Центральные устройства и микропроцессы

Содержание

Введение           2

1. Описание микросхем семейства ACEX 1K      3
2. Описание работы АЦП         7
3. Принципиальная схема         9
4. Алгоритм работы          10
5. Схема проекта           12

Заключение           14

6. Список использованной литературы       15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В настоящее время широко применяются цифровые измерительные приборы (ЦИП), имеющие ряд достоинств по сравнению с аналоговыми электроизмерительными приборами. Цифровыми называются приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной  информации, показания которых представляются в цифровой форме. В цифровых приборах в соответствии со значением измеряемой величины образуется код, а затем в соответствии с кодом изменяемая величина представляется на отчетном устройстве в цифровой форме. Цифровой прибор включает в себя два обязательных  функциональных узла: аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отчетное устройство.

Аналогово-цифровые преобразователи предназначены  для преобразования аналоговых сигналов в соответствующие им цифровые, то есть для преобразования сигналов с непрерывной шкалой  значений в сигналы, имеющие дискретную  шкалу значений. А отчетное устройство отражает значение измеряемой величины в цифровой форме. Классификация методов преобразования напряжения в цифровой код весьма разнообразна.

Метод преобразования выбирается в зависимости от конкретных  условий использования вольтметров, назначения вольтметра и их стоимости. Одним из отличительных признаков, характеризующих свойства преобразователей, является наличие или отсутствие в структурной схеме обратной связи. Как правило, цифровая информация на  выходе этих  АЦП представляется в специальном коде, предназначенном для непосредственного управления светодиодными цифровыми табло с семисегментными  индикаторами  либо табло, выполненными на жидких кристаллах. Облегчить выполнение задачи направленной на построение различных электроизмерительных приборов могут программируемые логические интегральные схемы, широко применяемые для проектирования различных устройств в настоящее время.

 

1. Описание микросхем семейства ACEX 1K

• Микросхемы программируемой логики, позволяющие реализовать систему на кристалле по невысокой цене.

• Расширены возможности встроенных блоков памяти. На одном массиве встроенной памяти (EAB) реализуется 16 разрядная двухпортовая память.
• Высокая логическая емкость. Логический массив позволяет реализовать цифровые функций общего назначения.
• От 10,000 до 100,000 эквивалентных вентилей.
• До 49,152 бит RAM (4,096 бит на EAB, которые могут быть использованы без уменьшения логической емкости)
• Программируемая архитектура с низкой стоимостью для крупносерийных применений.
• Решение по низкой цене для высокопроизводительных приложений.
• Особенности системного уровня
• MultiVolt I/O контакты могут управлять или управляться устройствами с напряжением питания 2.5В, 3.3В или 5.0В.
• Низкое энергопотребление.
• Производительность двунаправленных контактов Ввода/Вывода до 250 МГц.
• Полная совместимость с PCI Local Bus Specification, Revision 2.2 для 3.3В при 33МГц или 66МГц.
• Микросхемы с градацией быстродействия -1 совместимы с PCI Local Bus Specification, Revision 2.2 для 5.0В.
• Встроенная схема граничного сканирования JTAG совместимая с IEEE 1149.1-1990, доступна без использования дополнительной логики.
• Вычислительное ядро микросхемы работает от напряжения питания 2.5В.
• Неограниченное число реконфигурирований от внешние загрузочных ПЗУ, с помощью контроллера контроллера или через JTAG порт.
• Функции ClockLock и ClockBoost для уменьшения задержки и сдвига фаз тактового сигнала а также для умножения тактовой частоты.
• Специальные цепи для тактирующих сигналов.
• Полный 100% функциональный тест всех микросхем.
• Организация программируемых межсоединений
• FastTrack межсоединения - непрерывная линии связи, обеспечивающие быстрые и предсказуемые задержки.
• Цепи переноса, позволяющие быстро выполнять арифметические функции сложения, счета и сравнения (автоматически используются программным обеспечением и мегафункциями).
• Цепи каскадирования, позволяющие выполнять реализовывать высокоскоростные логические функции с большим количеством переменных (автоматически используются программным обеспечением и мегафункциями).
• Эмуляция третьего состояния, позволяющая реализовывать внутренние шины с высокоимпедансным состоянием.
• До шести выделенных цепей передачи тактовых сигналов
• Особенности контактов Ввода/Вывода
• Управление третьем состоянием для каждого контакта.
• Функция открытого коллектора (стока) для каждого контакта Ввода/Вывода.
• Программируемая скорость изменения фронта выходного сигнала позволяет уменьшать шумы при переключении.
• Программируемые clamp диоды, подключающиеся к V_CCIO.
• Поддержка горячего включения (возможность задания произвольной последовательности подачи сигналов и напряжений питания).
• Доступны корпуса с количеством контактов от 100 до 484, включая FineLine BGA корпуса.
• Свободно распространяемое программное обеспечение для различных платформ PC обеспечивает полную поддержку процесса проектирования, размещения и разводки.
• Дополнительные возможности по вводу проекта и моделированию обеспечиваются использованием файлов списка соединений EDIF 200 и 300, библиотеки параметризированных модулей (LPM), компонентов DesignWare, Verilog HDL, VHDL, других интерфейсов с популярными EDA средствами от производителей Cadence, Mentor Graphics, OrCAD, Synopsys и Synplicity.

Таблица 1: Микросхемы семейства ACEX 1K

 

Таблица 2: Корпуса и количество контактов у микросхем ACEX 1K

MultiVolt I/O интерфейс 

Архитектура AСEX 1K поддерживает MultiVolt I/O интерфейс, который позволяет микросхемам ACEX 1K в любых корпусах взаимодействовать с системами с различным напряжением питания. Микросхемы имеют наборы контактов питания для внутреннего ядра и входных буферов (V_CCINT) и для выходных драйверов (V_CCIO).

У микросхем ACEX 1K контакты V_CCINT должны быть всегда подключены к источнику питания 2,5 В, при этом на входных контактах допускается напряжение 2,5В, 3,3 В и 5,0В. Контакты V_CCIO могут подключаться к источнику питания 2,5В или к 3,3 В. Если V_CCIO подключены к 2,5 В источнику питания, то выходные уровни совместимы с 2,5 В системами. Если контакты V_CCIO подключены к 3,3 В источнику питания, то высокий выходной уровень будет 3,3 В и будет совместим с 3,3 и 5,0 В системами. Микросхемы, работающие с VCCIO 3.3В, имеют меньшую задержку t_OD2, чем задержка t_OD1 при V_CCIO 2.5В.

Таблица 3: Поддержка микросхемами ACEX 1K функции MultiVolt I/O.

Выходной контакт микросхем ACEX 1K, выполненный с открытым стоком и внешним подтягивающим к 5.0 В  резистором, может управлять входом микросхемы CMOS 5.0В, которому требуется  входное напряжение выше 3.5В.

2.Описание работы АЦП

Микросхемы АЦП выполняют функцию, прямо противоположную функции ЦАП, — преобразуют входной аналоговый сигнал в последовательность цифровых кодов. В общем случае микросхему АЦП можно представить в виде блока, имеющего один аналоговый вход, один или два входа для подачи опорного (образцового) напряжения, а также цифровые выходы для выдачи кода, соответствующего текущему значению аналогового сигнала.

Часто микросхема АЦП имеет также вход для подачи тактового сигнала CLK, сигнал разрешения работы CS и сигнал, говорящий о готовности выходного цифрового кода RDY. На микросхему подается одно или два питающих напряжения и общий провод. В целом микросхемы АЦП сложнее, чем микросхемы ЦАП, их разнообразие заметно больше, и поэтому сформулировать для них общие принципы применения сложнее.

 
Рис. 1 Микросхема АЦП

Опорное напряжение АЦП задает диапазон входного напряжения, в котором производится преобразование. Оно может быть постоянным или же допускать изменение в некоторых пределах. Иногда предусматривается подача на АЦП двух опорных напряжений с разными знаками, тогда АЦП способен работать как с положительными, так и с отрицательными входными напряжениями.

Выходной цифровой код N (n-разрядный) однозначно соответствует уровню входного напряжения. Код может принимать 2ⁿ значений, то есть АЦП может различать 2ⁿ уровней входного напряжения. Количество разрядов выходного кода n представляет собой важнейшую характеристику АЦП. В момент готовности выходного кода выдается сигнал окончания преобразования RDY, по которому внешнее устройство может читать код N.

Управляется работа АЦП тактовым сигналом CLK, который задает частоту преобразования, то есть частоту выдачи выходных кодов. Предельная тактовая частота — второй важнейший параметр АЦП. В некоторых микросхемах имеется встроенный генератор тактовых сигналов, поэтому к их выводам подключается кварцевый генератор или конденсатор, задающий частоту преобразования. Сигнал CS разрешает работу микросхемы.

Выпускается множество  самых разнообразных микросхем АЦП, различающихся скоростью работы (частота преобразования от сотен килогерц до сотен мегагерц), разрядностью (от 6 до 24), допустимыми диапазонами входного сигнала, величинами погрешностей, уровнями питающих напряжений, методами выдачи выходного кода (параллельный или последовательный), другими параметрами. Обычно микросхемы с большим количеством разрядов имеют невысокое быстродействие, а наиболее быстродействующие микросхемы имеют небольшое число разрядов. Область применения любой микросхемы АЦП во многом определяется использованным в ней принципом преобразования, поэтому необходимо знать особенности этих принципов. Для выбора и использования АЦП необходимо пользоваться подробными справочными данными от фирмы-производителя.

3.Принципиальная схема

Для разработки данного  устройства необходим аналого-цифровой преобразователь для оцифровки  входного сигнала, программируемая логическая интегральная схема для обеспечения работы АЦП, а также семисегментного индикатора и семисегментный индикатор для индикации отображения результатов(рисунок 2).

Рисунок 2 Структурная схема устройства выполненного на ПЛИС

 

Микросхема ПЛИС программируется  и проектируется с помощью  программы Quartus II предназначенной для разработки проектов на плис .

Проект данной микросхемы состоит из  регистра, счётчика, декодера для индикатора.

 

4. Алгоритм работы

 

Алгоритм данного устройства представлен на рисунке 3. Устройство работает следующим образом: Вначале запускается таймер, который считает тактовые импульсы. После его переполнения появляется сигнал логической единицы. После чего Формируется сигнал запуска АЦП, который запускает аналого-цифровой преобразователь. Следующим действием на выходе готовности АЦП должен сформироваться соответствующий сигнал. Если этот сигнал сформировался происходит преобразование входного аналогово сигнала в цифровой. Полученный сигнал загружается в регистр, преобразуется в семисегментный код и выводится на индикатор.

   

Рисунок 3: Алгоритм работы

 

Схема проекта

Данная электрическая  схема (Рисунок 6) работает следующим образом: Сигнал запуска формируется с помощью счётчика-делителя. На вход этого счётчика поступают тактовые импульсы от кварцевого генератора, в результате переполнения счётчика на выводе переполнения образуется сигнал, который поступает на вход запуска АЦП. В результате АЦП преобразует входное напряжение и на выводе готовности образуется сигнал «Готов», который поступает на тактовый вход регистра и вход триггера с его выхода сигнал поступает на счётчик записи на вход асинхронной очистки. Данные с этого счётчика поступают на дешифратор. С второго выхода дешифратора сигнал поступает на вход счётчика разрешающий загрузку данных, и пученный результат из регистра поступает в этот счётчик. Четвёртый выход дешифратора необходим для запуска триггера и разрешения работы счётчика. С шестого выхода дешифратора сигнал очищает содержимое триггера и соответственно счётчик записи отключается. Как только счётчик переполняется сигнол с выхода переполнения очищает содержимое второго триггера. Сигнал со второго триггера подаётся на вход разрешающий работу двоично десятичного счётчика.

Связка из трёх двоично-десятичных счётчиков необходима для работы семисегментного индикатора. На выходе этих счётчиков появляется сигнал, который затем с помощью декодеров преобразуется в код для семисегментного индикатора и поступает на трёхразрядный индикатор.

 

Рисунок 4: Принципиальная схема устройства

Рисунок 6: Принципиальная схема (Продолжение)

 

Заключение.

Применение программируемых  логических интегральных схем позволяет  быстро и качественно проектировать  различные цифровые устройства, включая  радиоизмерительные устройства.

Применение программируемых  логических интегральных схем позволяет  снизить затраты времени на проектирование устройств уменьшить стоимость  проектирования. Также появилась  возможность быстрого редактирования проекта, добавление новых функций, или модернизация всего устройства в целом. Применение программируемых логических интегральных схем позволяет довольно быстро создать прототип какого-либо устройства. Также можно использовать программируемую логическую микросхему в качестве одного устройства, тем самым снизив сложность как печатной платы, так и самого устройства в целом. Также при применении ПЛИС уменьшаются размеры получаемого устройства, что позволяет создавать устройства занимающие мало места