Разработка интерфейса модулей

Анализ поставленной задачи

По сути необходимо разработать устройство, преобразующее аналоговый сигнал в, эквивалентный ему, цифровой код. Т.е. замены сигнала серией импульсов за некоторое определенное время.

Таким образом устройство должно сравнивать входной сигнал с нарастающим эталонным сигналом и за время, пока сигналы не стали равны, посчитать количество импульсов тактового генератора. Частота генератора должна быть в 2 раза меньше, чем скорость нарастания эталонного сигнала на 1 значение.Т. е., если скорость нарастания эталонного сигнала 1 В/10нс, то частота генератора должна быть 10/2=5нс, чтобы генератор выдал 1 импульс эквивалентный 1 В.

В результате выполненных расчетов и сделанных ранее выводов, мы обладаем достаточной информацией, чтобы приступить к разработке структурной схемы устройства.

Разработка структурной схемы устройства

На данном этапе проектирования разрабатывается структурная схема устройства, опираясь на выводы сделанные при анализе задачи.

Определение набора модулей, входящих в состав схемы. Прежде всего, необходим узел, выполняющий функцию вычитания напряжений. Таковым узлом является дифференциальный усилитель (ДУ). Как уже упоминалось в разделе 1, нам будут необходимы счетчик CЧ, и генератор тактовых импульсов ГТИ. Также необходим узел вырабатывающий напряжение для сравнения его с напряжением разности.

Этим узлом является генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Для того чтобы счетчик СЧ начинал каждый период отсчета с нуля, необходима схема обнуления счетчика (СО). В состав схемы должны три входить компаратора напряжения. Один (К1) является компаратором знака напряжения разности. Два других (К2, К3) сравнивают напряжение разности с нарастающим или падающим напряжением, подаваемым с ГЛИН. Структурная схема цифрового измерителя разности двух напряжений приведена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 - Структурная схема цифрового измерителя разности двух напряжений

Схема работает следующим образом. С выхода ДУ снимается напряжение равное разности входных напряжений Ua и Ub. Компаратор К1 сравнивает полученный сигнал с нулем. Если напряжение положительное, то на выходе К1 формируется уровень логической 1, если отрицательное - логического 0.

Для удобства индикации сигнала Знак, на выходе К1 стоит инвертор. Напряжение разности поступает на входы компараторов К2 и К3. Если напряжение положительное, то срабатывает компаратор К2, и начинает сравнивать его с нарастающим напряжением ГЛИН. Пока напряжение разности больше напряжения ГЛИН, на выходе К2 -1.Т.о. разрешается прохождение импульсов тактового генератора ГТИ, через вентиль, на счетный вход счетчика СЧ. Как только напряжение ГЛИН превысило напряжение разности, на выходе К2 -0, логический вентиль закрывается и счетчик перестает считать. На выходе счетчика сформирован цифровой код, эквивалентный напряжению разности. В момент перехода К2 в 0, срабатывает схема обнуления (СО), которая через некоторое время (необходимое для устойчивой индикации и верного считывания кода) выдаст сигнал на обнуление счетчика.

Если напряжение разности отрицательное, то срабатывает компаратор К3, сравнивающий его с падающим напряжением ГЛИН, и работа схемы повторяется.

Разработка и исследование модели модулей

Разработка интерфейса модулей

Разработка интерфейса дифференциального усилителя. Дифференциальный усилитель выполняет вычитание двух напряжений, поданных на его входы, и выдает на выход их разницу.

library IEEE;

use IEEE. STD_LOGIC_1164. all;

entity dif_oy is

port (In1: in integer range - 5 to 5;

In2: in integer range - 5 to 5;

Out1: out integer range - 10 to 10);

end dif_oy;

Разработка интерфейса ГЛИН.

Генератор линейно изменяющегося напряжения имеет два выхода: прямой (напряжение нарастает от 0 до10 В) и инверсный (напряжение падает от 0 до - 10В)

library IEEE;

use IEEE. STD_LOGIC_1164. all;

entity GLIN is

port (out1: out integer range 0 to 10;

not_out1: out integer range - 10 to 0);

end entity GLIN;

Разработка интерфейса компаратора.

Компаратор имеет два входа типа integer и один цифровой выход типа std_logic.

library IEEE;

use IEEE. STD_LOGIC_1164. all;

entity comp is

port (U1: in integer range - 10 to 10;

U2: in integer range - 10 to 10;

U_out: out std_logic);

end comp;

Разработка интерфейса генератора тактовых импульсов.

Генератор вырабатывает импульсы и имеет только один выход.

entity gen is

port (gen_out: out std_logic);

end gen;

Разработка интерфейса счетчика.

Счетчик должен иметь вход сброса, вход счета и 4 выхода.

library IEEE;

use IEEE. STD_LOGIC_1164. all, IEEE. Numeric_STD. all;

entity counter is

port (reset: in std_logic;

up: in std_logic;

C_out: out unsigned (3 downto 0));

end counter;