Как проектировать электронные схемы
Шрифт:
ГИСТЕРЕЗИС В ЭЛЕКТРОНИКЕ
Термин «гистерезис» происходит от греческого слова «запаздывание» и означает появление задержки в развитии одного физического явления по отношению к другому. Гистерезис играет большую роль в технике и, в частности, в электронике. Он проявляется каждый раз, когда выполняется операция сравнения двух величин с некоторой точностью.
Суть данного явления можно пояснить на примере работы термостата, независимо от наличия или отсутствия электронного регулятора. Рассмотрим термостат, настроенный на поддержание температуры 20 °C с помощью электрического нагревателя. Если бы управляющая нагревателем биметаллическая пластина, деформирующаяся при изменении температуры, не обладала гистерезисом, нагреватель включался бы и выключался очень часто, что привело бы к быстрому износу
В электронике все процессы развиваются гораздо быстрее, и нередко приходится искусственно создавать задержку для снижения частоты переключения. В качестве примера на рис. 2.41б приведена схема компаратора на базе операционного усилителя.
Устройство сравнивает регулируемое напряжение с опорным, которое задается с помощью батарейки. Результат сравнения выводится на светодиодный индикатор. Чтобы усилить проявление гистерезиса и снизить частоту мигания индикатора, используют резистор, через который часть выходного сигнала передается на вход операционного усилителя. При этом снижается коэффициент усиления каскада и задерживается включение и выключение индикатора.
ИНТЕГРИРУЮЩАЯ ЦЕПОЧКА
Интегрирующая цепочка весьма важна для практики электронных схем. Одна из ее функций заключается в преобразовании частоты импульсной последовательности в постоянное напряжение, уровень которого пропорционален частоте. Для получения такого соотношения длительность импульсов не должна зависеть от частоты следования.
В простейшем случае интегрирующая цепочка содержит только два компонента: резистор и конденсатор (рис. 2.42). Их номиналы выбираются в зависимости от минимальной частоты сигнала. Обычно задают такое произведение RC, чтобы оно было не меньше максимального периода следования импульсов. Например, цепочка 10 кОм/1 нФ вполне подойдет для частоты сигнала, превышающей 100 кГц. Если взять более низкое значение RC, на постоянное выходное напряжение будут накладываться заметные колебания пилообразной формы, искажающие преобразованный сигнал.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС
Принцип действия
Кроме компьютеров, манипулирующих двоичными словами размером 16 или 32 бит, существует много типов микропроцессоров и микроконтроллеров, большинство которых оперирует байтами, то есть словами из 8 бит. С байтами «работает» и разнообразное периферийное оборудование: запоминающие устройства, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, а также многие другие компоненты. Обмен информацией между этими устройствами связан с поиском компромисса между скоростью передачи и числом соединительных линий.
Наибольшее быстродействие обеспечивает параллельное соединение, по которому одновременно передаются все разряды двоичного слова (рис. 2.43а). Такой тип интерфейса соединяет компьютер с принтером. Его недостатком является значительное число проводов (для стандартного разъема «Centronics» их количество равно 36), а также ограничение длины кабеля из-за риска возникновения помех, весьма опасных при низком уровне используемого напряжения (5 В).
От подобных трудностей свободен последовательный интерфейс, в простейшем варианте для его осуществления достаточно двух проводов (рис. 2.43б). Один провод обычно заземлен, другой служит для передачи информации.
Принцип
Поскольку сигнал передачи данных может принимать только два состояния, необходимо точно определить моменты отправки и считывания разрядов. Если два соседних бита находятся в одинаковом состоянии, сигнал в линии сохраняется до следующего изменения.
Если все разряды имеют значение логической единицы (передается число FFH), сигнал останется в соответствующем состоянии на протяжении всей передачи. Чтобы исключить возможность сбоев, к передаваемому слову добавляют несколько служебных битов, отправляемых в начале и конце цикла передачи. Порядок передачи и считывания сигналов показан на рис. 2.43в.
Первый бит, называемый Start, служит для фиксации момента начала передачи. Один или два последних бита называются Stop. Они обозначают конец цикла и дают приемнику время проанализировать полученное слово.
В некоторых случаях дополнительно отправляется бит подтверждения, который называется битом четности. Его состояние изменяется в зависимости от того, четным или нечетным является передаваемое число.
Длительность цикла передачи зависит от количества передаваемых битов и от времени передачи одного бита. Скорость передачи цифровой информации выражается в битах в секунду (бодах). Используемые значения скорости стандартизированы и, как правило, находятся в диапазоне от 300 до 38400 бит/с. Наиболее часто выбирается скорость передачи 9600 бит/с. При этом достигается удачный компромисс между требуемыми частотными характеристиками компонентов и качеством передачи. Параметры последовательного интерфейса описываются с помощью условной записи типа 9600, N, 8, 2. Это означает, что скорость передачи равна 9600 бит/с, бит четности отсутствует, слово данных содержит 8 бит, передается 2 бита Stop. Цикл передачи слова требует отправления 11 бит (1 бит Start, 8 бит данных и 2 бита Stop). При скорости 9600 бит/с каждый передаваемый бит занимает приблизительно 104 мкс. Таким образом, полный цикл передачи длится 11x104 мкс, то есть 1,14 мс. Это время может показаться коротким, но оно во много раз превышает длительность параллельной передачи информации эквивалентного объема. Оправка файла объемом 4800 байт (60 печатных строк, каждая из которых содержит по 80 знаков) занимает 5,5 с.
Второй проблемой является выбор уровней передаваемых сигналов с учетом возможных помех и потерь в линии. Для линий небольшой длины можно использовать традиционное напряжение 5 В.
При передаче на значительные расстояния (приблизительно 25 метров и больше) используют два противофазных напряжения по 12 В. Низкий уровень сигнала или состояние логического нуля соответствует напряжению -12 В, а состояние логической единицы — напряжению + 12 В.
Рассмотренное сочетание протокола передачи и уровней сигнала (-12 В/+12 В) отвечает требованиям общепринятого стандарта информационных технологий RS232. Этот стандарт определяет и размещение выводов соединительных элементов типа DB9 и DB25 (см. также раздел «Использование стандартных соединительных элементов»).
Наконец, следует отметить возможность выполнения двустороннего соединения устройств при использовании дополнительной линии передачи (в сумме для такого соединения потребуется три провода).
Согласование ТТЛ схемы с сигналом стандарта RS232
Как было сказано в предыдущем разделе, стандарт RS232 предполагает использование двух источников напряжения: -12 В и +12 В.
Однако для работы многих процессоров и периферийных устройств такое напряжение питания не требуется. В большинстве случаев допустимым можно считать диапазон напряжений от -12/+12 до -3/+3 В. При этом крайне редко возникает необходимость в отрицательном напряжении питания для цифровых схем.