Автоматизация измерений, контроля и испытаний

m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных. Структура типового микропроцессора

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 20. Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации. Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя



Рис. 20. Архитектура типового микропроцессора

В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рассмотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных операций:

1.Нажать клавишу с буквой "А" на клавиатуре.

2. Поместить букву "А" в память микроЭВМ.

3. Вывести букву "А" на экран дисплея.

Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой дает возможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих в микроЭВМ.

На рис. 21 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:

1. Ввести данные из порта ввода 1.

2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.

3. Переслать данные в порт вывода 10.



Рис. 21. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода.

В данной программе всего три команды, хотя на рис. 21 может показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе - команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть - операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 21 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1); последний указывает откуда нужно взять информацию.

В МП на рис. 21 выделены еще два новых блока - регистры: аккумулятор и регистр команд. Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор - это центральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.

Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая последовательность действий:

1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.

2. ЗУ программ пересылает первую команду ("Ввести данные") по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.

3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.

4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду ("Ввести данные из порта 1").

5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается. Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.

6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.

7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.

8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.

9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке памяти 200". МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда "Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ и декодирована.

10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.

11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы "А".

12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.

13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.

14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.

15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который далее помещается в регистр команд.

16. МП дешифрирует полную команду "Вывести данные в порт 10". С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы "А" (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10 на экран дисплея.

В большинстве микропроцессорных систем (МПС) передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода и вывода информации. Подчеркнем еще раз, что именно микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ.

Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:

- выборку команд программы из основной памяти;

- дешифрацию команд;

- выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;

- управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;

- отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;

- управление и координацию работы основных узлов МП.

4.2 Логическая структура микропроцессора

Логическая структура микропроцессора, т. е. конфигурация составляющих микропроцессор логических схем и связей между ними, определяется функциональным назначением. Именно структура задает состав логических блоков микропроцессора и то, как эти блоки должны быть связаны между собой, чтобы полностью отвечать архитектурным требованиям. Срабатывание электронных блоков микропроцессора в определенной последовательности приводит к выполнению заданных архитектурой микропроцессора функций, т. е. к реализации вычислительных алгоритмов. Одни и те же функции можно выполнить в микропроцессорах со структурой, отличающейся набором, количеством и порядком срабатывания логических блоков. Различные структуры микропроцессоров, как правило, обеспечивают их различные возможности, в том числе и различную скорость обработки данных. Логические блоки микропроцессора с развитой архитектурой показаны на рис. 22



Рис. 22. Общая логическая структура микропроцессора: I - управляющая часть, II - операционная часть; БУПК - блок управления последовательностью команд; БУВОп - блок управления выполнением операций; БУФКА - блок управления формированием кодов адресов; БУВП - блок управления виртуальной памятью; БЗП - блок защиты памяти; БУПРПр - блок управления прерыванием работы процессора; БУВВ - блок управления вводом/выводом; РгСОЗУ - регистровое сверхоперативное запоминающее устройство; АЛБ - арифметико-логический блок; БДА - блок дополнительной арифметики; БС - блок синхронизации.

При проектировании логической структуры микропроцессоров необходимо рассмотреть:

1) номенклатуру электронных блоков, необходимую и достаточную для реализации архитектурных требований;

2) способы и средства реализации связей между электронными блоками;

3) методы отбора если не оптимальных, то наиболее рациональных вариантов логических структур из возможного числа структур с отличающимся составом блоков и конфигурацией связей между ними.

При проектировании микропроцессора приводятся в соответствие внутренняя сложность кристалла и количество выводов корпуса. Относительный рост числа элементов по мере развития микроэлектронной технологии во много раз превышает относительное увеличение числа выводов корпуса, поэтому проектирование БИС в виде конечного автомата, а не в виде набора схем, реализующих некоторый набор логических переключательных функций и схем памяти, дает возможность получить функционально законченные блоки и устройства ЭВМ.

Использование микропроцессорных комплектов БИС позволяет создать микроЭВМ для широких областей применения вследствие программной адаптации микропроцессора к конкретной области применения: изменяя программу работы микропроцессора, изменяют функции информационно-управляющей системы. Поэтому за счет составления программы работы микропроцессоров в конкретных условиях работы определенной системы можно получить оптимальные характеристики последней.

Если уровень только программной "настройки" микропроцессоров не позволит получить эффективную систему, доступен следующий уровень проектирования - микропрограммный. За счет изменения содержимого ПЗУ или программируемой логической матрицы (ПЛМ) можно "настроиться" на более специфичные черты системы обработки информации. В этом случае частично за счет изменения микропрограмм затрагивается аппаратный уровень системы. Технико-экономические последствия здесь связаны лишь с ограниченным вмешательством в технологию изготовления управляющих блоков микроЭВМ.

Изменение аппаратного уровня информационно-управляющей микропроцессорной системы, включающего в себя функциональные БИС комплекта, одновременно с конкретизацией микропрограммного и программного уровней позволяет наилучшим образом удовлетворить требованиям, предъявляемым к системе.

Решение задач управления в конкретной системе чисто аппаратными средствами (аппаратная логика) дает выигрыш в быстродействии, однако приводит к сложностям при модификации системы. Микропроцессорное решение (программная логика) является более медленным, но более гибким решением, позволяющим развивать и модифицировать систему. Изменение технических требований к информационно-управляющей микропроцессорной системе ведет лишь к необходимости перепрограммирования работы микропроцессора. Именно это качество обеспечивает высокую логическую гибкость микропроцессоров, определяет возможность их широкого использования, а значит и крупносерийного производства.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной "настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала.

Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре.

Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- и многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

4.3 Понятие о микроЭВМ на примере однокристального микроЭВМ серии К1816

МикроЭВМ этой серии разработаны для использования в качестве микроконтроллеров, для которых требуются короткие программы, небольшой объем оперативной памяти и ограниченные возможности ввода-вывода. Серия К1816 выпускается в четырех модификациях, отличающихся быстродействием, объемом программной и оперативной памяти, а также способом программирования ПЗУ (см. табл. 5). Однокристальные микроЭВМ серии К1816 размещены в 40-выводном корпусе и имеют два вывода питания +5 В, один из которых U_cc подводит питание к микроЭВМ, а другой U_DD - к внутреннему ОЗУ, что позволяет сохранять в нем данные во время сбояпитания.

4.4 Архитектура микроЭВМ

Как было указано ранее, особенностью архитектуры микроконтроллера является логическое и физическое разделение памяти на программную и данных. Программная память представлена только ПЗУ, так как в К1816 отсутствуют программные средства оперативной записи команд и программ. Память может расширяться путем подключения внешних БИС: программная -- на 2 Кбайта, данных -- на 256 байт. Возможно также расширение средств ввода-вывода за счет использования интерфейсных БИС серии К580.

Таблица 5

Параметр	Модификация КР1816ВЕ
	35	39	48	49
Тип программной памяти	-	-	ППЗУ	ПЗУ
Объем внутренней программной памяти, Кбайт	-	-	1	2
Объем ОЗУ, байт	64	128	64	128
Максимальная тактовая частота, МГц	6	11	6	11

Структурная схема однокристальной ЭВМ приведена на рис. 23. Она во многом напоминает нам схему микропроцессора серии К580. Основными отличиями К1816 от МП580 являются:

1. Увеличен объем внутренней сверхоперативной памяти данных.

2. Введена память команд.

3. Введен аппаратный таймер.

4. Используется мультиплексирование данных и адреса в порту ввода/вывода.

5. Увеличено число сигналов логического воздействия на микроЭВМ.

Элементы структурной схемы могут быть объединены в четыре блока (обведены пунктирной линией):

· центральное процессорное устройство;

· блок программного управления;

· устройство ввода-вывода;

· блок оперативных регистров.

Центральное процессорное устройство включает в себя устройство синхронизации и управления, АЛУ и схему условных переходов, которая организует условные переходы по битам регистра флажков АЛУ и внешним сигналам управления ТО и Т1. АЛУ строится аналогично МП580 -- оно выполняет операции накапливающего типа в двоичной и десятичной арифметике. Устройство синхронизации и управления связано с периферийными устройствами 13-разрядной шиной С {12: 0}, отдельные провода которой несут на себе следующие сигналы (в скобках указаны аналоги сигналов МП580):

BQ1, BQ2 - подключение кварца или LC -- цепи синхронизации встроенного тактового генератора или входа внешнего тактового генератора;

WR (WR) -- запись во внешнюю память данных, запись из порта BUS во внешнее устройство;

RD (DBIN) -- чтение из внешней памяти или из внешних устройств, подключенных к порту BUS

ALE (C) (address latch enable) -- стробирование внешней памяти;

SR (RESET) (set-reset) - инициализация микроЭВМ;

INT (INT) -- сигнал запроса на прерывание;

SS -- организация пошагового выполнения программы (используется совместно с ALE);

PME (periphery memory enable) - стробирование внешней памяти при чтении.

Рис.23.

EMA (external memory access} -- доступ к внешней памяти. Используется также при программировании и проверке ППЗУ; PR (periphery register) -- расширение каналов ввода/вывода. Используется также при программировании ППЗУ; ТО -- ввод условия для JTO/JNTO или выход тактовых сигналов после выполнения команды ENTO CLK; TI -- ввод условия для JT1/JNT1 или ввод счетчика внешних событий после выполнения команды STRT CNT.

Блок программного управления преобразует коды команд программы в сигналы управления. Он включает в себя счетчик команд (PC), дешифратор адреса команды, ППЗУ, регистр команды (IR) и дешифратор команды (IDC). В отличие от МП580, этот блок может работать как с внутренней, так и с внешней памятью. В последнем случае код адреса РС {11: 0} подается на внешнюю программную память, а байтный код команды записывается непосредственно в регистр команды.

Устройство ввода/вывода включает в себя три байтных порта BUS, PI и Р2. Порты Р\ и Р2 имеют идентичные характеристики. При выводе информации данные от ЭВМ записываются в регистры порта и остаются там неизменными до следующей записи.

При вводе информации входной код, поддерживаемый неизменным на время действия импульса RD, маскируется кодом регистра порта и передается в микроЭВМ. Если код вводится без изменений, предварительно, еще до ввода, в регистре порта должен быть записан единичный код маски. Записанный в режиме вывода код регистра порта может программно модифицироваться. Порт Р2 используется также для подключения расширителя ввода/вывода и выдачи четырех старших разрядов программного счетчика РС{11: 8 }.

Порт BUS реализует двунаправленный канал передачи данных. Он передает восемь младших разрядов кода адреса команд РС{1: 0} или кода адреса данных ADRD {7: 0} при работе с внешней программной памятью или памятью данных и байт данных D{1: 0} при работе с внешней памятью или схемами расширения (интерфейсные БИС серии К580). По завершению передачи данных порт переходит в третье состояние.

Блок оперативных регистров включает в себя ОЗУ, таймер-счетчик, регистр состояния программы, схему прерывания и регистр дополнительных флажков. Оперативное запоминающее устройство имеет объем либо в 64 байта (BE 35/48), либо 128 байт (BE 39/49). Назначение отдельных ячеек ОЗУ изображено на рис. 24

Ячейки с адресами 0 + 7 и 24 + 31 образуют два банка регистров общего назначения. Выбор банка осуществляется по состоянию триггера номера банка RBF, а регистра внутри банка -- по трехбитному коду адреса регистра в банке N{2:0} (режим прямой регистровой адресации).

К любой ячейке ОЗУ (в том числе и ячейкам банка регистров) можно обратиться по их полному адресу в режиме косвенной регистровой адресации по содержимому регистров R0 или R1 выбранного банка регистров.

В отличие от МП580, в котором стековая память располагается вне микропроцессора и имеет, практически, неограниченный объем (до 64 Кбайт), стек КР816 содержит всего 16 ячеек и обеспечивает запись восьми двухбайтных слов, необходимых для возврата на основную программу после завершения подпрограммы или обработки прерывания. Каждое слово содержит значение адреса возврата PC(11:0} и старшую тетраду слова состояния программы PSW. Напомним, что в МП580 PSW характеризовало состояние аккумулятора и регистра флажков (PSW = F.A). К1816 биты PSW имеют другой смысл: PSW{2:0} (SP{2:0} -- указатель стека (адреса отсчитываются от нижней границы стека для двух соседних ячеек (см. рис. 2.2)); PSW{3} = 1 -- разряд забит единицей; PSW{4} = RBF -- номер банка регистров; PSW{5} = FO - флаг пользователя. PSW{6} = AC(adjust carry) - дополнительный флаг переноса; PSW{7} = C - флаг переноса.

Слово состояния программы хранится в регистре состояния программы и изменяется либо в процессе выполнения команд программы, либо при возврате на основную программу (только старшая тетрада PSW). Флажки пользователя (Fl, RBF, CNTF, INTF) не поместившиеся в регистре PSW, фиксируются триггерами регистра дополнительных флажков. Восьмиразрядный таймер-счетчик считает поступающие из вне через Т1 сигналы и генерирует временные задержки без отвлечения АЛУ от выполнения основной программы. Переключение режимов таймера осуществляется программно. Содержимое счетчика считывается или загружается с помощью аккумулятора. При инкрементном переполнении счетчика (FF -> 00) устанавливается флаг переполнения TF и счет продолжается. Переполнение, если есть на то разрешение, вызывает прерывание программы, которое обслуживается подпрограммой прерывания по адресу 07H. В режиме генерации временных задержек счетчик запитывается от делителя основной тактовой частоты F_bq на 480. При F_bq = 6 МГц квант задержки составляет 80 мкс. Задержки более 80x256=20480 мкс формируются программными средствами. Одноуровневая схема прерываний обеспечивает приоритет прерывания (внешнее прерывание INT -- старший, флаг таймера TF -- младший) и программное маскирование прерываний. МикроЭВМ КР1816 работает аналогично МП580. Инициализация работы КР1816 происходит при подаче импульса SR длительностью порядка 50 мкс. При этом осуществляются следующие действия:

· программный счетчик сбрасывается в О (PC = 0);

· указатель стека сбрасывается в О (SP = 0);

· выбирается нулевой банк регистров (RBF = 0);

· выбирается нулевой банк программной памяти (MBF = 0);

· блокируется внешнее прерывание (INTF=0);

· порты Р1 и Р2 устанавливаются в режим приема;

· останавливается таймер/счетчик;

· сбрасываются флаги F0 и F1.

Выполнение программы начинается с команды нулевого адреса. Каждая команда занимает от одного до двух байт программной памяти и выполняется внутри цикла команды. Этот цикл делится на машинные циклы (цикл обращения к памяти/цикл генерации ALE), длительность которых составляет 15 периодов сигнала синхронизации T_bq. Это соотношение помогает подсчитывать время выполнения программы и формировать калиброванные временные задержки.

Программа выполняется до тех пор, пока не будут сформированы коды всех управляющих сигналов. После этого микроЭВМ переходит в режим ожидания, выход из которого происходит только в случае либо повторной инициализации программы, либо действия одного из внешних или внутренних сигналов прерывания. При входе в программу по вектору внешнего прерывания управление передается команде по адресу ООЗН, а по вектору прерывания по таймеру -- команде по адресу 007Н.

5. Цифровые измерительные приборы (ЦИП). Структурная схема. Основные характеристики.

Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называется средство измерения, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

По виду измеряемых величин цифровые измерительные приборы подразделяются на:

- вольтметры и амперметры постоянного и переменного тока (напряжения);

омметры и мосты постоянного и переменного тока;

комбинированные приборы;

измерители частоты, интервалов времени и фазового сдвига;

специализированные ЦИП, предназначенные для определения времени срабатывания различных элементов и т.д.

Диапазон измеряемых посредством ЦИП величин обычно весьма широкий и разбивается на ряд поддиапазонов. Выбор нужного поддиапазона в процессе измерения производится вручную или автоматически. Измерение на выбранном поддиапазоне всегда осуществляется автоматически.

Основными классификационными признаками ЦИП принято считать вид измеряемой величины и способ преобразования, определяющие такие важные характеристики, как точность и быстродействие. По виду входных физических величин ЦИП объединяют в следующие основные группы приборов для измерения:

постоянного и переменного тока (напряжения);

параметров R, L и С электрических цепей;

- временньгх параметров (частоты, периода, временного интервала, фазы).

Разновидностями ЦИП, входящих в упомянутые группы, являются средства измерений с микропроцессорами, виртуальные приборы на основе компьютеров и цифровые осциллографы.

Наиболее важными техническими характеристиками ЦИП, определяющими возможность их использования для конкретной измерительной задачи, являются: пределы измерения, цена деления, входное сопротивление, быстродействие, точность, помехоустойчивость и надежность. Цену деления шкалы ЦИП можно определить по формуле.

z = x_max/10^m (22)

где Xmax -- максимальное значение предела измерения; т -- число разрядов десятичного цифрового отсчета.

Для каждого предела измерения цена деления постоянна и определяет максимально возможную разрешающую способность для данного типа ЦИП.

Разрешающая способность ЦИП -- это изменение цифрового отсчета на единицу первого (младшего) разряда. Иногда под разрешающей способностью понимают значение цены деления младшего (для многопредельных приборов) предела ЦИП.

Быстродействие определяется максимальным интервалом времени необходимым для выполнения одного полного цикла измерения (для, ЦИП это время измерения и время индикации) или преобразования (для, АЦП) входной величины. Для ЦИП с равномерной временной дискретизацией этот интервал измерения определяется шагом дискретизации ?t, а, быстродействие -- количеством измерений (преобразований) в 1 с, т.е, значением 1/(?t).

Помехоустойчивость ЦИП - способность сохранять необходимую точность измерения при наличии различных возмущающих воздействий (помех). Устранить влияние помех, появляющихся вместе с сигналом на входных зажимах ЦИП, полностью нельзя. Поэтому помехоустойчивость численно характеризуется степенью подавления помех на входе ЦИП. Оценку помехоустойчивости ЦИП обычно вычисляют по отношению к аддитивным, т.е. суммирующимся с полезным сигналом помехам..

Итак, ЦИП наиболее полно удовлетворяют основным требованиям предъявляемым в настоящее время к измерительной аппаратуре, -- высокая точность и быстродействие, автоматизация процессов измерения и обработки информации. Обобщенная структурная схема ЦИП показана на рис.25

Рис.25. Обобщенная структурная схема ЦИП

В цифровом приборе измеряемая величина х подается на входное устройство (ВУ), предназначенное для выделения ее из помех и масштабного преобразования. Аналого- цифровой преобразователь (АЦП) преобразует величину х' в код N, который подается на цифровое отсчетное устройство (ЦОУ), где индицируется в виде ряда цифр. Цифровые коды могут выводиться и во внешние устройства, например в компьютер для дальнейшей обработки или хранения. Управляет работой ЦИП устройство управления: (УУ) путем выработки и подачи определенной последовательности командных сигналов во все функциональные узлы прибора.

По способу преобразования входного сигнала ЦИП условно делятся на приборы прямого и уравновешивающего преобразования. В ЦИП прямого преобразования отсутствует цепь общей отрицательной обратной связи (т.е. связь выхода с входом). Они облагают повышенным быстродействием, но прецизионные измерения возможны только лишь при высокой точности всех измерительных преобразователей, поэтому применяются редко. ЦИП уравновешивающего преобразования охвачен цепью общей обратной связи. Цепь отрицательной обратной связи представляет собой по существу цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) выходного дискретного сигнала в компенсирующую величину х_к одной физической природы с измеряемой величиной x(t).

Погрешность ЦИП уравновешивающего преобразования, охваченных отрицательной обратной связью, практически не зависит от погрешностей преобразователей цепи прямого преобразования, а определяется в основном параметрами ЦАП. Поэтому в схемах ЦАП обязательно применяются элементы достаточно высокой точности и стабильности.

По характеру изменения во времени компенсирующей величины х_к ЦИП делят на приборы развертывающего и следящего уравновешивания. Примером ЦИП первого типа являются приборы, в которых значение компенсирующей величины х_к в каждом цикле измерения возрастает от нуля ступенями, равными шагу квантования А (рис. 26, а).

При идентичности величин х_к = х процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерения, равный числу ступеней квантования компенсирующей величины. Отсчет показаний обычно производится в конце цикла изменения величины х_к. При этом возникает динамическая погрешность ?_д, обусловленная изменением измеряемой величины x(t) за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчета.



Рис.26. Временные диаграммы к схемам ЦИП уравновешивающего типа: а)- развертывающего; б)- следящего

В приборах следящего уравновешивания (рис.26, 6) уровень компенсирующей величины не возвращается к нулю после достижения равенства с измеряемой величиной, а остается постоянным. При изменении х величина х_к соответственно отрабатывает (отслеживает) это изменение так, чтобы разность х - х_к не превышала значения шага квантования. Отсчет производится или в момент уравновешивания, или по внешним командам. Следящее уравновешивание сложнее в технической реализации, но при прочих равных условиях обеспечивает меньшую динамическую погрешность, которая не превышает шага квантования.

По виду выходного дискретного сигнала ЦИП и АЦП делятся на приборы с двоичной, десятичной и двоично-десятичной формами представления информации. Двоичная форма является само экономичной и используется в основном для представления информации в системных АЦП.

6. Цифровые измерительные преобразователи

6.1 Мосты постоянного и переменного тока

Преобразователи сопротивления, индуктивные и емкостные преобразователи. Преобразователи сопротивления, индуктивные и емкостные преобразователи широко применяются при измерении различных неэлектрических величин. Кроме того, измерение параметров линейных, электрических цепей необходимо в радиотехнике при наладке и ремонте аппаратуры и контроле радиодеталей.

В радиоэлектронике и устройствах телекоммуникационных систем используются два основных метода преобразования линейных параметров цепей: прямой и уравновешивающий.

Цифровой измерительный прибор прямого преобразования представляет сочетание аналогового преобразователя какого-либо параметра элемента в активную величину и соответствующего цифрового прибора для ее измерения. Их классификация производится в зависимости от вида промежуточного преобразования.

Цифровые измерительные приборы уравновешивающего преобразования представляют собой цифровые мосты постоянного (для измерения R) или переменного (для измерения R, L и С) тока. Одним из самых простых методов измерения R, L, С является преобразование их в напряжение. Исследуемый двухполюсник включают в измерительную цепь, питание которой осуществляется от источника образцового тока или напряжения. Второй способ цифрового измерения R, L, С параметров основан на предварительном преобразовании их значений в частоту гармонического сигнала. В этом случае исследуемый элемент включается в частотно-зависимую цепь, определяющую частоту колебаний генератора (источника).

В практике измерений R, L, С широкое распространение получили методы развертывающего преобразования. Они основаны на формировании определенной развертывающей функции, аналитическое выражение которой включает в себя измеряемый параметр, и в фиксации моментов времени, когда она достигает заранее заданных значений. Измеренный интервал времени оказывается функционально связанным с преобразуемым параметром. Данные преобразователи отличаются высокой точностью, быстродействием, линейностью функции преобразования, удобным для преобразования в цифровой код видом выходного сигнала (частота/, период Т или временной интервал At). Рассматриваемый метод применяется обычно в сочетании с предварительным преобразованием параметров R, L или С в напряжение. В этом случае развертывающая функция также представляет собой напряжение.

Структурная схема простейшего преобразователя параметров R, L, С в период меандрового сигнала показана на рис. 27., а.

Рис.27. Измерительный преобразователь параметров R,L,C в период:

а)- структурная схема; б)- временные диаграммы

Измерительная цепь (ИЦ) интегрирующего типа с постоянной времени t_x = R₀C_X (или RxCо, или Lx/Rо)) питается напряжением с выхода операционного усилителя (ОУ), являющегося компаратором (устройством сравнения). Порог его срабатывания задается резистивным делителем R_t и R₂ (коэффициентом передачи цепи положительной обратной связи). Временные диаграммы работы преобразователя параметров приведены на рис 27.б.

При подаче с выхода ОУ на ИЦ в момент времени t₀ напряжения U₀ происходит его интегрирование измерительной цепью. Развертывающая функция на инвертирующем входе ОУ имеет следующий вид:

(23)

гдев = R₂/(R_{ + R₂) -- коэффициент передачи цепи положительной обратной связи.

При достижении этой функцией порогового значения +вUo в момент времени t₁, срабатывает компаратор на ОУ, изменяя на выходе знак напряжения U₀ на противоположный. Интервал времени интегрирования

(24)

На следующем интервале времени Т₂ = t₂- t_{ происходит формирование развертывающей функции с противоположным знаком производной. Очевидно, что при равенстве положительного и отрицательного порогов срабатывания |+в Uo| = |-в Uo| интервалы T₁, и Т₂ равны. При этом период меандрового напряжения на выходе ОУ определяется выражением.

(25)

Результат измерения периода Т_х пропорционален значению определяемого параметра R_x (или С_х, или L_x).

Цифровые измерительные приборы, построенные по методу развертывающего преобразования, получили широкое распространение при измерении параметров электрических цепей; их погрешность измерения составляет 0,005...0,1%.

Наряду с методами преобразования в практике используются также методы уравновешивающего преобразования R_x, С_х и L_x-- параметров.; Сравнение измеряемой величины с образцовой чаще всего осуществляв ется путем уравновешивания мостовой измерительной цепи, в одно из плеч которой включается исследуемый двухполюсник. В смежное плечо моста включается образцовый элемент, представляющий собой набор квантованных образцовых мер, соответствующих весовым коэффициентам разрядов используемого цифрового кода. Изменением параметров образцового двухполюсника добиваются равенства нулю напряжения в измерительной диагонали. Уравновешивание моста может быть как следящим, так и развертывающим.

Достоинствами таких ЦИП являются высокая точность и широкий динамический диапазон. К их недостаткам относится низкое быстродействие, обусловленное необходимостью применения контактных ключей для формирования с высокой точностью параметров образцового двухполюсника.

На рис.28 показана структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа для измерения активного сопротивления резистора или другого элемента с оммическими потерями.

Измеряемый резистор Rх образцовые резисторы R₁, и R₂ и преобразователь кода в сопротивление (ПКС) образуют мост, который питается источником постоянного напряжения (ИП). Разбаланс моста фиксируется устройством сравнения (УС). Устройство управления (УУ) анализирует выходной сигнал УС и в зависимости от его знака увеличивает или уменьшает; цифровой код N, выдаваемый на ПКС. Уравновешивание производится до тех пор, пока напряжение в выходной диагонали моста не станет меньше порога чувствительности УС. При этом измеряемое сопротивление



(25)

где К_ПКС = Rпкс /N-- коэффициент преобразования ПКС; Rпкс -- сопротивление ПКС.

Как следует из формулы (25), результат измерения (он фиксируется цифровым отсчетным устройством -- ЦОУ) не зависит от напряжения питания моста.

Изменение пределов измерения происходит путем изменения отношения сопротивлений резисторов R₁ и R₂ цепи положительной обратной связи. Точность измерения определяется стабильностью сопротивления образцовых резисторов R₁ и R₂ и точностью ПКС.

Цифровые мосты постоянного тока обеспечивают погрешность измерения около 0,01% и широко используются для точного измерения активного сопротивления.

Более сложными являются мосты переменного тока, предназначенные для измерений комплексного сопротивления, индуктивности и емкости при определенной фиксированной частоте (обычно 1 кГц). Эти мосты выполняют уравновешивание по двум параметрам, т.е. производят раздельное и независимое уравновешивание двух составляющих комплексного сопротивления Z_x.

Рис.28. Структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа

6.2 Мосты постоянного и переменного тока

Для измерений различных величин находят применение измерительные приборы - мосты и компенсаторы, которые строятся на основе метода сравнения с мерой.

Мосты широко используются для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности и угла потерь. На основе мостовых схем выпускают приборы для измерения неэлектрических величин (температуры, перемещений и др.) и различные устройства автоматики. Широкое применение мостов объясняется возможностью измерения различных величин.

В зависимости от характера сопротивлений плеч, образующих мост, и рода тока, питающего мост, выделяют мосты постоянного и переменного тока. В зависимости от вида схемы (числа плеч) мосты постоянного тока бывают четырехплечие (одинарные) и шестиплечие (двойные). Мосты выпускаются с ручным и автоматическим уравновешиванием.

Для измерений напряжений и ЭДС постоянного и переменного тока применяют компенсаторы постоянного и переменного тока. Они также применяются для измерения других величин при использовании измерительных преобразователей и косвенного способа измерений. Компенсаторы дают возможность получать результаты с высокой точностью, они обладают высокой чувствительностью. Приборостроительная промышленность выпускает компенсаторы, как с ручным, так и с автоматическим уравновешиванием.

Измерение параметров на переменном токе. Основными методами измерения параметров R, L, С на переменном токе являются мостовые и резонансные. Мостовые методы измерения являются более точными, но могут использоваться только в ограниченной полосе частот. Существует несколько разновидностей мостовых схем: четырехплечие, шестиплечие (двойные), уравновешенные, неуравновешенные и процентные. Управление этими мостами может быть как ручным, так и автоматическим. Наибольшее распространение получили схемы четырехплечих уравновешенных мостов. Обобщенная структурная схема такого моста показа-па на рис.29, а.

Сопротивления четерехплечего моста в общем случае носят комплексный характер:

(26)

Условия равновесия такого моста будут определяться двумя уравнениями:

(27)

(28)

Для выполнения этих условий необходимо наличие в плечах моста двух элементов с регулируемыми параметров. Этими параметрами наиболее удобно сделать активные сопротивления. В качестве элемента, обеспечивающего необходимый фазовый сдвиг, используется эталонный конденсатор емкостью С₀ с малыми потерями.

Упрощенная структурная схема четырехплечего уравновешенного моста для измерений активных сопротивлений представлена на рис.29, б. Магнитоэлектрический, электронный или цифровой нуль-индикатор (НИ) включается в диагональ моста, ток в которой в момент измерения должен быть установлен равным нулю. Согласно условию (27) равновесия моста необходимо, чтобы выполнялось равенство RхR₄=R₂R_3,откуда неизвестное сопротивление можно выразить следующей формулой:

(29)

Для достижения равновесия моста достаточно иметь один регулируемый параметр (резистор R₄), как показано на рис.29, б.

Рис.29. Структурная схема четырехплечего моста.

Пределы измеряемых сопротивлений для подобных мостов составляют от 10 ^-2 до 10 ⁷ Ом. Погрешности измерения -- от сотых долей процента до нескольких процентов в зависимости от диапазона измерения. Наименьшие погрешности лежат в диапазоне от 100 Ом до 100 кОм. При малых измеряемых сопротивлениях вклад в погрешность измерения вносят сопротивления соединительных проводов, при больших -- сопротивления утечки.

Представленная на рис.29, б схема может быть создана в цифровом варианте. Для этого регулируемый резистор изготавливается в виде набора ряда сопротивлений, выполненных в соответствии с двоично-десятичным кодом. Сопротивления поочередно включаются в плечо измерительного моста до тех пор, пока схема не уравновесится. Положение ключей характеризует собой код измеряемой величины, поступающий затем в цифровое отсчетное устройство.

6.3 Измерение индуктивности, добротности, емкости и тангенса угла потерь

Наиболее распространенные схемы мостов на переменном токе, измерения индуктивности и добротности катушек представлены рис.30. В них используются источники гармонического тока с амплитудой напряжения U и угловой частотой щ. Эти четырехплечие мосты соответствуют наилучшей сходимости (уравновешивания). Эквивалентные схемы замещения для катушек индуктивности с потерями могут быть последовательными или параллельными в зависимости от потерь отображенных активным сопротивлением.

Рис.30. Схемы мостов для измерения индуктивностей и их добротностей с образцовыми элементами: а - катушкой; б - конденсатором

Условие равновесия для схемы рис.30, а имеет вид

(30)

где L_x и R_x -- измеряемые индуктивность и сопротивление омических потерь в катушке; L_Q и R₀ -- образцовые индуктивности и сопротивление.

Приравняв отдельно действительные и мнимые члены формулы (30), получим:

L_X=L₀R₂/Ri; R_X=R₀R₂/R_h (31)

Поскольку изготовление высокодобротных образцовых катушек вызывает определенные трудности, часто в качестве образцовой меры в мостах переменного тока применяется конденсатор (рис.30, б). Для этой схемы

(32)

Приравняв отдельно в данном уравнении вещественную и мнимую части, получим следующие формулы для определения параметров катушки индуктивности:

L_x=C₀R₂R₃; R_x=R₂R₃/R₀. (33)

Добротность катушки

(34)

Для измерения емкости и тангенса угла потерь конденсаторов с малыми потерями применяют мостовую схему, представленную на рис.31, а (последовательное соединение элементов С_хи R_x), а с большими потерями -- на рис. 31, б (параллельное соединение элементов С_х и R_x).

Условие равновесия для схемы рис.31, а имеет вид



Рис.31. Схемы мостов для измерения емкости и угла потерь конденсаторов:

а - с малыми потерями; б - с большими потерями.

Разделив здесь вещественную и мнимую части, получим следующие формулы для определения параметров конденсатора:

C_x= C₃R₄ /R₂, R_x=R₃R₂/R₄. (35)

Тангенс угла потерь конденсатора

(36)

Для моста с параллельным соединением С_х и R_x (рис. 31, б) условие равновесия имеет вид