WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 21 |
Федеральное агентство по образованию САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Приоритетный национальный проект «Образование» Инновационная образовательная программа Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Бунтов В.Д., Макаров С.Б.

Микропроцессорные системы Часть I. Цифровые устройства Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство политехнического университета 2008 Федеральное агентство по образованию САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Приоритетный национальный проект «Образование» Инновационная образовательная программа Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Бунтов В.Д., Макаров С.Б.

Микропроцессорные системы Часть I. Цифровые устройства Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство политехнического университета 2008 УДК 621.3.049; 621.395.5; 681.327(075) ББК 32.844-02: 32.73.26-02я73 Бунтов В.Д., Макаров С.Б. Микропроцессорные системы. Часть I.

Цифровые устройства. Учебное пособие. – СПб.: Изд-во политехнического университета, 2008. – 199 с.

В предлагаемом учебном пособии рассмотрены вопросы, связанные с построением структурных и электрических схем различных цифровых устройств современных радиотехнических систем. Книга посвящена применению типовых цифровых микросхем и микропроцессоров в функциональных узлах радиотехнических устройств. Особое внимание уделено методам проектирования различных комбинационных и последовательностных устройств и их применению в цифровых радиотехнических устройствах формирования, генерирования и приема сигналов. Описаны различные методы проектирования, в том числе с использованием микропроцессоров.

Рассмотрены особенности проектирования радиотехнических устройств, в которых использовано цифроаналоговое и аналого-цифровое преобразование сигналов. Излагаемый материал иллюстрируется электрическими схемами различных функциональных узлов радиотехнических устройств.

Учебное пособие составлено преподавателями кафедры “Радиоэлектронные средства защиты информации” Санкт-Петербургского государственного политехнического университета и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 230100 – Информатика и вычислительная техника, 210300 – Радиотехника, 210400 – Телекоммуникации, а также соответствующим инженерным специальностям.

Работа выполнена в рамках реализации Инновационной образовательной программы Санкт-Петербургского государственного политехнического университета «Развитие политехнической системы подготовки кадров в инновационной среде науки и высокотехнологичных производств Северо-Западного региона России».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санктпетербургского государственного политехнического университета.

© Бунтов В.Д., Макаров С.Б., © Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Оглавление Введение Глава 1. Комбинационные устройства 1.1. Позиционные системы счисления 1.2. Способы задания логических функций 1.3. Правила эквивалентных преобразований структур- ных формул 1.4. Минимизация структурных формул с помощью ме- тодов Квайна и карт Карно 1.5. Не полностью определённые логические функции и их минимизация 1.6. Минимизация системы логических функций 1.7. Универсальные логические элементы 1.8. Примеры построения комбинационных устройств на уни- версальных логических элементах 1.9. Общая задача синтеза комбинационных устройств 1.10. Типовые комбинационные устройства 1.10.1. Дешифраторы и шифраторы 1.10.2. Кодопреобразователи 1.10.3. Мультиплексоры и демультиплексоры 1.11. Проектирование комбинационных устройств, свободных от состязаний сигналов Глава 2. Последовательностные устройства 2.1. Способ формального описания последовательностных устройств 2.2. Триггеры Асинхронные RS-триггеры Синхронные RS-триггеры T-триггеры и DV-триггеры 2.3. Канонический метод проектирования последовательност- ных устройств 2.4. Синтез триггеров 2.5. Регистры 2.6. Счетчики 2.6.1. Двоичные счетчики 2.6.2. Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета 2.6.3. Счетчики с переменным коэффициентом пересчета 2.6.4. Счетчики на основе регистров сдвига Глава 3. Запоминающие устройства 3.1. Организация запоминающих устройств, их типы и харак- теристики 3.2. Оперативные запоминающие устройства 3.3. Постоянные запоминающие устройства 3.4. Программируемые логические матрицы 3.5. Базовые матричные кристаллы 3.6. Программируемые логические интегральные схемы Глава 4. Цифроаналоговые преобразователи 4.1. Принципы цифроаналогового преобразования 4.2. Основные параметры цифроаналогового преобразователя 4.3. Реализация АЦП на интегральных схемах Глава 5. Аналогово-цифровые преобразователи 5.1. Принципы аналого-цифрового преобразования и основ- ные параметры АЦП 5.2. Методы построения АЦП 5.3. Интегральные схемы аналого-цифровых преобразователей Глава 6. Радиотехнические устройства формирования, приема и передачи сигналов 6.1. Генераторы случайных последовательностей 6.2. Устройства формирования последовательностей Уолша 6.3. Генераторы сигналов 6.4. Цифровой коррелятор 6.5. Цифровые согласованные фильтры 6.6. Устройство выбора максимального напряжения 6.7. Устройство синхронизации радиомодемов 6.8. Дискретные фазовращатели 6.9. Цифровые фазовые и частотные дискриминаторы 6.10. Устройства контроля, кодирования и декодирования 6.10.1. Устройства контроля по модулю 2 6.10.2. Устройства кодирования и декодирования кодов Хэмминга 6.10.3. Устройство кодирования для кода Рида – Соломона Введение Цифровые и микропроцессорные радиотехнические устройства применяются для построения сетки опорных частот возбудителей радиопередатчиков, в системах фазовой автоподстройки частоты радиоприемников и синтезаторах частот мобильных радиотелефонов. Кроме того, они используются для цифровой частотной селекции и детектирования, в устройствах кодирования и сжатия сигналов цифровых систем связи и телевидения, для сопряжения протоколов работы телекоммуникационных устройств, в устройствах преобразования аналоговых сигналов в цифровые и т.д. Интенсивное развитие теории и методов оптимального приема сигналов на фоне различного рода помех привело к необходимости создания достаточно сложных радиотехнических систем обнаружения и различения сигналов, таких как согласованные фильтры, устройства нелинейной фильтрации, реализация которых в ряде случаев возможна лишь на основе цифровых и микропроцессорных устройств.



В зависимости от назначения и параметров радиотехнической системы (РТС) приходится сталкиваться с различными методами проектирования цифровых устройств РТС и с различными типами применяемых в цифровых устройствах интегральных схем (ИС) и микропроцессоров. Во многих системах передачи и обработки изображений, радиолокации, в первую очередь решаются задачи повышения быстродействия РТУ, и часто рациональное проектирование такой аппаратуры связано с правильным выбором типа ИС и построением электрической схемы на минимальном числе корпусов ИС с минимальным числом их соединений при отсутствии состязаний сигналов в цифровом устройстве РТС.

При использовании в качестве ИС цифровых перепрограммируемых логических интегральных схем (ПЛИС), например фирмы ALTERA [2, 22, 27], необходимо обеспечить рациональное построение программы работы ПЛИС, позволяющее минимизировать объем памяти, энергопотребление и, в конечном итоге, стоимость цифрового устройства РТС. Для успешного решения подобных задач необходимо обладать методами расчета, учитывающими указанные выше особенности построения радиотехнических систем.

Цифровые устройства разделяются на два класса: комбинационные устройства, которые не обладают памятью, и их логическое состояние однозначно определяется входными сигналами, имеющимися в данный момент времени, и последовательностные устройства, которые обладают памятью, и их логическое состояние определяется входными сигналами как в настоящий, так и в предыдущие моменты времени.

Комбинационные устройства реализуются, как правило, на отдельных ИС малой степени интеграции, либо изготавливаются в виде отдельной интегральной схемы средней степени интеграции. Основными узлами сложных последовательностных устройств являются регистры, выполняющие операции хранения и сдвига логического числа (логического уровня 1 или 0) на определенное число разрядов, счетчики, на выходах которых формируются числа, соответствующие количеству поступивших на входы сигналов, генераторы чисел (последовательностей), на выходах которых образуются заданные последовательности чисел. Последовательностные устройства (ПУ) могут быть синхронными, когда начало выполнения каждой логической операции четко фиксируется во времени (синхронизируется) поступлением синхронизирующего (тактового) сигнала, и асинхронными, не имеющими синхронизирующих сигналов. Как правило, более быстродействующими являются асинхронные устройства, однако правильная организация их работы оказывается сложнее, чем у синхронных устройств. В системах дальней радиосвязи, цифрового телевидения и мобильной сотовой связи, радиолокации обычно используются асинхронные ПУ, входящие в цифровые системы фазовой синхронизации, когерентные демодуляторы сигналов, частотные дискриминаторы. Синхронные ПУ нашли широкое применение в системах проводной и радиорелейной связи, устройствах сопряжения персональных компьютеров с периферийной аппаратурой, в радиотелеметрических системах, многоканальных телекоммуникационных системах передачи информации.

При проектировании цифровых устройств РТС, применяемых в информационных радиосистемах, т. е. связанных с передачей, приемом и преобразованием информации, необходимо решать задачу преобразования аналогового сигнала в цифровой код путем перехода к рассмотрению квантованных по уровню выборочных значений сигнала, и обратную задачу преобразования цифрового кода в аналоговое колебание. Эти процедуры выполняются с помощью аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых (ЦАП) преобразователей, в состав которых входят и ПУ, выполняющие функции устройств управления и сдвига, выборки и хранения, преобразования кодов.

Микропроцессорные устройства (микропроцессоры) – это обрабатывающие и управляющие цифровые однокристальные или многокристальные структуры, обладающие способностью выполнять под программным управлением обработку входных сигналов, включая ввод и вывод данных, принятие решений, арифметические и логические операции.

Радиотехнические системы, построенные на основе микропроцессорных устройств, имеют значительно большую гибкость, чем системы с жесткой структурой. Классическим примером использования микропроцессоров можно считать их применение в мобильных телефонных устройствах подвижных средств телекоммуникаций. В этих устройствах как нельзя лучше проявилось основное преимущество микропроцессоров – их программная многофункциональность. В настоящее время практически ни одно сложное цифровое устройство радиотехнической системы не обходится без микропроцессора.

В книге рассмотрены вопросы, связанные с построением структурных и электрических схем различных цифровых устройств современных радиотехнических систем. Разумеется, используемые на практике методы построения подобных устройств могут отличаться от рассмотренных. Тем не менее, знание основных методов и правил построения цифровых и микропроцессорных устройств позволит быстро и рационально осуществить разработку новых радиотехнических систем с использованием быстроизменяющейся элементной базы цифровых интегральных схем и микропроцессоров.





Целью книги является попытка изложить с единых теоретических позиций методы проектирования цифровых и микропроцессорных устройств, не претендуя на подробное изложение достаточно полно представленных в литературе методов программирования специализированных микропроцессоров обработки сигналов [4, 8, 11, 13, 15, 16], описание цифровых интегральных схем, проектирование быстродействующих цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей [14, 17, 18, 24, 25], проектирование узлов персональных компьютеров [8, 9, 11, 12]. Основное внимание в книге уделено:

• методам синтеза комбинационных устройств, в том числе устройств, свободных от состязаний сигналов;

• анализу способов формального описания последовательностных устройств, таких как триггеры, регистры, счетчики;

• принципам построения цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей и их реализации на цифровых интегральных схемах;

• методам построения цифровых устройств формирования и обра ботки сигналов, в том числе цифровых корреляторов и согласованных фильтров;

• структурным и электрическим схемам построения радиотехнических систем на базе микропроцессоров;

• реализации радиотехнических устройств передачи и обработки сигналов в системах радиосвязи, радиолокации и радионавигации.

Глава 1. Комбинационные устройства 1.1. Позиционные системы счисления Для описания логических функций комбинационных устройств обычно используются целые n -разрядные числа. При представлении чисел применяются определенные совокупности правил записи, называемые системами счисления. В позиционных системах счисления целое n-разрядное (положительное) число записывается в виде последовательности символов ek k = n -1...( ) следующим образом:

en-1 …ek …e2e1e.

ek Значение каждого символа определяется его позицией в записи nразрядного числа. Тогда любое целое число в системе счисления с основаq нием можно записать в виде en-1qn-1 +... + ekqk +… + e2q2 + e1q1 + e.

en-1 eПри этом символ соответствует старшему разряду, символ – младшему разряду целого числа, а сложение выполняется по модулю, равному значению основания системы счисления.

Десятичная система счисления Привычная для человеческой деятельности десятичная (decimal) сисek тема счисления имеет основание q=10. Значение каждого символа в такой системе может изменяться от 0 до 9. Примером записи значений позиций чисел в десятичной системе при q=10 и n=4 является число 1327 или e3q3 + e2q2 + e1q1 + e0 = 1103 + 3102 + 2101 + Двоичная система счисления В двоичной (binary) системе счисления или системе с основанием ek q=2 значение каждого символа может быть равно лишь 0 или 1. Например, 4-x разрядное (n=4) число в такой системе может быть записано в виде:

e323 + e2 22 + e121 + e, где сложение выполняется по модулю 2, а каждое слагаемое представляет e3 = 1, e2 = 0, e1 = 1, e0 = собой n-разрядное двоичное число. Так, если, то имеем двоичное число 1011.

Одно и тоже число может быть представлено в различных системах счисления. Рассмотрим процедуру преобразования числа из десятичной системы счисления в двоичную. Для этого необходимо найти значения каek ждого символа в двоичной системе, начиная с младшего разряда. Исходя из общей формы записи целого числа в системе счисления с основанием eq=2, очевидно, получим значение, равное остатку от деления числа, заeписанного в десятичной системе, на основание q=2. Значение образуется, как остаток от деления, полученный на предыдущем шаге, десятичного числа целой части на основание q=2. Такое деление продолжается до тех пор, пока целая часть десятичного числа не окажется равной нулю. Например, числу 155 в десятичной системе будет соответствовать 8-разрядное число 10011011 в двоичной системе счисления.

Представим обратное преобразование числа из двоичной системы в десятичную систему счисления. Так, для предыдущего примера, имеем:

1 27 + 0 26 + 0 25 +1 24 +1 23 + 0 22 + 1 21 +1 20 = 128 + 16 + 8 + 2 +1 = Шестнадцатеричная система счисления В шестнадцатеричной (Hexadecimal) системе счисления или системе ek с основанием q=16, используются 16 значений каждого символа : цифры от 0 до 9 и буквы А, В, С, Д, Е, F, которым соответствуют числа 10, 11, 12, 13, 14, 15 в десятичной системе счисления. Шестнадцатеричная система счисления широко используется на практике как экономичная форма записи чисел в большинстве микропроцессоров и микроконтроллеров.

Для преобразования числа из двоичной системы счисления в число шестнадцатеричной системы, его надо разделить на группы по 4 двоичных символа (тетрады). Затем каждой группе из 4-х символов поставить в соответствие шестнадцатеричный символ (цифру или букву).

Для обратного преобразования числа из шестнадцатеричной системы в число двоичной системы счисления каждый символ шестнадцатеричной системы должен быть заменен четырьмя двоичными символами. Так, шестнадцатеричное число 2C6E может быть представлено в двоичной системе в виде 0010110001101110.

Шестнадцатеричные числа могут быть преобразованы в десятичные числа. Для предыдущего примера при q=16 и n=4 имеем:

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 21 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.