Číslicová zařízení

íslicová za ízení
Ing. Jaroslav Bernkopf
22. íjna 2009
OBSAH
1.
2.
Úvod.................................................................................................................. 4
Základní druhy íslicových za ízení .................................................................. 5
2.1
íslicová za ízení s jednoú elovými obvody .................................................. 5
2.2
íslicová za ízení s mikroprocesory............................................................... 5
2.3
íslicová za ízení na bázi po íta e................................................................ 6
3.
Obvody s mikroprocesorem .............................................................................. 7
3.1
Základní ásti obvodu s mikroprocesorem ..................................................... 7
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.1.5
3.2
Architektura mikroprocesoru .......................................................................... 8
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.3
4.
CPU – Central Processing Unit – Mikroprocesor ..................................... 7
Pam ...................................................................................................... 7
Vstupní a výstupní obvody ....................................................................... 7
Zdroj hodinového signálu ......................................................................... 7
Sb rnice ................................................................................................... 8
Aritmeticko – logická jednotka.................................................................. 8
Vnit ní pam ............................................................................................ 8
Vstupní – výstupní obvody ....................................................................... 8
Jedno ipové mikropo íta e............................................................................ 8
3.3.1 Jedno ipový mikropo íta 8051 ............................................................... 8
íta e.............................................................................................................. 11
4.1
Princip m ení kmito tu a periody ................................................................ 11
4.2
Blokové schéma íta e ................................................................................ 12
Kapesní elektronická za ízení ......................................................................... 13
5.
5.1
Blokové schéma........................................................................................... 13
5.2
Technologické zvláštnosti konstrukce .......................................................... 13
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.3
6.
Plošný spoj............................................................................................. 13
Ovládání................................................................................................. 13
Displej .................................................................................................... 13
Napájení....................................................................................................... 13
Digitální osciloskop ......................................................................................... 14
6.1
Výhody pam ového zobrazení ................................................................... 14
6.2
Princip .......................................................................................................... 14
6.3
Blokové schéma........................................................................................... 14
6.4
Zp soby obnovování obrazu ........................................................................ 14
6.5
Rozlišovací schopnost.................................................................................. 15
6.5.1
6.5.2
Vodorovné rozlišení................................................................................ 16
Svislé rozlišení ....................................................................................... 17
2
6.6
Komer ní pam ový osciloskop HP 54645A ................................................ 18
6.6.1 Základní údaje........................................................................................ 18
6.6.2 Vlastnosti................................................................................................ 18
6.6.3 Blokové schéma..................................................................................... 19
7.
Dálkové ovládání p ístroj ............................................................................... 20
7.1
Druhy p enosu.............................................................................................. 20
7.2
Podmínky pro ovládané za ízení.................................................................. 21
7.3
Ovládání infra erveným sv tlem .................................................................. 21
7.3.1 Vysíla .................................................................................................... 21
7.3.2 P ijíma .................................................................................................. 23
8.
Sb rnice pro spot ební elektroniku - I2C......................................................... 25
8.1
Úvod............................................................................................................. 25
8.2
Systém ......................................................................................................... 25
8.3
Živé vodi e ................................................................................................... 25
8.4
ízení........................................................................................................... 26
8.5
Výhody ......................................................................................................... 26
3
1. Úvod
P edm t „ íslicová za ízení“ se zabývá vyššími celky, tj. p ístroji a za ízeními, které
jsou sestaveny z íslicových sou ástek (o t ch jsme se u ili v p edm tu „ íslicová technika“).
P íklady íslicových za ízení: po íta , kalkula ka, dálkové ovládání, mobilní telefon.
4
2. Základní druhy íslicových za ízení
íslicová za ízení lze konstruovat t emi r znými zp soby:
- s jednoú elovými obvody
- s mikroprocesory
- na bázi po íta e
Výhody a nevýhody jednotlivých zp sob ukážeme na p íkladu pam ového
osciloskopu.
2.1 íslicová za ízení s jednoú elovými obvody
Je to nejstarší zp sob konstrukce pocházející z dob, kdy nebyly k dispozici po íta e ani
mikroprocesory. Ke konstrukci jsou použity diskrétní sou ásti a integrované obvody nižší
integrace. Vlastnosti za ízení jsou dány hardwarem a zp sobem jeho zapojení. P i inovaci nebo
zm n vlastností je nutno m nit zapojení, plošné spoje, výrobní postupy.
Jednoú elové obvody se vyráb jí v menších sériích, proto jsou pro stejnou funkci
obvykle dražší, než mikroprocesory. Rovn ž konstrukce je vzhledem k nižšímu stupni integrace
složit jší.
Propojení s jiným za ízením, nap . po íta em, je obtížné. Konstruktér totiž pro data
uvnit za ízení použil ten formát, který mu nejlépe vyhovoval a obvykle se nestaral o propojení
za ízení do vyšších celk .
P íklad
Chceme-li u pam ového osciloskopu zm nit popis svislé osy na obrazovce z V/d na
mV/d, musíme zm nit zapojení obvod , které tyto popisy generují.
Chceme-li data z takového osciloskopu dále zpracovávat po íta em, propojení obou
p ístroj bude velmi obtížné nebo nemožné.
Historie
První íslicový po íta (ENIAC = Electronic Numerical Integrator And Computer) byl zkonstruován v roce
1943 v USA. Obsahoval 18 000 elektronek (žádné tranzistory). Jeho program byl uvnit natvrdo „zadrátován“.
2.2 íslicová za ízení s mikroprocesory
P edstavují další vývojový stupe . Ke konstrukci je použit mikroprocesor, který obvykle
slouží k ovládání za ízení, zpracování signál . Vlastnosti za ízení jsou dány z velké ásti
programem mikroprocesoru, z menší ásti hardwarem a zp sobem jeho zapojení. P i inovaci
nebo zm n vlastností asto sta í zm na obsahu pam ti s programem a není nutná zm na
zapojení, plošných spoj , výrobních postup .
Mikroprocesorové obvody se vyráb jí ve velkých sériích, proto jsou levné. Velký stupe
integrace umož uje dosáhnout složitých funkcí p i jednoduché konstrukci.
Propojení s jiným za ízením, nap . po íta em, je snadn jší. V za ízení už je totiž
adresová a datová sb rnice a data jsou proto v p ístupn jším formátu.
P íklady
a) Zm na popisu svislé osy u pam ového osciloskopu ízeného mikroprocesorem
vyžaduje pouze zm nu obsahu pam ti.
Propojení s po íta em je snadn jší, zvlášt pokud konstruktér pamatoval na vyvedení
sb rnice ven nebo dokonce p ipravil standardní rozhraní (paralelní, sériové, HPIB).
b) Televizor ízený mikroprocesorem prodáváme v eské republice, nabídka na obrazovce
je esky. Chceme-li exportovat televizor do N mecka, zm na jazyka nabídky na n m inu obnáší
jen zm nu obsahu p íslušné pam ti.
5
2.3 íslicová za ízení na bázi po íta e
Základem za ízení je komer ní po íta . Požadovaných vlastností se dosáhne bu jen
programov , nebo dále p idáním dalšího hardware, v tšinou zásuvných karet. P i zm n
vlastností sta í zm na programu a/nebo vým na zásuvné karty.
Po íta e se vyráb jí ve velkých sériích, proto jsou levné. P ídavné karty do nich jsou
rovn ž levné, nebo nepot ebují vlastní zdroj, sk í , ani ovládací prvky. Veškeré ovládání se
provádí pomocí klávesnice, myši, obrazovky.
Propojení s jiným za ízením je snadné – pomocí standardních prost edk po íta e.
P íklad
Pam ový osciloskop na bázi po íta e vyžaduje pouze jednu p ídavnou kartu. Zm na
funkcí se snadno dosáhne zm nou programu. P idáním dalších karet lze p idat další p ístroje:
multimetr, signální generátor, íta ... Vým na dat mezi jednotlivými p ístroji je snadná – všechno
je „pod jednou st echou“.
6
3. Obvody s mikroprocesorem
Mikroprocesor (CPU = Central Processing Unit, procesor) je univerzální integrovaný
obvod, který na základ programu ídí innost po íta e nebo jiného za ízení. Jednotlivé instrukce
programu vyzvedává z opera ní pam ti RAM nebo ROM.
Mikroprocesor je sou ástí mnoha elektronických za ízení: televizor, pokladna, pra ka,
mikrovlnná trouba, sporák, rekordér, po íta .
3.1 Základní ásti obvodu s mikroprocesorem
Obrázek 1: Blokové schéma obvodu s mikroprocesorem
3.1.1 CPU – Central Processing Unit – Mikroprocesor
Mikroprocesor je univerzální integrovaný obvod, který na základ programu ídí innost
za ízení. Jednotlivé instrukce programu si vyzvedává z pam ti pomocí sb rnice datové, adresové
a ídicí.
3.1.2 Pam
Pro svoji innost pot ebuje mikroprocesor program, kterým se ídí. Instrukce programu
musí vyzvedávat z pam ti. V pam ti ROM bývají uloženy programy, které se nem ní, nap . pro
start za ízení nebo obsluhu periferií. Do pam ti RAM se do asn ukládají zpracovávaná data a
také se do ní nahrávají programy nap . z pevného disku nebo flash disku.
3.1.3 Vstupní a výstupní obvody
Za ízení s mikroprocesorem musí mít obvody pro styk s ostatním sv tem: tla ítka,
klávesnice, monitor, tiskárna, myš, ... Nejjednodušší vstupní / výstupní obvody jsou tla ítko a
LED.
3.1.4 Zdroj hodinového signálu
innost mikroprocesoru i ostatních obvod kolem n j je ízena tzv. hodinovým
signálem. Všechny akce v za ízení probíhají synchronn s tímto signálem. ím rychlejší
hodinový signál, tím rychlejší innost za ízení. Zdroj hodinového signálu není ve výše uvedeném
blokovém schématu nakreslen.
7
3.1.5 Sb rnice
Veškerá komunikace v mikroprocesorovém systému probíhá po tzv. sb rnicích. Sb rnice
je skupina vodi s podobnou funkcí, ur ená k propojení ástí po íta e (procesor, RAM, ROM,
disky, porty, ...).
Adresová sb rnice se používá k ur ení adresy pam ti nebo jiného za ízení, se kterou se
bude komunikovat.
Po datové sb rnici procházejí p enášená data, nap . íselné výsledky, písmena, obrazy,
instrukce programu.
ídicí sb rnice ur uje druh innosti, nap . tení nebo zápis.
3.2 Architektura mikroprocesoru
3.2.1 Aritmeticko – logická jednotka
Aritmeticko – logická jednotka je obvod, který v mikroprocesoru provádí všechny
matematické operace (nap . s ítání, od ítání) a logické operace (nap . logický sou et, sou in).
3.2.2 Vnit ní pam
Vnit ní pam
mikroprocesoru slouží k p echodnému uložení malého množství
informace, nap . mezivýsledk výpo tu. U jednoduchých osmibitových mikroprocesor je
tvo ena n kolika jedno nebo dvojbajtovými registry. U moderních procesor obsahuje krom
registr i n kolik kB až MB pam ti cache.
3.2.3 Vstupní – výstupní obvody
Vstupní – výstupní obvody slouží pro p edávání dat mezi mikroprocesorem a okolím. U
b žných mikroprocesor slouží jen pro „vlastní pot ebu“. U jedno ipových mikropo íta
obsahují také obdobu sériových a paralelních port . U signálových procesor slouží i pro vstup a
výstup analogových signál .
3.3 Jedno ipové mikropo íta e
Jedno ipové mikropo íta e sdružují na jednom ipu mikroprocesor, pam RAM a
ROM, vstupní a výstupní obvody, generátor hodinového signálu a p ípadn další obvody.
Narozdíl od b žných mikroprocesor obvykle nejsou adresové prostory jednotlivých pam tí
zam nitelné. To znamená, že nap . adresy vnit ní RAM, vnit ní ROM, vn jší RAM jsou pevn
dány a nelze je m nit.
3.3.1 Jedno ipový mikropo íta 8051
8051 byl vybrán jako typický p edstavitel jedno ipového mikropo íta e. Není t eba u it
se jeho blokové schéma zpam ti – pouze si uv domit, že ostatní jedno ipové mikropo íta e jsou
uspo ádány podobn .
8
a) Blokové schéma
Obrázek 2: Blokové schéma jedno ipového mikropo íta e 8051
b) Popis
8051 obsahuje 4 kB pam ti ROM nebo EPROM a 128 B pam ti RAM. Krom toho
m že adresovat 64 kB vn jší pam ti RAM.
Paralelní brány P0 až P3 jsou pomocí multiplexování použity také pro adresovou a
datovou sb rnici, výstupy programovatelných íta a pro sériový kanál.
Vývody X1, X2 slouží k p ipojení krystalu pro ízení hodinového kmito tu. Lze ale také
použít externí hodinový signál, p ipojený k X2.
Pomocí vstup p erušení mohou vn jší obvody p erušit sou asnou innost CPU a
vyžádat si obsluhu „svého“ programu.
9
c) Zapojení vývod
Následující obrázek slouží jen pro p edstavu, jaké vývody a v jakém uspo ádání obvod
má. Neu íme se ho zpam ti.
Obrázek 3: Zapojení vývod 8051
10
4. íta e
íta je
- elektronická sou ástka, která slouží k
- ítání impuls
- d lení kmito tu
- elektronické za ízení, které slouží k m ení
- kmito tu
- periody
Dále se budeme zabývat íta em jako za ízením.
4.1 Princip m ení kmito tu a periody
M ením kmito tu nebo periody zjiš ujeme tutéž vlastnost signálu, protože kmito et a
perioda jsou vázány vztahem
1
f =
T
P i m ení kmito tu i periody musíme mít k dispozici tzv. hodinový signál s p esným
kmito tem, se kterým m žeme m ený signál porovnávat.
P i m ení periody má hodinový signál podstatn v tší kmito et, než signál m ený.
M íme, kolik period hodinového signálu se vejde do jedné periody m eného signálu.
P i m ení kmito tu má hodinový signál podstatn menší kmito et, než signál m ený.
M íme, kolik period m eného signálu se vejde do asové jednotky dané hodinovým signálem.
A
B
C
D
Obrázek 4: M ení periody signálu
A – m ený signál
B – m ený signál po pr chodu d li em dv ma. Délka kladného impulsu je rovna délce periody
m eného signálu. Tento impuls použijeme pro hradlování hodinového signálu.
C – hodinový signál
D – hodinový signál po pr chodu sou inovým hradlem. Po et prošlých impuls odpovídá
zm ené délce periody.
11
A
B
C
Obrázek 5: M ení kmito tu signálu
A – m ený signál
B – hodinový signál, použitý ke hradlování m eného signálu
C – m ený signál po pr chodu hradlem. Po et prošlých impuls odpovídá zm enému kmito tu.
4.2 Blokové schéma íta e
Generátor hodinového kmito tu dodává sadu kmito t , které jsou pot ebné
k porovnávání s m eným signálem. Dodává rychlé kmito ty pro m ení periody signálu, pomalé
pro m ení kmito tu signálu.
Vstupní d li , zesilova a tvarova vyrobí ze vstupního signálu pr b h s logickými
úrovn mi.
D li dv ma p i m ení periody vyrábí obdélníkové impulsy vhodné k ovládání hradla,
které mají délku rovnou period m eného signálu.
Generátor
hodinového
kmito tu
1
2
&
íta
3
Pam
Displej
7408
Vstupní
d li
Zesilova
Tvarova
D li
dv ma
perioda
frekvence
Obrázek 6: Blokové schéma íta e
Hradlo propouští po ítané impulsy do íta e: P i m ení periody je rychlý hodinový signál
hradlován m eným signálem. P i m ení kmito tu je rychlý m ený signál hradlován pomalým
signálem hodin.
íta po skon ení m icího cyklu obsahuje íslo, vyjad ující periodu nebo kmito et
m eného signálu.
Po skon ení každého m icího cyklu se obsah íta e p epíše do pam ti, aby údaj na displeji
nebyl rušen zm nami stavu íta e b hem m ení.
Displej bývá na bázi tekutých krystal nebo LED.
12
5. Kapesní elektronická za ízení
5.1 Blokové schéma
5.2 Technologické zvláštnosti konstrukce
5.2.1 Plošný spoj
5.2.2 Ovládání
5.2.3 Displej
5.3 Napájení
13
6. Digitální osciloskop
Digitální osciloskop je za ízení, které umož uje uložit elektrický signál do pam ti a
z této pam ti ho pak zobrazovat.
6.1 Výhody pam ového zobrazení
Uložíme-li zobrazovaný signál do pam ti, získáme tyto výhody:
• Obraz na obrazovce lze zastavit (zmrazit) a pak studovat libovoln dlouho. Trvání
obrazu není omezeno dosvitem obrazovky.
• Obraz lze z pam ti p enést do jiného za ízení, nap . po íta e, tiskárny, modemu.
• Obraz lze zpracovávat nap . zpr m r ováním, asovou nebo nap ovou lupou.
• Je možno zobrazit nejen to, co následovalo po okamžiku spušt ní, ale i to, co mu
p edcházelo. To je výhodné pro zobrazení jednorázových d j .
• Je možno zobrazovat i pomalé d je, nap . EKG.
6.2 Princip
Vzorky signálu se p evád jí na ísla, která se zapisují do íslicové pam ti, nap . RAM. Z
pam ti se pak vzorky vybírají v tom rytmu, který je pot ebný pro zobrazení. Zápis do pam ti a
výb ry z ní mohou být na sob nezávislé. To umož uje transformaci asu tak, že zápis je
rychlejší než tení nebo obrácen .1 Nap . perioda signálu o kmito tu 1Hz m že být zobrazována
asovou základnou, která má periodu 5 ms.
6.3 Blokové schéma
Analogový
signál
Analogov /
digitální
p evodník
Digitáln /
analogový
p evodník
Pam
Zobrazení
Obrázek 7: Blokové schéma pam ového zobrazení
Analogov - digitální p evodník (ADP) p evádí vzorky vstupního analogového signálu
na ísla. Ta se ukládají do pam ti. Z pam ti se potom ísla vybírají a pomocí digitáln –
analogového p evodníku se z nich vyrábí analogový signál, který se zobrazí jako v b žném
osciloskopu. Je-li použito zobrazení, obvyklé v po íta ích, je vynechán DAP.
6.4 Zp soby obnovování obrazu
K ivku na obrazovce je nutno obnovovat podle toho, jak se m ní zobrazovaný signál.
K ivku je možno obnovovat
• jednorázov
• plynule
a) Jednorázové obnovování k ivky
Jednorázov obnovujeme k ivku u jednorázových d j , které prob hnou jen jednou,
nebo u krátkých d j , které mají dlouhou periodu opakování. Jednorázov se obnovují také
signály velmi rychlé, které není možno obnovovat plynule.
1
Podobn funguje funkce „Timeshift“ u DVD rekordér : B hem nahrávání po adu je možno sledovat záznam
v jiném míst , a to i zrychlen nebo zpomalen .
14
Zobrazujeme-li rychlé signály, není možné obraz obnovovat p i každé zm n signálu.
Nap . zobrazujeme-li signál s kmito tem 1 MHz (tj. s periodou 1µs), není možné s každou
periodou signálu p epsat celý obsah pam ti a znovu zobrazit na obrazovce. Za 1µs by nebylo
možné to stihnout a ani to není pot eba. Lidské oko by stejn tak rychlé zm ny nesta ilo sledovat.
Jednorázov se obraz obnovuje
• automaticky
o pravideln po ur itém ase
o p i výskytu o ekávaného d je
• ru n , stiskem tla ítka
b) Plynulé obnovování k ivky
Pomalé signály, nap íklad EKG1, je možno obnovovat plynule. P itom jsou dv
možnosti:
• p episovací mezera
• plovoucí obraz
Obrázek 8: Zp soby obnovování obrazu. a) p episovací mezera, b) plovoucí obraz
P episovací mezera se pohybuje po stojící k ivce zleva doprava. Svým pravým okrajem
maže starou k ivku, levým okrajem kreslí novou.
P i plovoucím obrazu se celá k ivka pohybuje zprava doleva. Nejstarší body se vlevo
umazávají, zatímco vpravo se kreslí nové.
Oba zp soby mají svoje výhody i nevýhody, svoje zastánce i odp rce a jsou p ibližn
stejn rozší ené i stejn technicky náro né. N které p ístroje mají možnost obou druh zobrazení.
6.5 Rozlišovací schopnost
Rozlišovací schopnost je schopnost zobrazovat (= rozlišit) malé detaily. M žeme ji
vyjád it nap . minimální zobrazitelnou vzdáleností nebo po tem zobrazovaných ádk a sloupc ,
nap . pixel = 0,28 mm nebo 1024 x 768.
Každý zp sob zobrazení má svoje omezení. U klasické fotografie je rozlišovací
schopnost omezena velikostí zrna filmu a/nebo papíru, u osciloskopu pr m rem paprsku a
šumem, u tisku jemností papíru a velikostí bod , ze kterých je obraz skládán2.
U pam ového zobrazení je rozlišovací schopnost omezena nejen vlastnostmi
zobrazova e, ale i zp sobem p evodu a ukládání signálu.
1
2
EKG = elektrokardiogram, záznam elektrické aktivity srdce
Podívejte se lupou na obrázek v novinách: Skládá se z bod .
15
P ed uložením do pam ti musí být signál kvantován1 asov a amplitudov . Z tohoto
kvantování pak vyplývá dosažitelné vodorovné a svislé rozlišení. Kvantování zp sobuje tzv.
kvantiza ní zkreslení, které se p i zpracování zvukových signál projevuje jako charakteristický
šum.
6.5.1 Vodorovné rozlišení
Každá pam má omezený po et míst a m žeme do ní uložit jen odpovídající po et
vzork signálu. Musíme se rozhodnout, jak dlouhý úsek signálu chceme zaznamenat a z toho pak
vyplyne asová vzdálenost mezi vzorky (vzorkovací perioda). Nebo naopak si zadáme, jak rychle
se má vzorkovat a z toho vyplyne délka zaznamenaného úseku. Chceme-li zaznamenat velmi
dlouhý úsek signálu, musíme se smí it s tím, že asová vzdálenost mezi vzorky bude dlouhá.
Detaily a zm ny mezi vzorky pak nemohou být zaznamenány. Naopak, zvolíme-li velmi rychlé
Obrázek 9: Vztah kapacity pam ti a vodorovného rozlišení
vzorkování, dostaneme podrobné informace (tj. velké rozlišení), ale jen pro krátký úsek signálu
(Obrázek 9).
Mezi délkou zaznamenaného úseku, vzorkovací periodou a po tem míst v pam ti je tento vztah:
T = N * t = N * 1/f
kde
T ... celková délka zaznamenaného úseku
t ... vzorkovací perioda
N ... po et míst v pam ti, po et vzork
P íklady:
a) Signál EKG je vzorkován kmito tem 200 Hz, tj. odebírá se 200 vzork za sekundu.
Každý vzorek má 8 bit . Kolik bajt zabírá v pam ti záznam 30 sekund signálu?
Do pam ti je nutno uložit 200 * 30 * 8 = 48 000 bit , tj. 48 000 / 8 = 6 000 bajt .
b) Stereofonní zvuk byl zaznamenáván dvoukanálov vzorkovacím kmito tem 44,1 kHz po
dobu 56 sekund. Každý vzorek v každém kanále má 16 bit . Kolik místa v pam ti záznam
zabírá?
V pam ti je 44 100 * 56 * 16 * 2 = 79027200 bit , tj. 79027200 / 8 = 9878400 bajt .
1
Kvantování znamená rozd lení na malé úseky.
16
Pokud vzorkovací perioda není dostate n malá (tj. vzorkovací kmito et dostate n
velký), dojde p i vzorkování ke zna né ztrát informace (Obrázek 10):
Obrázek 10: Rychlý signál se zákmity - a) p vodní signál, b) signál po rekonstrukci
6.5.2 Svislé rozlišení
Velikosti jednotlivých vzork vyjad ujeme ísly, která ukládáme do pam ti.
Nejúsporn jší vyjád ení umož ují binární celá ísla. Po et úrovní amplitudy, které m žeme
rozlišit dostaneme, když základ 2 umocníme po tem bit , které jsou k dispozici. Použijeme-li pro
vyjád ení velikosti signálu nap . osmibitové íslo, pak po et rozlišitelných úrovní je
28 = 256
Úrovn íslujeme od 0, proto jejich rozsah v uvedeném p íkladu je 0 až 255.
Ty velikosti signálu, které leží mezi úrovn mi, už nelze rozlišit. Proto nap . signálu o
velikosti 98.63 musíme p i adit íslo 98, stejn jako signálu o velikosti 98.99 nebo 98.01.
u
u
t
t
a)
b)
Obrázek 11: Ztráta informace nap ovým (svislým) kvantováním - a) p vodní signál,
b) signál po rekonstrukci
ím více bit použijeme pro vyjád ení velikosti signálu, tím lepšího svislého rozlišení
m žeme dosáhnout. Se zv tšováním po tu bit mírn stoupají nároky na pam , prudce stoupají
nároky na AD p evodník. Vícebitové p evodníky jsou podstatn dražší a pomalejší.
17
6.6 Komer ní pam ový osciloskop HP 54645A
6.6.1 Základní údaje
Model Number
Manufacturer
Number of Channels
Sensitivity Range
Bandwidth (3 dB)
Obchodní ozna ení
Výrobce
Po et kanál
Rozsah citlivosti
Ší ka pásma (3 dB)
Vertical Resolution
Horizontal Resolution
Sample Rate
Memory Depth
Time Base Range
Reference Positions
Trigger Edges
Line Voltage Range
Line Frequency
Svislé rozlišení
Vodorovné rozlišení
Rychlost vzorkování
Po et míst v pam ti
Rozsah asové základny
Polohy okamžiku synchronizace
Spoušt cí hrany
Rozsah sí ového nap tí
Sí ový kmito et
HP 54645A
Hewlett Packard
2
1mV/d – 5V/d
100 MHz >= 10 mV/d
75 MHz < 10 mV/d
20 MHz v režimu Single
8 bit
500 zobrazených bod
200 MSa/s na kanál
1M max.
2 ns/d – 50 s/d
Vlevo, uprost ed, vpravo
Vzestupná nebo sestupná
88 – 250 Vac
45 – 440 Hz
6.6.2 Vlastnosti
a) Displej
- 2 kanály
- hodnoty citlivosti, asové základny
- nastavení voleb pro spoušt ní
- popis programovatelných kláves (softkeys)
- výsledky m ení
- kurzory
b) Ovládání
- programovatelné klávesy
- automatické m ení asu a kmito tu
- automatické nastavení citlivosti a asové základny
- uložení nastavení ovládacích prvk do pam ti
- m ení nap tí a asu pomocí kurzor
c) asová základna
- posun zobrazené k ivky pomocí nastavitelného zpožd ní
- zobrazení ásti k ivky v detailu pomocí rozd lené obrazovky a lupy
d) Pam
- spušt ní a zastavení záznamu tla ítkem Run/Stop
- snímání jednotlivého d je ve funkci Single
- automatický záznam a zobrazení mnoha pr b h ve funkci Autostore
- mazání obsahu obrazovky tla ítkem Erase
e) Spoušt ní
- jako u b žného osciloskopu
- vzestupnou nebo sestupnou hranou
- impulsem s nastavitelnými parametry: užší než, širší než, mezi
18
6.6.3 Blokové schéma
8
CH1
2
d li e zesilova e
ADP
3
Vyrovnávací
RAM
2k x 8
S&H
8
CH2
2
ADP
3
komparátor
MUX
Externí
synchr.
úrove
sí
Klávesnice
CPU
ROM
asová
základna
Opera ní
RAM
RAM
Pam
pr b h
2x 1MB
sb rnice
Video
RAM
Zobrazení
Obrázek 12: Blokové schéma HP 54645A
Signály prvního a druhého kanálu procházejí p es d li e a zesilova e do obvod
Sample & Hold („odeber vzorek a drž ho“). Tyto obvody ve velmi krátké dob odeberou
analogový vzorek signálu a drží jeho hodnotu na svém výstupu po celou dobu, po kterou ADP
p evádí analogový signál na íslicový. Stabilní hodnota nap tí na vstup ADP po celou dobu
p evodu je nutná pro p esný p evod. Dále jsou obvody S&H nutné pro náhodné vzorkování
periodických signál , které umož uje odebrat dostate ný po et vzork na periodu i pro velmi
rychlé vstupní signály.
Vzorky z ADP jsou ukládány do vyrovnávací RAM. Ta slouží pro p echodné uložení
vzork do doby, než se vypo ítá, zda uložený signál spl uje podmínky pro synchronizaci.
Z vyrovnávací RAM se vzorky p episují do pam ti pr b h .
Spoušt cí signál se vybírá multiplexerem MUX a p ivádí se do komparátoru, kde se
porovnává s nastavenou spoušt cí úrovní. Signál z komparátoru je použit pro synchronizaci
asové základny.
Veškerá innost osciloskopu je p es sb rnici ízena mikroprocesorem (CPU). Ten pro svoji
innost pot ebuje ROM s programem a opera ní RAM. CPU snímá povely z klávesnice a dalších
ovládacích prvk . Podle nich ovládá všechny parametry osciloskopu (nap . citlivost a asovou
základnu) a ídí výpisy na obrazovku.
19
7. Dálkové ovládání p ístroj
Literatura: ARB 6/87, 1-2/88
Princip
•
•
•
•
P enosný vysíla je spojen s p ijíma em pomocí
vodi e
sv tla
elektromagnetického vln ní
zvuku
Vysíla vysílá povely, které p ijíma dekóduje. P ijíma dekódovanými povely ovládá
elektronické za ízení.
7.1 Druhy p enosu
a) Vodi
Toto dálkové ovládání bylo využito u n kterých ernobílých televizor pro ovládání
analogových veli in: hlasitost, jas, kontrast. Dnes se používá k ovládání stroj , nap . elektrického
vrátku.
Nevýhody:
• omezený dosah
• malý komfort obsluhy
• do kabelu se mohou indukovat rušivé signály
b) Ultrazvuk
Používal se ultrazvuk o kmito tech 30 až 50 kHz.
Nevýhody:
• malá odolnost proti rušivým zvuk m (vrzání, sk ípot, sk eky zví at)
• filtry ve vysíla i a p ijíma i se asem rozla ují a je nutno je dola ovat
• ultrazvukové m ni e ve vysíla i a p ijíma i asem ztrácejí ú innost
c) Vf elektromagnetické vlny
Používá se k ovládání model a hra ek, obvykle s nosným kmito tem kolem 27 MHz
nebo 433 MHz. P i použití pro ovládání p ístroj spot ební elektroniky má tyto nevýhody:
• ruší TV a rozhlasové p ijíma e
• pro vyšší vysílací výkony musí být vysíla registrován nebo dokonce povolen
d) Infra ervené sv tlo
•
•
•
•
•
•
Dnes nejpoužívan jší zp sob pro ovládání p ístroj spot ební elektroniky.
Výhody:
odolnost proti rušení
dostate ný dosah
dostate ný po et možných povel
levné vysílací a p ijímací optoelektronické prvky
levná konstrukce
Nevýhoda:
sm rovost
20
7.2 Podmínky pro ovládané za ízení
•
•
Žádná ovládaná veli ina nemá vyžadovat mechanické ovládání.
Ovládané funkce musí být možno m nit pomocí elektrické veli iny. Nap . hlasitost
musí být možno m nit ídicím ss nap tím, funkce magnetofonu (nahrávání,
p evíjení, p ehrávání, ...) musí být ovládány elektronicky, ne pouze mechanicky.
7.3 Ovládání infra erveným sv tlem
7.3.1 Vysíla
a) Blokové schéma
klávesnice
kodér
výkonový
stupe
Obrázek 13: Blokové schéma vysíla e infra erveného dálkového ovládání
Uživatel vkládá povely pomocí klávesnice. Kodér p evádí povely na kód, který zajiš uje
jednozna né vyjád ení povelu a zárove je odolný proti rušení. Výkonový stupe vybudí LED.
Ta vysílá povel pomocí infra erveného sv tla.
b) Kódování povel
Kódování nebývá tak jednoduché, že by logické 1 odpovídal stav „signál je“ a logické 0
stav „signál není“. Kódování je vždy ešeno tak, aby ani souvislé ad nul nebo jedni ek
neodpovídal „stejnosm rný“ nep erušovaný signál. Takový signál by se t žko dekódoval a byl by
náchylný k rušení.
P íklady kódování:
• Nule odpovídá dlouhý impuls, jedni ce odpovídá krátký impuls (Obrázek 14:
Kódování nul a jedni ek pomocí impuls r zné délky)
• Nule odpovídá p echod signálu ze stavu „není“ do stavu „je“, jedni ce odpovídá
p echod ze stavu „je“ do stavu „není“ (Obrázek 15: Kódování nul a jedni ek pomocí
p echod )
Obrázek 14: Kódování nul a jedni ek pomocí impuls r zné délky
21
1
start
0 1
D5 D4
1
D3
0
D2
0
D1
1
D0
presignál
1 ms
Obrázek 15: Kódování nul a jedni ek pomocí p echod
Signál pro rozsv cování vysílací IR diody je navíc „rozsekán“ kmito tem asi 38 kHz. To
podstatn zvýší spolehlivost p enosu. Má-li užite ný signál ur itý kmito et, je snadné odlišit ho
od rušení. P enos také nebude závislý na úrovni infra erveného zá ení od jiných zdroj
(radiátory, žárovky, slunce).
Oba p edchozí obrázky (Obrázek 14, Obrázek 15) by tedy správn m ly mít svoje
obdélníky rozsekány kmito tem 38 kHz.
c) Adresy a data
Mezi vysíla em a p ijíma em se p enášejí dva hlavní údaje:
• Adresa
• Data
Když p ijíma v p ijímaném signálu zjistí svoji adresu, reaguje na n j, p e te z n j data a
p edá je dál. Když adresa v p ijímaném signálu je cizí, p ijíma nereaguje.
Kdybychom m li nap . v jedné místnosti ovládat video, zesilova , televizi a DVD, mohli
bychom použít ty i stejná dálková ovládání, lišící se jen nastavenými adresami. Každý p ístroj
by pak reagoval jen na „svoje“ ovládání se „svojí“ adresou.
Nebo bychom naopak mohli pro všechny p ístroje použít jediné ovládání, u kterého
bychom p epínali adresu podle toho, který p ístroj chceme ovládat. Na podobném principu jsou
založena „univerzální“ dálková ovládání.
Pomocí adresy m žeme odlišit nap . dálková ovládání pro otvírání auta pro r zné
zákazníky. Všichni zákazníci budou mít stejné ovládání, ale s r znými adresami. Proto nebudou
moci otvírat jiné auto než svoje.
Firmy vyráb jí dvojice obvod vysíla – p ijíma , nap . HT12A vysíla - HT12D
p ijíma firmy Holtek.
Takové dvojice jsou k sob p izp sobeny hlavn t mito vlastnostmi:
• Zp sob p enosu (infra ervené sv tlo – radiové vlny)
• Po et adresových a datových kanál
d) P íklad vysíla e: Holtek HT12A
Vysíla Holtek HT12A má osm adresových vstup (A0 – A7). Je u n j tedy možno
nastavit 28 = 256 r zných adres.
Má ty i datové vstupy (D8 – D11), je tedy možno pomocí n j ovládat ty i veli iny –
nap . otev ení dve í, zav ení dve í, otev ení kufru, test.
Na vývody X1, X2 se p ipojí rezonátor 456 kHz. Interní d li dvanácti z tohoto kmito tu
vyrábí 38 kHz pro „rozsekání“ výstupního signálu pro vysílací IR diodu.
Výstupní signál je na vývodu DOUT. V uvedeném p íkladu zapojení (Obrázek 16)
úrove H na výstupu DOUT sepne tranzistor a ten rozsvítí LED.
22
Vývod L/MB (Latch /
Momentary) ovládá zp sob vysílání a
není pro náš výklad podstatný.
Vysílání
se
startuje
uzemn ním n kterého datového vstupu
(D8 – D11). Pokud datové vstupy
nejsou aktivní, obvod je ve stavu
standby a má nepatrný odb r. P i
uzemn ní n kterého datového vstupu
se rozbíhá oscilátor a za íná vysílání.
Obrázek 16: Zapojení vysíla e
dálkového ovládání s obvodem Holtek
HT12A
7.3.2 P ijíma
a) Blokové schéma
P edzesilova
Dekodér
Stykové
obvody
Ovládané
za ízení
Obrázek 17: Blokové schéma p ijíma e
Dioda citlivá na sv tlo (nebo fototranzistor) p ijímá infra ervené zá ení z vysíla e.
P edzesilova zesílí signál z diody na pot ebnou úrove . Dekodér dekóduje povely. Stykové
obvody (nap . relé) p izp sobují úrovn signál z dekodéru pro pot ebu ovládaného za ízení.
23
b) P íklad p ijíma e: Holtek HT12D
P ijíma a vysíla mají velmi
podobné uspo ádání i ozna ení vývod .
Adresové vstupy (A0 – A7)
musí být nastaveny na stejnou kombinaci
jako adresové vstupy na vysíla i. Nap .
na vysíla i i p ijíma i u dálkového
ovládání pro jedno auto nastavíme
0000 0001, pro jiné auto 0000 0010.
ty i datové výstupy (D8 - D11)
mohou ovládat nap . otev ení dve í,
zav ení dve í, otev ení kufru, test.
Na vývody OSC1, OSC2 se
zapojí pouze rezistor, který ur uje
kmito et ídicího oscilátoru.
Do vstupu DIN se p ivede signál
z p ijímacího obvodu (Receiver Circuit).
To m že být nap . fototranzistor se
zesilova em. Takové obvody se dají
koupit hotové (nap . LTM9052 firmy
LITEON Corp.)
Dokud na vstupu DIN není
Obrázek 18: Zapojení p ijíma e dálkového ovládání aktivní signál, obvod HT12D je ve stavu
s obvodem Holtek HT12D
standby a má nepatrný odb r. Když se na
vstupu
DIN
objeví
úrove
H
z p ijímacího obvodu, nastartuje se oscilátor a za íná p íjem signálu.
Obsahuje-li signál stejnou adresu, jako je na adresových vstupech (A0 – A7), dekódují
se z n j data a p ivedou se na datové výstupy (D8 - D11). Obsahuje-li signál jinou adresu, je
ignorován a nezpracovává se.
Úrove 1 na výstupu VT (Valid Transmission – platný p enos) ozna uje, že
• adresa v signálu je stejná jako na adresových vstupech (A0 – A7) a zárove , že
• data jsou p ijímána bez chyby.
24
8. Sb rnice pro spot ební elektroniku - I2C
8.1 Úvod
P i konstrukci elektronických p ístroj se používají obvody vysoké integrace, které
obsahují procesory, pam ti RAM, ROM, EEPROM, FLASH ROM, p evodníky ADP a DAP,
obvody pro zpracování obrazu a zvuku.
Tyto obvody musí mezi sebou vym ovat povely a data, musí být tedy mezi sebou
propojeny sb rnicí.
Zárove , hlavn ve spot ební elektronice, musí být výrobky levné. Protože spoje mezi
obvody a s nimi souvisící pájecí body jsou pracné a drahé, nemohou mít sb rnice velký po et
vodi .
P enosy dat nemusí být p íliš rychlé, protože v tšinou povely k innosti p icházejí od
lov ka, který za ízení ovládá, a ten má dlouhé reak ní doby.
Na základ uvedených skute ností byly vyvinuty sb rnice pro spot ební elektroniku,
které mají minimální po ty vodi .
Z nich nejužívan jší je sb rnice IIC (Inter-Integrated Circuit). Zkratka IIC se asto píše
také jako I2C nebo I2C.
8.2 Systém
Sb rnice I2C je ur ena pro osmibitové systémy. To znamená, že data po ní p enášená
jsou osmibitová.1
Adresy v systému mohou být sedmibitové nebo desetibitové.2 B žn jší jsou
sedmibitové.
8.3 Živé vodi e
Sb rnice I2C má dva živé vodi e a zem. Živé vodi e se nazývají SDA (Serial DAta line
– datový vodi ) a SCL (Serial CLock line – hodinový vodi ). Tyto dva vodi e probíhají celým
za ízením a jsou na n p ipojeny všechny spojené obvody.
Hodinový vodi SCL ídí všechny p enosy dat. Každému bitu, který prob hne po
datovém vodi i SDA, odpovídá jeden hodinový impuls na hodinovém vodi i SCL.
Datový vodi SDA p enáší data i adresy. Data a adresy jsou odlišeny po adím, v jakém
se objevují na datovém vodi i SDA.
Oba živé vodi e jsou p ipojeny p es „pull-up“3 rezistory na napájecí nap tí. Všechny
obvody, p ipojené na sb rnici, mají výstupy s otev eným kolektorem. To znamená, že mohou na
živých vodi ích vynutit úrove L, ale ne úrove H. Úrove H m že být na živém vodi i, jen
pokud výstup žádného obvodu není v úrovni L.
1
Kolik r zných ísel m žeme vyjád it, máme-li k dispozici 8 bit ?
Jaké nejv tší íslo m žeme pomocí osmi bit vyjád it?
2
Kolik adresovatelných obvod m že být v za ízení, když použijeme sedmibitové adresování? Kolik p i
desetibitovém adresování?
3
pull-up = potáhni nahoru
25
VCC +5V
VCC +5V
R1
R2
SCL
SCL
SDA
SDA
SDA
SCL
Mikro adi
SDA
SCL
SDA
ROM
SCL
RAM
SDA
SCL
TELETEXT
Obrázek 19: P ipojení obvod na sb rnici I2C pomocí výstup s otev eným kolektorem
Nap . na datovém vodi i SDA na obrázku m že být úrove H jen tehdy, když žádný
z tranzistor na výstupech SDA nebude sepnutý. Když nap . sepne tranzistor na výstupu SDA
pam ti RAM, vynutí na datovém vodi i SDA úrove L.
8.4 ízení
Mezi obvody p ipojenými na sb rnici I2C je obvykle jeden typu MASTER a ostatní jsou
typu SLAVE. Obvod MASTER ídí komunikaci na sb rnici, obvody SLAVE ho „poslouchají“.
V našem p íkladu (Obrázek 19) bude ídicím obvodem MASTER mikro adi , ostatní
obvody budou SLAVE.
8.5 Výhody
•
•
•
•
•
•
•
Bloky na blokovém diagramu p ímo odpovídají skute ným obvod m (viz nap . Obrázek
20). Cesta od blokového diagramu ke schématu je proto jednoduchá.
Zm ny funkce za ízení se snadno dosáhne zm nou programu.
Obvody jsou univerzální, mohou se používat v r zných za ízeních. Proto mohou být
vyráb ny ve velkých sériích a jsou levné.
Do za ízení je možno p idávat obvody nebo je ubírat, aniž by to ovlivnilo funkci ostatních
obvod .
Hledání a odstra ování závad je snadné.
Obvody jsou vyráb ny technologií CMOS. Mají proto
o nepatrnou spot ebu
o velký rozsah napájecích nap tí
o velkou šumovou imunitu
Celá sb rnice má jen dva živé vodi e – za ízení je proto jednoduché a levné.
26
Obrázek 20: P íklad televizoru s obvody I2C
Funkce obvod :
Microcontroller – ídí innost ostatních
obvod . Je MASTER, ostatní jsou SLAVE.
PLL Synthesizer – slouží k lad ní
televizoru.
Non-volatile memory – ukládá se do ní
nastavení televizoru, nap . nalad né stanice,
hlasitost, jas, kontrast.
M/S Colour decoder – barvový dekodér
Stereo / dual sound decoder – dekodér
stereofonního a duálního (dvojjazy ného)
signálu
Picture signal improvement – vylepšení
obrazového signálu
Hi-fi audio processor – zpracování zvuku
Video processor – zpracování obrazového
signálu
Single-chip text – dekodér teletextu
On-screen display – zobrazení nabídky na
obrazovce
Tato koncepce televizoru má
minimum propojovacích vodi , žádné
klasické ovládací prvky jako potenciometry.
Všechny funkce jsou ovládány p es
sb rnici I2C pomocí tla ítek a dálkového
ovládání.
27
28