9.3 Резисторная, диодная, транзисторная оптопара: параметры, принцип действия, область применения. Свойства оптоэлектронных коммутаторов.

Резисторная оптопара. В этом виде оптопары фотоприемником является фоторезистор. Схема и конструкция оптопары приведены на рис. В широко используемых фоторезисторах применяют материалы CdS и CdSe. Для оценки качества коммутации основное значение имеет характер изменения выходного сопротивления оптопары при подаче управляющего напряжения на вход.

В основе принципа действия фоторезистора лежит эффект фотопроводимости, т. е. изменения сопротивления полупроводника при освещении. Важной особенностью резистивной оптопары является линейность его выходной цепи: т.е. между коммутируемым напряжением Uком и током существует линейная зависимость. Управляющий ток Iупр, не меняя линейности, изменяет значение сопротивления. При Iупр равном нулю, т. е. когда цепь должна быть разомкнута выходное сопротивление максимально. При увеличении Iупр сопротивление уменьшается и при том же Uком ток в коммутируемой цепи увеличивается. При макс. допустимом токе управления для данного светодиода сопротивление будет минимально и падение напряжения на нем также минимально.

Совместное рассмотрение входной вольтамперной характеристики (цепи управления) и вольтамперной выходной характеристики (цепи коммутации) позволяет оценить возможности резистивной оптопары для разных применений. Благодаря линейности выходных вольтамперных характеристик; резистивные оптопары могут быть использованы для коммутации, постоянного и переменного токов и не вносят искажений в форму коммутируемого сигнала. Ограничения применения резистивных оптопар определяется тем, что существует конечное максимальное сопротивление, которое не позволяет полностью разомкнуть цепь, и конечное минимальное сопротивление, которое определяет падение напряжения на оптопаре, ограничивая возможности коммутаций цепей с малым внутренним сопротивлением. Например, использование оптопары для коммутации катушек индуктивностей резонансных контуров не может быть рекомендовано, так как минимальное сопротивление оптопары составляет не менее 200 0м. Такие оптопары можно использовать в некоторых случаях для замены реле при перекл. цепей, так как при этом нелинейный характер вх. вольтамперной характеристики не имеет значения.

Диодная оптопара. В диодной оптопаре светодиод применяется вместе с фотодиодом. Для создания фотодиодов используются некоторые виды полупроводников, в которых при изменении освещения фотодиода изменяются условия протекания тока.

При отсутствии освещения вольтамперная характеристика фотодиода такая же, как для обычного диода. При действии светового потока на активную область фотодиода за счет фотонов генерируются (инжектируются) неосновные носители заряда – электроны. Если на р-n переходе фотодиода имеется напряжение, при котором он открыт (не рабочий режим), то инжектированные неосновные носители соединяются с основными носителями р-области (дырками) и количество носителей, которое может участвовать в протекании тока, уменьшается. Ток в фотодиоде снижается. Если изменить полярность напряжения, то фотодиод будет находиться в рабочем режиме и инжектированные неосновные носители проходят через р-n переход и протекают по внешней цепи, создавая ток в фотодиоде, который при отсутствии освещения закрыт. Чем больше освещение, тем больше генерируется носителей и тем больше ток в закрытом, при отсутствии освещения, диоде. Следовательно, чем выше управляющее напряжение на светодиоде, тем больше ток через фотодиод.

Транзисторная оптопара. В транзисторной оптопаре используется не только фотоэффект но и эффект усиления фототока. Благодаря использованию транзистора в оптопаре токовая чувствительность, и т.д. изменение выходного тока при изменениях входного, возрастает в соответствии с коэффициентом усил. транзисторной части.

Через прозрачный слой на фотоприемник падает световой поток от светодиода. Если база не освещена, то такой фотоприемник будет работать как обычный транзистор (режим не рабочий) и ток по цепи коллектора будет протекать только при условии, когда цепь эмиттер-база открыта, т. е. на базу подано положительное, а на эмиттер-отрицательное напряжение.

В рабочем режиме значение тока, протекающего в транзисторе, должно определяться действием света, поступающего от светодиода через световод. Для этого фотодиод, образованный эмиттером и базой, как было показано выше, при отсутствии света закрыт. В этом случае на эмиттер должно быть подано положительное напряжение, а на базу отрицательное. Ток по цепи коллектора не протекает, поскольку неосновные носители не переходят из области эмиттера в область базы и не могут участвовать в образовании тока коллектора.

Как только от светодиода на область базы типа р будет попадать световой поток, фотоны, взаимодействуя с атомами, будут «выбивать» из них электроны. Если область базы тонкая, то создаются благоприятные условия для того, чтобы положительное напряжение коллектора вызвало движ. электронов через n-переход к коллектору

9.4 Процессорное ядро микроконтроллера. Структура процессорного ядра МК. Основные характеристики, определяющие производительность процессорного ядра МК. Основные принципы построения процессоров: CISC и RISC-процессоры

При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Процессорное ядро включает в себя: централь-ный процессор; внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления; схему синхронизации МК; схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.

Изменяемый функцион. блок включает в себя модули памяти, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В его состав могут входить и доп. модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и др.

Модульная организация МК.

Основными характеристиками, определяющими производительность процессорного ядра   МК, являются:

• набор регистров для хранения промеж. данных;

• система команд процессора;

• способы адресации операндов в простр. памяти;

• организ. процессов выборки и исполнения команды.

С точки зрения системы команд и способов адресации операндов процессорное ядро современных 8-разрядных МК реализует один из 2-х принципов построения процессоров: процессоры с CISC-архитектурой, реализующие так называемую полную систему команд; процессоры с RISC-архитектурой, реализующие сокращенную систему команд.

CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации, давая разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции. В применении к 8-разрядным МК процессор с CISC-архитектурой может иметь однобайтовый, двухбайтовый и трехбайтовый (редко четырехбайтовый) формат команд. При этом не все команды могут использовать любой из способов адресации применительно к любому из регистров процессора. Выборка команды на исполнение осуществляется побайтно в течение нескольких циклов работы МК. Время выполнения команды может составлять от 1 до 12 циклов.

В процессорах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать команды. При этом все команды имеют формат фиксированной длины (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Система команд RISC-процессора предполагает возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций. К МК с RISC-процессором относятся МК AVR фирмы Atmel, МК PIC16 и PIC17 фирмы Microchip и другие.

МК с RISC-процессором должны иметь более высокую производительность по сравнению с CISC МК при одной и той же тактовой частоте внутренней магистрали. Однако на практике вопрос о производ. более сложен и неоднозначен.

Во-первых, оценка производительности МК по времени выполнения команд различных систем (RISC и CISC) не совсем корректна. Производительность МП и МК принято оценивать числом операций пересылки «регистр-регистр», которые могут быть выполнены в течение одной секунды. В МК с CISC-процессором время выполнения операции «регистр-регистр» составляет от 1 до 3 циклов, что, казалось бы, уступает производительности МК с RISC-процессором. Однако стремление к сокращению формата команд при сохранении ортогональности системы команд RISC-процессора приводит к вынужденному ограничению числа доступных в одной команде регистров. В то же время, в системе команд большинства CISC-процессоров присутствуют команды пересылки содержимого РОН в один из портов ввода/вывода. То есть более сложная система команд иногда позволяет реализовать более эффективный способ выполнения операции.

Во-вторых, оценка производительности МК по скорости пересылки «регистр-регистр» не учитывает особенностей конкретного реализуемого алгоритма управления. При разработке быстродействующих устройств автоматизированного управления основное внимание следует уделять времени выполнения операций умножения и деления при реализации уравнений различных передаточных функций. А при реализации пульта дистанционного управления бытовой техникой следует оценивать время выполнения логических функций, которые используются при опросе клавиатуры и генерации последовательной кодовой посылки управления. Поэтому в критических ситуациях, требующих высокого быстродействия, следует оценивать производительность на множестве тех операций, которые преимущественно используются в алгоритме управления и имеют ограничения по времени выполнения.

В-третьих, необходимо еще учитывать, что указанные в справочных данных на МК частоты синхронизации обычно соответствуют частоте подключаемого кварцевого резонатора, в то время как длительность цикла центрального процессора определяется частотой обмена по ВКМ. Соотношение этих частот индивидуально для каждого МК и должно быть принято в расчет при сравнении производительности различных моделей контроллеров.