КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 4. Электроника

393

-тактовая частота, определяющая максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ. Тактовая частота МП может составлять от сотен килогерц до нескольких гигагерц;

-разрядность, то есть максимальное число одновременно обрабаты- ваемых двоичных разрядов. От разрядности зависят производительность МП

имаксимальный объем его внутренней памяти.

Разрядность МП обозначается m / n / k и включает:

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

n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информа-

ции;

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

- архитектура. Понятие архитектуры микропроцессора включает в се- бя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполне- ния команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микро- процессора, принципы и режимы его работы.

Все МП можно разделить на две большие группы: универсальные МП и однокристальные микроконтроллеры (МК).

Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями на время выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко извес- тен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда

Pentium, Core 2, Intel Core i7 фирмы Intel и МП семейства Athlon, Turion фир- мы AMD.

Универсальные микропроцессоры принято разделять на CISC - и RISC- микропроцессоры.

CISC-микропроцессоры (Completed Instruction Set Computing - вычис-

ления с полной системой команд) имеют в своем составе весь классический набор команд с широко развитыми режимами адресации операндов. Именно к этому классу относятся, например, МП для персональных компьютеров.

Вто же время RISC-микропроцессоры (Reduced instruction set computing

-вычисления с сокращенной системой команд) используют, как следует из определения, уменьшенное количество команд и режимов адресации. Поэто- му такие МП имеют несколько большее быстродействие при одинаковой так- товой частоте.

Архитектура типичного МП показана на рисунке 3. Она содержит 5 ос- новных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управ- ляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входя-

394

щие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.

Рисунок 3 - Архитектура типового микропроцессора

Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой систе- мы с помощью шины управления. Помимо шины управления имеется 16- разрядная адресная шина, которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной ши- не или шине данных осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может по- сылать информацию в память или к одному из портов вывода, а также полу- чать информацию из памяти или от одного из портов ввода.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в МП содержит некото- рую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства. Это программы пользова- теля.

395

Универсальные микропроцессоры не являются самодостаточными уст- ройствами, и для построения вычислительной системы требуют подключения ряда дополнительных микросхем (память, контроллеры, порты).

Однокристальные микроконтроллеры (МК) предназначены для ис-

пользования в системах промышленной и бытовой автоматики. Они пред- ставляют собой большие интегральные схемы, которые включают в себя все устройства необходимые для реализации цифровой системы управления ми- нимальной конфигурации.

На рисунке 4 изображена структурная схема типичного современного микроконтроллера.

7-сегментный Кнопка Светодиод индикатор

Электродвигатель

Рисунок 4 – Структура современного МК

В состав таких МК входят: МП (как правило, целочисленный); ЗУ ко- манд; ЗУ данных; генератор тактовых сигналов; программируемые устройст- ва для связи с внешней средой (контроллер прерывания, таймеры-счетчики,

396

разнообразные порты ввода/вывода); иногда аналого-цифровые и цифро- аналоговые преобразователи и т. д. В некоторых источниках этот класс мик- ропроцессоров называется однокристальными микро-ЭВМ (ОМЭВМ). Мы будем называть – микроконтроллеры.

В настоящее время две трети всех производимых микропроцессорных БИС в мире составляют МП этого класса, причем почти две трети из них име- ет разрядность, не превышающую, 16 бит.

Из рисунка видно, что микроконтроллер может управлять различными устройствами и принимать от них данные при минимуме дополнительных уз- лов, так как большое число периферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле микроконтроллера. Это позволяет уменьшить размеры конст- рукции и снизить потребление энергии от источника питания.

Для сравнения: при использовании традиционных микропроцессоров приходится все необходимые схемы сопряжения с другими устройствами реализовывать на дополнительных компонентах, что увеличивает массу, раз- меры и потребление электроэнергии.

Процессоры цифровой обработки сигналов (ПЦОС), или цифровые сиг-

нальные процессоры, представляют собой бурно развивающийся класс мик- ропроцессоров. Они предназначенных для решения задач цифровой обработ- ки сигналов - обработки звуковых сигналов, изображений, распознавания об- разов и т. д. ПЦОС включают в себя многие черты однокристальных МК: гар- вардскую архитектуру, встроенную память команд и данных, развитые воз- можности работы с внешними устройствами. В то же время в них присутст- вуют черты и универсальных МП, особенно с RISC-архитектурой: конвейер- ная организация работы, программные и аппаратные средства для выполне- ния операций с плавающей запятой, аппаратная поддержка сложных специа- лизированных вычислений, особенно умножения.

Рассмотрим типичные схемы, присутствующие в микроконтроллерах, см. рисунок 4.

1.Центральное процессорное устройство (ЦПУ) — сердце микрокон- троллера. Оно принимает из памяти программ коды команд, декодирует их и выполняет. ЦПУ состоит из регистров, арифметико-логического устройства (АЛУ) и цепей управления.

2.Память программ – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Здесь хранятся коды команд, последовательность которых формирует про- грамму для микроконтроллера.

3.Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Здесь хранятся пере- менные программ. У большинства микроконтроллеров здесь расположен также стек.

4.Тактовый генератор. Этот генератор определяет скорость работы микроконтроллера.

397

5.Цепь сброса. Эта цепь служит для правильного запуска микрокон- троллера.

6.Последовательный порт - позволяет обмениваться данными с внеш- ними устройствами при малом количестве проводов.

7.Цифровой порт ввода/вывода. По сравнению с последовательным портом с помощью этого порта, можно управлять одновременно несколькими внешними устройствами.

8.Таймер реального времени. Используется для отсчета временных ин- тервалов.

9.Сторожевой таймер. Это специальный таймер, предназначенный для предотвращения сбоев программы. Он работает следующим образом: после запуска он начинает отсчет заданного временного интервала. Если программа не перезапустит его до истечения этого интервала времени, сторожевой тай- мер перезапустит микроконтроллер. Таким образом, программа должна да- вать сторожевому таймеру сигнал — все в порядке. Если она этого не сделала, значит, по какой-либо причине произошел сбой.

Кроме того, в современных МК зачастую имеются и другие элементы. Например, встроенные аналого-цифровые или цифроаналоговые преобразо- ватели, усилители, выходные радиопередатчики для связи с внешними уст- ройствами по радиоканалу и д.р.

В качестве примера рассмотрим основные характеристики МК семей- ства AVR. Это новое семейство 8-разрядных RISC-микроконтроллеров фир- мы Atmel. Эти микроконтроллеры позволяют решать множество задач встро- енных систем. Они отличаются от других распространенных в настоящее время микроконтроллеров большей скоростью работы, большей универсаль- ностью. Быстродействие данных микроконтроллеров позволяет в ряде случа- ев применять их в устройствах, для реализации которых ранее можно было применять только 16-разрядные микроконтроллеры, что позволяет ощутимо удешевить готовую систему. Кроме того, микроконтроллеры AVR очень лег- ко программируются — простейший программатор можно изготовить само- стоятельно буквально в течение 30 минут!

Микроконтроллеры AVR фирмы Atmel и обладают следующими ос- новными характеристиками:

- гарвардская RISC-архитектура загрузки и выполнения большинства инструкций в течение одного цикла тактового генератора. При этом достига- ется скорость работы примерно 1 Мфлопс (1 миллион операций в секунду) на МГц. Частота тактового генератора многих типов микроконтроллеров AVR может достигать 10... 16 МГц (10... 16 Мфлопс);

Таким образом, если использован кварцевый резонатор с частотой 16 МГц, микроконтроллер будет работать с быстродействием почти 16 Мфлопс;

399

Рисунок 5 – Классификация ЦАП

Последовательные ЦАП

Среди последовательных ЦАП следует выделить ЦАП с широтно- импульсной модуляцией. Такие ЦАП широко используются в современ- ных МК. Они ценны тем, что крайне просто реализуются.

В данных ЦАП используется цифровой входной код, для формиро- вания последовательности импульсов фиксированной частоты с длитель- ностью импульсов, пропорциональной входному числу.

Данный принцип весьма перспективен в случае, если не требуется высокое быстродействие. Схема ЦАП с ШИМ приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – ЦАП с ШИМ: а – функциональная схема; б – график работы

Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно- импульсного преобразования (например, AT90S8515 фирмы Atmel или 87С51GB фирмы Intel). Выход МК с ШИМ управляет ключом S. В зави- симости от заданной разрядности преобразования (для контроллера AT90S8515 возможны режимы 8, 9 и 10 бит) контроллер с помощью сво- его таймера/счетчика формирует последовательность импульсов U1 , отно- сительная длительность которых γ = tиT определяется соотношением

где п – разрядность преобразования;

401

Ключи S переключаются при уровне логической 1, тем самым под- ключая резисторы к источнику опорного напряжения (ИОН) Uвх = соnst . Через резисторы протекает соответствующий весу разряда ток. Сопротив- ление резисторов прогрессивно изменяется в два раза от разряда к разряду.

При высокой разрядности сопротивления резисторов должны быть согласованы с высокой точностью. Особо жесткие требования предъявля- ются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс тока в них не должен превышать тока младшего разряда. Вообще же, разброс сопротив- ления в n-м разряде должен быть меньше, чем:

Отсюда следует, что разброс сопротивления, к примеру, в третьем разряде не должен превышать 12,5%, в 10-м разряде - уже 0,098%.

Такая схема имеет много недостатков, хотя весьма проста. К приме- ру, при различных входных кодовых состояниях потребляемый от источ- ника опорного напряжения (ИОН) ток будет также различным, что, несо- мненно, повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Это приведет к возникновению ошибки преобразования.

Кроме того, сопротивления весовых резисторов могут отличаться в тысячи раз, а это затрудняет реализацию таких элементов на базе полупро- водниковых ИС. Помимо этого, сопротивления резисторов старших разря- дов могут быть соизмеримы с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешностям преобразования. И еще, в разомкнутом состоя- нии к ключам прикладывается довольно высокое напряжение, а это за- трудняет их построение.

Существует резисторная структура, в которой устранены указанные выше недостатки. Она называется цепная R-2R-схема. Здесь требуются только 2 значения резисторов, по которым схема формирует токи с двоич- ным масштабированием. Резисторы, конечно, должны быть точно подоб- раны, хотя действительные их величины не так существенны. Для двоич- но-десятичного преобразования используется несколько модификаций R- 2R-схем. На рисунке 8 приведена схема ЦАП с резистивной матрицей.

Данная схема впервые реализована в схеме ЦАП AD7520, разрабо- танном фирмой Analog Devices в 1973 г. Отечественным аналогом является ИС 572ПА1. В настоящее время по этой схеме строят большинство ЦАП.

Поскольку ключи S соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной питания, источник опорного напряжения работает на постоянную нагрузку, следовательно, его значение стабильно и не изменяется при лю- бом входном коде ЦАП, в отличие от предыдущей схемы.

Кроме того, резисторы матрицы соединяются с общей шиной через низкое сопротивление замкнутых ключей S, напряжения на ключах не- большие (в пределах нескольких милливольт), что значительно упрощает

402

построение ключей и схем управления ими, и позволяет использовать опорное напряжение в широком диапазоне даже разнополярное.

RR

Uвх

Рисунок 8 - Последовательная схема суммирования токов

В качестве ключей используются МОП-транзисторы.

Поскольку выходной ток в таком преобразователе изменяется ли- нейно, то имеется возможность умножения аналогового сигнала на цифро- вой код, если вместо опорного напряжения Uвх использовать аналоговый сигнал. Такие ЦАП называются перемножающими.

Примером применения перемножающего ЦАП может служить циф- ровые регуляторы громкости в радиоаппаратуре. В них вместо опорного напряжения подается входной сигнал.

Для последовательной схемы требования к точности резисторов на- много меньше, чем для параллельной схемы.

Быстродействие данных ЦАП не очень велико из-за ограниченного быстродействия МОП ключей.

Помимо вышерассмотренных схем существуют ЦАП на источниках тока, обладающие более высокой точностью. В таких ЦАП весовые токи формируются не резисторами, а транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. Примером может слу- жить отечественный ЦАП 594ПА1.

4.9.3 Аналогово-цифровые преобразователи. Устройство и принцип действия

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преоб-

разования аналоговой величины в цифровой код. Другими словами, АЦП - это устройства, которые принимают аналоговые сигналы и генерируют соот- ветствующие им цифровые.

Это играет важную роль в тех случаях, когда компьютер или про- цессор регистрируют или контролируют ход эксперимента или технологи-