Как проектировать электронные схемы

Матрицирование представляет собой размещение линий управляющих сигналов (битов) по строкам и столбцам, которое направлено на считывание числа состояний, равного произведению числа строк на число столбцов. Например, 8 бит, размещенные обычным способом, позволяют считывать состояния только восьми различных входов. Если же их расположить в виде матрицы из четырех строк и четырех столбцов, можно будет считывать состояния 16 входов.

Данный метод требует объединения некоторого числа битов (например, равного числу столбцов) по выходу, а не по входу. Для опроса всех состояний нужно последовательно проходить по каждому из столбцов, подавая на них сигнал логической единицы и считывая возможное изменение состояния на выходе. Данный принцип использован в клавиатуре компьютера и кнопках телефонного аппарата.

На рис. 2.51 представлен пример «телефонной клавиатуры» из 12 клавиш, размещенных по трем строкам и четырем столбцам.

Каждая клавиша находится на пересечении строки и столбца. Положения клавиш определяются по сигналам на линиях строк, где исходно установлены состояния логического нуля благодаря наличию трех резисторов, соединенных с общей точкой. Таким образом исключается риск считывания ошибочных значений без нажатия клавиш. Если нужно узнать, нажата ли клавиша 5, достаточно подать сигнал логической единицы на третий столбец и определить состояние второй строки. Если включение состоялось, на этой строке появится высокий потенциал.

Матрицирование требует соблюдения точной хронологии подачи управляющих сигналов. Эту задачу обычно выполняют специализированные ИС. В частности, в телефонии часто используется микросхема ТСМ5089. Также допустимо применение микроконтроллера в сочетании с относительно простой программой. В некоторых случаях сигналы опроса, поступающие на столбцы, можно использовать для подачи на другие периферийные устройства, например на светодиодный индикатор, который часто сопрягается с клавиатурой.

АНАЛОГОВЫЙ ОБЩИЙ

Операционные усилители иногда используют для усиления переменных сигналов в устройствах, где отсутствует отрицательное напряжение питания. Однако, чтобы усилить каждую полуволну, нужно иметь дополнительный опорный уровень напряжения (помимо общей заземленной точки и напряжения питания). Такой опорный уровень, равный Vcc/2, формируют с помощью резистивного делителя в сочетании с фильтрующим конденсатором (рис. 2.52а). Этот потенциал может использоваться несколькими усилителями. Если их число велико или же требуется высокая стабильность опорного уровня, разумно построить небольшой источник питания, стабилизированный при помощи дополнительного операционного усилителя (рис. 2.52б). Такой искусственный опорный уровень часто называют «аналоговый общий» (общая заземленная точка для цифровых элементов схемы называется «цифровой общий»).

Следует помнить о том, что усиливаемый аналоговый сигнал на самом деле наложен не на нулевой уровень, а на некоторое постоянное напряжение, которое обычно необходимо исключить перед подачей сигнала на следующий каскад. Для этой цели в конце усилительной цепи ставят разделительный конденсатор, устраняющий постоянную составляющую напряжения.

ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) заключается в генерировании последовательности прямоугольных импульсов постоянной амплитуды, длительность которых в каждый момент времени пропорциональна аналоговому сигналу. Принцип модуляции основан на изменении среднего значения прямоугольного напряжения в соответствии с мгновенным значением преобразуемого сигнала (рис. 2.53а).

Если взять прямоугольный сигнал в форме меандра, для которого длительность импульса равна длительности паузы, то его среднее значение составит половину амплитуды. Если длительность импульса равна трети общей длительности периода, то среднее значение напряжения также составит 0,33 от амплитуды импульсов и т. д. Подобное преобразование широко применяется для управления скоростью вращения двигателя, для синтезирования звуковых сигналов, для построения импульсного источника питания и др.

Замена аналогового напряжения импульсным обеспечивает резкое сокращение мощности, рассеиваемой в выходных каскадах, поскольку они работают в режиме переключения. В добавление к этому появляется возможность передавать сигнал сложной формы при помощи одного бита информации. Основная трудность при использовании ШИМ сигнала заключается в необходимости фильтрации восстановленного напряжения для подавления наложенного на него сигнала с частотой дискретизации.