้าว. 2. โครงสร้างของ ispPAC-20

แนวทางของ Lattice ขึ้นอยู่กับการใช้วงจรที่มีคุณสมบัติคงที่ตามเวลา ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในระหว่างการกำหนดค่าระบบใหม่โดยไม่ต้องปิดเครื่อง การปรับปรุงนี้มีความสำคัญเนื่องจากช่วยลดการประมวลผลสัญญาณเพิ่มเติมที่จำเป็นในวิธีแรก

เครื่องมือการกำหนดเส้นทางภายใน (Analog Routing Pool) ช่วยให้คุณสามารถเชื่อมต่อพินอินพุตของวงจรไมโคร, อินพุตและเอาต์พุตของมาโครเซลล์, เอาต์พุต DAC และอินพุตตัวเปรียบเทียบเข้าด้วยกัน ด้วยการรวมมาโครเซลล์หลายตัวเข้าด้วยกัน จึงสามารถสร้างวงจรของฟิลเตอร์แอคทีฟที่ปรับได้ในช่วงความถี่ตั้งแต่ 10 ถึง 100 kHz โดยขึ้นอยู่กับการใช้ส่วนอินทิเกรเตอร์
ควรสังเกตว่า ispPAC ของ Lattice นั้นใกล้กับ PAIS มากที่สุด ข้อเสียเปรียบเพียงอย่างเดียวคือไม่มีระบบองค์ประกอบพื้นฐานสากลที่จะช่วยให้การออกแบบไม่เพียงแต่ตัวกรองที่ใช้งานแบบปรับได้เท่านั้น แต่ยังรวมถึงระบบอะนาล็อกที่หลากหลายอีกด้วย สถานการณ์นี้เองที่ป้องกันไม่ให้ ispPAC จาก Lattice Semiconductor กลายเป็นอะนาล็อกของ FPGA จากบริษัทต่างๆ เช่น Altera และ Xilinx

โดยทั่วไปการวิเคราะห์สถานการณ์ในด้านการพัฒนาและการใช้งานจริงของวงจรไมโครแอนะล็อกสามารถสรุปได้หลายประการ:

ไมโครวงจรแอนะล็อกที่ใช้ในอุตสาหกรรมจำนวนมากไม่สามารถจัดเป็น LSI ได้ในแง่ของระดับการรวมกลุ่ม
Analog LSI และ BMK มีไว้สำหรับการออกแบบอุปกรณ์บางประเภท เช่น มันไม่เป็นสากล
เมื่อออกแบบระบบอะนาล็อกขนาดใหญ่ วิธีการโหนดฟังก์ชันยังคงมีความโดดเด่น (ชุด IC เฉพาะทาง เช่น สำหรับเครื่องรับโทรทัศน์)

พื้นฐานการออกแบบที่เป็นหนึ่งเดียวสำหรับ FPGA และ MABIS

อย่างไรก็ตาม งานในการพัฒนาพื้นฐานการออกแบบวงจรรวมสำหรับระบบแอนะล็อกยังคงมีวิธีแก้ปัญหา เราจะพยายามยืนยันในทางทฤษฎีและแสดงทิศทางที่เป็นไปได้สำหรับการนำแนวคิดที่นำเสนอไปปฏิบัติจริง

ประการแรก ควรเลือกแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบอิเล็กทรอนิกส์แอนะล็อกขนาดใหญ่ที่ช่วยให้สามารถระบุองค์ประกอบพื้นฐานกลุ่มเล็กๆ ได้ ในสาขาการวิเคราะห์และการสังเคราะห์วงจรอิเล็กทรอนิกส์ไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ของระบบสมการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นซึ่งได้รับการยอมรับในช่วงอายุหกสิบเศษของศตวรรษที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่าแนวคิดของการใช้วิธีการนี้ในทางปฏิบัติจำนวนมากยังไม่ได้ดึงดูดใจของผู้เชี่ยวชาญทั้งหมด

ระบบสมการเชิงอนุพันธ์ประกอบด้วยองค์ประกอบ ความเชื่อมโยง และมีลักษณะเฉพาะด้วยโครงสร้างบางอย่าง มีการศึกษาพื้นฐานองค์ประกอบของสมการเชิงอนุพันธ์ในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ผ่านมาภายใต้กรอบของระเบียบวินัยทางวิทยาศาสตร์ "ระบบอัตโนมัติ" ในพื้นที่นี้ ข้อดีของสมการเชิงอนุพันธ์เช่นการรวมได้เกิดขึ้น: รูปแบบของมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับแบบจำลองกระบวนการที่อธิบายไว้ อย่างไรก็ตาม ในรูปแบบมาตรฐานของการเขียนสมการเชิงอนุพันธ์ไม่มีข้อมูลภาพเกี่ยวกับธรรมชาติของความสัมพันธ์ในระบบที่กำลังศึกษาอยู่ ดังนั้นวิธีการแสดงโครงสร้างของระบบสมการเชิงอนุพันธ์ในรูปแบบไดอะแกรมประเภทต่าง ๆ จึงได้รับการพัฒนาตลอดการพัฒนาทฤษฎีการควบคุมอัตโนมัติ

ในช่วงปลายทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ 20 มุมมองสมัยใหม่เกี่ยวกับการจัดโครงสร้างของแบบจำลองของระบบไดนามิกได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่ การก่อตัวของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบเริ่มต้นด้วยการแบ่งออกเป็นลิงก์และคำอธิบายที่ตามมา - ทั้งเชิงวิเคราะห์ในรูปแบบของสมการที่เชื่อมต่อปริมาณอินพุตและเอาต์พุตของลิงก์ หรือกราฟิกในรูปแบบของแผนภาพช่วยจำที่มีลักษณะเฉพาะ ขึ้นอยู่กับสมการหรือคุณลักษณะของแต่ละลิงก์ สมการหรือคุณลักษณะของระบบโดยรวมจะถูกรวบรวม

การเชื่อมโยงของระบบไดนามิกที่ระบุเป็นเรื่องปกติ

ชื่อหน่วย	สมการลิงก์ y(t)=f(u(t))	ฟังก์ชันถ่ายโอน W(s)=y(s)/u(s)	ส่วนประกอบเบื้องต้น
สัดส่วน
การบูรณาการ	dy(t)/dt = ku(t); พาย = ku
การสร้างความแตกต่าง	y(t)=k·du(t)/dt; y = kpu
ลำดับที่ 1 เป็นระยะ
บังคับลำดับที่1
บูรณาการเฉื่อย		W(s) = k/
การสร้างความแตกต่างเฉื่อย		W(s) = ks/(Ts+1)
ไอโซโดรมโน		W(s) = k(Ts+1)/s
การแกว่ง, อนุรักษ์นิยม, ระยะที่ 2	(T 2 p 2 +2ξTp+1)y = ku	W(s)=k/(T 2 p2+2ξTp+1)

โปรดทราบว่าหากสำหรับแผนภาพการทำงาน ระบบจะถูกแบ่งออกเป็นลิงก์ตามฟังก์ชันที่พวกเขาทำ ดังนั้นสำหรับคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ ระบบจะถูกแยกส่วนตามความสะดวกในการรับคำอธิบาย ดังนั้นลิงก์ควรเรียบง่าย (เล็ก) ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในทางกลับกัน เมื่อแบ่งระบบออกเป็นลิงก์ จะต้องรวบรวมคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของแต่ละลิงก์ โดยไม่คำนึงถึงการเชื่อมต่อกับลิงก์อื่นๆ สิ่งนี้เป็นไปได้หากลิงก์มีทิศทางของการดำเนินการ - เช่น ส่งอิทธิพลไปในทิศทางเดียวจากอินพุตไปยังเอาต์พุต การเปลี่ยนแปลงสถานะของลิงก์ใดๆ จะไม่ส่งผลต่อสถานะของลิงก์ก่อนหน้า

หากตรงตามเงื่อนไขของทิศทางของการกระทำของลิงก์คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของทั้งระบบสามารถรับได้ในรูปแบบของระบบสมการอิสระของแต่ละลิงก์เสริมด้วยสมการการเชื่อมต่อระหว่างกัน ลิงก์ที่พบบ่อยที่สุด (ทั่วไป) ถือเป็นลิงก์แบบเป็นระยะ สั่น บูรณาการ สร้างความแตกต่าง และหน่วงเวลาคงที่

ปัญหาการเชื่อมโยงเบื้องต้นในแบบจำลองของระบบสมการเชิงอนุพันธ์ได้รับการศึกษาโดยผู้เขียนจำนวนหนึ่ง การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าตำแหน่งของพวกเขาส่วนใหญ่ลงมาเพื่อระบุข้อเท็จจริงของการมีอยู่ของลิงก์ทั่วไปและศึกษาบทบาทของพวกเขาในกระบวนการสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้น การเลือกเข้ากลุ่มหน่วยทั่วไปจะดำเนินการโดยพลการ โดยไม่มีเกณฑ์ใดๆ ลิงก์ต่างๆ รวมอยู่ในรายการลิงก์ทั่วไปโดยไม่มีคำอธิบายหรือการให้เหตุผล และคำว่า "แบบง่าย" และ "ระดับประถมศึกษา" ยังใช้อย่างเท่าเทียมกันในการกำหนดลิงก์ทั่วไป (ดูตาราง) ในขณะเดียวกัน การศึกษาการเชื่อมโยง "ทั่วไป" จำนวนมากของระบบไดนามิกโดยใช้วิธีเมทริกซ์โครงสร้างแสดงให้เห็นว่ามีเพียงสามลิงก์เท่านั้น - สัดส่วน การบูรณาการ และการสร้างความแตกต่าง - ไม่มีวงจรเมทริกซ์ในเมทริกซ์โครงสร้าง ดังนั้นจึงมีเพียงพวกเขาเท่านั้นที่สามารถเรียกได้ว่าเป็นระดับประถมศึกษา ลิงค์อื่นๆ ทั้งหมดถูกสร้างขึ้นโดยการรวมลิงค์พื้นฐานเข้าด้วยกัน

ดังนั้นหากการเชื่อมโยงตามสัดส่วนกับฟังก์ชันการถ่ายโอน W B (s) = k B และการเชื่อมโยงที่แตกต่างกับฟังก์ชันการถ่ายโอน W A (s) = k A s เชื่อมต่อกันตามวงจรป้อนกลับเชิงลบ (รูปที่ 3) ดังนั้นค่าที่เท่ากัน ฟังก์ชั่นการถ่ายโอน

ดังนั้นผลลัพธ์ซึ่งขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของเวลาจึงเกิดขึ้นพร้อมกับฟังก์ชันการถ่ายโอนของลิงก์ atermic ลำดับที่หนึ่ง ซึ่งหมายความว่าสามารถรับลิงค์นี้ได้โดยการเชื่อมต่อลิงค์ตามสัดส่วนและลิงค์ที่แตกต่างตามวงจรที่มีการตอบรับเชิงลบดังนั้นจึงไม่สามารถพิจารณาได้เบื้องต้น

รูปที่ 3 วงจรเชื่อมโยงแบบอะคาไรด์ที่เทียบเท่ากัน

ลิงก์ที่เหลือที่รวมอยู่ในตารางสามารถสร้างได้ในลักษณะเดียวกัน ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับฟังก์ชันถ่ายโอนของลิงค์ออสซิลเลเตอร์ (T 2 p 2 + 2ξTp + 1)y = ku ดังนั้น หากมีการเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับฟังก์ชันการถ่ายโอนที่ต่างกันเฉพาะค่าคงที่เวลา ฟังก์ชันถ่ายโอนที่เทียบเท่ากันจะอยู่ในรูปแบบ

ดังนั้นผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของเวลาจึงเกิดขึ้นพร้อมกับฟังก์ชันการถ่ายโอนของลิงก์ที่กำลังศึกษา ดังนั้น สามารถรับลิงก์ลำดับที่ 2 แบบออสซิลเลชัน อนุรักษ์นิยม และแบบไม่ต่อเนื่องได้โดยการเชื่อมต่อลิงก์ลำดับที่ 1 ในชุดข้อมูล ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถถือเป็นระดับประถมศึกษาได้ แม้ว่าโดยหลักการแล้วจะอนุญาตให้เรียกสิ่งเหล่านั้นเป็นแบบอย่างได้ก็ตาม

การวิเคราะห์ผลลัพธ์ที่ให้ไว้ในคอลัมน์สุดท้ายของตารางช่วยให้เราสามารถสรุปได้ว่าการเชื่อมโยงต่างๆ เช่น a คาบ, ไอโซโดรมิก, การบังคับ, การสร้างความแตกต่างเฉื่อยและแรงเฉื่อยในการอินทิเกรตสามารถได้รับโดยการเชื่อมต่อลิงก์เบื้องต้น เพื่อพิสูจน์ว่าสามารถรับฟังก์ชันการถ่ายโอนของลิงก์ทั่วไปอื่น ๆ ได้โดยการเชื่อมต่อลิงก์พื้นฐาน จำเป็นต้องวิเคราะห์การเชื่อมต่อของลิงก์สาม สี่ และอื่น ๆ ตามรูปแบบการเชื่อมต่อทั่วไป ผลลัพธ์เดียวกันนี้สามารถได้รับหากเราพิจารณาการเชื่อมต่อของลิงค์เบื้องต้นกับลิงค์ลำดับที่หนึ่งทั่วไป งานวิจัยบางส่วนได้ดำเนินการไปแล้วและได้นำเสนอผลงานวิจัยแล้ว

ดังนั้นจึงได้รับการพิสูจน์แล้วว่าการเชื่อมต่อลิงก์ระดับประถมศึกษานั้นค่อนข้างง่ายในการรับฟังก์ชันการถ่ายโอนทั้งหมดของลิงก์ไดนามิกมาตรฐานที่เรียกว่า ด้วยเหตุนี้ ระบบไดนามิกตามอำเภอใจจึงสามารถสังเคราะห์ได้โดยใช้ตัวดำเนินการการคูณและการเชื่อมต่อของลิงก์พื้นฐานสามลิงก์เท่านั้น: สัดส่วน การสร้างความแตกต่าง และการบูรณาการ ข้อสรุปนี้มีความสำคัญขั้นพื้นฐาน เนื่องจากเป็นการกำหนดพื้นฐานองค์ประกอบที่จำเป็นสำหรับการสร้างระบบไดนามิกเชิงเส้นในลำดับใด ๆ รวมถึงวงจรวิทยุอิเล็กทรอนิกส์ และหากระบบไดนามิกควรจะถูกสร้างขึ้นจากลิงก์ไดนามิกที่มีขอบเขตจำกัด เช่น ในกรณีของ MABIS และ PAIS ข้อสรุปที่ดึงออกมาก็มีความสำคัญอย่างยิ่ง

รูปที่ 4. โซลูชันวงจรอย่างง่ายของหน่วยประถมศึกษา: a) ตัวบวกหลายอินพุต b) แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียล (ลิงก์ตามสัดส่วน) c) ดิฟเฟอเรนติเอเตอร์ (ลิงก์ดิฟเฟอเรนเชียล) d) อินทิเกรเตอร์ (ลิงก์รวม)

มันเป็นไปได้ที่จะสังเคราะห์อุปกรณ์อะนาล็อกตามอำเภอใจจากหน่วยการทำงานเพียงห้าหน่วย - มัลติเพล็กเซอร์, แอดเดอร์, ตัวคูณ, ตัวรวมและตัวสร้างความแตกต่าง (รูปที่ 4)! โปรดทราบว่าแสดงในรูปที่. ไม่ควรมองว่า 4 ไดอะแกรมเป็นโซลูชันวงจรที่ได้รับการพิสูจน์แล้วจริง แต่เป็นเพียงเหตุผลสำหรับความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนลิงก์เบื้องต้นในไดอะแกรมการทำงานด้วยองค์ประกอบวิทยุอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน ด้วยการแทนที่การเชื่อมโยงพื้นฐานของวงจรการทำงานด้วยฮาร์ดแวร์ทำให้สามารถออกแบบอุปกรณ์อะนาล็อกที่มีคุณสมบัติเฉพาะได้

ตัวอย่างการสังเคราะห์อุปกรณ์แอนะล็อก

ลองพิจารณาตัวอย่างง่ายๆของการสังเคราะห์แผนภาพวงจรของอุปกรณ์อะนาล็อกตามแบบจำลองที่ระบุโดยระบบสมการเชิงอนุพันธ์ในรูปแบบของการแปลงลาปลาซในรูปแบบ: x ​​0 = g, x 1 = x 0 - 2x 2 /วินาที x 2 = 10x 1 /วินาที x 3 = x 2 - 10x 4 /วินาที x 4 = 500x 3 /วินาที

เรามาสร้างเมทริกซ์โครงสร้างของระบบสมการเชิงอนุพันธ์นี้และเน้นวงจรเมทริกซ์ด้วยลูกศร:
เราจะสร้างบล็อกไดอะแกรมของอุปกรณ์ขึ้นมาใหม่โดยใช้สมการและเมทริกซ์โครงสร้าง (รูปที่ 5) ตามเมทริกซ์โครงสร้าง ระบบมีการป้อนกลับเชิงลบสองรายการ: โหนด 2 -> node1 และโหนด 4 -> โหนด 3 ตามลำดับ เนื่องจากบล็อกไดอะแกรมในรูปที่ 5 ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกบนลิงก์เบื้องต้น จึงถือได้ว่าเป็นไดอะแกรมการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

รูปที่ 5 บล็อกไดอะแกรมของอุปกรณ์สังเคราะห์ (ทีละขั้นตอน)

จากผลการจำลอง (รูปที่ 6) ของวงจรสังเคราะห์ เป็นที่ชัดเจนว่าด้วยพารามิเตอร์ที่กำหนด มันแสดงถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสองตัวที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม นั่นคืออุปกรณ์ที่เรียบง่ายมากซึ่งประกอบด้วยหน่วยบูรณาการเพียงสี่หน่วยเท่านั้นที่ทำหน้าที่ค่อนข้างซับซ้อนในการปรับการสั่นของความถี่ต่ำด้วยความถี่สูง
โปรดทราบว่าเมื่อออกแบบและผลิต MABIS และ PA-IS ไม่จำเป็นต้องใช้ฮาร์ดแวร์แอนะล็อกของยูนิตพื้นฐานที่สร้างจากแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน ดังในรูปที่ 4 แม้ว่าจะได้รับการพัฒนาอย่างดีที่สุดบนพื้นฐานนี้ก็ตาม สิ่งที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือการนำฮาร์ดแวร์แอนะล็อกของหน่วยพื้นฐานไปใช้กับส่วนประกอบออปโตอิเล็กทรอนิกส์แม้ว่าจะมีตัวเลือกอื่น ๆ ก็ตาม

รูปที่ 6. ออสซิลโลแกรมของอุปกรณ์สังเคราะห์

Universal MABIS และ PAIS - เป็นไปได้

ดังนั้น เราสามารถแยกแยะองค์ประกอบพื้นฐาน (ที่ง่ายที่สุด) ห้าประการของ REA ใดๆ ซึ่งสอดคล้องกับตัวดำเนินการหลักของระบบสมการเชิงอนุพันธ์ ได้แก่ การคูณ การสร้างอนุพันธ์ ปริพันธ์ การบวก และการสืบพันธุ์ (มัลติเพล็กซ์) วิธีการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบอะนาล็อกประกอบด้วย:

ใช้เป็นข้อมูลเบื้องต้นในการออกแบบแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในรูปแบบของระบบสมการเชิงอนุพันธ์ลำดับที่ 1 (หรือสมการเชิงอนุพันธ์ลำดับที่ 1)
การสร้างเมทริกซ์โครงสร้างของอุปกรณ์ที่ออกแบบและการค้นหาวงจรเมทริกซ์
การคืนค่าแผนภาพโครงสร้างของอุปกรณ์ที่ออกแบบ
การแปลงไดอะแกรมโครงสร้างให้เป็นไดอะแกรมเชิงฟังก์ชันโดยแทนที่ลิงก์ทั่วไปด้วยชุดลิงก์เบื้องต้น
การแปลงแผนภาพการทำงานของอุปกรณ์ที่ออกแบบให้เป็นแผนภาพวงจรไฟฟ้าโดยแทนที่ลิงค์เบื้องต้นด้วยองค์ประกอบพื้นฐานของฮาร์ดแวร์ที่เทียบเท่า (บางทีการใช้ระบบ CAD ที่ทันสมัยจะช่วยให้เราสามารถหลีกเลี่ยงขั้นตอนนี้โดยการสังเคราะห์โทโพโลยีโดยตรงจากคำอธิบายการทำงาน)
การพัฒนาโทโพโลยีของอุปกรณ์ที่ออกแบบ

แนวทางที่นำเสนอมีข้อดีหลายประการ

ดังนั้น แผนภาพการทำงานของอุปกรณ์ที่ออกแบบจึงถูกสังเคราะห์จากระบบดั้งเดิมของสมการเชิงอนุพันธ์โดยใช้การแปลงเมทริกซ์มาตรฐาน ซึ่งสามารถสั่งและแปลงเป็นอัลกอริทึมสำหรับการคำนวณอัตโนมัติได้ แผนภาพวงจรไฟฟ้าถูกสังเคราะห์จากแผนภาพการทำงานโดยเพียงแค่แทนที่ลิงก์ไดนามิกเบื้องต้นด้วยองค์ประกอบพื้นฐานที่เทียบเท่ากัน การสร้างโมเดลอุปกรณ์โดยใช้เครื่องมือ CAD ยังช่วยให้ง่ายขึ้นอย่างมาก

ดังนั้น เนื่องจากชุดของหน่วยพื้นฐานมีไม่มากนัก จึงมีความเป็นไปได้อย่างแท้จริงในการออกแบบ MABIS และ PAIS สากล ซึ่งในทางกลับกัน ทำให้การออกแบบอุปกรณ์แอนะล็อกและดิจิทัลเป็นแอนะล็อกง่ายขึ้นอย่างมาก และเปิดโอกาสที่น่าสนใจสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไปต่อไป

วรรณกรรม
1. Alenin S., Ivanov V., Polevikov V., Trudnovskaya E. การใช้งานอุปกรณ์อะนาล็อก-ดิจิตอลเฉพาะทางที่ใช้ BIK MOS BMKtype N5515 RajТ1 - ChipNews, 2000, ฉบับที่ 2
2. คูร์บาตอฟ. ก. วงจรรวมแอนะล็อกที่ตั้งโปรแกรมได้ ชีวิตดำเนินต่อไป - ส่วนประกอบและเทคโนโลยี พ.ศ. 2543 ฉบับที่ 2
4. Ku E.S., Sorer R.A. การประยุกต์วิธีตัวแปรสถานะกับการวิเคราะห์วงจร - เทียร์, 1965, หมายเลข 7.
5. อิลยิน วี.เอ็น. การออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย - ม.: พลังงาน, 2515.
6. ยูเรวิช อี.ไอ. ทฤษฎีการควบคุมอัตโนมัติ - ล.: พลังงาน, 2518.
7. คูโรแพตคิน พี.วี. ทฤษฎีการควบคุมอัตโนมัติ - ม.: มัธยมปลาย, 2516.
8. โวโรนอฟ เอ.เอ., ทิตอฟ วี.เค., โนโวกรานอฟ บี.เอ็น. พื้นฐานของทฤษฎีการควบคุมและควบคุมอัตโนมัติ - ม.: มัธยมปลาย, 2520.
9. โวโรนอฟ เอ.เอ. ทฤษฎีการควบคุมอัตโนมัติ ส่วนที่ 1 ทฤษฎีระบบควบคุมอัตโนมัติเชิงเส้น - ม.: มัธยมปลาย, 2520.
10. มิชิน จี.ที. รากฐานทางวิทยาศาสตร์ตามธรรมชาติของไมโครอิเล็กทรอนิกส์แบบแอนะล็อก - ม.: MIEM, 2003.
11. ชาติคิน แอล.จี. เมทริกซ์โครงสร้างและการประยุกต์ในการวิจัยระบบ - ม.: วิศวกรรมเครื่องกล, 2517.
12. ชาติคิน แอล.จี. เมทริกซ์โครงสร้างและการประยุกต์ในการวิจัยระบบ - ม.: วิศวกรรมเครื่องกล, 2534.
13. วงจรรวมแบบอะนาล็อก /เอ็ด. เจ. คอนเนลลี.
-ม.: มีร์, 1977.
14. เจ. เลงค์. วงจรอิเล็กทรอนิกส์ คู่มือการปฏิบัติ - อ.: มีร์, 2528.
15. เนสเตเรนโก บี.เค. เครื่องขยายสัญญาณการดำเนินงานแบบรวม - ม.: Energoizdat, 1982.

16. Horowitz P., Hill W. ศิลปะแห่งการออกแบบวงจร T. 1. - M.: Mir, 1983.

คอมพิวเตอร์ดิจิทัลสมัยใหม่ทำให้สามารถดำเนินการทางคณิตศาสตร์ได้หลากหลายด้วยตัวเลขที่มีความแม่นยำสูง อย่างไรก็ตาม ในระบบการวัดและการควบคุม ปริมาณที่จะประมวลผลมักจะเป็นสัญญาณต่อเนื่อง เช่น การเปลี่ยนแปลงค่าแรงดันไฟฟ้า ในกรณีเหล่านี้ จำเป็นต้องใช้ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลและดิจิทัลเป็นแอนะล็อก วิธีการนี้จะมีเหตุผลเฉพาะเมื่อข้อกำหนดสำหรับความแม่นยำในการคำนวณสูงมากจนไม่สามารถทำได้โดยใช้คอมพิวเตอร์แอนะล็อก คอมพิวเตอร์แอนะล็อกที่มีอยู่ให้ความแม่นยำไม่เกิน 0.1% วงจรคอมพิวเตอร์ op-amp แบบอะนาล็อกที่สำคัญที่สุดมีดังต่อไปนี้ โดยทั่วไปเราจะถือว่าออปแอมป์นั้นเหมาะสมที่สุด หากมีข้อกำหนดสูงสำหรับความแม่นยำในการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ ก็จำเป็นต้องคำนึงถึงคุณสมบัติของแอมพลิฟายเออร์จริงด้วย

หากต้องการรวมแรงดันไฟฟ้าหลายค่า คุณสามารถใช้เครื่องขยายสัญญาณในการเชื่อมต่อแบบกลับหัวได้ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะถูกส่งผ่านตัวต้านทานเพิ่มเติมไปยังอินพุตกลับด้านของเครื่องขยายเสียง (รูปที่ 1) เนื่องจากจุดนี้เป็นศูนย์เสมือน ตามกฎข้อที่ 1 ของ Kirchhoff ที่กระแสอินพุตเป็นศูนย์ของออปแอมป์ในอุดมคติ เราจึงได้ความสัมพันธ์ต่อไปนี้สำหรับแรงดันเอาต์พุตของวงจร:

คุณออก / ร  = - (คุณ 1 /ร 1 + คุณ 2 /ร 2 + ... + คุณn/รn).

ข้าว. 1. วงจรบวกกลับด้าน

โครงการบูรณาการ

การใช้งานที่สำคัญที่สุดสำหรับเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์แบบอะนาล็อกคือการใช้เครื่องขยายสัญญาณในการดำเนินงานเพื่อดำเนินการบูรณาการ ตามกฎแล้วการเชื่อมต่อแบบกลับหัวของ op-amp ใช้สำหรับสิ่งนี้ (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. วงจรอินทิเกรเตอร์อินเวอร์ติ้ง

ตามกฎข้อแรกของ Kirchhoff เมื่อคำนึงถึงคุณสมบัติของออปแอมป์ในอุดมคติ ค่าที่เกิดขึ้นในทันทีจะเป็นไปตามนี้: ฉัน 1 = - ฉันค. เพราะ ฉัน 1 = คุณ 1 /ร 1 และแรงดันเอาต์พุตของวงจรเท่ากับแรงดันตกคร่อมตัวเก็บประจุ:

จากนั้นแรงดันเอาต์พุตจะถูกกำหนดโดยนิพจน์:

สมาชิกถาวร คุณ out(0) กำหนดเงื่อนไขเริ่มต้นของการรวม การใช้วงจรสวิตชิ่งที่แสดงในรูปที่ 3 ทำให้สามารถรับรู้เงื่อนไขเริ่มต้นที่จำเป็นได้ เมื่อกุญแจ ส 1 ปิดแล้ว. ส 2 เปิดอยู่ วงจรนี้ทำงานเหมือนกับวงจรที่แสดงในรูปที่ 2 ถ้ากุญแจ สเปิดหมายเลข 1 จากนั้นกระแสการชาร์จด้วย op-amp ในอุดมคติจะเท่ากับศูนย์และแรงดันเอาต์พุตจะคงค่าที่สอดคล้องกับช่วงเวลาที่ปิดเครื่อง เพื่อกำหนดเงื่อนไขเริ่มต้นโดยเปิดกุญแจไว้ ส 1 ปิดกุญแจ ส 2. ในโหมดนี้ วงจรจำลองการเชื่อมต่อเฉื่อยแม้หลังจากสิ้นสุดกระบวนการชั่วคราวแล้ว ซึ่งระยะเวลาจะถูกกำหนดโดยค่าคงที่เวลา ร 3 คแรงดันไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นที่เอาต์พุตของตัวรวม

คุณออก = - (ร 3 /ร 2)คุณ 2 .

ข้าว. 3. ตัวรวมพร้อมห่วงโซ่สำหรับกำหนดเงื่อนไขเริ่มต้น

หลังจากปิดกุญแจแล้ว ส 1 และกุญแจเปิด ส 2 ผู้ประกอบเริ่มรวมแรงดันไฟฟ้า คุณ 1 เริ่มต้นจากค่า (2) Burr-Brown ผลิตตัวรวมสองช่องสัญญาณ ACF2101 พร้อมด้วยตัวเก็บประจุในตัว 100 pF สวิตช์รีเซ็ตและค้างไว้ กระแสอินพุตของแอมพลิฟายเออร์ไม่เกิน 0.1 pA

การใช้สูตรหาค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านของแอมพลิฟายเออร์แบบกลับด้านและคำนึงถึงค่านั้นในวงจรในรูป 2 ร 1 =รแทน รรวมตัวเก็บประจุ 2 ตัวพร้อมความต้านทานของผู้ปฏิบัติงาน ซี 2 (ส)=1/(เอสซี) เราสามารถหาฟังก์ชันถ่ายโอนของตัวรวมระบบได้

การทดแทนใน (2) ส=เจ เราได้รับการตอบสนองความถี่ของผู้ประกอบ:

ความเสถียรของตัวรวมระบบสามารถประเมินได้โดยลักษณะความถี่ของลูปป้อนกลับ และในกรณีนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านของลูปป้อนกลับจะซับซ้อน:

สำหรับความถี่สูง  มีแนวโน้มเป็น 1 และอาร์กิวเมนต์ของมันจะเป็นศูนย์ ในภูมิภาคความถี่นี้ วงจรจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดเดียวกันกับเครื่องขยายเสียงที่มีการป้อนกลับแบบเอกภาพ ดังนั้นจึงควรแนะนำการแก้ไขการตอบสนองความถี่ที่นี่ด้วย บ่อยครั้งที่มีการใช้แอมพลิฟายเออร์ที่มีการแก้ไขภายในเพื่อสร้างตัวรวมระบบ LFC ทั่วไปของวงจรรวม op-amp แสดงในรูปที่ 1 4. ค่าคงที่ของการอินทิเกรต  = อาร์.ซี.ถ่ายเท่ากับ 100 μs จากรูป 4 จะเห็นได้ว่าในกรณีนี้ อัตราขยายขั้นต่ำของวงจรป้อนกลับจะเป็น | เค พี |=|  เค คุณ |  600 เช่น จะรับประกันข้อผิดพลาดในการรวมไม่เกิน 0.2% ไม่เพียงแต่สำหรับความถี่สูงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความถี่ต่ำด้วย

ข้าว. 4. การตอบสนองความถี่ของผู้รวมระบบ

โดยสรุป ออปแอมป์ที่ทำงานในวงจรรวมมีความต้องการสูงเป็นพิเศษในแง่ของกระแสอินพุต แรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ต และแรงดันไฟฟ้าส่วนต่างที่ได้รับ เคคุณ กระแสขนาดใหญ่และการชดเชยเป็นศูนย์อาจทำให้เกิดการเบี่ยงเบนอย่างมีนัยสำคัญในแรงดันเอาต์พุตเมื่อไม่มีสัญญาณที่อินพุต และเมื่ออัตราขยายไม่เพียงพอ ผู้รวมระบบจะเป็นตัวกรองความถี่ต่ำผ่านลำดับแรกที่มีอัตราขยาย เค U และเวลาคงที่ (1+ เคคุณ) อาร์.ซี.

โครงการสร้างความแตกต่าง

โดยการสลับตัวต้านทานและตัวเก็บประจุในวงจรอินทิเกรเตอร์ในรูป 2 เราได้ตัวสร้างความแตกต่าง (รูปที่ 5) การใช้กฎข้อแรกของ Kirchhoff สำหรับการกลับอินพุตของ op-amp ในกรณีนี้ ให้ความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้:

ค(ดียูป้อนข้อมูล/ dt) +คุณออก / ร= 0,

คุณออก = – อาร์.ซี.(ดียูป้อนข้อมูล/ dt).

ข้าว. 5. วงจรดิฟเฟอเรนติเอเตอร์

การใช้สูตร

และพิจารณาจากแผนภาพในรูป 5 แทน ร 1 ใช้แล้ว 1/ เอสซี, ก ร 2 =รลองหาฟังก์ชันถ่ายโอนของตัวสร้างความแตกต่างกัน

สัดส่วนกับความถี่

การดำเนินการตามรูปแบบการสร้างความแตกต่างที่แสดงในรูปที่ 1 5 มีความเกี่ยวข้องกับปัญหาที่สำคัญด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้:

ประการแรกวงจรมีความต้านทานอินพุตแบบ capacitive ล้วนๆ ซึ่งหากแหล่งสัญญาณอินพุตเป็นแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานอื่นอาจทำให้เกิดความไม่เสถียรได้

ประการที่สอง ความแตกต่างในภูมิภาคความถี่สูงตามการแสดงออก (4) นำไปสู่การขยายส่วนประกอบความถี่สูงอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งทำให้อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนแย่ลง

ประการที่สาม ในวงจรนี้ ในฟีดแบ็คลูปของ op-amp ลิงก์เฉื่อยลำดับที่หนึ่งจะเปิดขึ้น ทำให้เกิดการหน่วงเฟสสูงถึง 90 ในบริเวณความถี่สูง:

สิ่งนี้จะเพิ่มเฟสแล็กของ op-amp ซึ่งอาจมากหรือมากกว่า 90 ส่งผลให้วงจรไม่เสถียร

ข้อบกพร่องเหล่านี้สามารถกำจัดได้โดยการเชื่อมต่อตัวต้านทานเพิ่มเติมแบบอนุกรมกับตัวเก็บประจุ ร 1 (แสดงเป็นเส้นประในรูปที่ 5) ควรสังเกตว่าการแนะนำการแก้ไขดังกล่าวในทางปฏิบัติไม่ได้ลดช่วงความถี่การทำงานของวงจรสร้างความแตกต่างเนื่องจาก ที่ความถี่สูง เนื่องจากอัตราขยายในวงจรป้อนกลับลดลง จึงยังคงทำงานได้ไม่เป็นที่น่าพอใจ ขนาด ร 1 กับ(และฟังก์ชันถ่ายโอนข้อมูลเป็นศูนย์ อาร์ซี– วงจร) แนะนำให้เลือกที่ความถี่ ฉอัตราขยายของวงจรป้อนกลับคือ 1 (ดูรูปที่ 6)

ข้าว. 6. LFC ของโครงร่างการสร้างความแตกต่างบน op-amp

วงจรอิเล็กทรอนิกส์สามารถทำการแปลงสัญญาณการทำงานได้โดยตรง - การขยาย การบวก การคูณ การหาร การยกกำลังสอง การบวก การบูรณาการ การสร้างความแตกต่าง และอื่นๆ แต่ละองค์ประกอบได้รับการออกแบบเพื่อดำเนินการหนึ่งในการดำเนินการส่วนตัวที่มีอยู่ในโหนดที่กำหนด

องค์ประกอบการทำงานที่ใช้กันมากที่สุด ได้แก่ วงจรเครื่องขยายเสียงที่มีออปแอมป์

เครื่องขยายเสียงแบบอินเวอร์เตอร์แผนภาพการเชื่อมต่อสำหรับ op-amp แบบกลับด้านแสดงในรูปที่ 7.5a สัญญาณอินพุต Uin ถูกส่งไปยังอินพุตแบบกลับหัวของ op-amp ในขณะที่การตอบสนองเชิงลบ R 2 จะถูกจัดระเบียบจากเอาต์พุตของ op-amp ไปยังอินพุตแบบกลับด้าน สัญญาณเอาท์พุต U out เชื่อมต่อกับสัญญาณอินพุต U in ดังนี้:

U ออก /R 2 = -U ใน /R 1,

และแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับคือ:

K=-U ออก / U ใน =-R 2 /R 1

แอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้านแสดงในรูปที่ 10.5b สัญญาณอินพุต Uin จะถูกส่งไปยังอินพุตที่ไม่กลับด้าน และอินพุตแบบกลับจะเชื่อมต่อกับสายสามัญผ่านความต้านทาน R 3 ข้อเสนอแนะเชิงลบผ่านความต้านทาน R 2 ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการทำงานของเครื่องขยายเสียงมีความเสถียร แรงดันไฟขาออกถูกกำหนดตามนิพจน์:

U ออก = U ใน R 4 (1 + ร 2 / ร 1)/(ร 3 + ร 4)

รูปที่ 7.5 – องค์ประกอบการทำงานของระบบอัตโนมัติในห้องผ่าตัด

เครื่องขยายเสียง

ในรูปที่ 7.5c แผนภาพแสดงการเชื่อมต่อดิฟเฟอเรนเชียลของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน แรงดันเอาต์พุตซึ่งเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างระหว่างสัญญาณอินพุตที่จ่ายให้กับอินพุตแบบกลับด้านและไม่กลับด้าน:

คุณออก = U 2 R 4 (1 + ร 2 / ร 1)/(ร 3 + ร 4) - คุณ 1 (ร 2 / ร 1)

วงจรออปแอมป์ดิฟเฟอเรนเชียลมีฟังก์ชันการทำงานที่ดีกว่าวงจรอื่นๆ ที่กล่าวถึงข้างต้น

ในรูป 7.6 แสดงเครื่องขยายสัญญาณสเกลที่สามารถใช้เป็นองค์ประกอบอินพุตสำหรับการควบคุมสเต็ปได้ เช่น ในตัวควบคุม (โดยการควบคุมสเต็ปของเกน)

เครื่องขยายเสียงสรุปใช้กันอย่างแพร่หลาย สามารถใช้เป็นองค์ประกอบรูปร่างที่ใช้ผลรวมทางเรขาคณิตของความเค้นสลับหลายๆ อย่างได้

บ่อยที่สุดเมื่อใช้แอมพลิฟายเออร์สรุปจะใช้การเชื่อมต่อแบบกลับด้านของ op-amp เมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าอินพุตหลายตัว U 1, U 2, U 3 แต่ละตัวผ่านตัวต้านทานอินพุตแต่ละตัว R 1, R 2, R 3 ไปยังอินพุตแบบกลับด้าน (รูปที่ 7.7)

รูปที่ 7.6 – เครื่องขยายสัญญาณมาตราส่วน

ใน op-amp กระแสรวมของอินพุตจะไหลผ่านตัวต้านทานป้อนกลับ และเมื่อคำนึงถึงแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ที่อินพุตแบบกลับด้าน แรงดันเอาต์พุตจะเท่ากับ

U ออก = R 4 (U 1 + U 2 + U 3)/(R 1 +R 2 +R 3)

รูปที่ 7.7 – เครื่องขยายสัญญาณสรุป

รูปที่ 7.8 – การรวมองค์ประกอบ

องค์ประกอบการรวมใช้เพื่อรวมสัญญาณในช่วงเวลาหนึ่งในวงจรการคำนวณและยังเป็นตัวกรองสัญญาณ (รูปที่ 7.8) ลักษณะสำคัญคือค่าคงที่เวลาการรวม t= ร 1 ค 1. การรวมสัญญาณอินพุตเมื่อเวลาผ่านไปจะดำเนินการบนความจุ C1 ซึ่งรวมอยู่ในข้อเสนอแนะของ op-amp

องค์ประกอบที่สร้างความแตกต่างมักใช้เพื่อให้ได้อนุพันธ์ของสัญญาณอินพุต (รูปที่ 7.9) ที่เอาต์พุตขององค์ประกอบนี้ สัญญาณจะสอดคล้องกับอนุพันธ์อันดับหนึ่งของสัญญาณอินพุต

รูปที่ 7.9 – องค์ประกอบที่สร้างความแตกต่าง

เครื่องเปรียบเทียบเครื่องเปรียบเทียบเป็นอุปกรณ์สำหรับเปรียบเทียบสัญญาณในช่วงเวลาหนึ่ง (รูปที่ 7.10) แต่ละครั้งที่ความแตกต่างระหว่างสัญญาณอินพุตสองตัวเท่ากับศูนย์ แรงดันเอาต์พุตจะเปลี่ยนจากค่าขีดจำกัดล่าง (โลจิคัล 0) ไปเป็นค่าขีดจำกัดบน (โลจิคัล 1) เครื่องมือเปรียบเทียบอาจเป็นแบบอะนาล็อกหรือดิจิทัล

ในตัวเปรียบเทียบแบบอะนาล็อก สัญญาณอะนาล็อกสองตัวจะถูกเปรียบเทียบที่อินพุต และสัญญาณลอจิคัลที่เอาต์พุต

เครื่องเปรียบเทียบแบบดิจิทัลประกอบด้วยสัญญาณในรูปแบบดิจิทัลที่ทั้งอินพุตและเอาต์พุต

รูปที่ 7.10 – ตัวเปรียบเทียบแบบอะนาล็อก

ในตัวเปรียบเทียบแบบอะนาล็อก (รูปที่ 7.10a) แอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงานจะทำงานโดยไม่มีการป้อนกลับ ดังนั้นจึงได้รับอัตราขยายที่สูงมาก อินพุทแบบกลับด้านจะมาพร้อมกับแรงดันอ้างอิง U op ซึ่งค่าอาจแตกต่างกันไป (รูปที่ 7.10b) สัญญาณที่วิเคราะห์ U x จะถูกส่งไปยังอินพุตที่ไม่กลับด้าน การเปลี่ยนแปลงใดๆ ในความต่างของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าทำให้เกิดการกระโดดของแรงดันเอาต์พุต U เอาท์ ถ้า คุณ x >= คุณ โอจากนั้นตรรกะ 1 จะปรากฏขึ้นที่เอาต์พุตของ op-amp 1 ถ้า คุณเอ็กซ์ จากนั้น – ตรรกะ 0

ถ้า U op = 0 ดังนั้นตัวเปรียบเทียบดังกล่าวจะเรียกว่าอวัยวะว่าง

เครื่องมือเปรียบเทียบใช้กันอย่างแพร่หลายในการเปรียบเทียบอุปกรณ์ของระบบควบคุมเทคโนโลยีดิจิทัล - ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลและดิจิทัลเป็นแอนะล็อก

ตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก (DAC). ตัวแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาล็อกมีการใช้งานมากมายสำหรับการแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาล็อกโดยตรง และสำหรับการป้อนกลับแรงดันไฟฟ้าภายในตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล

DAC เป็นตัวแบ่งแรงดันตัวต้านทานที่ควบคุมโดยรหัสดิจิทัล q 1 ....q n - ชุดของศูนย์โลจิคัลและค่าที่แสดงลักษณะของข้อมูลอินพุต เมทริกซ์ความต้านทานที่ใช้กันมากที่สุด อาร์-2อาร์(รูปที่ 7.11) เมทริกซ์ให้บริการโดยคีย์สองทิศทาง Kl ซึ่งจำนวนนี้เท่ากับจำนวนเลขฐานสองที่มีนัยสำคัญ หากมีศูนย์ลอจิคัลที่อินพุตทั้งหมด q สวิตช์ CL จะเชื่อมต่อกับบัสศูนย์และมีศักย์เป็นศูนย์ที่เอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ op-amp 1

รูปที่ 7.11 – วงจร DAC พร้อมเมทริกซ์ R-2R

เมื่อมาถึงชั้นเฟิร์สคลาส คำถามที่ 1คีย์หน่วยลอจิคัล KL1 เชื่อมต่อกับ op-amp 1 ผ่านตัวต้านทาน 2R และสายโซ่ของตัวต้านทาน R แรงดันอ้างอิง คุณสหกรณ์- เป็นผลให้ขั้นตอนแรงดันไฟฟ้าปรากฏที่เอาต์พุตของ op-amp 1 ∆คุณออกไป- เมื่อหน่วยลอจิคัลที่มีลำดับสูงกว่า (จำนวนที่มากขึ้น) มาถึงอินพุตของ DAC เป็นต้น คำถามที่ 2จะมีการต่อกระแสต้านทานอีกสาขาหนึ่งที่มีแรงดันอ้างอิงเข้ากับอินพุตของ op-amp 1 และสเต็ปแรงดันไฟฟ้าอีกขั้นจะถูกเพิ่มไปที่เอาต์พุตของ op-amp 1 แรงดันไฟขาออกเพิ่มขึ้นเป็นขั้นด้วยควอนตัม (ขั้น):

,

ที่ไหน n- จำนวนหลัก

ความละเอียดของ DAC ถูกกำหนดโดยจำนวนหลักและความแม่นยำในการผลิตของตัวต้านทานแบบเมทริกซ์

ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC)). ADC ใช้ในการแปลงสัญญาณอะนาล็อกจากเซ็นเซอร์และแหล่งสัญญาณเป็นรูปแบบดิจิทัลสำหรับการประมวลผลในภายหลังในคอมพิวเตอร์หรือไมโครโปรเซสเซอร์ มีหลักการที่ทราบหลายประการในการสร้างตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล ได้แก่ การกวาดเวลา การเข้ารหัสทีละบิต การปรับสมดุลเซอร์โว และการอ่าน

วงจร ADC ที่อ่านได้จะแสดงในรูปที่ 7.12a ADC ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าต้านทานที่แม่นยำ R 1 ... R N ทำจากตัวต้านทานและตัวเปรียบเทียบที่มีค่าเท่ากัน K 1 ... K N โดยที่ N คือจำนวนระดับการหาปริมาณของสัญญาณอินพุต คุณเข้า.

ที่เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบ รหัสตำแหน่ง 0 หรือ 1 เกิดขึ้นเมื่อจำนวนตัวเปรียบเทียบที่ถูกทริกเกอร์ (รหัส 1) ซึ่งเริ่มจากตำแหน่งแรก สอดคล้องกับระดับของค่าที่วัดได้ ความเร็วของตัวเปรียบเทียบถูกกำหนดโดยเวลาหน่วงของตัวเปรียบเทียบ สำหรับกรณีที่แสดงในรูปที่ 7.12b สัญญาณอินพุต คุณเข้าเป็นของระดับที่สอง - ตัวเปรียบเทียบสองตัวแรก K 1 และ K 2 ทำงาน รหัสดิจิทัลที่เอาต์พุต ADC จะเป็น 1 1 0 0 ADC ที่อ่านได้สามารถมีจำนวนบิตได้ไม่จำกัด

ในการประมวลผลสัญญาณจริงจะใช้ชุดขององค์ประกอบข้างต้นและองค์ประกอบอื่น ๆ ซึ่งวงจรจะถูกกำหนดโดยงานประมวลผลสัญญาณเฉพาะ

รูปที่ 7.12 – การอ่านค่า ADC

ในการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ติดตั้งในระบบอัตโนมัติ จำเป็นต้องมีตัวแปลงฟังก์ชันต่างๆ รวมถึงอุปกรณ์ที่ใช้ความไม่เชิงเส้นทั่วไป

ผู้ทำแผนที่เชิงฟังก์ชันสามารถดำเนินการเพื่อใช้การขึ้นต่อกันตั้งแต่หนึ่งรายการขึ้นไป

ในกรณีแรก ตัวอย่างเช่น หากต้องการสร้างการพึ่งพาเพียงครั้งเดียวเท่านั้น: เอ็กซ์โปเนนเชียล ฟังก์ชันกำลัง ตรีโกณมิติ ฯลฯ ตัวแปลงจะเรียกว่าพิเศษ

ในกรณีที่สอง หากสามารถสร้างตัวแปลงขึ้นมาใหม่ได้โดยการเปลี่ยนพารามิเตอร์เพื่อสร้างการขึ้นต่อกันจำนวนมาก ตัวแปลงเหล่านั้นจะถูกเรียกว่าสากล

ตัวแปลงที่อยู่บนพื้นฐานของความไม่เชิงเส้นตามธรรมชาติใช้ส่วนที่ไม่เชิงเส้นของคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ เช่น ลักษณะเฉพาะของกระแส-แรงดัน พี-nการเปลี่ยนผ่าน, การพึ่งพาโฟโตกระแสต่อการส่องสว่าง, การพึ่งพาความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ต่ออุณหภูมิ, การพึ่งพาความถี่ธรรมชาติของการแกว่งของเรโซเนเตอร์แบบยืดหยุ่นต่างๆกับแรงที่ใช้กับพวกมัน ฯลฯ เครื่องขยายสัญญาณลอการิทึมและเอ็กซ์โพเนนเชียลโดยใช้ความไม่เชิงเส้น พี-nทรานซิชันได้รับการพัฒนาอย่างดีและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีการวัด

ในรูป ในตาราง 7.13 แสดงแผนภาพของอุปกรณ์สำหรับสร้างสัญญาณแอนะล็อก คุณเข้ากำลังสอง โดยขึ้นอยู่กับการใช้ความไม่เชิงเส้นของออปโตคัปเปลอร์ของโฟโตคัปเปลอร์ ออปโตคัปเปลอร์ของโฟโตรีซีสเตอร์คือคู่ของโฟโตคัปเปลอร์แบบ LED ง 1 – ร 2ดำเนินการอย่างบูรณาการ ค่าความต้านทานของโฟโตคัปเปลอร์โฟโตรีซีสเตอร์จะแปรผกผันกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับ LED ปัจจัยสัดส่วน เคออปโตคัปเปลอร์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการออกแบบและภายในขอบเขตที่กำหนดสามารถปรับได้ด้วยตัวต้านทาน ร 1 .

แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการของออปแอมป์จะแปลง คุณเข้าเข้าสู่กระแสจ่ายของ LED D 1 ซึ่งจะส่องสว่างโฟโตรีซีสเตอร์ R 2 ซึ่งจะเปลี่ยนความต้านทาน ขนาดของแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของอินพุต U ออก ≡ U 2 นิ้ว