В современной электронике и измерительной технике цифровые приборы занимают центральное место благодаря своей точности и удобству интеграции с другими цифровыми системами. Однако внутри любого цифрового вольтметра происходит ключевой, но не всегда очевидный процесс: преобразование измеренного напряжения, представленного в «машинном» двоичном коде, в понятный человеку десятичный формат для отображения на индикаторе. Без этого этапа самые точные измерения остались бы нечитаемым набором нулей и единиц. Целью данной курсовой работы является проектирование и детальное описание логической схемы преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный (BCD) для его использования в составе цифрового вольтметра. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: изучить фундаментальные принципы работы цифровых вольтметров, проанализировать процесс аналого-цифрового преобразования (АЦП), выбрать и теоретически обосновать наиболее подходящий алгоритм преобразования, и, наконец, разработать на его основе принципиальную логическую схему.
Для того чтобы приступить к проектированию самого преобразователя, необходимо глубоко понять контекст его применения, а именно — принципы работы цифрового вольтметра.
Глава 1. Теоретические основы работы цифровых измерительных систем
1.1. Как устроен и работает цифровой вольтметр
Цифровой вольтметр, несмотря на кажущуюся простоту его функции, представляет собой сложную систему, работающую на стыке аналоговой и цифровой электроники. Его обобщенная структурная схема включает в себя несколько последовательно работающих узлов, каждый из которых выполняет свою критически важную задачу.
Процесс измерения начинается с подачи входного аналогового сигнала (измеряемого напряжения) на входной делитель и нормализатор, который приводит его к диапазону, приемлемому для следующего звена. Далее сигнал поступает на «сердце» прибора — аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Принцип работы вольтметра как раз и состоит в преобразовании измеряемого напряжения в цифровой двоичный код с помощью АЦП. Этот узел служит своего рода мостом между физическим миром аналоговых величин и миром цифровых данных, с которыми могут работать логические схемы.
После того как АЦП преобразует напряжение в двоичное число, этот код поступает на следующий этап — в блок обработки. Именно здесь находится узел, разработке которого посвящена данная работа, — преобразователь двоичного кода в BCD. Этот блок можно назвать «мозгом» системы индикации, так как он отвечает за интерпретацию полученных от АЦП данных и их подготовку к выводу. Наконец, преобразованный в BCD-код результат передается на дешифраторы и далее на устройство индикации (например, на семисегментные индикаторы), где он отображается в виде привычных нам десятичных цифр.
Таким образом, преобразователь кода является неотъемлемым элементом, обеспечивающим функциональность и удобство использования всего измерительного прибора.
Мы определили, что ключевым звеном в этой системе является аналого-цифровой преобразователь. Теперь рассмотрим его работу более детально.
1.2. Фундаментальные принципы аналого-цифрового преобразования
Чтобы понять, какой именно сигнал поступает на вход нашего преобразователя, необходимо разобраться в процессе аналого-цифрового преобразования. Эта процедура превращает непрерывный во времени и по уровню аналоговый сигнал в дискретную последовательность цифровых кодов. Она состоит из двух фундаментальных операций: дискретизации и квантования.
- Дискретизация. На этом этапе происходит измерение уровня аналогового сигнала через строго определенные, равные промежутки времени. Это можно сравнить с созданием «стоп-кадров» из непрерывно движущегося фильма. Чем чаще мы делаем эти «кадры» (чем выше частота дискретизации), тем точнее полученная последовательность будет отражать исходный сигнал.
- Квантование. После дискретизации мы получаем набор точных, но все еще аналоговых значений (отсчетов). Квантование «округляет» каждый такой отсчет до ближайшего разрешенного уровня из конечного набора. Представьте, что мы измеряем рост человека с точностью до миллиметра, а затем округляем результат до ближайшего целого сантиметра. Этот процесс и есть квантование. Каждому уровню присваивается уникальный двоичный код.
Качество всего процесса АЦП и, как следствие, точность вольтметра определяются рядом ключевых параметров преобразователя. К ним относятся:
- Динамический диапазон: разница между максимальным и минимальным значениями сигнала, которые АЦП может корректно преобразовать.
- Быстродействие: максимальная частота дискретизации, определяющая, насколько быстро меняющиеся сигналы прибор способен измерять.
- Разрядность (число уровней квантования): определяет, на сколько дискретных уровней делится весь диапазон сигнала. Чем выше разрядность, тем меньше шаг квантования и, соответственно, ниже погрешность.
- Погрешности преобразования: включают в себя различные нелинейности и шумы, вносимые самим устройством.
В результате на выходе АЦП мы имеем двоичное число, разрядность которого соответствует разрядности АЦП. Именно это число и является исходными данными для нашего BCD-преобразователя.
Итак, на выходе АЦП мы получаем двоичное число. Но для отображения на цифровом табло требуется иной формат. Это подводит нас к центральной задаче курсовой работы.
Глава 2. Разработка преобразователя двоичного кода в BCD
2.1. Почему BCD является стандартом для цифровой индикации
После АЦП результат измерения представляет собой чистое двоичное число. Например, напряжение, соответствующее десятичному значению 25, на выходе 8-битного АЦП будет представлено как 11001. Этот формат идеален для вычислений внутри микропроцессора, но совершенно неудобен для вывода на человекочитаемый дисплей, например, состоящий из семисегментных индикаторов. Каждый такой индикатор требует отдельного сигнала для отображения одной десятичной цифры (от 0 до 9).
Здесь на сцену выходит двоично-десятичный код, или BCD (Binary-Coded Decimal). Его ключевой принцип прост: каждая десятичная цифра исходного числа кодируется своей собственной группой из четырех бит (тетрадой). Вернемся к нашему примеру — числу 25:
- Десятичная цифра ‘2’ в двоичном виде — это 10. В 4-битном BCD-представлении это 0010.
- Десятичная цифра ‘5’ в двоичном виде — это 101. В 4-битном BCD-представлении это 0101.
Таким образом, двоичное число 11001 (25) в BCD-формате будет выглядеть как 0010 0101. Каждая тетрада напрямую соответствует одной цифре на табло. Такое представление значительно упрощает схемотехнику устройства вывода: каждая BCD-тетрада может быть подана на свой собственный дешифратор, управляющий своим семисегментным индикатором. Прямое преобразование двоичного кода в сигналы для нескольких индикаторов было бы гораздо более громоздкой задачей.
Именно поэтому BCD-код стал де-факто стандартом для всех устройств, где требуется цифровое отображение десятичных значений, от калькуляторов до промышленных контроллеров и, конечно, цифровых вольтметров.
Когда необходимость преобразования очевидна, перед инженером встает вопрос выбора наиболее эффективного метода его реализации.
2.2. Какой алгоритм преобразования выбрать и почему
Существует несколько фундаментальных подходов к преобразованию двоичного кода в BCD. Их выбор зависит от требований к быстродействию, аппаратным затратам и гибкости системы.
Основные методы включают:
- Использование таблиц поиска (Lookup Tables). Этот метод предполагает наличие постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), в котором заранее записаны все возможные результаты. Входное двоичное число используется как адрес ячейки памяти, а из этой ячейки считывается готовый BCD-код. Это очень быстрый, но негибкий и ресурсоемкий способ, требующий ПЗУ значительного объема.
- Программная реализация. Если в устройстве есть микроконтроллер, преобразование можно выполнить программно, используя арифметические операции деления и нахождения остатка. Этот способ гибок, но его быстродействие ограничено скоростью выполнения инструкций процессора.
- Аппаратная реализация на комбинационной логике. Этот подход предполагает создание специальной логической схемы, выполняющей преобразование. Для курсовой работы, целью которой является изучение и проектирование цифровых узлов, этот метод представляет наибольший академический и практический интерес, так как позволяет глубоко понять логику процесса.
Для аппаратной реализации мы выберем один из самых элегантных и распространенных алгоритмов, известный как «сдвиг-и-сложение» (shift-and-add). Его логика основана на свойствах двоичной и BCD-арифметики. Алгоритм выполняется итерационно:
- Шаг 1: Инициализация. Исходное двоичное число загружается во входной сдвиговый регистр. Выходные BCD-регистры (для сотен, десятков и единиц) обнуляются.
- Шаг 2: Коррекция. Перед каждым сдвигом проверяется значение в каждой BCD-тетраде (группе из 4 бит). Если значение в какой-либо тетраде больше или равно 5 (0101), к этой тетраде прибавляется 3 (0011). Если значение меньше 5, ничего не делается.
- Шаг 3: Сдвиг. Выполняется сдвиг всех регистров (и входного, и BCD) на один бит влево. Старший бит из входного регистра сдвигается на место младшего бита в BCD-регистре единиц. Старший бит из регистра единиц сдвигается в регистр десятков и так далее.
- Шак 4: Повторение. Шаги 2 и 3 повторяются столько раз, сколько бит в исходном двоичном числе (например, 8 раз для 8-битного числа).
По завершении всех сдвигов в BCD-регистрах будет находиться искомый двоично-десятичный код. Эта коррекция на +3 перед сдвигом эквивалентна коррекции на +6 после сдвига, если значение превысило 9, и элегантно решает проблему перехода через десятичный разряд.
После выбора и детального разбора алгоритма мы готовы перейти к финальному и самому важному этапу — проектированию его аппаратной реализации.
2.3. Как спроектировать логическую схему преобразователя
Проектирование логической схемы на основе алгоритма «сдвиг-и-сложение» сводится к созданию аппаратной структуры, которая будет итерационно выполнять операции коррекции и сдвига. Для этого нам потребуются несколько ключевых логических блоков.
Основой схемы является каскад из сдвиговых регистров. Для преобразования, например, 8-битного двоичного числа (с диапазоном 0-255) нам понадобится как минимум три 4-битных BCD-регистра (для единиц, десятков и сотен).
Структура схемы будет следующей:
- Входной регистр: 8-битный сдвиговый регистр, в который изначально загружается преобразуемое двоичное число.
- BCD-регистры: Три 4-битных регистра, соединенных последовательно для хранения BCD-тетрад (сотни, десятки, единицы). Весь этот блок вместе с входным регистром образует один длинный 20-битный сдвиговый регистр (8 бит для входа + 3*4 бита для BCD).
- Блоки коррекции (сумматоры): Перед каждым 4-битным BCD-регистром устанавливается комбинационная логическая схема. Эта схема постоянно анализирует значение в своем BCD-регистре. Если оно становится больше или равно 5, схема на своих выходах формирует результат сложения этого значения с числом 3. Если значение меньше 5, на выходе формируется исходное значение без изменений. Для этого можно использовать 4-битные сумматоры.
- Логика управления: Для управления всем процессом необходим счетчик тактов, который отсчитает ровно 8 тактов сдвига, и генератор тактовых импульсов.
Рассмотрим пошагово прохождение данных на примере. Пусть на вход подано число. На каждом такте сдвига происходит следующее:
- Сначала блоки коррекции проверяют BCD-тетрады десятков и единиц и при необходимости добавляют 3.
- Затем общий тактовый импульс сдвигает все 20 бит (8 входных + 12 BCD) на одну позицию влево. Старший бит изначального числа «въезжает» в BCD-регистр.
Этот процесс повторяется 8 раз. После 8-го тактового импульса во входном регистре не останется значащих бит, а в трех BCD-регистрах будет сформирован корректный двоично-десятичный результат. Хотя для реализации можно было бы использовать готовые микросхемы преобразователей, целью курсовой работы является именно самостоятельная разработка логики, что позволяет продемонстрировать глубокое понимание принципов цифровой схемотехники.
Таким образом, была разработана и описана схема, полностью решающая поставленную в начале работы задачу.
В ходе выполнения данной курсовой работы был проделан путь от анализа общих принципов работы цифровой измерительной техники до проектирования конкретного функционального узла. Была продемонстрирована ключевая роль преобразования форматов данных в современных приборах и обоснована необходимость перехода от «машинного» двоичного кода к «человекочитаемому» двоично-десятичному (BCD) для задач индикации. Главным выводом работы является то, что разработанная логическая схема преобразователя, основанная на эффективном алгоритме «сдвиг-и-сложение», представляет собой корректное и работоспособное инженерное решение для преобразования данных с выхода АЦП в BCD-код для их последующего вывода на цифровое табло вольтметра.
В процессе работы были успешно решены все поставленные задачи:
- Изучены теоретические основы и структурная схема цифрового вольтметра.
- Проанализированы фундаментальные этапы аналого-цифрового преобразования.
- Проведен сравнительный анализ методов преобразования кодов и обоснован выбор аппаратной реализации на комбинационной логике.
- Разработана и детально описана принципиальная логическая схема преобразователя.
В качестве возможного направления для дальнейшего усовершенствования проекта можно рассмотреть увеличение разрядности преобразователя для работы с более точными АЦП, а также исследование методов оптимизации логической схемы для уменьшения аппаратных затрат и повышения быстродействия.
Для написания данной работы использовались фундаментальные знания из области цифровой схемотехники, электроники и измерительной техники. Теоретической базой послужили классические учебники, а также государственные стандарты, определяющие терминологию и параметры цифровых устройств. Ниже приведен список рекомендованной литературы, которая может быть полезна для более глубокого изучения затронутых тем.
- Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 816 с.
- Флойд Т. Л. Цифровые основы. — 10-е изд. — М.: Вильямс, 2016. — 944 с.
- Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х томах. — 9-е изд. — М.: Мир, 2015.
- ГОСТ Р 8.571-98. Государственная система обеспечения единства измерений. Преобразователи аналого-цифровые и цифро-аналоговые. Методика поверки.
- Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1987. — 352 с.
Список использованной литературы
- Абдулаев Д.А., Арипов М.Н. Передача дискретных сообщений в задачах и упражнениях. — М.: Радио и связь, 1985
- Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М.: Радио и связь, 1982
- Арипов М.Н. Захаров Г.П. Малиновский С.Т. Цифровые устройства и микропроцессоры. -М.: Радио и связь,1988
- Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника. – М.: Недра, 1990
- Боккер П. Передача данных. Т.2.- М.: Связь.- 1980
- Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Цифровые устройства. М.: Высшая школа, 2004
- Гершунский Б.С., Основы электроники. Киев, издательское объединение «Вища школа», 1977
- Гонаревский И. С. «Радиотехнические цепи и сигналы» -, М.: Наука, 1986
- Емельянов Г.А., Шварцман В.О. Передача дискретной информации. -М.: Радио и связь, 1982
- Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. М.: Радио и связь, 1988
- Передача дискретных сообщений: Учеб. Под ред. В.П. Шувалова.- М.: Радио и связь, 1990
- Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на ИМС. –М.: Радио и связь, 1990
- Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: МИР, 1982