13. 실용 디지털 회로설계 대한상공회의소 충북인력개발원 정보통신과 강 원 찬 A/D, D/A 펄스 발생회로 래치회로 Micro Processor 회로 대한상공회의소 충북인력개발원 정보통신과 강 원 찬

Analog and Digital Signals Analog signals 정의된 범위에서 연속적으로 변하는 신호 온도, 속도 소리의 높이 및 크기, 화면의 명암 등 많은 물리적 신호가 여기에 속한다. 일반적으로 전압 또는 전류 크기로 표현된다. Digital signals 연속적이 아닌 정해진 값만을 갖는 신호 디지털 로직에서 동작하기 위해서 필요로 된다. 일련의 이진수로 표현된 물리적 신호 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter) 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 회로 A/D 컨버터, ADC라 한다. 디지털-아날로그 컨버터 (Digital-Analog Converter) 디지털신호를 아날로그 신호로 변환하는 회로 D/A 컨버터, DAC라 한다.

Analog 전압 Sampling Sampling Sampling frequency 일정한 간격으로 얻어진 아날로그 전압의 순시적인 측정치 Sampling frequency 단위시간당 샘플의 수 Quantization level (양자화 레벨) 샘플의 값을 디지털로 표현하기 위해 사용하는 비트 수로 나타낼 수 있는 레벨의 수 Resolution (분해능) 인접한 디지털 부호에 해당하는 아날로그 전압의 차이 샘플 값을 표현하는 비트 수와 밀접한 관련이 있음.

Analog input/output

Quantization Level 비교

Sampling Frequency 비교

D/A Converter DAC DAC의 일반 동작 디지털부호를 아날로그 전압이나 전류로 변환하는 회로 디지털 입력은 각 비트의 가중치(위치)에 따라 비례하게 전류를 ON/OFF 제어 한다. OP-amp (연산증폭기) : 전류-전압 변환기로 사용

일반화된 D/A Converter

Op amp 동작

가중치 저항 D/A 컨버터 (Weighted Resistor DAC) 2진 가중치를 갖는 저항으로 된 병렬 회로 비트수가 많아지면 문제점 발생 정밀도 유지가 힘들 다. 넓은 범위의 저항 값을 갖는 저항이 필요 별로 사용되지 않는다.

DAC 성능 사양 (1) 단조성(monotonicity)

DAC 성능 사양 (2) 절대 정밀도(absolute accuracy) 상대 정밀도(relative accuracy) 출력오차를 풀 스케일에 대한 백분율로 표현한 값 정정시간(settling time) 디지털 입력 데이터가 모두 ‘0’에서 모두 ‘1’로 변할 때 출력 전압이 증가하여 1/2LSB오차 이내의 최종값에 도달할 때 까지 걸리는 시간 동작 속도 이득오차(gain error)

DAC 성능 사양 (3) 선형오차(linearity error) 차동비선형성(differential nonlinearity) 입력 코드가 1LSB 변할 때 DAC의 실제 스텝크기와 이상적인 스텝크기의 차이 옵셋오차(offset error)

Analog-to-Digital Conversion 아날로그-디지털 변환 Analog 입력을 digital 부호로 변환 A/D 컨버터, ADC Flash converter (ADC) 전압분배회로, 비교기(comparator), 우선순위 인코더(priority encoder)를 이용하여 디지털 부호 만듦 변환은 클럭에 맞추어 이루어짐. 단점 n-bit ADC에 대하여 2n개의 저항과 2n-1의 비교기가 필요 비트 수가 커지면 너무 회로가 복잡하여짐

Flash ADC

Flash ADC의 동작 전압배분기 전체저항 8R 비교기 입력 기준전압: 1/16 Vref, 3/16 Vref, 5/16 Vref, … 13/16 Vref

연속근사 ADC (Successive Approximation ADC) 광범위하게 사용됨 이진탐색(binary search)방식에 의해 디지털 값 결정

Sample and Hold 회로 일정한 간격(주기적)으로 아날로그 신호를 샘플할 때 필요 ADC가 디지털 코드를 만들어 낼 수 있는 충분한 시간동안 샘플한 신호를 일정하게 유지시켜주는 회로

Sampling Frequency 나이퀴스트 샘플링 정리(Nyquist sampling theorem) 어떤 신호에 포함된 정보를 보존하기 위해서는 신호의 가장 높은 주파수 (bandwidth)의 2배 보다 높은 주파수로 신호를 샘플링하여야 한다. fs > 2fmax 앨리어싱(Aliasing) 너부 낮은 주파수로 샘플링할 때 원하지 않는 저주파 성분이 발생하는 현상 앤티 앨리어싱 필터 (anti-aliasing filter) ADC에서 애리어싱 현상을 방지하기 위하여 사용되는 저역통과 필터

펄스 발생회로(NE555)

50% Duty Cycle

Monostable

Astable

래치회로 신호를 포착하여 그것을 보유하는 기능을 가진 회로로서 일반적으로 플립 플롭(flip -flop) 회로를 이용한다. 8비트용 래치 chip 74xx373 74xx374 74xx573 74xx574

74HC373

74HC374

74HC573

74HC574

래치 사용예 8051:ALE <=> LATCH:LE(latch Enable),clock

Micro Processor 회로 1971년 최초의 mP가 Intel사에 의해 발표 종래의 랜덤논리회로 대신에 많이 사용 랜덤 논리 회로 플립플롭, 게이트, 계수기, 레지스터 등의 MSI칩을 이용한 논리회로 설계 방식 ex) 종래의 교통신호등 제어기는 약 200개의 TTL 칩을 사용 -> mP를 이용하면 12개 정도의 칩으로 제작 mP가 랜덤 논리 회로에 비해 갖는 장점 조립 비용 감소 IC의 수와 연결점의 감소로 신뢰도 향상 전력 소모가 적어지므로 전원설계 용이 시스템의 시험, 성능평가, 재설계가 용이 소프트웨어의 추가로 새로운 특성을 부가 할 수 있으므로 제품의 기능과 가치 증가 즉, 소프트웨어의 도입에 의한 기능의 융통성(flexibility) 향상

마이크로 컨트롤러는 사용 범위는 우리의 생활의 전부라고도 말할 수 있을 정도로 광범위 하다 마이크로 컨트롤러는 사용 범위는 우리의 생활의 전부라고도 말할 수 있을 정도로 광범위 하다. 우선 우리가 흔히 들고 다니는 핸드폰, MP3플레이어, 디지털카메라와 같은 멀티미디어 기기에도 이용되며 DVD플레이어, 셋톱박스, 전화기, 냉장고, 전자레인지, 세탁기와 같은 생활가전에도 이용된다. 그뿐만 아니라 인공위성, 자동차, 선박, 항공기, GPS, 의료기기, 계측장비 등 가전-의료-산업분야에 두루 사용된다. 뿐만 아니라 최근에는 중공업 산업로봇, 반도체 검사용 비젼 로봇, 원자로 상태 검사로봇 등으로 상용화된 로봇에도 이용되었다. 이렇듯 어느 분야에서나 마이크로 컨트롤러의 역할은 더욱 강조되어만 가고 있다.

8051의 핀 구조 및 기능 PDIP형 PLCC형

8051 Family 명칭 내부 메모리 인터럽트 소스 타이머/카운터 비고 프로그램(ROM) 데이터(RAM) 8031AH none 128  8 5 216bit 8051AH 4K8 ROM 8751H 4K8 EPROM 8032AH 256  6 6 316bit 8052AH 8K8 ROM 8752BH 8K8 EPROM 89C51 4K8 Flash Atmel 89C2051 2K8 Flash

리셋회로 TL7705 reset IC를 이용한 회로 power on 리셋회로 7414를 이용한 회로

외부 프로그램 메모리 인터페이스 ALE는 외부메모리에 어드레스를 래치하기 위해 사용 은 외부 프로그램 메모리를 선택함을 나타낸다.

외부 프로그램 메모리 리드(read) 사이클 타이밍도 명령어 리드 사이클은 먼저 ALE 신호의 출력으로 시작되고(①), 외부에는 ALE 신호의 하강에지(②)에서 버스에 출력되어 있는 주소를 래치할 수 있다(③). 이후 주소정보는 버스 상에서 없어지게 되고 버스는 하이 임피던스 상태(④)가 된다. 프로그램 메모리 읽기 제어신호 가 출력되어서 프로그램 메모리가 선택된다(⑤). 따라서 명령출력이 확정되면(⑥), CPU는 신호를 거둬들이고(⑦) 메모리는 선택되지 않은 상태가 되어(⑧), 버스는 다시 플로팅(floating)된다.

외부 데이터 메모리 내부 RAM과는 별도로 최대 64K Byte까지 사용 가능 256 번지 이하의 주소를 사용할 경우 외부 확장 데이터 메모리 인터페이스

외부 데이터 메모리 리드(read) 사이클 타이밍도 외부 데이터 메모리 데이터 리드 사이클은 ALE 신호가 출력되면서 시작한다(①). 외부에는 ALE 신호의 하강에지(②) 시점에서 버스에 출력되어 있는 주소를 래치시킨다(③). 이후 버스는 하이 임피던스 상태(④)가 된다. 데이터 메모리 제어의 신호가 출력되고 데이터 메모리가 선택된다(⑤). 따라서 데이터 메모리에 있는 데이터가 출력되고(⑥), 신호는 high 레벨로 돌아간다(⑦). 버스는 다시 플로팅(floating) 상태가 된다(⑧).

외부 데이터 메모리 라이트(write) 사이클 타이밍도 외부 데이터 메모리 데이터 라이트 사이클은 ALE 신호가 출력되면서 시작한다(①). 외부에는 ALE 신호의 하강에지(②) 시점에서 버스에 출력되어 있는 주소를 래치시킨다(③). 이후 버스는 하이 임피던스 상태(④)가 된다. 데이터 메모리 제어의 신호가 출력되고 데이터 메모리가 선택된다(⑤). 따라서 데이터 메모리에 있는 데이터가 출력되고(⑥), 신호는 high 레벨로 돌아간다(⑦). 버스는 다시 플로팅(floating) 상태가 된다(⑧).

MCS-51 기본 설계 Flash ROM (89C5x) Type의 최소 디자인 회로상의 를 VCC로 연결하여 내부 프로그램 메모리를 사용. 89C51의 내부 프로그램 메모리는 4kbyte인데 그 이상이 되면 당연히 으로 외부 프로그램 메모리를 액세스한다.

ROM less(80C3x) type 의 최소 디자인

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