Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Основы электроники для специальности 1-53 01 04 Автоматизация и управление теплоэнергетическими процессами

линии, например, в процессе обмена данными. Связь МП с внешними схемами осуществляется через буферы (адресный, данных и адресов).

Вструктурной схеме МП для временного хранения данных имеются регистр указателя стека и счётчик команд (СК). Указатель стека сообщает, по какому адресу стекового ЗУ, т. е. в зарезервированной части ЗУ, записан последний байт.

Всчётчике команд (СК) производится подсчет адресов команд программы во время выполнения вычислений. В зависимости от номера выполненной команды изменяется содержимое указателя стека.

С регистром команд (РК) соединен дешифратор команд (ДК), предназначенный для выбора источников, приемников и операций АЛУ. Регистр команд и дешифратор команд используются для получения дешифрации кода команды.

При извлечении команды первый байт, содержащий её код, помещается

врегистр команд и поступает в дешифратор (ДК). Дешифратор команд совместно с устройством управления и синхронизации (УУ и С) формируют управляющие сигналы для всех внутренних блоков МП.

Регистр флажковых битов (РФБ), который еще называют регистром признаков, содержит 5 булевых переменных, называемых флажковыми состояниями:

1)Z–бит (бит нуля), устанавливается в 1, если результат действия команды равен 0. В противном случае он устанавливается в 0.

2)S–бит (бит знака), устанавливается в 1, если значащий бит результата равен 1. В противном случае устанавливается в 0.

3)P–бит (бит чётности), устанавливается в 1, если результат содержит четное число единиц.

4)C–бит (бит переноса), устанавливается в 1, если произошло переполнение АЛУ, т. е. в случае результата, превышающего 28 (1 байт) или меньшего 0.

5)А–бит (бит добавочного переноса), устанавливается в 1, если при выполнении операции десятичной арифметики формируется перенос из третьего бита в четвёртый в данном байте.

Сопряжение МП с внешними устройствами

Для подключения разнообразных устройств ввода или вывода данных необходимо привести их связи и сигналы к стандартному виду, т. е. провести согласование интерфейсов. Для этого используется специальный аппаратный блок - информационный контроллер, имеющий стандартный интерфейс со стороны подключения к шине данных и не стандартный интерфейс со стороны устройства ввода-вывода.

Интерфейс в микропроцессорных системах

Взаимное сопряжение устройств микропроцессорной системы обеспечивается посредством системы аппаратных и программных средств, называемых интерфейсом.

В состав интерфейса входят:

171

-аппаратурные средства соединения устройств (например, разъёмы);

-программные средства, описывающие характер сигналов интерфейса;

-описание электрофизических параметров сигналов.

Взависимости от структуры системы и особенностей взаимодействия компонентов можно условно выделить несколько уровней интерфейсов: внутриплатные или внутримодульные; межплатные или внутриблочные; межблочные; интерфейсы распределенных систем управления.

Вкачестве периферийных устройств для ввода и вывода информации могут использоваться клавиатура, дисплеи, принтеры, преобразователи информации, линии связи и т. п. Для подключения их к системной шине требуются определенные технические и программные средства - соответствующие устройства сопряжения, сигналы, система команд. Эти средства объединяются в понятие интерфейс ввода-вывода. Средством подключения внешних устройств к МП являются порты ввода-вывода.

Обмен данными с периферийными устройствами может осуществляться

впрограммно управляемом режиме, либо способом прямого доступа к памяти (ПДП). Программно управляемый режим обмена с ПУ организуется по программе, которая хранится в памяти. При программно управляемой передаче данных микропроцессор (МП) на время операции обмена отвлекается от выполнения основной программы, что приводит к снижению производительности МП-системы.

Способ прямого доступа к памяти осуществляется путем отключения микропроцессора от шины адреса и данных (переходя в режим захвата). Обмен между ПУ и ОЗУ осуществляется непосредственно. Прямой доступ к памяти резко повышает предельную скорость ввода-вывода информации и общую производительность МП-системы, и делает ее более эффективной для работы в системах реального времени.

Системы команд микропроцессора

Программой называется последовательность команд для центрального процессора, выполнение которых позволяет решить данную задачу. Последовательность команд представляет собой последовательность действий, которые необходимо выполнить, и называется алгоритмом.

Микропроцессорная система воспринимает только двоичные коды. Поэтому программу, составленную в мнемокодах, необходимо переводить в ее двоичный эквивалент. Это можно сделать вручную, используя таблицы соответствия системы команд для данного МП, или с помощью специальных программ. Более полную автоматизацию процессов программирования обеспечивает язык Ассемблер, в котором вместо кодовых комбинаций используются мнемонические обозначения операций. Следует отметить, что каждый МПК имеет свой язык Ассемблер.

Язык Ассемблер в упрощенном виде представляет собой сокращенные английские слова, обозначающие определенную команду.

Для удобства программа на языке Ассемблер разделяется на поля. Приведем пример:

172

регистром D

Поле «метка» может содержать любое символическое имя, ссылающееся к той позиции памяти, которой впоследствии будет назначен адрес. Поле «код» содержит обозначение той операции, которую необходимо выполнить.

Источник и назначение (т.е. откуда и куда идет информация) определяется в поле «операнд». Это может быть буква, обозначающая регистр, непосредственные данные или символическое имя. Если требуется задать оба операнда, то они записываются через запятую. Такие поля языка Ассемблер могут интерпретироваться по-разному в зависимости от конкретного микропроцессора.

Основные команды микропроцессора условно можно разделить на несколько групп:

1)Команды пересылки данных, которые осуществляют обмен между памятью и регистром или между регистрами:

2)Команды арифметические:

3)Логические команды

4)Команды перехода изменяют нормальную последовательность

исполнения команд:

Существуют еще команды обработки булевых данных, команды циклического сдвига, псевдокоманды и др.

173

ПРАКТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Материалы лабораторных занятий

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ И ТИРИСТОРОВ

Ц е л ь р а б о т ы: выяснение механизма образования n-p перехода; снятие вольтамперных характеристик выпрямительного диода и стабилитрона; ознакомление с принципом действия тиристора и снятие его основных характеристик.

Общие сведения

К полупроводниковым относятся материалы, которые при комнатной температуре имеют удельное сопротивление = 10-3... 1010 Ом см, зависящее от температуры, освещенности, ионизирующего излучения, электрического поля и др.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют простые полупроводниковые вещества - германий, кремний, селен - и некоторые химические соединения, например, арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид индия InP, карбид кремния SiC.

Полупроводники имеют кристаллическую структуру, которая однородна при температуре абсолютного нуля. По мере нагрева часть валентных связей нарушается вследствие тепловых колебаний в кристаллической решетке, что

электропроводностью называют полупроводниками p-типа, а соответствующие примеси - акцепторами.

Область на границе контакта двух полупроводников с противоположным

174

полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров и др.) основана на использовании свойств n-p-переходов.

Рассмотрим процессы в n-p-переходе при отсутствии внешнего источника напряжения (рис.1.1). Так как носители заряда совершают беспорядочное тепловое движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Концентрация электронов в n-слое больше, чем в p-слое, и часть электронов перейдет из n-слоя в p-слой. Одновременно наблюдается диффузионный переход дырок из p-слоя в n-слой. В результате в n-слое остается нескомпенсированный объемный заряд положительных ионов (в основном донорной примеси), а в p-слое - нескомпенсированный объемный заряд отрицательных ионов акцепторной примеси. Между образовавшимися объемными зарядами возникает к о н т а к т н а я р а з н о с т ь п о т е н ц и а л о в Uк= n- p и электрическое поле напряженностью Ек. На потенциальной диаграмме n-p-перехода (рис.1.1 б) за нулевой потенциал

перемещению носителей заряда. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. На рис.1.1б изображен барьер для дырок, стремящихся за счет диффузии перемещаться из области p в область n.

Таким образом, в n-p-переходе вследствие ухода электронов и дырок вглубь p- и n-областей образуется обедненный зарядами слой, называемый з а п и р а ю щ и м и обладающий большим сопротивлением в сравнении с сопротивлением остальных объемов n- и p-областей.

Если источник внешнего напряжения положительным полюсом подключить к полупроводнику p-типа и отрицательным к n-типа (прямое включение), то электрическое поле, создаваемое в n-p-переходе прямым напряжением Uпр, действует навстречу контактной разности потенциалов Uк. Потенциальный барьер понижается до величины Uк-Uпр, уменьшаются толщина запирающего слоя и его сопротивление Rпр.

Если полярность внешнего источника изменить на обратную, то потенциальный барьер возрастает до величины Uк+Uобр. В этом случае через переход могут пройти только неосновные носители: электроны из p-области в n-область и дырки во встречном направлении.

Так как концентрация основных носителей заряда на насколько порядков выше концентрации неосновных, то прямые токи на несколько порядков больше обратных.

175

назначению диоды делят на выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны и т.д. Их изготавливают на основе германия или кремния. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение и буквенное обозначение даны на рис.1.2. Основные параметры выпрямительного диода: предельно допустимый постоянный ток диода Iпр.max и максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max.

(закрыт) или высокой проводимости (открыт). Структура, условное графическое и буквенное обозначения тиристора, его вольтамперная характеристика даны на рис.1.4а, б, в.

Основу прибора составляет кристалл кремния, в котором созданы четыре слоя с разными типами электропроводности. Внешний p-слой называют анодом (А), внешний n-слой - катодом (К), а два внутренних слоя - базами. Одна из баз имеет вывод - управляющий электрод (У).

При прямом включении (анод положителен по отношению к катоду) переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, а переход П2 - в обратном направлении. До тех пор, пока П2 закрыт, прямой ток практически равен нулю (участок оа характеристики рис. 1.4в). При некотором значении прямого напряжения, равном Uвкл.max, за счет перераспределения зарядов в области баз переход П2 открывается (точка а). Сопротивление его быстро уменьшается (участок аб), и тиристор работает на участке бв характеристики, которая подобна ВАХ диода.

176

ТАБЛИЦА 1.2

Iпр, мА

Uпр, В

3.Проверить экспериментом ответ на вопрос предварительного задания (вариант 2).

4.Установить потенциометр R2 в исходное положение (п.1), затем

подключить стабилитрон и снять обратную ветвь ВАХ стабилитрона Iобр(Uобр). Измерения записать в табл.1.3.

5.Проверить экспериментом ответ на вопрос предварительного задания (вариант 4).

ТАБЛИЦА 1.3

Iобр, мА

Uобр, В

6. Снять характеристику включения тиристора Uвкл(Iу). Для этого переключателем подключить тиристор, регуляторы R1, R2 установить в крайние левые положения. Регулируя анодное напряжение от 0 до 12 В ступенями через 2 В и медленно увеличивая ток управления Iу до момента включения тиристора, зафиксировать и записать в табл.1.4 значения тока управления. Построить характеристику включения тиристора Uвкл(Iу).

7.Снять характеристику прямой передачи тока тиристора Iпр(Iу): потенциометром R1 установить ток Iу=0, а потенциометром R2 - напряжение Uпр=8В, затем увеличивать ток управления до момента включения тиристора, записать значения Iу, Iпр. Увеличивая далее Iу до 10 мА, убедиться в постоянстве анодного тока. Построить график Iпр(Iу).

8.Снять вольтамперную характеристику тиристора Iпр(Uпр), установив ток управления, при которором открывается тиристор (см. п.6). Результаты измерений представить таблицей 1.5. Построить ВАХ тиристора.

ТАБЛИЦА1.5

Iпр, мА

Uпр, В

9. Проверить экспериментом ответы на вопросы предварительного задания

(варианты 1,3,5...8).

179

Содержание отчета

Цель работы; ответ на вопрос предварительного задания; схема исследований (рис.1.5); таблицы измерений; ВАХ выпрямительного диода, стабилитрона и тиристора; характеристики включения Uвкл(Iу) и прямой передачи Iпр(Iу) тиристора; сравнение прямых падений напряжений на диоде, стабилитроне и тиристоре; выводы о возможном практическом использовании выпрямительных диодов, стабилитронов и тиристоров.

Контрольные вопросы

1.Что представляет собой собственная и примесная электропроводности?

2.Что такое n-p-переход и как объяснить его вентильные свойства? 3. Чем обусловлена контактная разность потенциалов n-p-перехода? 4. Охарактеризуйте состояния n-p-перехода при прямом и обратном включении?

5.Поясните графики ВАХ диода и стабилитрона. Как влияет температура на ВАХ? 6. Каковы основные параметры диода, стабилитрона? 7. Поясните устройство и принцип работы тиристора, вид его ВАХ? 8. Каково влияние тока управления на работу тиристора? 9. Что такое динистор, тринистор, однооперационный и двухоперационный (запираемый) тиристоры? 10. Каковы основные параметры и характеристики тиристора? 11. Приведите примеры использования диодов, cтабилитронов, тиристоров.

180