Клод Галле - Как проектировать электронные схемы

Использование высокоомного состояния лежит в основе принципа передачи цифровой информации по шине, связывающей несколько различных компонентов, которые взаимодействуют друг с другом (рис. 2.40).

Каждый разряд на выходе логических элементов, подключенных к общей шине, может принимать три состояния: логический нуль, логическая единица и высокоомное состояние, сравнимое с физическим отключением (его часто называют Z-состоянием). Без этого третьего состояния было бы невозможно объединить нескольких выходов. Поэтому для подключения к общей шине (с параллельной или последовательной передачей данных) можно использовать ТТЛ схемы с открытым коллектором на выходе, предназначенные для такого соединения, или КМОП схемы с Z-состоянием выхода.

Аналоговые устройства с высоким входным сопротивлением необходимы для работы с некоторыми специфическими элементами, в частности с датчиками физических величин. Примером может служить датчик с электродами для измерения показателя pH жидкости, имеющий сопротивление порядка 10 12Ом. К счастью, существует ряд операционных усилителей, входное сопротивление которых согласуется с такой величиной (в частности, усилитель типа TL062).

Разработчику схемы необходимо соблюдать определенные правила размещения элементов. Соединительный кабель и особенно соединительный элемент должны выбираться и монтироваться очень тщательно. От этого в большой степени зависит качество работы всей схемы. Обычно имеет смысл приобрести соединительный кабель со специальным разъемом для присоединения ко входу усилителя.

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 контактов. В действительности регулятор включается при 19 °C, а выключается примерно при 21 °C. При этом механическая инерционность биметаллической пластины и тепловая инерционность нагревателя порождают явление гистерезиса, переключение режимов происходит с небольшой частотой, а температура в термостате колеблется в некотором интервале вблизи заданного значения (рис. 2.41 а ).

В электронике все процессы развиваются гораздо быстрее, и нередко приходится искусственно создавать задержку для снижения частоты переключения. В качестве примера на рис. 2.41 б 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. 2.43 а ). 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. 2.43 б ). Один провод обычно заземлен, другой служит для передачи информации.

Принцип работы интерфейса заключается в последовательной отправке восьмибитного слова в соответствии с определенным протоколом, например в порядке возрастания веса разрядов (от бита 0 к биту 7). Подобный тип передачи данных требует точной синхронизации работы передатчика и приемника, каждый из которых должен иметь стабильный тактовый генератор с кварцевым резонатором.

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.