Г. Я.МИРСКИЙ
МИКРОПРОЦЕССОРЫ
В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРИБОРАХ

Г.Я.МИРСКИИ
МИКРОПРОЦЕССОРЫ
В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРИБОРАХ
Е
МОСКВА
«РАДИО И СВЯЗЬ»
1984
s

ББК 31.22
М63
УДК 621.317:681.3.62:621.3.049
Мирский Г. Я.
М63 Микропроцессоры в измерительных приборах. — М.:
Радио и связь, 1984. — 160 с, ил.
35 к.
Книга знакомит с принципами построения, работой микропроцессоров и
микропроцессорных систем, применением их в электронных измерительных
приборах общего назначения: цифровых измерителях интервалов времени,
частотомерах, вольтметрах осциллографах; раскрывает преимущества и новые
возможности приборов, содержащих микропроцессоры; освещает методы и
средства тестирования микропроцессорных систем; дает представление об
интерфейсах измерительных систем.
Для широкого круга читателей.
^2401000000-204 ББК 31.22
046(01 )-84 " 6Ф0.3
РЕЦЕНЗЕНТ канд. техн. наук Л А. ЛЕТНИК
Редакция литературы по электронной технике
ГРИГОРИЙ ЯКОВЛЕВИЧ МИРСКИЙ
МИКРОПРОЦЕССОРЫ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ
Редактор В. М. Ларионова
Художественный редактор Н. С. Шеин
Обложка художника В. #. Вигант
Технический редактор А. Н. Золотарева
Корректор Т. С. Власкина
ИБ № 437
Сдано в набор 24.05.84 Подписано в печать 8.0а.84
Т-15118 Формат 60x90/i6 Бумага кн.-журнальная Гарнитура литературная
Печать высокая Усл. печ. л. 10,0 Усл. кр.-отт. 10,375 Уч.-изд. л. 11,71
Тираж 70 000 экз. Изд. № 20216 Зак. № 54 Цена 35 к.
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693
Московская типография № 5 ВГО «Союзучетиздат»
101000 Москва, ул. Кирова, д. 40
© Издательство «Радио и связь», 1984

ПРЕДИСЛОВИЕ
Есть вещи, без которых трудно (чтобы не сказать —
невозможно) представить сегодняшнюю жизнь, хотя сравнительно недавно
человечество обходилось без них. Так, еще немногим более 100
лет назад люди жили без телефона, а сейчас лиши нас его —
кажется, все осложнится до предела. Всего 30 лет назад
искусственные спутники Земли и космические лаборатории казались уделом
писателей-фантастов; в наши дни без этих летательных аппаратов
немыслимы точные прогнозы погоды, связь между континентами,
осуществление ряда тонких технологических процессов,
получение материалов, обладающих особыми свойствами. Современный
юноша, смотрящий по телевизору повтор «острого» эпизода
футбольного или хоккейного матча, воспринимает такую техническую
возможность как нечто обыденное, не задумываясь, что в начале
50-х годов нашего столетия видеозапись — это замечательное
проявление инженерной мысли — была лишь предметом творческих
устремлений специалистов многих стран.
Нелегко поверить, что до 1971 г. человечество не знало
микропроцессора — самого выдающегося достижения электроники
после изобретения транзистора. А сегодня микропроцессоры прочно
вошли в нашу жизнь, и буквально с каждым днем открываются
вс^е новые и новые возможности их применения. Сейчас уже
трудно назвать такие области техники или научных исследований, в
которых бы не использовались микропроцессоры.
По широте и эффективности применения микропроцессоров
одно из первых мест занимает контрольно-измерительная техника.
Все нарастающее распространение они получают в системах
управления, технике связи, радиотехнике, электронике, медицинской
диагностической и лечебной аппаратуре, сфере обслуживания и
даже в детских игрушках. Само собой разумеется, что
микропроцессоры, разработки которых становятся все более
разнообразными, а производство непрерывно растет, служат основой
создания новых поколений электронных вычислительных машин
(микро-ЭВМ).
В научно-технической литературе, в проспектах известных
фирм, на страницах газет приводятся утверждения авторитетных
ученых и инженеров, что микропроцессоры определяют и будут
определять на ближайшие десятилетия передовые рубежи
техники, ускорение научно-технического прогресса.
Микропроцессорные системы стали органической частью
электронных измерительных приборов, применяемых для измерения
многочисленных и разнообразных параметров электрических
сигналов, а также характеристик неэлектрических физических
величин.
Проникновение микропроцессоров в измерительную технику во
много раз повысило точность приборов, значительно расширило их
функциональные возможности^ упростило управление работой, по-
3

высило надежность, быстродействие, открыло пути решения
задач, которые ранее вообще не решались. Трудно переоценить
значение микропроцессоров для создания
измерительно-вычислительных комплексов — автоматизированных средств измерений,
предназначенных для исследования, контроля и испытаний сложных
объектов.
Основное назначение данной книги, написанной в популярной
(но не элементарной) форме, — ознакомить широкий круг
читателей с началами микропроцессорной техники, с открываемыми
микропроцессорами возможностями в измерительной технике и
структурами современных измерительных приборов, интерфейсами для
измерительных систем, задачами и методами контроля устройств,
содержащих микропроцессоры. Но не только в этом. Не менее
важной представляется попытка способствовать формированию у
читателей объективного отношения к приборам, выполняемым на
основе микропроцессора. С этой целью рассказу о трех наиболее
распространенных разновидностях электронных измерительных
приборов общего назначения, содержащих микропроцессоры, —
цифровых вольтметрах, частотомерах,
осциллографах—предшествует освещение вопросов о том, что дает применение
микропроцессоров в измерительных приборах и что осложняет, ограничивает
использование микропроцессоров.
Особо нужно остановиться на мотивах, побудивших посвятить
первую главу книги началам микропроцессорной техники. По
микропроцессорам и микропроцессорным системам издано немало
хороших книг — отечественных и переводных. Автор, естественно,
не задавался целью написать о микропроцессорах лучше или, тем
более, строже и полнее. Он стремился лишь изложить тему в
отведенном небольшом объеме так, чтобы широкий круг читателей
получил возможность первого знакомства с основными идеями,
принципами и терминологией микропроцессорной техники,
необходимыми для понимания последующих глав книги. Разумеется, что
для более глубокого проникновения в микропроцессорную тему
необходимо изучение источников, освещающих ее основательнее и
шире (часть из них указана в списке литературы). В равной
степени сказанное относится к главе, посвященной интерфейсам
для измерительных систем.
Рукопись книги внимательно прочитал канд. техн. наук доцент
Л. А. Летник. Его ценные замечания и рекомендации,
способствовавшие улучшению книги, приняты с признательностью.
Предлагаемая вниманию читателей книга открывает тему.
Поэтому автор отчетливо представляет, что освещение отдельных
вопросов могло получиться недостаточно полным. Он надеется на
снисходительность читателя. Автор будет глубоко признателен
всем, кто найдет время, чтобы прислать отзыв о том, в какой
мере книга оказалась полезной, и свои предложения в адрес
издательства «Радио и связь»: 101000 Москва, Почтамт, а/я 693.

Глава первая.
ВВЕДЕНИЕ В МИКРОПРОЦЕССОРНУЮ ТЕХНИКУ
1.1. СНАЧАЛА НЕМНОГО ОБ ЭВМ И ЕЕ РАБОТЕ
По-видимому, у читателя, еще не знакомого с микропроцессором, возникает
вопрос: «Что это такое?» И хотя слово «микропроцессор» часто встречается в
статьях и книгах, газетах и журналах, само по себе это обстоятельство
ответа на поставленный вопрос не дает.
Однако прежде, чем определить, что такое микропроцессор, необходимо
поговорить, хотя бы кратко, об электронной вычислительной машине (ЭВМ).
Общая характеристика устройства. Образно говоря, ЭВМ — это «фабрика»
по переработке информации. В нее вводят «глыбы» разнообразной
информации: совокупность результатов наблюдений (единичных измерений), данные,
передаваемые по системам связи, сводки для статистических отсчетов,
математические формулы, числа для расчетов, тексты для перевода на другой язык,
сведения, используемые при составлении расписаний движения поездов и
самолетов, и т. п. Все эти данные обрабатываются в ЭВМ, и из нее выводится
упорядоченная информация — как бы аккуратно уложенные пакеты сжатой
информации: результат измерения, полученный после обработки множества
результатов наблюдений, таблицы, графики, сводки, оформленное расписание,
итоги расчета.
Итак, в ЭВМ вводится исходная, а выводится обработанная информация,
представленная в виде последовательности чисел, таблиц, графиков, текста.
Следовательно, ЭВМ — устройство
обработки информации.
Но это — внешняя сторона. Если
же окинуть ЭВМ взглядом «изнутри»,
поинтересоваться ее устройством, то
выяснится, что структура ЭВМ может
быть представлена четырьмя
основными узлами, изображенными на рис. 1.1.
Охарактеризуем их.
Арифметическо-логическое
устройство (АЛУ) предназначено для
выполнения арифметических и
логических операций. К арифметическим
относятся операции сложения, вычи- Рис. 1.1

тания, умножения и деления чисел. Основные логические операции, используемые
в ЭВМ управления и счета: логическое умножение (иначе называемое
конъюнкцией, операцией И), логическое сложение (дизъюнкция, операция ИЛИ),
логическое отрицание (инверсия, операция НЕ). Помимо перечисленных основных
логических операций в ЭВМ выполняются также операция И-НЕ (штирх Шеф-
фера), операция ИЛ И-НЕ (стрелка Пирса), операция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
(логическая неравнозначность), называемая обычно СЛОЖЕНИЕМ ПО
МОДУЛЮ 2, и др.
Управляющее устройство (УУ) осуществляет управление работой всех
остальных узлов, а также потоками информации внутри ЭВМ. Действия УУ
определяются командами. Совокупность команд, которые должны быть выполнены
для решения даной задачи, называется программой.
Запоминающее устройство (ЗУ), или память, ЭВМ служит для хранения
программ и обрабатываемой информации — данных. Память состоит из
блоков одинакового размера, называемых ячейками. Каждая ячейка, в свою
очередь, состоит из элементов памяти. Один элемент может хранить только одну
двоичную цифру: 1 или 0. Совокупность единиц и нулей, заполняющих ячейку,
называют содержимым ячейки памяти. Чтобы ввести число в ячейку или
извлечь ее содержимое, необходимо указать адрес этой ячейки.
Периферийные устройства — это устройства ввода и вывода (УВВ)
информации, которые выполняют функции считывания данных с перфоленты или
другого носителя, преобразования их к форме, требуемой для ввода в ЭВМ
(форме, «понятной» машине), а также фиксации результатов обработки
информации, т. е. отображения их в виде чисел, текста или графика на экране
дисплея, печатания с помощью телетайпа, запоминания и т. п. Напомним, что
дисплей — это устройство отображения информации, выполняемое на основе
электронно-лучевой трубки, газоразрядых панелей, жидких кристаллов и т. п.
Тесная связь между АЛУ и УУ позволяет рассматривать их как единое
целое, называемое центральным процессором, или сокращенно, просто
процессором (от англ. to process — обрабатывать). Таким образом, процессор — это
устройство ЭВМ, осуществляющее автоматическую обработку информации в
соответствии с заданной программой.
Краткое описание работы ЭВМ. Исходные данные и программа решения
конкретной задачи, подготовленные человеком, вводятся в ЗУ ЭВМ через
устройство ввода. Процедура автоматического решения задачи (обработки
данных) включает ряд рабочих циклов, которые повторяются до тех пор, пока не
будет выполнена вся совокупность команд программы. Каждая команда, как
правило, состоит из кода операции и адреса, т. е. сообщает, какую нужно
выполнить операцию, и указывает место в памяти, где расположены данные,
подлежащие обработке. За время рабочего цикла производятся выборка из
запоминающего устройства очередной команды, введение ее в процессор,
определение вида операции и чисел, которые будут участвовать в данной операции,
извлечение этих чисел из запоминающего устройства, выполнение операции,
соответствующей ее коду в команде, засылка в запоминающее устройство и
помещение в нем результата исполненной операции. После проведения всех
операций, предусмотренных программой, машина выдает результат решения
задачи, который выводится через схему вывода на дисплей, печатающее
устройство или иной блок запоминания информации.
Системы счисления. Данные, обрабатываемые ЭВМ, представляют собой
6

числа. Одно и то же число можно выразить различными комбинациями цифр
и буквенных символов. Конкретный вид такой комбинации зависят от
выбранной системы счисления.
Напомним, что любое целое число N можно представить в виде
где число А— основание системы; а — разрядные коэффициенты; п — количество
разрядов числа N. Для формальной записи числа N используют только
разрядные коэффициенты, т. е.
причем в индексе приводится помещенное в скобки основание системы.
Подобная запись характерна для позиционной оистемы счисления, так как
в этой записи значение каждой цифры зависит от места, позиции, которую эта
цифра занимает. Позиционные системы счисления различают в зависимости от
их основания. В наиболее привычной для нас десятичной системе счисления
Л=10, т. е. основанием системы служит число 10, и алфавит системы
состоит из десяти цифр (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9). Например, представив число
7314(10) суммой 7314=7-103+3-102+1-1044-10°, найдем, что разрядные
коэффициенты соответственно равны: а3=7; а2=3; а{ = \\ а0=4.
При вычислениях, проводимых в ЭВМ, используется двоичная система.
Для нее А=2, и алфавит системы образуют две цифры: 0 и 1. Следовательно,
в этой системе счисления л-разрядное число N имеет вид
где а может принимать только два значения: либо 0, либо 1. Например,
число 21(ю) в двоичной системе запишется так: 10101 (2).
Помимо основной двоичной системы счисления в вычислительной технике
применяют также восьмеричную и шестнадцатеричную системы — не для
проведения вычислений, а для сокращения записи двоичных чисел.
Алфавит восьмеричной системы содержит цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
Основание системы Л=8. Так, числу 542(8)='5-82+4*81 + 2-80 в десятичной
системе соответствует число 354(ю), а в двоичной системе — число 101100010(2).
Шестнадцатеричная позиционная система наиболее удобна при
представлении больших чисел, так как записи' получаются короткими. Основание
системы А=16, а ее алфавит состоит из десяти цифр от 0 до 9 (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,
7, 8, 9) и шести латинских букв (Л, В, С, D, ?, F), причем буквы Л, В, С,
D, E, F соответствуют числам 10, 11, 12, 13, 14, 15 десятичной системы
счисления. Например, число 1101010110110010(2), которому в десятичной системе
соответствует число 54706(Ю), в шестнадцатеричной системе запишется в виде
?5Д2(16).
Для представления в ЭВМ десятичных цифр от 0 до 9 с помощью цифр
двоичного алфавита служит двоично-десятичный код (в литературе на
английском языке BCD — аббревиатура слов Binary Coded Decimal), иногда
называемый двоично-кодированной десятичной системой (ДКДС). В этом коде
каждая цифра десятичной системы счисления заменяется эквивалентным
четырехразрядным двоичным числом. Например, цифре 3(ю) соответствует в ДКДС
число ООП, цифре 7(ю) —число 0111 и т. д.
Числа можно переводить из одной системы счисления в любую другую
позиционную систему. Правила перевода содержатся в книгах по основам
вычислительной техники, например в [48].
7

Здесь отметим лишь, что для перевода числа из двоичной системы в
восьмеричную его разбивают на триады (трехразрядные двоичные числа) справа
налево и заменяют каждую триаду эквивалентной цифрой восьмеричного
алфавита (если при образовании последней триады не хватает двоичных цифр,
то слева добавляют необходимое количество нулей). Пример:
1110100010101(2)-*001 ПО 100 010 101
1 Т 4 Т "sjg)
Аналогичным путем переводится двоичное число в число шестнадцатерич-
ной системы, но с тем отличием, что переводимое число разбивают на
тетрады (четырехразрядные двоичные числа) и заменяют каждую тетраду
эквивалентной цифрой или буквой шестнадцатеричного алфавита (если при
образовании последней тетрады не хватает двоичных цифр, то слева добавляют
необходимое количество нулей).
Пример:
1111011011100011-^ 1111 ОНО 1110 ООП
F 6 Е "^ТТб)
Формы представления чисел. В ЭВМ используются две формы:
естественная и нормальная. При естественной форме, иначе называемой формой с
фиксированной запятой, числа вводятся в виде целой и дробной частей,
разделенных запятой (точкой). Положение последней строго фиксировано: запятая
находится либо (Перед цифрой старшего разряда, либо после цифры младшего
разряда. Первый вариант относятся к представлению чисел, которые по
модулю (без учета знака) меньше единицы, второй вариант представления
распространяется только на целые числа. Порядковые номера разрядов идут
слева направо, начиная с нулевого. Его называют знаковым разрядом,
и в этом разряде 0 соответствует знаку плюс, а 1 — знаку минус.
Нормальная или полулогарифмическая форма, иначе называемая формой
с плавающей запятой, предполагает ввод чисел в полулогарифмическом виде —
число состоит из двух частей: мантиссы числа, обозначаемой буквой т, и
порядка числа, который обозначается буквой р, причем |т|<1, а р — всегда
целое. Положение запятой в числе зависит от порядка р (отсюда и название
формы — с плавающей запятой). Например, одно и то же десятичное число
можно представить в таких вариантах:
0,81756423.10» р = 0;
8,17564230.10-* р=—1 ;
0,08175642-10* р= + 1.
Когда в мантиссе перед запятой стоит нуль, а после запятой — цифра,
отличная от нуля, то такую форму называют нормализованной.
Действия над числами, представленными в нормальной форме, сложнее, чем
над числами с фиксированной запятой. Но зато форма «с плавающей запятой»
позволяет охватить очень широкий диапазон чисел.
Арифметические операции. Машина «понимает» только язык двоичных
чисел. Поэтому арифметические операции производятся с числами в двоичной
системе счисления. С сущностью таких операций читатель, испытывающий в этом
необходимость, может ознакомиться по книгам, излагающим основы
вычислительной техники, например [48].
8

1.2. ЧТО ТАКОЕ БИТ, СЛОВО, БАЙТ?
В вычислительной технике вообще и микропроцессорной технике в
частности, имеющими дело с числами, широко используются такие термины, как
«бит», «слово», «байт». Дадим соответствующие определения.
Бит (от англ. binary digit — двоичный разряд)—это разряд двоичного
числа: 0 или 1. Так, 0101—четырехбитовое двоичное число, причем крайняя
левая цифра представляет старший разряд данного числа, а крайняя правая —
младший разряд. Напомним, что четырехбитовое двоичное число называется
тетрадой, а трехбитовое — триадой.
Слово—законченная последовательность символов (нулей и единиц)
определенной длины или сигналов, представляющих эти символы.
Машинное слово — специальная последовательность нулей и единиц,
которая может быть црочитана или интерпретирована ЭВМ данного типа. Ина*
че говоря, машинное слово — это группа битов, которую обрабатывает ЭВМ за
один шаг.
В общем случае слово имеет переменную длину. Число двоичных
разрядов (битов) в слове может находиться в пределах l^z^n. Величина п
зависит от технических возможностей ЭВМ. Обычно под длиной машинного слова
понимают число битов, хранимых в одном регистре ЭВМ.
В технике больших ЭВМ иногда словом называют последовательность из
32 бит, полусловом — из 16 бит и двойным словом — из 64 бит. Для
микропроцессорной техники основополагающим является байт. По отношению к
нему определяется формат данных.
Байт (от англ. byte) — восьмибитовое слово, рассматриваемое как
единица для обмена цифровой информацией между устройствами микропроцессорной
системы. Отсюда происходит выражение «побайтовая обработка». В
микропроцессорной технике принято длину слова, формат данных конкретной микронЭВМ
измерять числом байтов (рис. 1.2). Также в байтах часто выражают емкость
запоминающих устройств.
1.3. МИКРОПРОЦЕССОР, МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ КОМПЛЕКТ,
МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА
После того, как мы выяснили, что называют процессором ЭВМ, несложно
дать определение микропроцессора.
Микропроцессор — это процессор, выполненный в виде одной или
нескольких больших интегральных схем (БИС). Приставка «микро» к слову
«процессор» подчеркивает миниатюризацию процессора в результате высокой степени
интеграции образующих его схем. Таким образом, микропроцессор цредстав-
&
Рис. 1.2

ляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из одной или нескольких
программно-управляемых БИС и выполняющий функции автоматической
обработки цифровой информации. Его миниатюрные габаритные размеры и
незначительная масса, малое потребление энергии открыли возможность введения
микропроцессора непосредственно в электронную схему измерительного
прибора, средств управления и других устройств. Микропроцессор намного
дешевле, более экономичен и надежен в работе, чем обычный процессор,
построенный из набора интегральных схем малого и среднего уровней интеграции.
Так как микропроцессор — это универсальная БИС с программируемой
логикой работы, то он заменил многие типы интегральных схем с жесткой,
фиксированной логикой. Изменением программы достигается возможность решения
с помощью микропроцессора множества разнообразных задач.
Необходимо подчеркнуть, что микропроцессор рассчитан на совместную
работу с запоминающими устройствами и устройствами ввода-вывода
информации. В зависимости от функциональных возможностей микропроцессоры делят
на универсальные и специализированные.
Под универсальным микропроцессором (называемым иначе
микропроцессором общего назначения) понимают микропроцессор, которому
присущи все особенности центрального процессора. Такие микропроцессоры служат
основой микро-ЭВМ, используются для решения широкого круга задач в
системах управления, измерительных приборах, диагностических устройствах
и т. п.
Специализированный микропроцессор рассчитан на узкое
применение, решение конкретной задачи и оптимизирован по определенному
параметру. Так, специализированный матричный перемножитель (его называют
также арифметическим расширителем) решает только одну задачу —
умножение двух чисел, но выполняет эту процедуру во много раз быстрее, чем
универсальный микропроцессор.
Микропроцессорный комплект или набор — это совокупность специально
разработанных отдельных микропроцессорных и других интегральных схем,
которые совместимы по своим конструктивно-технологическим данным: могут
быть собраны в единое целое. Они предназначены для совместной работы в
микро-ЭВМ, микропроцессорных системах, микроконтроллерах и т. п. Обычно в
комплект входят БИС микропроцессора, запоминающих устройств,
ввода-вывода информации, микропрограммного управления и др.
Микропроцессорная система — это собранная в единое целое совокупность
взаимодействующих БИС микропроцессорного комплекта — модулей (иногда
дополненная БИС из других комплектов), организованная в работающую
систему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в
качестве узла обработки информации. Система, в которой используются два или
более микропроцессоров, называется мультимикропроцессорной
системой.
Помимо рассмотренных понятий микропроцессора, микропроцессорного
комплекта и микропроцессорной системы приведем еще определения микро-ЭВМ и
микроконтроллера.
Микро-ЭВМ — это конструктивно законченное вычислительное устройство,
построенное на основе микропроцессорного комплекта БИС или модулей в
отдельном корпусе и имеющее свой источник питания, пульт управления, узлывво-
10

да-вывода информации, что позволяет использовать его в качестве автономного,
независимо работающего устройства со своим программным обеспечением.
На практике нередко применяют функциональный блок, содержащий
микропроцессорный комплект и оформленный конструктивно в виде платы. Он
может выполнять роль микро-ЭВМ, встраиваемой в измерительный прибор или
другую аппаратуру (без источника питания, корпуса, пульта управления,
периферийных узлов), но не могущей работать как самостоятельное, автономное
устройство. Такой блок, выполняющий функции управления, называют
микроконтроллером. Иногда для сокращения его называют просто контроллером. Он
может быть програмхмируемым и непрограммируемым. Контроллеры для
измерительных систем выпускают и в виде автономных устройств (см. § 3.5).
1.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
Свойства микропроцессоров могут быть описаны многими
характеристиками. К основным из них, которыми пользуются при сопоставлении и выборе
микропроцессоров, можно отнести:
1. Вид микропроцессора (универсальный или специализированный,
однокристальный или многокристальный).
2. Технология изготовления: р-канальная МОП (р-МОП), я-канальная МОП
(я-МОП), комплементарная МОП (/(МОП), кремний на сапфире, биполярная
ТТЛ, ТТЛ с диодами Шотки (ТТЛДШ), инжекционной интегральной логики
(И2Л), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Информация о технологии
изготовления дает представление о потреблении энергии и среднем быстродействии
микропроцессора.
3. Разрядность (4; 8; 16; 32)—длина информационного слова, которое
может быть одновременно обработано микропроцессором. Она может быть
фиксированной или наращиваемой (у многокристальных микропроцессоров).
4. Емкость адресуемой памяти. Характеризует возможности
микропроцессора по взаимодействию с запоминающим устройством (смысл выражения
«адресуемая память» поясняется на с. 23).
5. Принцип управления: программное управление с «жесткой логикой»,
микропрограммное управление (хранимая в памяти логика).
6. Быстродействие. В справочниках наиболее часто его характеризуют
продолжительностью выполнения одной операции (или числом операций «регистр-
регистр» в секунду), а также тактовой частотой продолжительностью цикла
простой команды. Эти косвенные характеристики рассматриваются на с. 57
7. Мощность потребления.
8. Питающие напряжения (число уровней, номиналы).
9. Конструктивные данные: габаритные размеры корпуса, число выводов.
10. Условия эксплуатации (интервал рабочих температур, относительная
влажность воздуха, допускаемые вибрационные нагрузки и т. п.).
11. Надежность.
12. Стоимость.
Рассматривая характеристики, необходимо коснуться вопроса о поколениях
микропроцессоров. В первые годы развития микропроцессоров в литературе
различали их поколения. Однако теперь такая классификация практически не
имеет смысла. Дело в том, что понятие поколений для микропроцессоров
носит совсем иной характер, чем для больших машин. У ЭВМ каждое новое
11

поколение имело более высокие основные технико-экономические
характеристики по отношению к предыдущему поколению и поэтому вытесняло его. В
микропроцессорной технике появление новой разработки не исключает применения
ранее созданных микропроцессоров, а расширяет технические возможности
применения микропроцессорных систем. Различные «поколения» микропроцессоров
существуют совместно в течение продолжительного периода, часто взаимно
дополняя (а не исключая) друг друга. Есть немало примеров того, что в одном
устройстве работают два микропроцессора, моменты появления которых
разделяет несколько лет (при условной классификации — два-три поколения).
1.5. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА
Сведения общего характера. Одно из определений слова архитектура (от
греч. architekton — строитель)—это художественный характер, стиль постройки.
При таком определении вспоминаются стрельчатые своды и витражи,
характерные для готики, арочные галереи и колоннады Ренессанса, пространственный
размах, присущий барокко, причудливая орнаментация и изящество форм
стиля рококо, четкость форм и сдержанность декорума классицизма, ансамбль
народного деревянного зодчества на острове Кижи, оригинальные решения
зодчих — наших современников. Но с понятием архитектуры обычно
отождествляется и понятие архитектоника, означающее выражение закономерности
строения, органическое сочетание частей в одно стройное целое, их расположение,
композицию. Говоря об архитектуре вычислительных устройств, следует
отметить, что, хотя это понятие и условно, оно прочно вошло в «вычислительный
лексикон». Подтверждением тому служат толковые словари по вычислительной
технике и названия ряда книг, например [20].
Так что же такое архитектура микропроцессора?
Под архитектурой микропроцессора понимают принцип его внутренней
организации, общую структуру, конкретную логическую структуру
отдельных устройств, совокупность команд и взаимодействие между аппаратной
частью (устройствами, входящими в состав микропроцессора) и программой
обработки информации системой, выполненной на основе микропроцессора.
Иначе говоря, архитектуру микропроцессора определяют как совокупность его
свойств и характеристик, рассматриваемую с позиции пользователя.
Архитектуры микропроцессоров во многом сходны с архитектурами
процессоров ЭВМ, но имеют и свою специфику.
Очевидно, что для глубокого изучения архитектуры микропроцессоров не*-
обходимо охватить широкий круг вопросов. В отведенном объеме
обстоятельное изложение всего множества этих вопросов «не представляется возможным,,
да и, пожалуй, учитывая поставленную в названии главы цель — первое
знакомство с микропроцессорами, в этом нет необходимости.
Множество выпускаемых промышленностью универсальных
микропроцессоров можно разделить по конструктивному признаку на две разновидности:
однокристальные микропроцессоры с фиксированной длиной
(разрядностью) слова и определенной системой команд;
многокристальные (секционированные) микропроцессоры с
наращиваемой разрядностью слова и микропрограммным управлением (этот термив
поясняется в § 11.8). Они составляются из двух и более БИС В последнее вре-
12

мя появились и однокристальные микропроцессоры с микропрограммным
управлением.
Внутренняя логическая организация однокристальных микропроцессоров в
значительной степени подобна организации ЭВМ общего назначения. Это дает
возможность при разработке микропроцессорной системы на основе
однокристального микропроцессора опираться на методы проектирования и
использования обычных ЭВМ малой и средней производительности.
Структура многокристального микропроцессора, микропрограммное
управление позволяют достичь гибкости в его применении, улучшить характеристики
и сравнительно простыми средствами организовать распараллеливание
отдельных машинных операций, что повышает производительность ЭВМ, выполняемых
на таких микропроцессорах.
Однако, хотя возможности многокристальных микропроцессоров
существенно выше, чем однокристальных, многие прикладные задачи, в том числе
построения автоматических измерительных приборов, успешно решаются на
основе использования однокристального микропроцессора. Поэтому
ограничимся знакомством со структурой последнего.
Структура микропроцессора. Рассмотрим структуру однокристального
универсального микропроцессора, причем для определенности выберем
восьмиразрядный прибор. Как видно из приведенной на рис. 1.3 структурной схемы, в
состав микропроцессора входят арифметическо-логическое устройство,
управляющее устройство и блок внутренних регистров. Кратко охарактеризуем эти
узлы.
Арифметическо-логическое устройство (АЛУ), служащее ядром
микропроцессора, как правило, состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренно-
Рис. 1.3
13

го переноса, сдвигающего регистра и регистров для временного хранения
операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших
операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ),
логическое умножение (И), сложение по модулю 2.
Так как появились новые понятия — регистр и операнд, то поясним их,
прежде чем описывать другие узлы микропроцессора.
Регистром называется электронная схема для временного хранения
двоичной информации (машинного слова). Ее строят на триггерах, общее
число которых определяет разрядность регистра. Каждый триггер регистра
используется для ввода, хранения и вывода одного разряда (1 или 0) двоичного
числа. Разрядность регистра выбирают соответственно длине хранимого в нем
слова.
Регистры, которые служат только для ввода, хранения и вывода
двоичной информации, называют накопительными. От них отличаются
сдвигающие регистры, которые помимо выполнения указанных функций позволяют
осуществлять сдвиг двоичного числа вправо или влево (а иногда — в обоих
направлениях). Если в накопительный регистр вводят числа в параллельном
коде, т. е. одновременно во все триггеры, то ввод чисел в сдвигающий регистр
часто производят в последовательном коде, подавая последовательно один
разряд за другим, хотя возможен и ввод чисел в параллельном коде.
Операндом называют число или символ, участвующие в машинной
операции. Так, в выражении у=а+Ь или w=2k—1 операнды —это а, 6, 2, kt 1.
Типичным примером операнда, используемого при процедуре обработки данных
микропроцессором, служит байт.
Устройство управления (УУ) «руководит» работой АЛ У и внутренних
регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операции,
содержащемуся в команде, оно формирует внутренние сигналы управления блоками
микропроцессора. Адреоная часть команды совместно с сигналами управления
используется для считывания данных из определенной ячейки памяти
(записи данных в ячейку). По сишалам УУ осуществляется выборка каждой новой,
очередной команды.
Блок внутренних регистров, расширяющий возможности АЛУ, служит
внутренней памятью микропроцессора — используется для временного хранения
данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработки
информации. Обычно этот блок содержит регистры общего назначения и специальные
регистры: регистр-аккумулятор, буферный регистр адреса, буферный регистр
данных, счетчик команд, регистр команд, регистры стека, регистр признаков.
Кратко охарактеризуем функции всех регистров.
Регистры общего назначения (РОН), число которых может
изменяться от 4 до 64, в значительной мере определяют вычислительные
возможности микропроцессора. Их основная функция — хранение операндов, т. е.
подлежащих обработке данных. Но они могут выполнять и роль специальных
регистров. Все РОН доступны программисту, который их рассматривает как
сверхоперативное запоминающее устройство (понятия оперативного и
постоянного внешних запоминающих устройств — ОЗУ и ПЗУ — поясняются в
следующем параграфе). Иногда в технической документации к микропроцессору
содержатся рекомендации по использованию РОН.
Р е г и с т р-а ккумулятор, обычно называемый просто аккумулятором
(встречается также название накопитель), предназначен для временного хра-
14

нения операнда или промежуточного результата арифметических и логических
операций, производимых АЛУ. При выполнении какой-либо операции с двумя
операндами в этом регистре содержится один из используемых операндов, а
после выполнения операции — ее результат. Разрядность регистра равна
разрядности информационного слова (в рассматриваемом примере микропроцесора
аккумулятор— восьмиразрядный регистр). Часто ввод и вывод всех данных в
микропроцессоре производятся через аккумулятор. Встречаются
микропроцессоры с двумя и более аккумуляторами, что позволяет повысить гибкость
работы в эффективность решения задач.
Буферный регистр адреса — специальный регистр, служащий для
приема и хранения адресной части исполняемой команды. Иначе говоря, в нем
содержится до выдачи на адресную шину адрес слова, хранимого в ячейке
внешней памяти или другом регистре. Возможное количество адресов, т. е.
непосредственно адресуемых слов памяти, определяется разрядностью этого
регистра. Так, в 16-разрядном регистре можно, изменяя нули и единицы
отдельных разрядов двухбайтового слова, поместить (разумеется, не
одновременно) 216—65 536 адресов ячеек (слов) памяти.
Буферный регистр данных служит для временного хранения
выбранного из памяти слова перед выдачей его на внешнюю шину данных. Разрядность
этого регистра определяется количеством байтов информационного слова (для
хранения однобайтового слова необходим 8-разрядный регистр, двухбайтового
слова — 16-разрядный).
Счетчик команд — счетчик, содержащий адрес ячейки памяти, в
которой помещены байты выполняемой команды. Обычно команды определенной
программы находятся в последовательно расположенных ячейках памяти: для
однобайтовой команды число, указывающее адрес каждой последующей
ячейки, на единицу больше числа, отмечающего адрес данной ячейки. Поэтому
переход к следующей команде достигается увеличением числа, содержащегося в
счетчике команд, на единицу (для возврата к предыдущей команде содержимое
счетчика должно быть уменьшено на единицу). В ходе выполнения текущей
команды, т. е. при передаче команды из памяти в микропроцессор, содержимое
счетчика команд увеличивается на единицу и образуется адрес очередной
команды. Вот почему говорят, что счетчик команд предназначен для хранения адреса
команды, следующей в программе по порядку за выполняемой командой.
Возможна ситуация, когда требуется после данной команды использовать
команду, хранимую не в соседней, а в другой, скажем удаленной, ячейке памяти.
Тогда по сигналу УУ в счетчик команд заносится адрес удаленной ячейки.
Регистр команд принимает и хранит код очередной команды, адрес
которой находится в счетчике команд. По сигналу УУ в него передается из
регистра хранимая там информация.
Регистры стека делятся на стек и указатель стека.
Название «стек» происходит от английского слова stack, что в дословном переводе
означает «штабель» (дров), кипа (бумаг) и др. В микропроцессорах стек
представляет собой набор регистров, хранящих адреса (команды возврата — при
обращении к подпрограммам, см. § 1.9) или запоминающих состояния
внутренних регистров (при обработке прерываний — ом. § 1.7). Этот набор
организован таким образом, что слово адреса или данных выбирается по
принципу: «вошедший последним — выходит первым» — подобно тому, как из штабеля
дров первым берут полено, положенное последним (в английском языке этот
15

принцип определяется выражением Last-in-First Out, и аббревиатура
LIFO иногда встречается как название стековой памяти). При записи в стек
очередного слова все находящиеся в нем слова смещаются на один регистр
вниз (процесс такой записи называют «проталкиванием»). После выборки
слова из стека оставшиеся слова сдвигаются на один регистр вверх (процесс
считывания называют «выталкиванием» вверх). Стек может быть выполнен не
только на внутренних регистрах микропроцессора, составляя его часть, но и
находиться во внешнем оперативном запоминающем устройстве, занимать там
выделенную для него зону. В последнем случае стек получается более
глубоким, емким, однако для обращения к нему необходим указатель стека —
специальный регистр.
Указатель стека — регистр, служащий для хранения адреса
последней занятой ячейки стека, которую называют вершиной. Содержащаееся в
регистре число указывает, где находится вершина стека. Когда в стек
записывается очередное слово, то число в указателе стека соответственно
увеличивается. Извлечение слова из стека сопровождается, наоборот, уменьшением
заполняющего указатель стека числа. Кроме такой процедуры предусматривается
и возможность считывания без разрушения содержимого любой ячейки стека
при неизменном числе, хранимом в указателе стека.
Регистр признаков представляет набор триггеров, называемых
флажками. В зависимости от результатов операций, выполняемых АЛУ, каждый
триггер устанавливается в состояние 0 или 1. Флажковые биты, определяющие
содержимое регистра, индицируют условные признаки: нулевого результата,
знака результата, переполнения и т. п. Эта информация, характеризующая
состояние процессора, важна для выбора дальнейшего пути вычислений.
Мы ознакомились с основными частями микропроцессора. Теперь
коснемся вопроса о связи между ними. Как видно из рис. 1.3, для структуры
микропроцессора характерно наличие внутренней шины данных, соединяющей между
собой его основные части. Шиной называют группу линий передачи
информации, объединенных общим функциональным признаком. В микропроцессорной
системе используются три вида шин: данных, адресов и управления. О них
речь идет в § 1.6.
Разрядность внутренней шины данных, т. е. количество передаваемых по
ней одновременно (параллельно) битов числа, соответствует разрядности слов,
которыми оперирует микропроцессор. Очевидно, что разрядность внутренней и
внешней шин данных должна быть одной и той же. У 8-разрядного
микропроцессора внутренняя шина состоит из восьми линий, по которым можно
передавать последовательно 8-разрядные слова — байты. Следует иметь в виду,
что по шине данных передаются не только обрабатываемые АЛУ слова, но
и командная информация. Следовательно, недостаточно высокая разрядность
шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число.
Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам
микропроцессора — она в большой мере определяет его структуру.
Шина данных работает в режиме двунаправленной передачи. Это
означает, что по ней можно передавать слова в обоих направлениях, но,
разумеется, не одновременно: требуется применение специальных буферных схем и
мультиплексного режима обмена данными между микропроцессором и внешней
памятью. Мультиплексный режим (от англ. multiple — многократный,
множественный), иногда называемый многоточечным режимом, — режим одновременного
16

Рис. 1.4
использования канала передачи большим числом абонентов с разделением во
времени средств управления обменом.
Мультиплексором называют устройство, которое выбирает данные от
одного, двух или более входных информационных каналов и подает эти
данные на свой выход (рис. 1.4,а). По схемному решению он представляет
совокупность логических элементов И-ИЛИ, управляемых распределителем
импульсов. Мультиплексоры могут входить в состав микропроцессора. Они также
выпускаются в виде отдельных БИС, как, например, мультиплексор восьмивходо-
вый одноразрядный; двухвходовый четырехразрядный; трехвходовый
четырехразрядный и др.
Противоположную мультиплексору функцию выполняет демульти-
ялексор — устройство, которое подает данные, подводимые к его входу, на
один или более выходных информационных каналов ((рис. 1.4,6).
Обработка данных. Рассмотрим процедуру обработки данных, хранимых во
внутренней памяти микропроцессора. Для этого необходима более подробная
структурная схема, чем изображенная на рис. 1.3. На ее основе в соответствии
с изложенными назначением узлов структурной схемы, составом блока
внутренних регистров и выполняемых ими функций, а также характеристикой
цепей взаимодействия узлов построена детальная структурная схема (рис. 1.5).
Хотя эта схема и не лишена упрощений, она достаточно хорошо отражает
организацию 8-разрядного однокристального микропроцессора (примерно такую
структуру имеет микропроцессор КР580ИК80А).
Чтобы облегчить восприятие рассуждений, придадим им конкретный
характер. Будем полагать, что задача обработки данных заключается в
сложении двух операндов, каждый из которых представляет собой 8-разрядное
двоичное число, т. е. байт.
Все арифметические и логические операции осуществляет 8-разрядное АЛУ,
расположенное в верхней правой части рис. 1.5 (числа разрядов АЛУ и всех
регистров указаны в скобках рядом с названиями блоков). На первый вход
АЛУ подается байт из 8чразрядного аккумулятора, а на второй вход
поступает байт из 8-разрядного промежуточного регистра (в некоторых книгах этот
регистр назван ТЕМ регистром — от англ. слов temporary storage —
временная память). Результат сложения указанных двух байтов передается с выхода
АЛУ через внутреннюю шину данных в аккумулятор. Это одноадресная
организация 'микропроцессора микро-ЭВМ. Для нее характерно то, что один из
операндов, участвующих в обработке, всегда находится в аккумуляторе, адрес
17

которого известен. Поэтому при выполнении операции сложения двух операндов
требуется указывать только один адрес — второго операнда, содержащегося,
например, в одном из регистров общего назначения (РОН). К АЛУ
подключены регистр признаков, предназначенный для хранения и
анализа признаков результата операции, и схема десятичной коррекции (она не
показана на рис. 1.5), позволяющая проводить обработку данных в двоично-
десятичном коде.
В правой нижней части рис. 1.5 изображены восемь РОН, а также
указатель стека, счетчик команд и буферный регистр адреса (стековый регистр
Рис. 1.5

на рисунке отсутствует, так как стек представляет собой определенную зону
внешней памяти — ОЗУ). Первые два РОН — регистры W и Z — предназначены
для кратковременного хранения данных во время выполнения команды (эти
регистры недоступны программисту), остальные шесть РОН — регистры В, С,
Д Е, Н и L — служат ячейками внутренней памяти, называемой часто
сверхоперативным запоминающим устройством (СОЗУ). В них хранятся
операнды, подлежащие обработке в АЛУ, результаты обработки
данных, выполненной АЛУ, и управляющие слова. В каждом регистре
помещается один байт. Обращение к РОН — адресное. Попарное расположение
регистров В и Ct D и Е, Н и L дает возможность проводить обработку двухбайтовых
слов, называемую обработкой «удвоенной точности». Обмен данными с РОН
(считывание и запись информации) осуществляется через мультиплексор,
причем требуемый регистр выбирается с помощью селектора регистров по
сигналу УУ.
В левой части рис. 1.5 расположены регистр команд, дешифратор кода
операции и УУ (хотя дешифратор относится к УУ, он нарисован отдельно для
большей наглядности).
Обмен информацией между регистрами и другими блоками
микропроцессора производится через внутреннюю шину данных, причем передача команд и
передача даыных разделены во времени. Связь с внешней шиной данных
осуществляется через буферный регистр данных, показанный в нижней части
рис. 1.5.
Микропроцессор — это программно-управляемое устройство. Процедура
выполняемой им обработки данных определяется программой, т. е.
совокупностью команд, каждая из которых представляет собой определенную
комбинацию электрических сигналов, соответствующих 0 и 1. Команда делится на
две части: код операции и адрес. В коде операции заключена информация о
том, какая операция должна быть выполнена над данными, подлежащими
обработке. Адрес указывает место, где расположены эти данные (в регистрах
общего назначения микропроцессора,, т. е. во внутренней памяти, или во внешней
памяти). Слово данных, подвергаемое обработке, представляет один байт.
Команда может состоять из одного, двух или трех байтов, последовательно
расположенных в памяти.
Первый байт команды содержит код операции. Считанный в начале
интервала выполнения команды, называемого циклом команды, ее первый байт
поступает из памяти по внутренней шине данных в регистр команд, где
хранится в течение всего цикла. Дешифратор кода операции дешифрирует
содержимое регистра команд — определяет характер операции и адреса операндов. Эта
информация передается в УУ, которое вырабатывает управляющие сигналы,
направляемые в блоки микропроцессора, участвующие в выполнении данной
команды.
Возможен случай, когда код операции непосредственно указывает адрес
данных — объекта обработки. Тогда она начинается сразу после считывания
«первого байта команды. Если же в команде содержится более одного байта,
то остальные байты, несущие информацию об адресе ячейки памяти, где
хранятся данные, передаются либо в буферный регистр адреса, либо в один из
РОН. Только после завершения всей процедуры считывания команды или,
иначе говоря, получения полной информации о местонахождении операндов и о
том, какая операция должна выполняться над ними, начинается обработка.
19

В рассматриваемом примере выполняемая
операция — сложение двух операндов. Первый
операнд хранится в аккумуляторе, второй — в
одном из РОН (его адрес указан в команде),
откуда он передается в промежуточный
регистр. Согласно коду операции АЛУ
исполняет команду: суммирует поступающие на его-
входы байты. Полученная сумма фиксируете»
в аккумуляторе. Этот результат, может быть
использован при дальнейших этапах обработки
(более сложной, чем суммирование двух
байтов) записан во внешнюю память или
передан в устройство вывода.
Выводы из корпуса микропроцессора и их
назначение. Кратко опишем систему выводов,
выбрав в качестве примера универсальный 8-
разрадный микропроцессор КР580ИК80А. У
него 40 выводов. Они, как это видно из рис. 1.6,
распределены следующим образом: три вывода
соединяются с зажимами источников питания,
один вывод — корпус микросхемы (выводы 11 у
20, 28 и 2 на рисунке не показаны), два
вывода (<&i и Фг) служат для подключения к
выходным зажимам генератора тактовых
импульсов, восемь выводов (D0... Z)7) —линии
внутренней шины данных, 16 выводов (Ло... Ац)
соединяются с линиями адресной шины и
Рис. 1.6 десять выводов, связанных с устройством
управления микропроцессора, служат для
подключения к линиям внешней шины управления. Расшифруем
обозначения этих выводов: П —разрешение приема информации с внешней шины,
В — признак выдачи информации на внешнюю шину, R (Уст.) — перевод
БИС в исходное состояние (установка), Г —- признак готовности
внешнего устройства к обмену информацией, ЖД —признак ожидания
микропроцессором готовности внешнего устройства к обмену информацией, Зх —
запрос внешними устройствами допуска к шинам данных и адреса
(требование захвата шин), ПЗх —признак допуска внешнего устройства к шинам
данных и адреса (подтверждение захвата), ЗПр — запрос внешних устройств
об обслуживании их микропроцессором (запрос о возможности прерывания),
РПр — разрешение на обслуживание микропроцессором внешнего устройства
(разрешение на прерывание), С — синхронизация. Общее обозначение
микропроцессора — CPU (от англ. слов Central Processor Unit — центральный
процессор).
1.6. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА
Согласно приведенному в § 1.3 определению микропроцессорная система —
это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих БИС
микропроцессорного комплекта (иногда дополненная БИС из других комплектов),
20

Рис. 1.7
организованная в систему, т. е. вычислительная или управляющая система сг
микропроцессором в качестве узла обработки информации.
Общая структурная схема. Типовая структура микропроцессорной системы?
изображена на рис. 1.7. Кратко охарактеризуем узлы-модули, входящие в ее
состав, за исключением уже описанного микропроцессора.
Генератор тактовых импульсов — источник последовательности
прямоугольных импульсов, с помощью которых осуществляется управление событиями во*
времени. Он задает цикл ко м а нды —интервал времени, необходимый для*
считывания выборки команды из памяти и ее исполнения. Цикл команды
состоит из определенной последовательности элементарных действий, называемых
состояниями (тактами). Для некоторых микропроцессоров не
требуется внешний генератор тактовых импульсов: он содержится непосредственно»
в схеме однокристального микропроцессора.
Основная память системы (внешняя по отношению к микропроцессору)
состоит из ПЗУ и ОЗУ.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — это устройство, в
котором хранится программа (и при необходимости совокупность констант).
Содержимое ПЗУ не может быть стерто. Оно используется как память
программы, составленной заранее изготовителем в соответствии с требованиями ее
пользователей. В таких случаях говорят, что программа жестко «зашита» в
запоминающем устройстве. Чтобы осуществить иную программу, необходимо
применить другое ПЗУ или его часть. Из ПЗУ можно только выбирать
хранимые там слова, но нельзя вносить новые, стирать и заменять записанные
слова другими. Оно подобно напечатанной таблице выигрышей по облигациям:
можно лишь считывать имеющиеся там числа, но заменять их или вносить
новые невозможно.
Помимо ПЗУ используются также ППЗУ и РППЗУ.
Программируемое постоянное запоминающее устройст—
в о (ППЗУ) отличается от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно
запрограммировать ПЗУ (ввести в него программу) с помощью специального-
21

устройства—-программатора, но только один раз (после введения программы
содержимое памяти уже нельзя изменить).
Репрограммируемое постоянное запоминающее
устройство (РППЗУ), называемое также стираемым ПЗУ, имеет такую особенность:
хранимая информация может стираться несколько раз (при этом она
разрушается). Иначе говоря, РППЗУ допускает перепрограммирование,
осуществляемое с помощью программатора. Это облегчает исправление обнаруженных
ошибок и позволяет изменять содержимое памяти.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое иначе называют
запоминающим устройством с произвольной выборкой (ЗУПВ)
«ли произвольным доступом (ЗУПД), служит памятью данных,
подлежащих обработке, и результатов вычислений, а в некоторых
микропроцессорных системах—также программ, которые часто меняются. Его характерное
свойство заключается в том, что время, требуемое для доступа к любой из
ячеек памяти, не зависит от адреса этой ячейки. ОЗУ допускает как запись, так и
считывание слов. По отношению к этому запоминающему устройству
приемлема аналогия с классной доской, на которой мелом записаны числа: их
можно многократно считывать, не разрушая, а при необходимости — стереть число
я записать на освободившемся месте новое. Следует иметь в виду, что
информация, содержащаяся в ОЗУ, исчезает, стирается, если прерывается
напряжение питания. Структура и работа ОЗУ описаны в конце данного параграфа.
Интерфейсом называют устройство сопряжения. Это упрощенное
определение. В более строгом толковании под интерфейсом понимают совокупность
электрических, механических и программных средств, позволяющих соединять
модули системы между собой и с периферийными устройствами. Его соста1В1Ш-
ми частями служат аппаратные средства для обмена данными между узлами
и программные средства — протокол, описывающий процедуру
взаимодействия модулей при обмене данными. Интерфейс микропроцессорной системы
относится к машинным интерфейсам. Измерительные интерфейсы рассматриваются
в гл. 3.
В микропроцессорной системе применяют специальные интерфейсные БИС
„для сопряжения периферийных устройств с системой (на рис. 1.7 они показаны
в виде модулей интерфейса ввода и интерфейса вывода). Для этих БИС
характерна универсальность, осуществляемая путем программного изменения
выполняемых ими функций.
Более простые задачи решают порты ввода-вывода — схемы,
спроектированные (запрограммированные) для обмена данными с конкретными
периферийными устройствами: приема данных с клавиатуры или устройства считывания,
передачи их дисплею,, телетайпу и т. п. Порт — это схема средней степени
интеграции, содержащая адресуемый многорежимный буферный регистр
ввода-вывода (МБР) с выходными тристабильными схемами (о них идет речь
ниже при описании схемы ОЗУ), логикой управления и разъемом для
подключения устройств ввода-вывода. Возможности перепрограммирования порта
ограничены.
Когда периферийные устройства, входящие в состав микропроцессорной
системы, сложны, выполняют многочисленные разнообразные операции, то для
сопряжения применяют усложненный интерфейс, называемый периферийным
программируемым адаптером. Он содержит набор встроенных
портов и других регистров, облегчающих программирование и осуществление вре-
^2

менного согласования. К одному периферийному программируемому адаптеру
может быть подключено несколько простых устройств ввода-вывода. Подобны*
интерфейс считают универсальным интерфейсом широкого применения,
поскольку его можно сочетать почти со всеми имеющимися периферийными
устройствами.
Для многих микропроцессорных систем и микро-ЭВМ характерно
несоответствие между относительно высокой скоростью обработки информации
внутри микропроцессора и низкой скоростью обмена данными между модулями
через интерфейс. Характеристики последнего в значительной степени определяют
эффективность и производительность системы в целом.
Устройство ввода осуществляет введение в систему данных, подлежащие
обработке, и команд. Устройство вывода преобразует выходные данные
(результат обработки информации) в форму, удобную для восприятия
пользователем или хранения. Устройствами ввода-вывода служат блоки считывания^
информации с перфоленты и магнитной ленты (или записи на них),
кассетные магнитофоны, гибкие диски, клавиатуры, дисплеи, аналого-цифровые и
цифро-аналоговые преобразователи, графопостроители, телетайпы и т. п.
Далее предметом нашего внимания будут шины системы. Шиной называют
группу линий передачи, используемых для выполнения определенной функции'
(по одной линии на каждый передаваемый бит). Особенность структуры
микропроцессорной системы заключается в магистральной организации связей
между входящими в ее состав модулями. Она осуществляется с помощью трех
шин. По ним передаются вся информация и сигналы, необходимые для
работы системы. Эти шины соединяют микропроцессор с внешней памятью (ОЗУ,
ПЗУ) и интерфейсами ввода-вывода, в результате чего создается возможность»
обмена данными между микропроцессором и другими модулями системы, а
также передачи управляющих сигналов.
Рассмотрим назначение и функции каждой из трех шин (на примере
8-разрядного микропроцессора), показанных на рис. 1.7.
Шина данных. Это двунаправленная шина: по ней данные могут
направляться либо в микропроцессор, либо из него (на рис. 1.7 такая особенность.
шины данных подчеркнута стрелкой с двумя остриями, одно из которых
обращено к микропроцессору, а другое — от него). В нашем примере шина
состоит из восьми линий (Do ... D7). Восемь выводов из корпуса
микропроцессора (см. рис. 1.6), подключаемых к шине данных, могут выполнять функции и
входных, и выходных выводов. При этом необходимо еще раз подчеркнуть, что *
невозможна одновременная передача данных в обоих направлениях. Эти
процедуры разнесены во времени в результате применения временного
мультиплексирования.
Шина адреса (или адресная шина). По ней информация передается
только в одном направлении — от микропроцессора к модулям памяти или ввода-
вывода. Если эта шина состоит из 16 линий (А0 ... Л15), то по ней могут быть^
переданы 216=65 536 различных комбинаций двоичных чисел — адресов.
Каждый из них соответствует определенной ячейке памяти или устройства ввода-
вывода.
Здесь уместно пояснить термин «емкость адресуемой памяти»,
встретившийся при перечислении характеристик микропроцессора (§ 1.4). Она
характеризует наибольший объем памяти ЗУ, который может обслужить данный--
микропроцессор, и этот объем определяется разрядностью адресной шины. В иа-
2&

шем примере возможна адресация до 65 536 ячеек памяти: число
ФОООООООООООООООф или 0000(16) указывает самый младший адрес, а число
1111111111111111(2) или FFFF{ 16) — самый старший адрес.
Шина управления. Служит для передачи сигналов, обусловливающих
взаимодействие, синхронизацию работы всех модулей системы и внутренних узлов
микропроцессора. Одна часть линий шины управления служит для передачи
сигналов, выходящих из микропроцессора (на рис. 1.7 это условно показано
стрелкой, острие которой направлено вправо), а по другой части линий
передаются сигналы к микропроцессору (на рис. 1.7 — стрелка с острием,
направленным влево).
Достоинством шинной структуры является возможность подключения к
микропроцессорной системе новых модулей, например нескольких блоков ОЗУ и
ПЗУ для получения требуемой емкости памяти.
Структура и работа ОЗУ. На рис. 1.8 приведена схема, из которой виден
v принцип построения БИС ОЗУ. Основным компонентом этой БИС служит
матрица памяти, называемая также накопителем. Матрица содержит N ячеек
памяти. В каждой из них помещается одно слово длиной М бит, где М —
количество разрядов ячейки. Для рассматриваемого примера матрицы памяти
(128X8) соответственно N=128 и Af=8, следовательно, ОЗУ может хранить
128 байт.
Емкость памяти (не только ОЗУ) выражают в байтах. Часто можно
встретить ее характеристику в таком виде: «емкость LK байт». Единица измерения
К («кей») означает 210=1024. Следовательно 1К байт —это 1024 байта.
Запись 1КХ4 означает, что емкость памяти составляет 1024 4-разрядных слова.
Порядковый номер (от 0 до N—1) ячейки памяти, содержащей один байт,
определяет ее адрес. В данном примере матрицы памяти адреса ячеек
представляют числа от 0 до 127 в десятичной системе счисления. Им
соответствуют числа от 0000000 до 111 11M в двоичной системе счисления. Подчеркнем,
что адрес определяет местоположение слова (байта), а не бита.
Для обращения к конкретной ячейке памяти с целью записи или
считывания слова с адресной шины на входы А0 ... А& дешифратора адреса
подается адрес ячейки в форме 7-разрядного двоичного кода (предположим,
ОДНОМ). При этом на выходе дешифратора (в данном случае — одиннадцатом)
Рис. 1.8
24

появится сигнал, открывающий доступ к соответствующей ячейке (одиннад-
цатой).
Возможность считывания байта из ячейки и передачи его в шину данных
через выводы D0 ... D7 или приема байта, поступающего с шины данных на»
входы D0 ... D7y и записи его в память зависит от режима работы, состояние
трехрежимного (тристабильного) буферного регистра. В первом режиме этого*
регистра ВЫВОД производится считывание, во втором режиме ВВОД — запись,
а в третьем режиме ВЫСОКИЙ ИМПЕДАНС, НЕЙТРАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ
линии шины данных отключены от матрицы — разрывается цепь передачи
сигналов.
Операция считывания заключается в выборке байта, хранимого в ячейке
указанного адреса (содержимое ячейки при этом остается неизменным). Для
выполнения операции необходимо, чтобы в трехрежимный буферный регистр
поступил с выхода блока управления ОЗУ сигнал, устанавливающий режим»
ВЫВОД. Такой сигнал появляется тогда, когда на входах 1 и 2 блока
управления имеются логические единицы. При этом буферный регистр пропускает
байт из определенной адресом ячейки памяти через выходы D0 ... D7 в шину
данных. Наличие логической единицы на входе запись-считывание блока
управления обусловливает такую блокировку входов буферного регистра, что
поступление числа с шины данных в память невозможно.
Операция записи предполагает введение нового байта в ячейку. Если там»
имелся байт, то он, разумеется, стирается и его место занимает новый байт.
Чтобы пропустить через трехрежимный буферный регистр байт, поступающий
с шины данных на входы D0 ... D7, необходимо установить в регистре режим»
ВВОД. Для этого требуется одновременное наличие логического нуля на входе
1 блока управления и логической единицы на его входе 2. При такой
комбинации становится возможным прием байта с шины данных в ячейку памят»
по указанному адресу. Наличие логического нуля на входе запись-считывание
приводит к блокировке буферного регистра, исключающей выдачу байтов в
шину данных.
Если на входе 2 блока управления логический нуль, то при любом
состоянии входа 1 этого блока трехрежимный буферный регистр находится в
третьем режиме, при котором шина данных отключена от ОЗУ, т. е. ни
считывание, ни запись не могут иметь места. Наличие логического нуля или
логической единицы на выходе схемы выбора модуля памяти или, что то же
самое, на входе 2 блока управления зависит от кода (сочетания сигналов) нэ
входах ВМ0 ... ВМъ схемы выбора модуля. Эти входы используются тогда,
когда оперативное запоминающее устройство составляют из нескольких БИС
ОЗУ для получения большой емкости памяти. При наличии в составе основной
памяти микропроцессорной системы двух или более модулей ОЗУ часть кода
адреса используется для указания конкретного модуля, в котором хранится
требуемый байт. Она подается на входы схем выбора модуля памяти. Когда
работает определенная БИС комплекта ОЗУ (из нее считьгвается или в нее
записывается число), то на выходе схемы выбора модуля, входящей в состав
данной БИС ОЗУ, имеется логическая единица, а на выходах таких же схем
у остальных БИС — логический нуль.
Помимо емкости запоминающее устройство характеризуется
быстродействием, которое определяется продолжительностью выполнения одной операции
в ЗУ — обращения к ЗУ. Минимальный интервал времени между двумя по-
25

следовательными обращениями называют циклом обращения. Он
складывается из времени поиска требуемой ячейки памяти и времени обращения
* ней (записи или считывания слова).
1.7. УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОЙ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ
Вводные замечания. Нормальное функционирование любой системы, в
которой циркулируют электрические сигналы, немыслимо без четкого
взаимодействия ее составных частей, координации их работы. Для достижения этого
необходимо организовать управление во времени всеми событиями,
происходящими в системе, синхронизировать ее работу.
Само собой разумеется, что для микропроцессорной системы,
представляющей собой сложную цифровую систему с многократным обменом данными,
передачей команд, одновременным участием многих блоков в выполнении
операции, синхронизация обязательна. Это можно проиллюстрировать простым
примером. Пусть требуется передать байт, полученный в результате выполнения
операции, из АЛУ через шину данных в ячейку ОЗУ. Очевидно, что в течение
интервала времени, пока на адресных входах ОЗУ находится код адреса, на
линиях шины данных должен быть только байт, посланный из АЛУ (и
никакой иной). В противном случае либо произойдет ошибочная запись, либо
указанный байт вообще не попадет в память.
Задача временного согласования в микропроцессорной системе решается с
¦помощью специальных сигналов, получаемых из управляющего устройства
микропроцессора. Рассмотрение действия всей совокупности управляющих
сигналов, вопросов синхронизации работы системы при выполнении
всевозможных операций не представляется осуществимым в главе столь малого объема.
Поэтому ограничимся освещением основных понятий и типовых примеров,
поясняющих принцип временного согласования главным образом применительно к
микропроцессору.
Тактирующие сигналы, цикл команды. Основополагающую роль в
организации управления событиями во времени играют тактовые импульсы,
поступающие от генератора на вводы <Di и Фг микропроцессора (см. рис. 1.3 и 1.6).
Эти сигналы неодинаковы у различных микропроцессоров. Для многих из них
характерны две периодические последовательности тактовых импульсов, хотя
нередко используется только одна последовательность. Будем полагать, что в
рассматриваемой микропроцессорной системе тактирование осуществляется с
помощью двух последовательностей. Обе периодические последовательности
состоят из идентичных по параметрам прямоугольных импульсов (амплитуда,
длительность, период следования), но различаются тем, что у второй
последовательности (Ф2) импульсы сдвинуты на полпериода относительно импульсов
первой последовательности (Ф^ —рис. 1.9,а.
Микропроцессорная система функционирует синхронно с появлением
тактовых сигналов. Простейшее действие, которое может быть совершено в ней,
называется состоянием. Оно занимает один период сигнала
тактирования— тактовый интервал, сокращенно называемый тактом (рис. 1.9,6).
Определенное число (обычно 3 ... 5) тактовых интервалов составляет м а-
шинный цикл. Для одного обращения микропроцессора к памяти или
устройству ввода-вывода требуется один машинный цикл. Так, за один
машинный цикл производится выборка байта команды или байта данных, а также
26

Рис. 1.9
каждого байта кода адреса. Машинный цикл составляет часть цикла команды.
В начале каждого машинного цикла на выводе С микропроцессора появ-
является сигнал синхронизации. Он передается по выделенной для него линии
шины управления в запоминающее устройство или устройство ввода-вывода и
«оповещает» о начале нового машинного цикла, в результате чего
достигается согласование во времени действия этих устройств с работой
микропроцессора.
Циклом команды называют интервал времени, требуемый для
выборки из памяти команды и ее исполнения. Он состоит из 1 ... 5 машинных
циклов. Их конкретное число зависит от сложности операции, выполняемой
в данной команде, и равно числу обращений микропроцессора к памяти или
одному из устройств ввода-вывода.
Продолжительность выполнения команды определяется умножением числа
тактов, содержащихся в цикле команды, на длительность такта (тактовый
интервал). Например, генератор тактовых импульсов систем с
микропроцессором КР580ИК80А вырабатывает сигналы частотой 2 МГц. Следовательно,
тактовый интервал равен 0,5 мкс. Если согласно составленной программе для
перемножения двух двухбайтовых чисел требуется 1800 тактов, то, очевидно,
продолжительность процедуры перемножения составит 900 мкс, или 0,9 мс.
Управляющее устройство. Это устройство, выполняющее функции
управления и синхронизации, «руководит» сменой событий в требуемой
последовательности, согласуя их с сигналами тактового генератора. Оно состоит из
управляющего автомата (его называют первичным [16]), служащего для
управления процессами внутри микропроцессора, и схемы, которая, получая
сигналы извне, вырабатывает сигналы, управляющие системой. Поступающий из
памяти в составе команды код операции дешифрируется в управляющем устройстве
(дешифратором кода операции) — преобразуется в двоичные сигналы, ,
воздействующие на модули и блоки микропроцессорной системы, которые должны
участвовать в выполнении данной команды.
27

В течение цикла команды, делящегося на две фазы, события происходят
е такой последовательности. Первичный автомат задает начало очередного
цикла — посылает сигнал, по которому число, содержащееся в счетчике команд,
пересылается в буферный регистр адреса. Оттуда через шину адреса это
чихало — код адреса команды — направляется в память, где дешифрируется. С
приходом посылаемого микропроцессором сигнала управления СЧИТЫВАНИЕ из
ячейки памяти, расположенной по указанному адресу, считывается слово
команды, которое поступает по шине данных в буферный регистр данных. Из него
^команда переходит в регистр команд, а затем дешифрируется (с помощью
дешифратора кода операции).
Описанная фаза цикла команды называется фазой выборки. После
нее наступает исполнительная фаза: устройство управления
генерирует последовательность сигналов, необходимую для выполнения команды. За это
время содержимое счетчика команд увеличивается на единицу — формируется
адрес команды, следующий по порядку за выполняемой. Он хранится в
счетчике до прихода сигнала, задающего начало очередного цикла команды.
Как уже отмечалось, кроме адреса ячейки, в которой хранится требуемый
байт, от микропроцессора к запоминающему устройству направляется (по
отведенной для этого линии шины управления) управляющий сигнал,
определяющий характер действия — считывание или запись — при обращении к конкрет--
«ной ячейке памяти. Но реакция памяти на полученные сигналы не может быть
мгновенной. Выдача или запись байта происходит в течение некоторого
интервала времени, называемого временем доступа. По окончании этого
интервала память выдает сигнал готовности, посылаемой (по соответствующей
линии шины управления) в микропроцессор. Для него такой сигнал служит
разрешением начать прием данных (а при записи подтверждает, что данные
могут вводиться в память). До получения сигнала готовности микропроцессор
должен хранить информацию — находиться в состоянии ожидания. Интервал
времени, затрачиваемый на обращение к памяти и получение из нее сигнала
готовности, называют циклом ожидания готовности. Он составляет
часть машинного цикла. Следует заметить, что режим ожидания
устанавливается и тогда, когда микропроцессор посылает адрес в устройство ввода-вывода.
Кратко осветим последовательность событий, характерных для ввода и
вывода данных. При вводе данных выполняются две основные операции.
Получив посланный микропроцессором в интерфейс ввода код адреса, схема
селекции, входящая в состав интерфейса, декодирует адрес — определяет номер
порта (буфера) ввода, где содержится требуемая информация. По специальной
команде (IN) данные из регистра выбранного порта поступают по шине
данных в микропроцессор. Когда осуществляется вывод информации в
периферийное устройство через интерфейс вывода, то выполняются три операции: по
указанному микропроцессором адресу схема селекции выбирает порт вывода,
который примет данные, передаваемые по шине данных из микропроцессора,
затем согласно специальной команде (OUT) данные подаются из
микропроцессора в выбранный порт, и, наконец, этот порт принимает данные, после чего они
могут быть направлены в дисплей, печатающее устройство и т. п.
Режим прерывания. По ходу работы микропроцессорной системы иногда
появляется необходимость немедленной передачи данных в микропроцессор
из устройства ввода-вывода, не предусмотренной программой. Иначе говоря,
система должна реагировать на неожиданно возникшее внешнее условие. В та-
28

«их ситуациях требуется, чтобы микропроцессор, получив из соответствующей
.линии шины управления сигнал «запрос на обслуживание внешних устройств»
(он поступает на ввод ЗПр — см. рис. 1.6), прервал работу по программе и
начал выполнение программы обработки внешнего условия. Такой режим
называют прерыванием. Оно возможно тогда, когда имеется команда,
позволяющая микропроцессору реагировать на запрос прерывания. Только в этом случае
микропроцессор выдает на вывод РПр сигнал «разрешение на обслуживание
внешнего устройства», т. е. разрешение прерывания, и выполняет
подготовительные операции для того, чтобы начать работу по программе прерывания.
Различают три вида прерывания: простое, векторное и приоритетное.
Простое прерывание сигнализирует о том, что единственное устройство ввода
или вывода нуждается в обслуживании микропроцессором. Векторное
прерывание позволяет распознать прерывание, требуемое любым из
периферийных устройств. Это осуществляется с помощью поля данных или «вектора»»
в котором указывается конкретное устройство, диктующее необходимость
прерывания. Приоритетное (первоочередное) прерывание заключается в
том, что помимо распознавания прерывания, запрашиваемого любым из
устройств ввода-вывода, определяется, какое из устройств имеет приоритет в
обслуживании по сравнению с другими. Такой вид прерывания, иначе называемый
многоуровневой обработкой, может осуществляться лишь в нескольких типах
микропроцессоров.
Временные диаграммы. Они отображают последовательность событий как
функцию времени. Для каждой операции, выполняемой микропроцессорной
системой или микро-ЭВМ, можно построить соответствующую временную
диаграмму. Чтобы получить представление о ней, рассмотрим в качестве примера
временную диаграмму, относящуюся к команде ввода данных, поступивших
в порт интерфейса ввода. Эта команда содержит код операции, длина
которого составляет один байт, и код адреса (номер) порта — также длиной в один
байт. В порте содержится байт данных.
На рис. 1.10 изображена упрощенная временная диаграмма. Буквами М и
Т отмечены соответственно машинный цикл и тактовый интервал, индексами —
порядковые номера машинных циклов и тактов внутри данного машинного
цикла. Первый (Ф\) и второй (Фг) сверху графики представляют
последовательности тактирующих импульсов. Показанные на третьем графике
синхронизирующие сигналы отмечают начало каждого машинного цикла. Эти сигналы
порождаются тактирующими импульсами последовательности Ф2. На графиках,
изображающих сигналы адреса и данных (четвертый и пятый графики сверху
соответственно) приняты условные обозначения: наличие сигнала в шине отмечено
двумя непрерывными линиями, а отсутствие — одной штриховой. Переход от
нижней непрерывной линии к верхней соответствует переходу от низкого
уровня, т. е. нуля, к высокому уровню, т. е. единице, и наоборот. Такое
обозначение принято потому, что полную картину отобразить трудно: во время
конкретного машинного цикла на одних линиях шины адреса (или данных) может
быть 0, а на других— 1.
Как видно из рис. 1.10, данная временная диаграмма изображает цикл
команды, состоящий из трех машинных циклов: первые два из них (М{ и М2)
относятся к фазе выборки команды, а третий (М3) — к фазе выполнения
команды. Код операции считывается в течение цикла Ми а в течение цикла ЛЬ опре-
29

Рис. 1.10
деляется адрес порта. Цикл Мъ отводится на считывание данных из порта if
пересылку их в микропроцессор.
Более детальное рассмотрение временной диаграммы позволяет
установить следующее. Во всех машинных циклах за время тактового интервала 1\
передается адрес (по шине адреса), но в каждом цикле адрес принадлежит
«своему» адресату: в цикле М\ — это адрес ячейки, где хранится код
операции, в цикле Мг — адрес (номер) порта, содержащего байт данных, в цикле
Мз — адрес аккумулятора микропроцессора, куда должен поступить бант
данных из порта. Кроме того, из диаграммы видно, что байт кода операции и
байт кода адреса порта считываются во время тактового интервала Г3 первого
и второго машинных циклов. В течение аналогичного тактового интервала
третьего машинного цикла осуществляется пересылка байта данных в
микропроцессор. Несложно заметить, что на приведенной временной диаграмме
первый машинный цикл, в отличие от остальных циклов, содержит не три, а
четыре тактовых интервала. В течение четвертого интервала дешифрируется код
операции.
1.8. ТИПОВЫЕ КОМАНДЫ
Обработка информации проводится микропроцессорной системой
согласно программе, которая представляет собой совокупность, последовательность
команд, направляющих работу устройства управления.
Команда состоит из кода операции и адреса. Код операции сообщает
микропроцессорной системе, что нужно сделать, какую выполнить операцию:
30

сложить, переслать, сравнить, вывести на дисплей и т. п. Адрес указывает
место, где находятся данные, подлежащие обработке, или, иначе, объекты
операции — операнды.
Список команд, которые может выполнять конкретный микропроцессор,
называют системой команд этого микропроцессора. Она служит базой для
написания программы. Системы команд современных микропроцессоров
содержат от нескольких десятков до нескольких сотен команд. В наиболее
типичной системе 70—100 команд форматом от одного до трех байт.
У различных микропроцессоров команды могут иметь неодинаковые
адресные части. Вообще говоря, в адресной части могут быть один, два или
несколько адресов, т. е. возможны одноадресная, двухадресная, трехадреоная
команды. Например, трехадресная команда содержит помимо кода операции
.адреса первого и второго операндов, а также адрес результата выполнения
операции. У большинства микропроцессоров команды одноадресные или
двухадресные. Типичная команда микропроцессора — одноадресная. Ее адресная
часть указывает адрес только одного операнда. Место расположения второго
операнда и результата операции определяется кодом операции. Как правило,
результат всегда направляется в один и тот же регистр.
По функциональному назначению все множество команд любого
микропроцессора можно разбить на группы команд: операций, пересылки данных,
управления, обращения к подпрограммам и возврата, ввода-вывода.
Рассмотрим немного подробнее разновидности команд [16, 46].
Команды операций. Основное место в этой группе занимают команда
арифметических и логических операций: арифметические — ADD (сложить), SUB-
STRACT (вычесть); логические — AND (И), OR (или), EXLUSIVE OR (исклю-
чающее ИЛИ, суммирование по модулю 2), COMPARE (сравнить данные).
Кроме этих команд в группе команд операций имеются и такие типичные
команды: CLEAR (очистить), например очистить аккумулятор — установить
нули во всех разрядах; INCREMENT (увеличить на единицу) — по этой команде
содержимое регистра увеличивается на 1; DECREMENT (уменьшить на
единицу); COMPLEMENT (образовать дополнение)—в результате выполнения
такой команды получается обратный код (дополнение до единицы) числа,
находящегося в данном регистре; ROTATE (циклический сдвиг) — содержимое
аккумулятора сдвигается на один разряд вправо или влево.
Команды пересылки данных, К этой группе относятся команды пересылки
данных из одной ячейки памяти в другую, а также из регистра в память и
наоборот. Приняты следующие обозначения команд: MOVE (переслать); так,
команда MOVrr, r2 (move register) означает «переслать из регистра г\ в
регистр г2»; LOAD (загрузить), например команда LDA (Load Accumulator)
требует загрузить в аккумулятор байт, хранимый в ячейке памяти, адрес
которой следует за кодом операции; STORE (записать, заполнить), в качестве
примера можно привести команду STA addr (store A direct), что означает
«запомнить содержимое аккумулятора»; EXCHANGE (обменять).
Команды управления. Назначение команд этой группы — осуществление
переходов в программе. Их делят на безусловные и условные. По безусловной
команде управления выполняется переход по программе к адресу, который
указывается в команде. Выполнение условных команд зависит от содержимого
регистра признаков (перенос, нуль, знак и т. п.): переход по программе осу-
31

ществляется только тогда, когда содержимое одного из разрядов регистра
признаков соответствует определенному условию. Обычные команды группы
управления: JUMP (переход); например команда JMP add (Jump)—перейти
безусловно; Jp (Jump on Positive)—команда условного перехода, исполняемая
только тогда, когда результат выполнения предыдущей операции является
положительным числом (нуль в знаковом разряде регистра признаков); SKIP
(пропустить) —следующая команда пропускается.
К рассматриваемой группе относят «и специальные команды управления
работой микропроцессора: HALT (остановить)—по этой команде
приостанавливается выполнение текущей программы, пока не появится «запрос на
обслуживание внешнего устройства», т. е. запрос на прерывание, микропроцессор
может быть пущен только сигналом сброса RESET, no которому выполнение
программы начинается сначала; DI (Disable Interrupt) —запросы прерывания
больше не принимать, пока не поступит команда EI (Enable Interrupt) —
разрешить прерывание.
Команды обращения к подпрограммам. Они могут быть безусловными и
условными. Типичные команды этой группы: CALL (вызвать) — вызов
подпрограммы; RETURN (вернуться)—возврат к главной программе,
подготовленный командой вызова; RESTART (запустить повторно).
Команды ввода-вывода. В данную группу входят две команды: INPUT
(ввести) — по этой команде байт данных, переданный в шину данных из
порта ввода, номер которого указан адресным байтом команды, направляется в
аккумулятор; OUTPUT (вывести) — содержимое аккумулятора выдается в
шину данных и по специальному сигналу записывается в тот порт вывода, номер
которого определен адресом команды.
1.9. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Введение. Микропроцессорная система (или микро-ЭВМ), состоящая из
микропроцессора, источников питания, модулей памяти, интерфейса и устройств
ввода-вывода, представляет собой аппаратуру для обработки информации или,
как принято говорить в вычислительной технике, аппаратную часть
системы обработки. Но чтобы осуществить требуемую обработку, недостаточно
располагать только тем, «а чем это можно выполнить, необходимо еще иметь
указания, как это выполнить. Такие указания содержатся в наборе программ,
представляющих программную часть системы обработки.
Совокупность, организованный набор программ различного назначения,
обеспечивающих функционирование микропроцессорной системы, автоматизацию
программирования и решение задач, называют программным или
математическим обеспечением.
Различают системное программное обеспечение, не
зависящее от конкретного применения (его поставляет изготовитель микропроцессора
или ЭВМ), и программное обеспечение 'пользователя,
разрабатываемое последним для решения определенных задач. Это две части
единого программного обеспечения.
Создание программного обеспечения микропроцессорной системы (микро-
ЭВМ) — трудоемкая и дорогостоящая процедура. Стоимость программной
части во много раз превышает затраты на аппаратную часть или, как образно
сказано в одном из журналов «Electronics», стоимость программного обеспе-
32

чения «затмевает стоимость всех других элементов системы». Для снижения
затрат программное обеспечение стремятся строить так, чтобы его можно было
использовать многократно, в микропроцессорных системах различных видов.
Системы, для которых применимо общее программное обеспечение, называют
программно-совместимыми. Для них характерны единые набор
команд, форма представления данных, система адресации.
Как уже отмечалось, программа — это совокупность команд для
выполнения определенной операции или функции. Нередко программа складывается из
определенного числа стандартных программ или подпрограмм, согласно
которым производятся специфические вычисления, решаются частные задачи.
Значимость некоторых стандартных программ столь велика или они так часто
применяются, что в микропроцессорной системе (или микро-ЭВМ) эти программы
хранятся в закодированной форме. Ее называют микрокомандой.
Для значительной части выпускаемых микропроцессоров, а также микро-
ЭВМ и микроконтроллеров характерно «индивидуальное» программное
обеспечение, что усложняет применение микропроцессоров и построение микропро-
цессорных систем.
Задача и этапы ее решения. Произнося слово «задача», мы не всегда
задумываемся над вопросом: «А что же такое задача?» С позиций
использования ЭВМ вряд ли нас может удовлетворить объяснение, содержащееся в
юлковом словаре: «Вопрос, требующий разрешения, то, что задано для
решения». Более приемлемым представляется такое определение: задача — это
совокупность исходных данных и четко поставленный вопрос, какой результат
должен быть получен на их основе; отыскание этого результата и является
решением задачи.
Процесс решения задачи на ЭВМ состоит из следующих этапов:
математической постановки задачи, выбора или разработки алгоритма решения,
представления алгоритма в виде структурной схемы, программирования, отладки
программы, решения задачи. Кратко осветим каждый из перечисленных этапов.
Математическая постановка задачи предполагает запись условия задачи
с помощью математических выражений, обозначений, четкое формулирование
исходных данных и искомого результата вычислений, определение формы
представления результата.
Сущность разработки алгоритма решения задачи вытекает из его
определения. Алгоритмом называют точное предписание о выполнении в
определенном порядке совокупности элементарных операций с целью решения любой
задачи из некоторого заданного класса задач. Иначе говоря, алгоритм — это
правило решения задачи, строгое выполнение которого приводит к искомому
результату. Осуществление последовательности действий, предписанных
алгоритмом, связано главным образом с вычислениями. Поэтому процедуру
выполнения алгоритма называют вычислительной процедурой. Итак, для
решения задачи необходимо разработать алгоритм и провести соответствующие
вычисления. Процесс создания алгоритма решения задачи называется
алгоритмизацией решения. Ее проводит не ЭВМ, а человек.
Программирование, т. е. написание программы, — это запись алгоритма с
помощью формализованной системы знаков, принятой для описания процедур
решения задач на ЭВМ. Такие знаковые системы называются языками
программирования. Программу, как и алгоритм, пишет человек —
программист. Для составления эффективной программы требуется специалист высокой
2—54 33

квалификации, не только в совершенстве владеющий принципами
программирования, но и хорошо понимающий решаемую задачу, а также знающий
применяемую микропроцессорную технику.
Отладка программы — это процедура проверки правильности составленной
программы, выявления ошибок и устранения их.
Решение задачи — автоматическое выполнение вычислительной процедуры
согласно отлаженной программе, которая введена в ЭВМ.
Алгоритм и его структурная схема. Из изложенного видно, что
составление алгоритма — это не только первый, но и очень важиый этап решения
задачи. Для многих задач может быть получено несколько алгоритмов решения.
Из них стремятся выбрать тот, который оптимален по заданному критерию.
Нередки ситуации, когда алгоритмизация решения связана с выполнением
большого объема работы, обусловленной необходимостью четкого определения
последовательности операций, установления логических связей между
отдельными операциями или их группами, формулирования условий, от выполнения или
невыполнения которых зависит дальнейший ход вычислений, и т. д. Поэтому
следует иметь представление об основных свойствах алгоритма и способах его
наглядного изображения.
Отметим три основных свойства, которыми должен обладать алгоритм:
определенность — однозначность толкования элементов, предписывающих
выполняемые операции;
массовость — возможность использования данного алгоритма для решения
широкого класса аналогичных задач с различными исходными данными;
результативность — возможность получения определенного результата при
допустимых исходных данных за конечное число шагов.
Наиболее удобная и наглядная форма представления алгоритма решения
задачи, логики построения программы — графическая, в виде структурной
схемы. Она состоит из упорядоченной совокупности условных геометрических
фигур (блоков), несущих информацию об определенном характере операций,
накладываемом условии, принятых обозначениях. Описания содержания
операции или условия помещаются внутри фигур, которые нумеруют. На рис. 1.11
приведены стандартные обозначения фигур. Поясним их.
Фигуру, показанную на рис. 1.1 \,а, используют для обозначения начала
или конца программы. Изображенная на рис. 1.11,6 фигура служит для
обозначения ввода данных в ЭВМ и вывода данных из нее. Трапеция (рис. 1.11,в)
отмечает ручную операцию. В прямоугольник (рис. 1.11,г) помещают
выполняемые операции или группы операций (процесс). Ромб (рис. 1.1,д) обозначает
условный оператор — логический блок, им пользуются при проверке условий
или сравнении величин. Направление перехода от данной операции к
следующей, т. е. развития вычислительной процедуры, указывают с помощью
стрелки (рис. 1.11,е). Окружность малого диаметра, приведенную на рис. 1Л\,ж%
называют страничным соединителем, указывающим, что продолжение схемы ал-
34
Рис. 1.11

горитма находится на той же странице. Наконец, значок, изображенный на
рис. 1.11,з и называемый межстраничным соединителем, служит для сообщения
о том, что продолжение схемы алгоритма находится на другой странице.
Внутри соединителей обычно проставляют метки (цифры), облегчающие поиск
продолжения схемы алгоритма.
Существуют три типа структурных схем алгоритмов:
системная схема, которую строят для того, чтобы показать, какие
устройства ввода-вывода требуются при решении задачи, а само решение в этой
схеме представляют одним блоком;
основная схема, более подробно, но все же в общих чертах описывающая
решение задачи;
детальная схема, которая составлена настолько подробно, что в одном
блоке помещаются одна или две команды из системы команд данной ЭВМ. Эта
схема начинается с блока «Начало» и завершается блоком «Конец».
Примеры структурных алгоритмов содержатся в последующих главах.
Языки программирования. Крылатые слова «найти общий язык»,
пришедшие, как утверждают лингвисты, из дипломатической практики, означают
«достичь взаимопонимания». В человеческом обществе язык — это средство
общения между людьми. Но не при всяком общении используется язык слов —
литературный язык. Нередки ситуации, когда для передачи мысли, замысла одного
человека другому человеку, который должен воспринять высказанную мысль,
эффективнее формализованный язык, состоящий из символов, знаков. Так,
музыканту для воплощения замысла композитора нужны не слова, а
совокупность нотных знаков, токарю — чертеж, составленный конструктором, а
радиомонтажнику— электрическая функциональная или принципиальная схема
разработанного устройства.
Общение человека с ЭВМ осуществляется с помощью специализированных
формальных языков, называемых языками программирования. Они служат для
описания совокупности инструкций, выполнение которых гарантирует
правильное решение задачи. Опираясь на ранее введенные понятия, можно сказать,
что языки программирования применяют для описания вводимых в ЭВМ
данных и алгоритмов их обработки. Основное назначение языка
программирования — хранение и передача алгоритма. Классифицируют эти языки по
нескольким признакам. Однако, прежде чем говорить о классификации, необходимо
отметить следующее.
В ЭВМ операции выполняются в двоичной системе счисления. Машина «ш>
нимает» только двоичную форму команды: совокупность нулей и единиц. По>~
этому каждый элемент данных, вводимых в память микропроцессора или
микропроцессорной системы (микро-ЭВМ, микроконтроллера), должен быть
представлен в двоичной форме. Команды, выполняемые системой согласно
программе, и адреса операндов также представлены двоичными кодами. Однако
при составлении (написании) программы они могут быть записаны в любой
другой форме с использованием различной символики.
В зависимости от уровня языка, т. е. степени детализации шагов при
выполнении программы, различают машинный язык, язык ассемблера и языки
высокого уровня. Охарактеризуем каждую из этих языковых разновидностей.
Машинный язык — язык низкого уровня. Для него характерна высокая
степень детализации шагов. Это единственный язык, который непосредственно вос-
2* 35

принимает, «понимает» микропроцессор. Язык представляет собой систему
команд, выраженных в двоичных кодах, или систему инструкций.
Для программиста машинный язык неудобен. Дело в том, что программа
представляет собой длинную последовательность нулей и единиц: все коды
операций, операнды и адреса операндов записываются в двоичном коде.
Написание большой программы трудоемко, а чтение затруднительно. Программист
должен помнить двоичные коды команд и стремиться к рациональному
распределению памяти микропроцессора. На составление программы приходится
затрачивать много времени, возможно значительное число ошибок. Отладка
программы получается сложной и продолжительной.
Оправдано составление на машинном языке простых программ. Такие
программы могут быть написаны с минимальной затратой времени и
использованием малого объема памяти.
К достоинствам машинного языка относят: сравнительно высокую
производительность при написании короткой программы (примерно до 250 байт),
минимальный объем занимаемой ею памяти, непосредственный ввод
результантов в устройство подготовки данных ППЗУ, возможность обходиться без
дополнительных аппаратных средств, отсутствие необходимости расходовать
машинное время для трансляции программ (сущность трансляции поясняется
ниже). Недостатками этого языка являются: большая трудоемкость и низкая
производительность составления объемных программ, высокая вероятность
ошибок и сложность их выявления, трудности развития или сокращения ранее
написанных программ [31].
Язык ассемблера (от англ. to assemble — собирать, компоновать) — это
символическое представление машинного языка. Команды языка
ассемблера позволяют существенно упростить составление, чтение и отладку
программ функционирования микропроцессорной системы по сравнению с
командами на машинном языке. Язык ассемблера, образованный в результате
мнемонического (от греч. mnemonikon — искусство запоминать) или символического
кодирования, считают наиболее простым языком программирования. Имеется
практически взаимооднозначное соответствие между командами языка
ассемблера и машинными командами микропроцессора. Каждая машинная команда
обозначается символом, представляющим собой сокращенную форму полной
записи наименования данной команды на английском языке. Символ
кодирования названия и содержания команды запоминается и воспринимается намного
легче, чем сочетание нулей и единиц. Примеры типичных операций и их
мнемонических обозначений приведены в табл. 1.
При записи полного набора команд программы мнемонические
обозначения применяют как для кода операции, так и для операндов и их адресов
(последние представляются символическими именами).
Так как микропроцессор «понимает» только язык двоичных кодов, то
необходим языковый транслятор [от англ. Translator — переводчик (с одного
языка на другой)], преобразующий программу, написанную на определенном
языке программирования, в машинные коды. Подготовка программы на
машинном языке путем замены символических названий операций на машинные
коды и символических адресов на абсолютные или относительные адреса
называется ассемблированием (абсолютный адрес — это адрес, который
непосредственно определен в самой команде; относительным называют адрес,
определяемый относительно адреса счетчика команд: для получения адреса опе-
-36

Таблица 1
Операция
Записать в память
Сложить
Вычесть
Переслать
Загрузить
Увеличить на 1
Уменьшить на 1
Логическое И
Логическое ИЛИ
Исключающее ИЛИ
Сравнить два числа
Сдвинуть влево на 1 разряд
Английское наименование
STORE
ADD
SUBSTRACT
MOVE
LOAD
INCREMENT
DECREMENT
AND
OR
EXCLUSIVE OR
COMPARE
ROTATE LEFT
in CARRY
Мнемоническое обозначение
ST
AD
SUB или SU
MOV
LD или L
INR
DCR
AN
OR
XOR или ХО
CMP
1 RLC
ранда указанный в команде адрес суммируется с содержимым счетчика
команд). Программист получает распечатку программ, называемую
листингом, который содержит и «сходную, и транслированную программы.
Следует сказать, что языковые трансляторы вообще облегчают процедуру
программирования, упрощают отладку программ. Они способствуют
расширению круга пользователей, которые составляют программы самостоятельно, без
привлечения профессиональных программистов. Процесс трансляции
выполняется с помощью ЭВМ (не обязательно той, для которой пишется данная
программа). Транслятор, который осуществляет перевод программы, написанной
ла языке ассемблера, в машинный код, называют ассемблером.
Язык ассемблера — наиболее распространенный язык программирования. Его
главное преимущество заключается в возможности эффективного
использования особенностей микропроцессора. Но следует иметь в виду, что этот язык
ориентирован на конкретную микро-ЭВМ, микропроцессорную систему. При
необходимости работы с другой микро-ЭВМ, относящейся к иному классу
машин, язык ассемблера, сохраняя общие свои черты, будет иным. Различия
сводятся в основном к терминам, используемым в командах, и способам
адресации операндов. Необходимо учитывать специфические особенности конкретного
микропроцессора при пользовании языком ассемблера, т. е. программа на нем
составляется для микропроцессора определенного типа. Таким образом, язык
ассемблера относится к машинно-ориентированным языкам программирования.
Из этого следует, что специалист, пишущий программу для данной
микропроцессорной системы, должен хорошо знать ее устройство и особенности
построения, ясно представлять ее архитектуру.
Программа на языке ассемблера—это последовательность команд
(операторов), описывающая решение задачи. Все команды имеют одинаковую струк*
туру. Команда, написанная на языке ассемблера, делится на четыре части*
которые называют полями:
Метка Операция Операнд Комментарий.
Кратко охарактеризуем их.
Метка — это имя, присваиваемое тем командам, на которые в программе
имеются ссылки. Иначе говоря, помечают те операции, к которым хотят об-
37

ращаться в программе по ходу ее выполнения. Но так как ссылаются не на
каждую команду, то отдельные поля остаются пустыми. Поле метки отделяют
от соседнего поля двоеточием.
Операция — это действие, которое предписывается командой. Поле
операции содержит мнемонический код операции.
Операнды — данные, над которыми выполняется операция. В поле операнда
может быть помещен не сам операнд, а его адрес. Если в этом поле заняты
два операнда, то их разделяют запятой.
Комментарий — это информация, полезная программистам и служащая для
пояснения команды. Он повышает удобство чтения программы, но не
воспринимается вычислительной машиной, не используется ассемблером в процессе
трансляции. Поле комментария обычно отделяется от предыдущего поля точкой
с запятой.
Записанные на языке ассемблера две компактные программы
перемножения и деления чисел для микропроцессора 8080 (КР580ИК80А)
интересующийся читатель найдет в [11, 44].
Резюмируя изложенное, к достоинствам языка ассемблера следует отнести:
легкое восприятие и запоминание символических кодов и ссылок, сравнительно
высокую производительность составления программ средней длины (до
1000 байт), возможность использования средств, облегчающих
программирование, относительную простоту изменения программы в процессе ее отладки
или при модернизации. Недостатки, с которыми сталкиваются составители
программ, сводятся к следующему: необходимо изучить правила и форматы языка,
его машинно-ориентированный характер, требующий знания структуры
микропроцессора и микропроцессорной системы, для которой пишется программа;
значительные затраты времени на. программирование отдельных операций;
потребность иметь дополнительную ЭВМ для трансляции программ в некоторых
ситуациях [31].
Языки программирования высокого уровня позволяют упростить и
ускорить составление программ. Эти языки являются машинно-независимыми, что
означает возможность использования программы, составленной на подобном
языке, для различных ЭВМ. Различают процедурно-ориентированные и
проблемно-ориентированные языки высокого уровня, хотя четкую грань между ни-
ми провести трудно. Процедурно-ориентированные языки содержат средства
выражения характерных алгоритмических действий: вычисления выражений,
проверки условий, выполнение процедур циклических вычислений, включение
подпрограмм (подпрограммой называют часть программы, представляющую
собой последовательность команд, неоднократно выполняемых в различных
разделах программы). Эти языки освобождают программиста от записи программ,
похожих на машинные. Проблемно-ориентированные языки ориентированы на
определенные классы однотипных задач и представляют своим пользователям
средства определения более или менее широкого набора функций,
подлежащих выполнению. Такие языки определяют задание для ЭВМ в терминах
функций, которые надо выполнить без детализации шагов, позволяющих осуществить
эти функции. Проблемное ориентирование достигается в результате
использования пакетов прикладных программ (иначе называемых проблемными или
функциональными), т. е. программ, осуществляющих решение задачи,
необходимой непосредственно пользователю вычислительной системы.
К языкам высокого уровня относятся: АЛГОЛ [от англ. Algo(ritmic) L(an«
38

guage) — язык алгоритмов] — алгоритмический язык, ориентированный на
решение задач численного анализа; ФОРТРАН [от англ. For(mular)
Translation)— трансляция формулы]—язык программирования, разработанный
специально для решения научных и инженерных задач; КОБОЛ (от англ. Cobol —
аббревиатуры слов Common business oriented Language — общепринятый
деловой язык) — язык, ориентированный на решение экономических, коммерческих
задач, связанных с организацией больших массивов и их обработкой; БЕЙСИК
{от англ. Basic — аббревиатуры слов Beginners all purpose symbolic istruc-
tion code — универсальный символический код команд для начинающих) —
наиболее широко распространенный диалоговый язык, т. е. язык взаимодействия
человека с машиной, сравнительно простой в употреблении; ПАСКАЛЬ
(название — в честь известного французского математика, физика и философа Блеза
Паскаля, который в 1642 г. сконструировал счетную машину) — язык
программирования, ориентированный на обучение программированию как
систематической дисциплине, которая основана на ряде фундаментальных понятий,
отраженных в этом языке; ПЛ/1 и ПЛ/М [PL — аббревиатура английских слов
Programming Language (язык программирования), а буква М указывает, что
язык предназначен для программного обеспечения микропроцессоров] —язык
для алгоритмизации широкого класса научно-технических и информационных
задач (язык ПЛ/М — подмножество языка ПЛ/1), он представляет попытку
синтеза лучших свойств Фортрана, Алгола, Кобола, но имеет и ряд новых
свойств, существенно расширяющих область его применения; ЛИСП (от англ.
LISP — аббревиатуры слов List Processing — обработка списков) — язык
программирования, ориентированный на обработку списков; широко используется
для программирования задач искусственного интеллекта. Кроме перечисленных
используются и другие языки высокого уровня, в том числе и появившиеся за
^последнее время.
Естественно, что для ввода программы, написанной на языке высокого
уровня, в микропроцессорную систему (микро-ЭВМ) необходимы трансляторы.
Получаемые в результате трансляции программы, представленные на машинном
•языке, требуют существенно большего объема памяти, чем ассемблированные
программы. Мера превышения зависит от опыта программиста. Важно
подчеркнуть, что высококвалифицированный программист составляет программу
на языке высокого уровня в 5—10 раз быстрее, чем на языке ассемблера.
Таким образом, достоинством языков программирования высокого уровня
являются значительное сокращение продолжительности написания программы,
уменьшение затрат на программирование, возможность использования
программы, составленной для одной ЭВМ, при решении этой задачи на другой ЭВМ,
более простое управление программами и сравнительно" легкая передача в
эксплуатацию. Однако следует ясно представлять и недостатки: необходимы
программисты высокой квалификации (с большим опытом), нередко —
дополнительная затрата средств и времени для трансляции составленных программ на
машинный язык, осуществляемой с помощью больших ЭВМ, значительный
объем памяти, занимаемый программой, получаемой после трансляции. Учитывая
достоинства и недостатки программирования на языках высокого уровня,
специалисты полагают, что его следует применять при больших программах
(объемом 1О00 байт и более), для опытных образцов и изделий, выпускаемых
мелкими сериями, для изделий, намеченных к производству большими сериями,
если программы составляют программисты высокого класса [31].
39

Виды программ. Как отмечалось в начале параграфа, программное
обеспечение представляет совокупность программ различного назначения. Приведем?
названия основных разновидностей программ и их определения.
Исходной называется программа работы микропроцессорной системы
(микро-ЭВМ), написанная на языке ассемблера или языке высокого уровня. С
помощью транслятора исходная программа преобразуется в объектную
программу— программу, представленную на машинном языке. Перевод с языка
ассемблера осуществляется с помощью программы ассемблера, а
трансляция программы, написанной на языке высокого уровня, в объективную
выполняется посредством программы-компилятора После проверки и
корректировки объектной программы получается рабочая программа. Указанные трж
программы — исходная, объектная и рабочая — составляют программное
обеспечение пользователя.
Для выполнения трансляции исходной программы в объектную, получение
рабочей программы и ввода ее в микропроцессорную систему изготовитель
микропроцессора или микро-ЭВМ снабжает пользователя набором
вспомогательных (служебных, сервисных) программ. Они относятся к системному
программному обеспечению, которое разделяют на резидентное программное обеспечение-
и кроссовое программное обеспечение. Резидентное обеспечение
состоит из набора служебных программ, реализованных в той же микро-ЭВМ
(микропроцессорной системе), которая будет работать согласно прикладной
программе пользователя. Кроес-программное обеспечение —
совокупность служебных программ, предназначенных для создания рабочих программ:
на микро-ЭВМ, отличающейся от той микро-ЭВМ, которая будет выполнять
рабочую программу. В состав кросс-<программного обеспечения входят кросс-
ассемблер, кросс-компилятор и имитатор.
Программа-имитатор — это служебная программа, позволяющая
имитировать (моделировать) работу различных микропроцессорных систем с
помощью одной и той же системы разработки — оборудования, которое
преобразует исходную программу в рабочую.
Служебная программа, обеспечивающая загрузку (размещение) рабочей?
программы в отведенной области памяти и контроль правильности
расположения в ней адресов начала и конца программы, называется программой-
загрузчиком.
-Управление функционированием микро-ЭВМ при трансляции, проверке,
корректировке и вводе прикладных программ пользователя проводится с помощью
резидентной программы-монитора.
Специальная служебная программа, применяемая для проверки объектной>
программы, носит название программ ы-о т л а д ч и к а. Эта программа
входит в состав имитатора. Корректировка и редактирование программы
пользователя после того, как она нанесена на перфоленту, достигаются с помощью
служебной программы, называемой редактором текста, или просто
редактором.
Отладка программы. При составлении программы могут быть допущены
ошибки. Их необходимо выявить и исключить. Эта процедура называется
отладкой программы. Для проведения отладки используют аппаратные и
программные средства. Как уже указывалось, существует специальная служебная
программа-отладчик. Ее записывают в ПЗУ микропроцессорной системы.
Отладчик позволяет проверить содержимое ячеек внешней памяти и регистров микро-
40

процессора, которое при необходимости может быть изменено. Если в
проверяемой программе указаны контрольные точки, то по достижении такой точки
выполнение программы приостанавливается. Программист получает возможность
сверить состояние микропроцессорной системы с ожидаемым состоянием и
сделать заключение о том, между какими двумя контрольными точками находится
ошибка. Уменьшением расстояния между двумя точками удается локализовать
ошибку. Иногда для исправления ошибки программы в нее требуется вставить
несколько команд. Такую вставку делают в исходной программе, и после
•трансляции получается новая версия объектной программы.
Касаясь аппаратных средств, применяемых для отладки, следует сказать об-
эмуляторе. Под эмуляцией [от англ. Emulation — подражание (примеру)] в
вычислительной технике понимают метод приспособления одних вычислительных
машин к решению задач, подготовленных для других машин. Иначе говоря,
эмуляция — это имитация одной системы средствами другой системы без
какой-либо потери функциональных возможностей или искажения получаемых
результатов. Эмулятор представляет собой специализированный
программируемый контроллер, который при выполнении отладки заменяет микропроцессор
в микропроцессорной системе. Подобный блок позволяет без
перепрограммирования выполнять на проверяемой микропроцессорной системе программу,
использующую коды или способы выполнения операций, отличные от данной
микропроцессорной системы.
Ввод программы в память микропроцессорной системы. Если программа
находится в ПЗУ, то она в него введена изготовителем и ее изменить нельзя.
Однако, как отмечалось, в § 1.6, нередко в составе микропроцессорной
системы содержатся ППЗУ или РППЗУ, которые могут программироваться
пользователем. Для ввода данных в ячейку запоминающего устройства требуется
указать адрес ячейки и помещаемое в нее число.
Задачу ввода информации в микро-ЭВМ решают с помощью перфоленты,
кассетного магнитофона, системы переключателей и клавиатуры. Так как последний
способ используется в измерительных приборах, содержащих
микропроцессорные системы, то рассмотрим ввод данных посредством шестнадцатиричной
клавиатуры [51]. При такой клавиатуре ускоряется процедура ввода и
уменьшается вероятность ошибки по сравнению с системой переключателей. Пример
клавиатуры приведен на рис. 1.12. В ее составе 16 клавиш
шестнадцатиричного кода (обозначенные цифрами от 0 до 9 и буквами Л, В, С, D, E, F) и
девять функциональных клавиш. Процедура ввода заключается в
следующем [23].
После набора адреса начальной ячейки памяти (посредством соответствующих
жодавых клавиш) нажимают клавишу УСТ АДР (установить адрес). Затем с
помощью кодовых клавиш формируют данные, которые требуется записать в
указанную ячейку памяти. Для ввода данных прикасаются к клавише ЗП с
ИНКР (запись с инкрементированием). При этом данные направляются в
ячейку указанного адреса и формируется адрес следующей ячейки (номер
предыдущего адреса увеличивается на единицу).
Завершив ввод программы и данных в запоминающие устройства, для
проверки правильности результатов ввода нажимают клавиши ЧТ с ДЕКР
(чтение с декрементированием) и ЧТ с ИНКР (чтение с инкрементированием).
Нажатие первой клавиши приводит к выборке предыдущего адреса, а нажатие
«торой — сопровождается выборкой следующего адреса.
41

Рис. 1.12
В случае констатации отсутствия
ошибок ввода, набрав адрес первого
байта программы, последовательно
нажимают клавиши УСТ АДР и
ПУСК. Начинается выполнение
программы.
Так как с нажатием клавиши
ПУСК клавиатура отключается от
микропроцессорной системы, то,
когда требуется возобновить
возможность управления с помощью
клавиатуры, нажимают клавишу СБР
(сброс). Она связана
непосредственно с микропроцессором. Клавишами
ЗАПОМ ДАН (запомнить данные)
и ЗАГР ДАН (загрузить данные)
пользуются тогда, когда необходимо
записать данные на кассету и
переслать их в основную память. При нажатии первой из них данные пересылаются
из основной памяти в кассетное запоминающее устройство, а после нажатия
второй — пересылка осуществляется противоположным образом: с кассетного
запоминающего устройства в основную память. Управление микропроцессорной
системой во время ввода рабочей программы производит программа-монитор.
Автоматизация программирования. Создание программного обеспечения, как
уже отмечалось, — трудоемкая и дорогостоящая процедура.. Ее осуществление
облегчает наличие стандартизованных прикладных программ, однако для
согласования их с требованиями конкретного пользователя необходимо участие
программиста. Автоматизация программирования, при которой сама микро-ЭВМ
выполняет многие функции программиста, открывает возможности резкого
повышения производительности, скорости разработки программных средств. При
этом постановка или описание задачи обычно осуществляется в диалоговом
режиме в соответствии с ответами пользователя на «вопросы-иодсказки»
(отображаемые на дисплее ЭВМ), которые позволяют полно описать задачу.
После этого начинают работать средства автоматического программирования,
транслируя описание задачи в отлаженную (рабочую) программу. Помимо
уменьшения трудоемкости и продолжительности создания программы при
автоматизации программирования отпадает необходимость проверки и отладки
программы, так как они получаются практически безошибочными. Однако
следует иметь в виду, что в настоящее время техника автоматизации создания
программного обеспечения находится в фазе своего развития. Пока еще она
охватывает ограниченный круг прикладных задач, хотя перечень появляющихся
прикладных программ расширяется и перспективы автоматического
программирования оцениваются оптимистически.

Глава вторая.
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ
2.1. ФУНКЦИИ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРАМИ
В ПРИБОРАХ
Общие сведения. Как уже отмечалось, для современного этапа
развития техники характерно все более интенсивное и глубокое
проникновение в ее различные отрасли микропроцессоров,
радикально преобразующих свойства многих устройств и открывающих
новые возможности их применения. По широте и эффективности
применения микропроцессоров одно из первых мест занимает
контрольно-измерительная техника.
Естественно возникает вопрос: «Что дает применение
микропроцессоров в измерительных приборах, сколь эффективны
схемные решения, в основе которых лежит микропроцессорная
система?»
В общем плане ответом могут служить заголовки ряда
журнальных статей и информационных материалов: «Микропроцессор
совершает революцию в электронном приборостроении». И это
действительно так. Но даже если умерить патетические интонации
и перейти к обычному техническому языку, то следует сказать,
что применение микропроцессоров в измерительной технике
позволяет резко повысить точность приборов, значительно расширить
их возможности, повысить надежность, быстродействие, решить
задачи, которые ранее вообще не решались.
Конкретное рассмотрение функций микропроцессорных систем
в измерительных приборах показывает, что с помощью этих
систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение
управления процессом измерения, автоматизация регулировок,
самокалибровка и автоматическая поверка, улучшение
метрологических характеристик прибора, выполнение вычислительных
процедур, статистическая обработка результатов наблюдений,
определение и перевод в линейную форму функции измеряемой
физической величины, создание программируемых, полностью
автоматизированных приборов. Появился новый класс «интеллектуальных»
приборов, называемых также «думающими» или «разумными».
43

Радикально изменилась идеология построения приборов.
Микропроцессор стал основной частью собственно прибора, что
привело к изменению конструкции и схемных решений, компоновки,
управления, включению обработки данных в измерительную
процедуру (выполняемую без участия экспериментатора). Внедрение
микропроцессоров открыло возможность построения
многофункциональных приборов с гибкими программами работы, сделало
приборы более экономичными, облегчило решение задачи выхода на
стандартную интерфейсную шину [канал общего пользования
(КОП)] и управления интерфейсом. Все это упростило
эксплуатацию приборов, резко повысило производительность труда их
пользователей.
Рассмотрим более подробно основные возможности, особенности
приборов, содержащих микропроцессорные системы, и выясним, в*
результате чего достигаются эти возможности.
Многофункциональность. Идея построения
многофункциональных измерительных приборов, предназначенных для измерения
нескольких параметров сигналов или характеристик объекта
исследования, не нова. Она осуществляется уже более двух десятилетий.
Но до применения микропроцессоров многофункциональные
приборы представляли собой совокупность нескольких функциональных
узлов, объединенных в одно конструктивное целое. При
эксплуатации таких приборов переход от одной функции к другой
производится с помощью коммутирующих устройств. В результате
коммутации соединительных цепей пользователь составляет,
«собирает» из отдельных узлов определенный прибор для измерения
конкретного параметра сигнала или характеристики испытуемого
объекта.. Алгоритм работы средства измерений, заложенный при
его разработке, в процессе эксплуатации сохраняется неизменным.
Иначе говоря традиционные многофункциональные приборы
выполнены по схеме с жесткой логикой. Для нее характерно
противоречие между многофункциональностью, числом возможных
функций прибора, с одной стороны, и экономической, а также
технической эффективностью — с другой. Проблема коммутации »
управления никогда не теряла остроты при конструировании
приборов, предназначенных для выполнения ряда функций, и далека
не всегда решалась успешно.
Микропроцессорная система, введенная в состав
многофункционального средства измерения, радикально изменила его,
преобразовала устройство с жесткой логикой работы в
программно-управляемое устройство. Функциональные возможности такого
устройства определяются выполняемой программой, и могут быть
легко видоизменены путем перехода к другой программе, хранимой
в ПЗУ. Поэтому программируемую логику работы подобных
приборов иногда называют «хранимой». Она создает гибкость
перестройки, позволяет наращивать функции при модернизации прибора
без существенных изменений в его схеме. Применение
программируемой логики, как правило, уменьшает стоимость прибора.
Повышение точности приборов. Напомним, что под точностыа
44

средства измерений понимают качество средства измерений,
отражающее близость к нулю его погрешностей. При этом близость
к нулю систематических погрешностей определяет правильность
средства измерений, а близость к нулю случайных погрешностей—
сходимость показаний средства измерений.
Погрешности средства измерений относятся к его
метрологическим характеристикам. Поскольку вопросы улучшения
метрологических характеристик, достигаемого в результате введения
микропроцессорной системы в состав прибора, освещены в
отдельном параграфе 2.2, то здесь лишь кратко перечислим пути
повышения точности измерительного прибора. Они заключаются
в автоматической компенсации (исключении) систематической
погрешности, в частности автоматической установке нуля перед
началом измерений, автоматическом выполнении градуировочной
операции (самокалибровка), выполнении самоконтроля,
уменьшении влияния случайных погрешностей путем проведения
многократных наблюдений (единичных измерений) с последующим
усреднением их результатов, выявлении и исключении грубых
погрешностей, выведении на дисплей информации о числовых
значениях погрешностей по ходу измерений.
Расширение измерительных возможностей приборов.
Применение микропроцессоров позволяет существенно расширить
возможности измерений широкого перечня параметров сигналов и
характеристик устройств. Это связано прежде всего с использованием,
казалось бы устаревших, видов измерений: косвенных и
совокупных.
Известно, что косвенное измерение заключается в нахождении
искомого значения физической величины по известной
математической зависимости между этой величиной и физическими
величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Иначе говоря,
искомое значение данной физической величины вычисляется по
результатам прямых измерений других физических величин. Если
физическая величина z, значение которой нужно измерить,
представляет собой функцию
где х\, х2, ..., хя — физические величины, подвергаемые прямым
измерениям, и Ви В2, ..., Bq—результаты прямых измерений
физических величин хи *2, .--, xq9 то результат А косвенного
измерения находят из выражения
Из-за необходимости применения нескольких приборов, снятия
ряда отсчетов и последующих вычислений косвенные измерения
воспринимаются многими экспериментаторами как примитивные,
несовременные. Даже при использовании микрокалькуляторов
вычисления в некоторых случаях могут занимать значительное
время, и, главное, они, требуя постоянного внимания и работы
экспериментатора, не позволяют достичь высокой производительности.
48

Кроме того, не очень проста процедура оценки погрешностей
косвенных измерений, а без этого никакое измерение не может быть
признано достоверным.
Коренным образом меняется положение при включении в состав
прибора микропроцессорной системы. По команде, получаемой с
клавиатуры, она автоматически в соответствии с заданной
программой выбирает режимы измерений, запоминает результаты прямых
измерений, проводит необходимые вычисления и выдает найденное
значение измеряемой физической величины на дисплей. Хотя
измерения по своей природе остаются косвенными, экспериментатор
воспринимает их как прямые, поскольку, подключив прибор к
объекту исследования, непосредственно получает результат
измерения.
Примером может служить измерение цифровым вольтметром
мощности Р, рассеиваемой на нагрузочном резисторе усилителя
низкой частоты (см. § 5.5). Измерения осуществляются согласно
формуле
где U — падение напряжения на резисторе; R — сопротивление
резистора. Цифровому вольтметру задается программа, согласно
которой сначала измеряется сопротивление резистора и
запоминается полученный результат, затем измеряется напряжение на
резисторе, после чего вычисляется мощность.
В качестве других примеров можно привести измерение
сопротивлений резисторов на основе формулы закона Ома R = U/I и
измерение коэффициента усиления усилителя согласно
определению K = Ubux/Ubx.
Приведенные примеры относятся к сравнительно простым
математическим соотношениям. Однако на практике нередко
возникает необходимость нахождения косвенным путем значений и
таких физических величин, которые зависят от большого числа
непосредственно измеряемых других физических величин. Применение
микропроцессорных систем делает эти измерения простыми и
удобными для пользователя, получающего прямые показания
прибора и не ощущающего того, что фактически выполняются
сложные косвенные измерения.
Еще более эффективны микропроцессорные системы при
совокупных измерениях, т. е. производимых одновременно измерениях
нескольких одноименных физических величин, при которых
искомые значения величин находят решением системы уравнений,
получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих
величин.
Упрощение и облегчение управления прибором. На первый
взгляд расширение функций, выполняемых программируемыми
приборами, должно было бы привести к увеличению числа
органов управления. Но в действительности это не так. Одним из
критериев высокого уровня программного обеспечения
измерительного прибора является степень сложности его передней панели.
46

Принято считать, что «разумный» прибор должен иметь простой
набор органов управления. Для современных приборов,
содержащих микропроцессоры, характерна кнопочная система управления,
конструктивно оформляемая в виде клавиатур (выносной или на
передней панели прибора), внешне напоминающей клавиатуру
калькулятора.
Так, например, у одного из цифровых мультиметров,
обладающего многими функциональными возможностями, управление
изменением функций, диапазонов измерений и режимов работы
(всего 44 сочетания) осуществляется с помощью клавиатуры,
состоящей всего из 17 клавиш. Этого удалось достичь вследствие
того, что каждая клавиша управляет аналоговыми схемами
косвенным образом — через микропроцессор, а последний
селектирует различные сочетания сигналов, вводимых при нажатии клавиш.
Другим примером упрощения управления, сокращения числа
ручек и кнопок может служить малогабаритный 7-разрядный
цифровой частотомер, работающий в диапазоне 10 Гц... 1 ГГц. На
передней панели этого прибора имеются только два входных
разъема (первый — для сигналов частотой 10... 75 МГц, второй —
для сигналов частотой 70 МГц... 1 ГГц), кнопка включения
прибора, ручка регулятора чувствительности и двухпозиционный
кнопочный переключатель длительности временных ворот («времени
измерения»): 1 с и 1 мс.
Радикально уменьшает число органов управления
автоматизация выбора пределов измерений, интервала дискретизации
напряжения исследуемого сигнала и других режимов работы прибора.
В некоторых приборах предусмотрены сигнализация о
некорректных шагах экспериментатора и выдача на дисплей инструкций,
указывающих, что должен предпринять экспериментатор, какова
правильная последовательность действий.
Возможность получения математических функций измеренных
значений. В зависимости от решаемой задачи экспериментатора
могут интересовать не непосредственно получаемое при измерении
значение физической величины, а его различные математические
функции. Многие приборы, содержащие микропроцессорные
системы, позволяют автоматически выполнять запрограммированные
функциональные преобразования. Примерами таких
преобразований могут служить:
1. Умножение найденного значения Л на константу с. При
этом показание прибора Ап=сА. Константа вводится по команде
при нажатии клавиши.
2. Получение отклонений результата измерения А от
номинального значения Лн: абсолютного А—Ан и относительного,
выраженного в процентах по отношению к номинальному значению, т. е.
100(Л-Л„)/Л„.
3. Смещение, предполагающее вычитание константы из
результата измерения.
4. Вычисление отношений: деление на константу (например,
при определении значения постоянного тока через резистор по
47

измеренному вольтметром значению падения напряжения на этом
резисторе), нахождение частного от деления одного результата
измерения на другой результат измерения (например, при
определении коэффициента усиления по результатам измерений
напряжений на выходе и входе усилителя). •
5. Представление результата измерения в логарифмических
единицах. Например, затухание четырехполюсника, выраженное
в децибелах: а = 20 \g(UBX/UBblx).
6. Линеаризация зависимостей. Такая необходимость особенно
часто встречается при электрических измерениях неэлектрических
величин (например, температуры), когда напряжение
электрического сигнала на выходе датчика представляет собой нелинейную
функцию измеряемой физической величины на его входе. В таких
ситуациях значения выходного напряжения датчика
преобразуются с помощью АЦП в числа, которые обрабатываются
микропроцессорной системой по заданной программе, и в итоге получается
линейная связь между показаниями прибора и значениями
физической величины на входе датчика.
В некоторых приборах предусмотрена возможность вычисления
по желанию пользователя произвольных (разумеется, в
определенных пределах) математических соотношений.
Получение статистических характеристик. Ряд вольтметров в
составе которых имеется микропроцессорная система, позволяет
формировать оценки таких вероятностных характеристик
анализируемой случайной переменной, как среднее значение, средняя
мощность, среднеквадратическое значение, дисперсия, среднеква-
дратическое отклонение, а также коэффициент корреляции двух
случайных переменных. Микропроцессорные приборы, специально
предназначенные для измерения статистических характеристик
сигналов, обладают более широкими возможностями.
Миниатюризация и экономичность аппаратуры. Резкое
уменьшение числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения
многих функций микропроцессорной системой, их относительно
невысокая стоимость, значительное снижение потребляемой
мощности позволяют строить малогабаритные и экономичные
приборы.
Повышение надежности приборов. Оно обусловлено
уменьшением числа элементов схем, осуществлением автодиагностики,
применением узлов с некалиброванными характеристиками
(например, усилителя в канале вертикального отклонения
осциллографа), возможностью выполнения коррекции погрешностей,
улучшающей метрологическую надежность.
Сокращение продолжительности разработки. Часто для
получения новых свойств прибора, выполняемого на основе
микропроцессорной системы, не требуется значительных изменений в
схеме и тем более в конструкции прибора. Основное содержание
разработки заключается в создании необходимого программного
обеспечения. Учитывая, что для широко применяемых
микропроцессоров (например, КР580ИК80А, Intel 8080A) уже накоплена

библиотека достаточно совершенных типовых прикладных
программ (переложения и деления двухбайтовых чисел, возведения
числа в квадрат, извлечения корня квадратного и т. п.), во
многих случаях разработка программного обеспечения прибора в
значительной степени сводится к рациональному выбору имеющихся
программ.
Организация измерительных систем. Прибор, содержащий
микропроцессор, обычно снабжен (или может быть дополнен)
интерфейсной картой (см. § 3.4), позволяющей подключать его к
стандартной интерфейсной шине. Это дает возможность объединять
определенную совокупность приборов в единую измерительную
систему (измерительно-вычислительный комплекс).
2.2. УЛУЧШЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПРИБОРОВ
Общие сведения. Метрологическими характеристиками
средства измерения называют характеристики свойств средства
измерения, оказывающие влияние на результаты и погрешности
измерений. Не приводя полной классификации погрешностей измерений
и измерительных приборов [24], отмечаем, что по
закономерности проявления различают систематические, случайные и грубые
погрешности. Напомним их определения:
систематическая погрешность — составляющая погрешности
измерений, остающаяся постоянной по величине и знаку или
проявляющаяся с определенной закономерностью при повторных
измерениях одной и той же физической величины;
случайная погрешность — составляющая погрешности
измерений, изменяющаяся случайным образом при повторных
измерениях одной и той же величины, т. е. погрешность, значение и знак
которой не могут быть точно предсказаны;
грубые погрешности — погрешности, существенно
превышающие ожидаемую при данных условиях погрешность (грубые
искажения результатов измерения).
Рассмотрим в общем плане возможности и способы
уменьшения погрешностей в приборах, содержащих микропроцессорные
системы (более подробно этот вопрос освещается в тех главах,
где излагаются принципы построения измерительных приборов
конкретных видов).
Исключение систематической погрешности. Наиболее часто
систематические погрешности обусловлены смещением нуля,
несоответствием реального значения коэффициента передачи тракта
сигнала номинальному значению, неравномерностью амплитудно-
частотной характеристики тракта передачи сигнала, влиянием
характеристики аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Наличие в приборе микропроцессорной системы позволяет
скорректировать, исключить систематические погрешности.
Кратко осветим пути решения задачи.
Для исключения смещения нуля, например в цифровом вольт-
49

метре, его входные зажимы замыкаются накоротко и
присоединяются к точке с нулевым потенциалом (заземляются). При этом
число, получаемое на выходе АЦП, характеризует смещение
нуля. Оно запоминается и вычитается из показаний прибора. В
дальнейшем, когда измеряется напряжение, подводимое ко
входным зажимам прибора, автоматически вносится поправка,
устраняющая систематическую погрешность, вызванную смещение**
нуля.
Принцип коррекции систематической погрешности, связанной
с тем, что значение коэффииента передачи тракта сигнала
(характеризующее вносимое им усиление или ослабление)
отличается от номинального, заключается в следующем (рис. 2.1).
В памяти микропроцессорной системы хранится число В, не
разрушаемое при отключении питания системы и соответствующее
строго определенному значению А0 входного напряжения, т. е.
число, которое должно получаться на выходе АЦП, если на вход
вольтметра поступает напряжение А0 и коэффициент передачи
тракта сигнала, а также коэффициент преобразования АЦП
соответствуют своим номинальным значениям. Внутри прибора
имеется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), содержащий
образцовый источник питания. При подведении числа В ко
входам ЦАП на его выходе образуется напряжение, значение
которого равно Л0. Это напряжение подается на вход прибора. В
результате аналого-цифрового преобразования получается В'у
отличающееся от числа В из-за наличия систематической
погрешности. Ее характеризует отношение чисел а = В/В'. Значение
коэффициента а вычисляет микропроцессор, и оно фиксируется в
памяти. Таким образом, в памяти содержится поправочный
множитель.
Когда на вход прибора поступает измеряемое напряжение
постоянного тока, то на выходе АЦП получается число С,
соответствующее значению этого напряжения. Введение поправочного
множителя, т. е. выполняемое микропроцессором умножение
числа С на коэффициент а, дает правильный результат измерения —
число С.
Задача исключения систематической погрешности,
обусловленной неравномерностью АЧХ тракта передачи сигнала, особенно
сложна при использовании широкодиапазонных вольтметров. На-
50
Рис. 2.1

личие микропроцессорной системы в приборе существенно
упрощает решение этой задачи. Вот как она решена в измерителе
уровня высокочастотных сигналов [33].
На выносном измерительном пробнике (измерительной
головке) закреплена табличка, указывающая масштабные
коэффициенты (поправочные множители) для совокупности частот,
входящих в диапазон прибора 0... 2 ГГц. Каждый масштабный
коэффициент, соответствующий определенной частоте fi9 может быть
введен в прибор для исключения систематической погрешности,
обусловленной отличием значения коэффициента передачи Ki от
номинального значения Ко- В памяти калибровочных
коэффициентов хранится значение /Со = 1000. Это значение можно
индицировать на дисплее прибора и изменять по команде с клавиатуры
(или интерфейсной шины). Если экспериментатор вводит значение
Ки отличное от /Со, то на дисплее отображается фактическое
(введенное) значение коэффициента с целью привлечения
внимания экспериментатора к факту изменения калибровки.
При измерении напряжения микропроцессор выполняет
операцию умножения на поправочный множитель, т. е. учитывает
введенный масштабный коэффициент, исключая тем самым
систематическую погрешность.
Уменьшение влияния случайной погрешности. Эта
составляющая погрешности измерения, как известно, не может быть
исключена. Ее влияние можно уменьшить рациональной обработкой
результатов наблюдений.
Для учета случайных погрешностей пользуются
вероятностными характеристиками. Из теории вероятностей известно, что
наиболее полно случайные величины характеризуются законами
распределения вероятностей. Однако при решении многих
измерительных задач вполне достаточными характеристиками случайных
погрешностей служат их простейшие числовые характеристики:
среднее значение (математическое ожидание) и среднеквадрати-
ческое отклонение. Так как число N наблюдений всегда
ограниченно, то реально пользуются статистическими числовыми
характеристиками, называемыми оценками характеристик.
Оценку среднего значения результатов наблюдений вычисляют
iio формуле
где А{ — результат t-ro наблюдения, не искаженный
систематической погрешностью; N — число наблюдений.
Для вычисления оценки среднеквадратического отклонения
случайной погрешности результата наблюдений служит
выражение
(2.1)
51

где Vi=Ai—Лср — отклонение i-ro результата наблюдения от
среднего значения.
В теории погрешностей доказывается, что среднеквадратичес-
кое отклонение результата измерения, определяемого как Лср,
вычисленное для N групп серий независимых наблюдений (в
каждой группе по N наблюдений), при большом числе Л/", намного
меньше, чем среднеквадратическое отклонение аи . Рассчитывают
оа ср по формуле
Формула (2.1) отределяет абсолютную погрешность. Для
нахождения относительной среднеквадратической случайной
погрешности б0 значение а о, вычисленное по (2.1), относят к Лср:
(2.2)
Из написанных выражений видно, что проведение
многократных измерений с последующим усреднением результатов —
эффективный способ уменьшения влияния случайной погрешности на
результат измерения.
Микропроцессорная система, входящая в состав
измерительного прибора, позволяет накапливать результаты многократных
наблюдений и обрабатывать по определенному алгоритму. На рис.
2.2 приведена схема алгоритма вычисления Лср, а0 и б0.
Возможны менее полный алгоритм, ограниченный нахождением
только результата измерений Лср, и более полный, чем показанный на
рис. 2.2, алгоритм, включающий операции вычисления оценки
среднеквадратического отклонения результата измерения Лср,
решения вопроса, выполняется ли гипотеза о гауссовском
(нормальном) распределении вероятностей случайных погрешностей, а
также операции вычисления доверительных границ случайных
погрешностей.
Компенсация внутренних шумов. Эта операция позволяет
повысить чувствительность измерительного прибора, расширить
диапазон измеряемых значений напряжения в сторону малых
значений. Принцип компенсации, использованный в измерителе уровня
высокочастотных сигналов [33], сводится к следующему.
В состав прибора входит измерительный преобразователь,
осуществляющий преобразование высокочастотного напряжения
переменного тока в напряжение постоянного тока, значение
которого соответствует среднеквадратическому значению напряжения
переменного тока. Еще до подачи исследуемого сигнала s(t) в
течение интервала времени, затрачиваемого на автоматическую
регулировку нуля, измеряется средний квадрат шумового сигнала
n(t) на входе преобразователя. Результат измерения n2(t)
запоминается. После подведения ко входу прибора полезного сигнала
5й

на входе преобразователя получается сумма сигнала и шума. В
преобразователе суммарный сигнал s(t)+n(t) возводится в
квадрат, в результате чего образуется сигнал s2(t) +2s(t)n(t) +n2{t)~
Усреднение этого сигнала дает
[так как сигналы s(t) и n(t) независимы, среднее значение их
произведения равно нулю]. Из результата усреднения вычитается
Рис. 2.2
53

измеренный ранее средний квадрат n2(t) шумового сигнала и
получаемая разность равна s2{t). Извлечение преобразователем
квадратного корня дает среднеквадратическое значение «чистого»
полезного сигнала s(t), поскольку шумовая составляющая
скомпенсирована.
Следует заметить, что для осуществления описанного
принципа компенсации необходим измерительный преобразователь,
позволяющий раздельно выполнять операции возведения в квадрат,
^усреднения и извлечения квадратного корня.
2.3. КОГДА ЦЕЛЕСООБРАЗНО ПРИМЕНЯТЬ МИКРОПРОЦЕССОРЫ?
Дать однозначный ответ на поставленный вопрос или, тем бо-
.лее, привести рецепт, как действовать в той или иной ситуации,
ле представляется возможным. В каждом конкретном случае во-
лрос об эффективности использования микропроцессора в
проектируемом измерительном приборе решает разработчик прибора.
Тем не менее анализ уже имеющихся приборов и литературных
источников позволяет привести общие соображения, облегчающие
ориентацию специалистам, перед которыми возникла дилемма:
«Применить микропроцессор или традиционное схемное решение
в рамках жесткой логики?» Они сводятся к тому, что
использование микропроцессоров в средствах измерения оправданно
в'следующих типичных ситуациях:
1. Требуемое для решения задачи число интегральных схем
(корпусов) т^ЗО (некоторые специалисты считают, что следует
ориентироваться на микропроцессор при т^50).
2. Прибор должен быть многофункциональным,
программируемым, необходима функциональная гибкость.
3. Предвидятся дальнейшие развитие измерительной системы,
наращивание, расширение ее функций.
4. Измерительная система должна взаимодействовать с боль-
лпим числом входных и выходных устройств.
5. Требуется запоминание группы данных.
6. Предвидится фиксация в памяти большого числа
логических состояний.
7. Используются алгоритмы косвенных и совокупных
измерений, а вычислительные процедуры должны быть
автоматизированы.
8. Обязательны высокие метрологические характеристики,
трудно достижимые или не достижимые обычными путями.
9. Требуются самокалибровка и самодиагностика.
10. Статистическая обработка результатов измерений должна
*быть органической частью измерительной процедуры и должна
выполняться автоматически.
11. Значения погрешностей измерений должны определяться
по ходу измерения и отображаться на дисплее прибора.
12. Необходимо выполнение математических функциональных
64

преобразований, таких как линеаризация зависимости, квадриро-
вание, нахождение отношений значений двух величин, выражение
результата измерения в децибелах и т. п.
13. Требуются новые возможности прибора, которые могут
быть осуществлены только с помощью микропроцессора.
14. Быстродействие микропроцессора достаточно высоко для
работы проектируемого средства измерения в реальном масштабе
времени, а если он не удовлетворяет этому требованию, то
приемлемо применение мультимикропроцессорной системы,
позволяющей получать необходимое быстродействие.
15. Велик объем измерений, и при их выполнении требуется
высокая производительность.
2.4. ЧТО ОСЛОЖНЯЕТ И ОГРАНИЧИВАЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
МИКРОПРОЦЕССОРОВ В СРЕДСТВАХ ИЗМЕРЕНИЯ?
Отвечая на поставленный вопрос, следует отметить, что
имеются причины субъективного и объективного характера. К
основным из них относятся:
Психологический барьер. Среди специалистов, которые еще не
вошли в соприкосновение с микропроцессорами, есть люди,
скептически полагающие, что «микропроцессорная полоса» подобна
быстро проходящей моде. Они не осведомлены о том, что
микропроцессоры вошли всерьез и надолго в различные области
техники и особенно в контрольно-измерительную технику, что
микропроцессоры определяют уровень научно-технического прогресса'
не только сегодняшнего и завтрашнего дня, но, как считают
авторитетные отечественные и зарубежные специалисты, будут играть-
большую роль и в технике XXI века. Залогом этому служит все
расширяющееся и углубляющееся применение микропроцессоров,
быстрые темпы создания более совершенных моделей,
открывающих все новые и новые возможности построения оригинальных
устройств с удивительными свойствами.
Отмеченная группа невелика. Значительно более
многочисленна группа специалистов, которая, допуская перспективность
микропроцессорной техники, неправильно оценивает микропроцессоры
и условия, при которых их целесообразно применять. Многие
представители этой группы полагают, что микропроцессоры — очень-
сложные и экономически невыгодные устройства. Этих
специалистов, мыслящих категориями больших ЭВМ, смущает (чтобы не
сказать — пугает) неполнота «загрузки» микропроцессора. Такие-
взгляды, по-видимому, обусловлены недоразумениями,
поверхностным знакомством с микропроцессорной техникой. Несомненно,,
что изучение микропроцессоров, проникновение в
«микропроцессорный мир» поможет понять, во-первых, что сами
микропроцессоры и многие компоненты микропроцессорных комплектов —
недорогие устройства, и, во-вторых (это, пожалуй, еще важнее), что»
в очень многих устройствах наличие микропроцессорной системы
оправданно, даже если ее вычислительные возможности использу-
55^

ются всего на несколько процентов, так как не только
технические, но и экономические выгоды, достигаемые в результате
применения такой системы, могут во много раз превысить ее
стоимость. Более того, как уже отмечалось, введение
микропроцессорной системы в средства измерения нередко позволяют
существенно снизить их стоимость по сравнению с приборами, имеющими
аналогичные характеристики (если они достижимы без
микропроцессоров), но выполненные по схемам с жесткой логикой. К
сказанному следует добавить, что микропроцессоры бесценны в тех
случаях, когда только на их основе возможны выполнение
поставленных требований, достижение новых свойств устройства.
Хочется пожелать указанным специалистам — как можно
скорее преодолеть психологический барьер и ощутить всю полноту
преимуществ приборов, содержащих микропроцессоры.
Трудности выбора базового микропроцессора. Промышленность
уже выпускает много типов микропроцессоров, и число новых
разработок лавинообразно нарастает. Нередко говорят о высоких
темпах появления новых поколений микропроцессоров. Но, в
отличие от ЭВМ, у которых каждое последующее поколение по
основным технико-экономическим показателям превосходит
предыдущее и обычно вытесняет его, микропроцессоры всех поколений
сосуществуют и взаимно дополняют (а не вытесняют) друг друга.
Так, например, появление 16- или 32-разрядных
микропроцессоров, ничуть не уменьшив роли 8-разрядных микропроцессоров,
расширило круг решаемых задач, позволило повысить
быстродействие устройств, открыло возможности получения новых
свойств разрабатываемых систем. Более того, иногда
микропроцессорные комплекты, характеризующиеся одинаковой
разрядностью микропроцессора, различаются по быстродействию, емкости
запоминающих устройств. Очевидно, что каждый из этих
микропроцессорных комплектов может с одинаковым успехом быть
использован в «своем» проектируемом приборе в соответствии с
решаемой задачей, заданными характеристиками прибора.
Но это еще не все. Дело в том, что появление большого числа
типов универсальных микропроцессоров вовсе не уменьшило
количества разработок специализированных микропроцессоров,
которые рассчитаны на конкретные применения и часто
оптимизированы по различным параметрам. Поэтому далеко не всегда
поставленные задачи должны решаться с помощью универсального мик-
ропроцессбра. Нередки ситуации, когда намного эффективнее
специализированный микропроцессор. Так, операция перемножения
двух однобайтовых чисел универсальным микропроцессором,
структура которого предопределяет вычисления по программе
«сложение со сдвигом», требует значительного времени. Например,
микропроцессор, характеризуемый быстродействием 1 млн.
регистровых операций в секунду перемножает два однобайтовых числа
примерно за 50 мке (могут быть колебания в зависимости от
программы). В то же время специализированные микропроцессоры,
выполняемые в однокристальном исполнении, — матричные пере-
56

множители (в отечественной литературе их также называют
арифметическими расширителями) —обладают гораздо более высоким
быстродействием: два 8-разрядных числа они перемножают за
интервал времени, не превышающий сотых долей микросекунды.
Поэтому в ситуациях, когда необходима высокая скорость
перемножения, исключительную ценность представляет
специализированный микропроцессор.
Выпускаются большие интегральные схемы, выполняющие
быстрое преобразование Фурье, монолитные корреляторы, схемы,,
представляющие однокристальное сочетание АЦП и
микропроцессора, «аналоговый» микропроцессор и т. п.
Обилие разнообразных микропроцессорных средств, не всегда
с достаточной полнотой освещенных в справочных изданиях, хотя
и представляет большие возможности, несомненно, осложняет
процедуру выбора базового микропроцессора для проектируемого
средства измерения. Рекомендации общего плана по выбору
микропроцессора содержатся в [4, 10, 18, 22].
Ограниченное быстродействие микропроцессоров. Рассматривая
вопрос о применении микропроцессора, следует внимательно
проанализировать его быстродействие, выяснить, достаточно ли она
для решения сформулированной задачи. При этом важно
правильно ориентироваться в справочных данных, характеризующих
быстродействие микропроцессора.
В общем плане по аналогии с ЭВМ быстродействие
микропроцессора интерпретируется как средняя скорость выполнения
некоторого алгоритма. Очевидно, что эта усредненная
характеристика может довольно сильно расходиться с числовым значением
скорости выполнения алгоритма, определяющего
последовательность выполнения операций для решения конкретной задачи.
В справочниках наиболее часто быстродействие
микропроцессора характеризуют числом операций «регистр-регистр» в
секунду или продолжительностью выполнения одной операции. Под
такой операцией понимают короткую операцию сложения
содержимого регистра R и содержимого аккумулятора с последующей
пересылкой результата в регистр R (отсюда название операция
типа RR или операция «регистр-регистр»). Эта характеристика не
дает полного представления о быстродействии микропроцессора
при выполнении различных вычислительных процедур,
совокупность которых определяет решение задачи.
Наряду с указанной характеристикой в справочниках
фигурирует и другая косвенная характеристика быстродействия
микропроцессора — тактовая частота. Это частота сигналов тактового
генератора (см. рис. 1.3). Например, тактовая частота у
микропроцессорного комплекта КР580 составляет 2 МГц, а у комплекта
К1800 она существенно выше: 36 МГц [22]. Однако следует
учитывать, что в течение одного такта микропроцессоры разных
типов могут выполнять неодинаковое число микроопераций, причем
продолжительность одной из них может отличаться от
продолжительности другой.
57

Программное обеспечение. При разработке измерительных
систем и приборов, содержащих микропроцессоры, наибольшую
трудность представляет программное обеспечение, о котором уже
шла речь в гл. 1. Сложность решения этой задачи определяется:.
необходимостью овладения спецалистами в области
электроники, хорошо знающими микропроцессоры, искусством
программирования микропроцессорных систем, в частности умением
рационально выбрать язык программирования;
большим разнообразием программ, которые с достаточной
полнотой удовлетворили бы потребности различных пользователей
прибора;
высокой стоимостью программного обеспечения, во много раз
превышающей аппаратурные затраты;
трудностью отладочной процедуры, требующей применения
специальных средств отладки программ.
В определенной степени задачу программного обеспечения
вновь создаваемых устройств облегчает наличие уже
разработанных пакетов прикладных программ для широко используемых
микропроцессоров.
Умение программировать — это большое духовное богатство,
признак высокой квалификации специалиста. Тем, кто еще не
оценил по достоинству важность овладения программированием,
возможно будет способствовать этому высказывание известного
«английского эколога Дж. Джефферса [14]: «Главное — если вы
еще не умеете программировать для ЭВМ, начинайте учиться!
Это обучение не будет легким — оно потребует точности
мышления, строгости выражений, определенной доли прагматизма.
После того, как вы овладеете начальными этапами,
программирование скорее всего покажется вам более увлекательным и
захватывающим занятием, чем разгадывание кроссвордов, игра в бридж
или шахматы. Умение, которое вы приобретете, откроет вам двери
в ту многочисленную «литературу» по системному анализу,
которая никогда не будет опубликована, но которая существует в виде
машинных программ и алгоритмов».
Проблема испытаний, контроля, диагностики. Она должна
решаться на стадии проектирования средства измерения. Основные
трудности связаны с тем, что традиционные измерительные и
испытательные приборы, широко применяемые в аналоговой
технике (осциллографы, вольтметры и т. п.) неэффективны для
испытания и диагностики микропроцессорных систем.
За последние годы разработаны специальные приборы,
позволяющие успешно тестировать средства измерения, содержащие
микропроцессоры. Однако ориентация на определенный тип
тестирующего прибора должна быть произведена еще при проекта-,
ровании средства измерения с учетом условий его эксплуатации
и квалификации обслуживающего персонала. Вопросам
тестирования микропроцессорных систем посвящена гл. 7.
58

Глава третья-
ИНТЕРФЕЙСЫ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ,
3.1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Появление интерфейса радикально изменило принципы
построения сложных систем сбора и обработки информации,
автоматизации эксперимента — измерительных информационных систем,
послужило основой создания измерительно-вычислительных
комплексов. Большое значение интерфейса для современных сложных
технических устройств подчеркнуто в [18], где в качестве эпиграфа к
первой главе выбраны слова: «Наука проектирования ...
определяется относительной простотой интерфейса...». Хотя первое
знакомство с интерфейсами, применяемыми в микропроцессорных
системах, уже состоялось в гл. 1, но это знакомство было беглым и
односторонним, а следовательно, недостаточным для представления
места и роли интерфейса в современной измерительной технике.
Поэтому задача настоящей главы — сообщить минимум сведений,
необходимых для понимания того, как организуются измерительные
системы, какие задачи решаются интерфейсом, на каких
'принципах он строится, что представляет собой его схема, в чем
заключаются интерфейсные функции.
3.2. АГРЕГАТНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Наиболее рациональный принцип построения систем обработки
информации и в том числе измерительных автоматических систем
(измерительно-вычислительных комплексов) — принцип
агрегатирования. Его сущность заключается в том, что система
выполняется как агрегат, состоящий из независимых функциональных
блоков— модулей. Каждый блок (модуль) имеет конструктивную
законченность. В качестве примеров функциональных блоков
можно назвать аналого-цифровой и цифро-аналоговый
преобразователи, цифровой вольтметр, цифровой частотомер, измерительный
генератор, алфавитно-цифровое печатающее устройство, таймер,
дисплей, терминал и т. п.
Многообразие систем, построенных на агрегатном принципе^
достигается путем использования различных сочетаний,
комбинаций модулей. Предусматривается возможность наращивания
структуры системы в процессе эксплуатации. Иногда модули
объединяют в группы, называемые крейтами (например, в системе КА-
МАК). Управление работой системы осуществляют контролле-
р ы, координирующие и контролирующие действия отдельных
устройств.
При построении агрегатированных систем должны быть реше-
59

ны две основные задачи: совместимости и сопряжения модулей
{как между собой, так и с внешними устройствами).
Пожалуй, впервые с элементарной конструктивной
совместимостью многие читатели познакомились еще в детстве, собирая
«дом», «трактор» и другие «машины» из пластмассовых или
металлических блоков «Юного конструктора». В более зрелом возрасте
каждый из нас сталкивается с необходимостью электрической
совместимости при подключении всевозможных электрических
приборов к питающей сети. Пренебрежение отсутствием электрической
совместимости влечет за собой малые или большие неприятности.
Они сравнительно безобидны, если включить, например,
стиральную машину, рассчитанную на питание от сети напряжением 220 В,
в сеть напряжением 127 В (машина просто не будет работать).
Много хуже последствия в противоположной ситуации, когда
рабочее напряжение устройства меньше напряжения в питающей
сети.
Для разработчика агрегатированной системы проблема
совместимости модулей представляет немалые трудности. Ее успешное
преодоление — залог нормального функционирования системы,
возможности эффективного ее развития в процессе эксплуатации.
Применительно к измерительным информационным системам
(измерительно-вычислительным комплексам) различают пять
видов совместимости:
информационную — согласованность входных и выходных
сигналов модулей по видам и номенклатуре, информативным
параметрам, уровням. Для информационных взаимосвязей модулей
применяют сигналы нескольких разновидностей: информационные,
управляющие, программные, адресные, специальные;
конструктивную—согласованность конструктивных параметров,
механических сопряжений модулей при совместном использовании,
а также согласованность эстетических требований. При этом
система или ее часть должна представлять единое целое;
энергетическую — согласованность напряжений и токов,
питающих модули, линий сети переменного тока, батарейной линии и
рабочей линии, связывающей модули с центральным блоком
питания;
метрологическую — сопоставимость результатов измерений,
рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик
модулей, а также согласование входных и выходных цепей;
эксплуатационную — согласованность характеристик модулей по
надежности и стабильности, а также характеристик, определяющих
влияние внешних факторов.
Преимущества принципа агрегатирования (модульности)
наиболее полно проявляются, если любые модули системы можно
состыковать и объединить в систему без конструктивных изменений
(доработок). Для этого должно быть унифицировано сопряжение
между модулями. Такое сопряжение модулей между собой и с
устройствами обработки достигается посредством интерфейса.
60

3.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСОВ
В узком смысле интерфейсом (от англ. interface — сопрягать,
согласовывать) называют устройство сопряжения, в широком
смысле под интерфейсом понимают совокупность механических,
электрических и программных средств, позволяющих объединять
модули в систему.
Известно большое число интерфейсов, разработанных в разных
странах. Все множество интерфейсов в зависимости от назначения
можно разделить на три типа: машинное, системно-модульные и
системно-приборные.
Под машинными интерфейсами подразумевают такие
интерфейсы, которые решают задачу соединения центрального
процессора ЭВМ данного типа с другими ее функциональными блоками, а
также подключения периферийных устройств, в том числе
устройств связи с объектом. Особенности ЭВМ практически полностью
^определяют как электрические и конструктивные характеристики
интерфейса, так и принципы его функционирования.
К системно-модульным относят интерфейсы, решающие задачу
унификации сопряжения модулей (функциональных блоков),
предназначенных для работы в системе, что определяет и их
конструктивные особенности. Модули, выполненные с учетом применения
подобного интерфейса, как правило, не рассчитаны на
использование в качестве автономных приборов, которые могут работать
отдельно, вне системы.
Системно-приборные интерфейсы осуществляют объединение в
систему модулей — приборов, которые могут работать автономно
и для которых характерны значительные функциональные
возможности (измерения ряда параметров, различные режимы работы,
программируемость и т. п.). Конструктивные требования к
интерфейсам этого типа, как правило, касаются лишь разъемов,.
Интерфейсы, предназначенные для измерительной техники,
иногда сокращенно называют измерительными интерфейсами,
подобно тому, как генераторы сигналов для измерений характеристик
различных испытуемых объектов называются измерительными
генераторами. Измерительные интерфейсы, решая задачу
сопряжения, обеспечивают пять перечисленных видов совместимости и
взаимодействие процессоров с измерительной и периферийной
аппаратурой, которая также взаимодействует с устройствами сбора,
накопления, регистрации и обработки информации.
Стандартные интерфейсы можно классифицировать в
зависимости от схемы соединения модулей между собой и с центральным
модулем (устройством обработки) системы. Различают три
основные схемы соединений: каскадную, радиальную и магистральную.
Каскадная схема. Эта схема (рис. 3.1,а) применима, когда
общий поток информационных сигналов в каждый данный момент
времени связывает между собой только один объект исследования,
один источник испытательных сигналов и один измерительный
прибор (на рис. 3.1,а надпись Ик обозначает интерфейс каскадный)'.
61

Рис. 3.1
Радиальная схема. Как видно из рис. 3.1,6, такая схема
характерна для случая, когда к центральному модулю (устройству
обработки измерительной информации) необходимо подключать
несколько модулей. При этом модули присоединяются
непосредственно (без коммутатора), поскольку центральный модуль располагает
достаточным числом каналов для обмена данными.
Магистральная схема. Если число каналов у центрального
модуля меньше требуемого числа, то отдельные модули связывают с
центральным модулем через общую магистраль (см. рис. 3.1,в) с
последовательным во времени адресным обращением. При каждом
обращении (опросе) к центральному модулю подключается только
тот модуль, адрес которого вызывается программой.
Возможны и комбинированные схемы: каскадно-радиальная и
каскадно-магистральная. Для соединения функциональных блоков
или приборов между собой служат цепи, называемые линиями
интерфейса. Группу линий, предназначенных для выполнения
определенной функции в программно-управляемом процессе передачи
данных, называют шиной. Назначение отдельных шин и линий,
их перечень и взаимное расположение (топология) играют
основополагающую роль при рассмотрении работы интерфейса.
3.4. ЦИФРОВОЙ ИНТЕРФЕЙС МЭК
Общие сведения. Этот интерфейс называют также интерфейсом
IEEE-488 (аббревиатура слов Institute of Electrical and Electronics
Engineers) или HP-IB (Hewlett-Packard Interface Bus);
встречается также название интерфейса GPIB (General Purpose Interface
Bus — интерфейсная шина общего назначения). Международная
электротехническая комиссия (МЭК) рекомендовала интерфейс
HP-IB в качестве международного стандарта. Согласно ГОСТ
26.003—80 [9] в нашей стране принят стандартный интерфейс,
соответствующий рекомендации МЭК.
Интерфейс разработан для программируемых и непрограммиру-
62

€мых электронных измерительных приборов. Он ориентирован на
сопряжение устройств, располагаемых относительно друг друга на
расстоянии до 20 м. Обеспечивает унификацию конструктивных,
электрических и функциональных характеристик независимо
изготовленных приборов, что создает возможность сопряжения их,
организации измерительной системы. Интерфейс позволяет иметь в
системе приборы различной сложности, допускает прямой обмен
информацией между ними, дистанционное и местное управление
приборами. Описываемый интерфейс [15, 25, 45] относится к
магистральным.
Структура и принцип действия интерфейса. На рис. 3.2
показана схема интерфейса. Он представляет собой
шестнадцатилинейную двунаправленную пассивную систему связи, называемую
магистралью (каналом общего пользования — КОП), к которой
можно подключить параллельно до 15 приборов (и в том числе
контроллер). Функционально линии, образующие магистраль,
группируются в три шины: данных, согласования передачи и общего
управления.
Конструктивно интерфейс состоит из кабеля, разъемов и
печатных плат. Функция кабеля заключается в параллельном
соединении всех устройств между собой. Оно осуществляется таким
образом, что данные от конкретного устройства могут передаваться
либо одному, либо нескольким другим устройствам, входящим в
систему. Печатные платы, с помощью которых производится
обмен информацией, называются интерфейсными картами
(ИКАР). В последнее время их выпускают также в виде БИС.
Рассмотрим состав и назначение каждой из трех шин.
Шина данных (Data Bus) состоит из восьми линий,
обозначаемых DIO (Data input/output) с соответствующим номером линии,
например DI03, или ЛД (линия данных) — соответственно ЛДЗ.
По этим линиям осуществляется обмен информацией бит-парал-
Рис. 3.2
63

Рис. 3.3
лельным, байт-последовательным способом. Иначе говоря, по
восьми линиям передаются данные в форме параллельных
битов (рис. 3.3,а) и последовательных байтов (рис. 3.3,6)„
Шина данных служит для передачи (приема) основных данных:
результатов измерений, адресных, программных, управляющих
данных и данных состояний.
Обмен информацией может происходить между передающими
(«говорящими») приборами, принимающими («слушающими»)
приборами или между контроллером и подчиненными приборами.
По характеру взаимодействия модулей с шиной стандарт
разделяет их на четыре группы: устройство-контроллер, устройство
передающее и принимающее, устройство только передающее,
устройство только принимающее (рис. 3.2).
Каждое устройство, имеющееся в составе системы
(измерительный прибор, контроллер, вспомогательный модуль), должно
выполнять, по крайней мере, одну из функций: быть «говорящим»,
«слушающим» или управляющим. Данные от «говорящего»
устройства передаются через шину к другим устройствам, например к
«слушающему» устройству, принимающему информацию
«говорящего». Некоторые устройства могут выполнять обе функции, как,
например, программируемый мультиметр, который принимает
управляющие команды, как «слушающий» прибор, и передает
результаты измерений (данные) в качестве «говорящего» прибора.
Особенность интерфейсной шины такова, что одновременно может
работать несколько «слушающих» приборов, но только один —
«говорящий».
Назначение управляющего устройства — контроллера —
организация взаимодействия модулей системы. Команды контроллера
«указывают» адрес модуля, какой модуль должен передавать
данные, а какой — принимать, а также характер и последовательность
выполнения других операций. Вычислительный контроллер,
который строится на основе микропроцессора, выполняет следующие
функции: определяет программу измерений, задает согласно ей
виды измерений определенным приборам, управляет процедурой из-
64

мерений, интерпретирует их результаты. В составе измерительной
системы, объединяемой интерфейсом, может быть устройство,
способное и «говорить», и «слушать», и управлять. Таким устройством
является микро-ЭВМ.
Итак, линии DIO (1...8) или ЛД (1 ... 8)—линии
ввода-вывода данных, образующие шину данных, — служат для передачи
информации, представляющей собой цифровые данные, адреса
модулей и многолинейные универсальные команды.
Шина согласования передачи (Data byte transfer control bus),
которую иначе называют шиной синхронизации, объединяет три
линии (рис. 3.2), обозначаемых DAV (Data valid) или СД
(сопровождение данных), NRED (Not ready for data) или ГП (готов к
приему) и NDAC (Not data accepted) или ДП (данные приняты).
По этим линиям передаются сигналы согласования,
подтверждающие соответствие состояний приборов, что необходимо для обмена
информацией, т. е. управления передачей каждого байта
информации по шине данных от контроллера или «говорящего» прибора к
одному или нескольким «слушающим» приборам. Эти сигналы
иногда называют квитирующими (от слова квитанция).
Важной характеристикой интерфейса является вид обмена
данными между модулями: синхронный или асинхронный. Первый вид
позволяет получить высокую скорость обмена, если все модули,
объединяемые интерфейсом, имеют примерно одинаковое
быстродействие (это условие редко выполнимо). Интерфейс МЭК
рассчитан на асинхронный обмен информацией.
Для асинхронного обмена основополагающей является
процедура установления соответствия. Она предполагает управляемую
передачу сигналов, подтверждающих взаимное соответствие
состояний приборов, участвующих в информационном объеме (метод
квитирования). Возможны два варианта организации указанной
процедуры. Сущность первого варианта заключается в следующем:
когда завершена подготовка данных для передачи, «говорящий»
прибор устанавливает флаг (сигнал готовности данных) и ждет
готовности «слушающего» прибора, который должен принять эти
данные. При втором варианте первоначально устанавливает флаг
«слушающий» прибор, что свидетельствует о его готовности
принять сообщение и ожидании готовности «говорящего» прибора к
передаче. В интерфейсе МЭК принят второй вариант установления
соответствия.
Названия линий, образующих шину согласования передачи,
определяются передаваемыми по ним сигналами. Линия DAV
(достоверность информации) служит для сигнала, указывающего на
наличие, достоверность информации на шине данных, или, иначе,
для установления флага только «говорящего» прибора. По линии
NRFD (не готов к приему информации) устанавливается флаг
готовности только «слушающего» прибора; она является общей для
всех принимающих приборов. Линия NDAC (информация не
принята) предназначена для передачи сигнала-квитанции «слушающих»
приборов: наличие низкого уровня напряжения на ней свидетельст-
3-54 65

вует, что самый медленно действующий из «слушающих» приборов
еще не принял информации.
Шина общего управления (General interface management bus
attention) состоит из пяти линий (см. рис. 3.2). По ним
передаются управляющие сигналы, которые циркулируют между
контроллером и другими приборами, подключенными к интерфейсу. Кратко
охарактеризуем функцию каждой линии.
Линия, обозначаемая ATN (Attention — внимание) или УП
(управление), отведена для команды, посылаемой контроллером.
Наличие такой команды (низкий уровень напряжения на линии)
определяет, что все остальные устройства переходят в режим
ожидания и только контроллер является «говорящим» прибором. При
этом -по шине данных передаются адреса или универсальные
многолинейные команды. Когда на линии устанавливается высокий
уровень напряжения, то «говорят» или «слушают» те приборы,
адреса которых были переданы за время противоположного
состояния линии.
По линии, обозначаемой IFC (Interface clear — очистка
интерфейса) или ОИ передается сигнал контроллера, приводящий
схему интерфейса и все приборы в начальное состояние. Эта
команда, используемая при запуске интерфейса и устанавливающая
низкий уровень напряжения в линии, прекращает передачи
информации по шине данных.
Линия, обозначаемая SRQ (Service request — запрос на
обслуживание) или 30, является общей для всех приборов и переходит
в состояние, характеризуемое низким уровнем напряжения, когда
какой-либо из приборов, подключенных к интерфейсу, посылает в
контроллер сигнал запроса на обслуживание, т. е. «требует»
прерывания текущего обмена в магистрали и приоритетного
обслуживания данного прибора контроллером.
Назначение линии, обозначаемой REN (Remote enable —
разрешено дистанционное управление) или ДУ (дистанционное
управление),— передача контроллером сигналов программного
управления приборами. Когда по команде в линии устанавливается
низкий уровень напряжения, приборы переключаются с «местного»
управления (с передней панели) на дистанционное.
Линия, обозначаемая EOI (End of identify — конец обработки,
конец идентификации) или КП (конец передачи), служит для
посылки команды, указывающей окончание передачи сообщений по
шине данных. Низкий уровень напряжения, устанавливающийся
на линии синхронно с передачей последнего байта данных,
сигнализирует о том, что данных больше нет. Если низкий уровень
напряжения устанавливается контроллером при параллельном
опросе, то конец передачи интерпретируется как идентификация.
Интерфейсные функции. Каждому прибору, который входит в
состав системы, объединенной интерфейсом, присущи три вида
функций: приборные, кодирования информации и интерфейсные.
Приборные функции — это вид параметров, измеряемых данным
прибором, диапазон измерений, режим работы прибора и т. п. Они
66

задаются разработчиком, который учитывает вопросы сопряжения
и выбирает сигналы из номенклатуры интерфейса. Кодирование
информации выполняется в соответствии с регламентированными
кодами и форматами [9]. Третий вид функций рассматривается ниже
более подробно.
Интерфейсные функции — это совокупность типовых операций,
выполняемых при обмене данными в системе, организованной
интерфейсом. Каждая интерфейсная функция, осуществленная в
приборе, позволяет ему принимать, передавать сообщения или
выполнять определенную обработку их. Взаимодействие соединенных
шинами приборов достигается в результате выполнения десяти
интерфейсных функций, пять из которых относят к основным, а еще
пять — к дополнительным. Раскроем сущность интерфейсных
функций, указав их символические обозначения (в скобках —
обозначения на русском языке).
Основные функции:
1. Прием данных L (П) или расширенный (от нескольких
источников) прием данных LE (ПР). Эта функция позволяет
прибору получить данные, переданные через интерфейс другим
прибором. Такая возможность осуществляется тогда, когда контроллер
или местный входной сигнал «только прием» (получаемый с
передней панели) задают интерфейсную функцию приема.
2. Согласование прибора-приемника АН (СП)—функция
квитированного обмена со «слушающим» прибором, гарантирующая
правильный прием информации.
3. Передача информации источником Т (И) или расширенная
передача ТЕ (ИР) — функция, позволяющая «говорящему»
прибору передавать через интерфейс формируемые им данные другим
приборам, подключенным к интерфейсу. Подобная возможность
осуществима тогда, когда контроллер или местный входной сигнал
«только передача» задают интерфейсную функцию передачи.
4. Согласование прибора-передатчика SH (СИ) —функция
квитированного обмена с «говорящим» прибором, гарантирующая
правильную передачу информации.
5. Контроллер С (К) —функция, дающая возможность
прибору передавать другим приборам, подключенным к интерфейсу,
адреса и универсальные команды (если в системе-с интерфейсом
несколько устройств имеют функцию С (К), то все они, за
исключением одного, называемого действующим контроллером, должны
находиться в состоянии «холостой ход контроллера»).
Дополнительные функции:
1. Запрос на обслуживание SR (3) —функция, которая
позволяет прибору запрашивать у контроллера операции по
обслуживанию (например, опрос).
2. Дистанционное и местное управление RL (ДМ) — функция,
создающая для данного прибора возможность получать
программирующую информацию либо с его передней панели (местное
управление), либо от интерфейса (дистанционное управление).
3* 67

3. Параллельный опрос РР (ОП) — функция, позволяющая
прибору выдавать ответную информацию при параллельном
опросе в контроллер без предварительной команды «передача
информации».
4. Очистка прибора DC (СБ) —функция установки прибора в
исходное состояние.
5. Запуск прибора DT (ЗП) —функция, создающая
возможность контроллеру выдавать прибору команду начала работы
(основной или запрограммированной).
Приведенные десять интерфейсных функций гарантируют
полное и гибкое управление измерительной системой. Они позволяют
приборам, входящим в систему, принимать, обрабатывать и
передавать информацию. С помощью этих функций достигается
сочетание работы прибора по его прямому назначению с регламентом
(протоколом) работы интерфейса.
Характеристики интерфейса МЭК. Они довольно многочисленны.
Здесь приводятся лишь основные из них:
1. Общая длина — до 20 м.
2. Число подключаемых модулей — не более 15.
3. Общее число приемников и источников информации не
должно превышать 31 при однобайтовой и 961 при двухбайтовой
адресации.
4. Интерфейс гарантирует:
работу модулей на расстоянии до 20 м при максимальной
скорости передачи 250 000 байтов в секунду с эквивалентной
стандартной нагрузкой через каждые 2 м и использования возбудителя с
открытым коллектором. Входной ток—не менее 48 мА;
работу модулей на расстоянии до 20 м при максимальной
скорости передачи 500 000 байтов в секунду, со стандартной нагрузкой
через каждые 2 м и использовании возбудителя на три состояния.
Входной ток — не менее 48 мА;
работу модулей при максимальной скорости 1000 000 байтов
в секунду при использовании возбудителя на три состояния с
входным током не менее 48 мА. Максимальное расстояние между
двумя соседними модулями 1 м (например, при 10 модулях,
работающих на расстоянии 10 м, возможна скорость передачи
1 000 000 байтов в секунду).
Для достижения максимальных скоростей обмена сообщениями
необходимо использовать в модуле буферный накопитель байтов
сообщений.
5. Высокому уровню напряжения в линии соответствует
значение напряжения, равное или больше 2 В, а низкому уровню —
значение, равное или меньше 0,8 В.
6. Минимальная и максимальная продолжительности перехода
от одной интерфейсной функции к другой регламентированы для
конкретных интерфейсных функций. Например: минимальная
продолжительность процесса установления для многоканальных
сообщений не менее 2 мкс (интерфейсная функция С); минимальная
продолжительность выполнения параллельного опроса — не менее
68

2 мкс (интерфейсная функция С); максимальная продолжитель*
ность реакции на сигнал в линии ATN — не более 200 мс
(интерфейсные функции SH, АН, TL).
7. Электрические требования к разъему: номинальное
напряжение 150 В; номинальный ток 1 А; сопротивление изоляции —
более 1 ГОм; рабочий диапазон частот — до 3 МГц.
8. Конструктивные требования к разъему: число контактов 24;
число сочленений и расчленений (характеристика
износоустойчивости) 500; сечение монтажного привода 0,2 мм2.
Сопряжение приборов со стандартным интерфейсом. Если при
конструировании измерительного прибора с встроенными микропро-
дессором планируется возможность его работы в системе с
интерфейсом, то должна быть проработана схема сопряжения
внутренних кодовых шин прибора. Ее можно построить, используя
значительное количество стандартных интегральных микросхем малой
и средней систем интеграции (40—50 логических схем), что
усложняет разработку и удорожает прибор. Более эффективна и
экономична специализированная БИС для сопряжения приборов со
стандартным интерфейсом [28]. Она позволяет осуществить
изложенные выше интерфейсные функции.
Структурная схема, иллюстрирующая включение указанной
БИС, приведена на рис. 3.4. Как видно из схемы, измерительный
лрибор и БИС сопряжения обмениваются квитирующими
сигналами, причем имеют место две операции квитирования (одна между
измерительным прибором и БИС, другая — между БИС и внешним
интерфейсом МЭК). Если прибор может передавать или
принимать информацию в течение интервала времени, не превышающего
периода тактового сигнала, то необходимость в сигналах
квитирования отпадает и для правильной работы интерфейса шины
передачи информации соединяют непосредственно. Наличие
инвертирующих буферных схем обусловлено тем, что все интерфейсные ло-
Рис. ЗА
69

Рис. 3.5
гические сигналы БИС имеют положительную полярность, а у
всех логических сигналов интерфейса МЭК полярность
отрицательная.
Пример измерительной системы на основе интерфейса МЭК*
Изображенная на рис. 3.5 структурная схема представляет
сравнительно простой вариант измерительной системы [25]. В ее
составе приборы и устройства, выполняющие различные функции.
Программируемый измерительный генератор — «слушающий»
прибор. От интерфейса он только принимает адрес и команды,
определяющие программу его работы, но данных в интерфейс не
посылает. «Слушающими» устройствами являются также
печатающее устройство и дисплей, фиксирующие, отображающие
результаты измерений. В эти устройства из интерфейсной магистрали
поступают адреса, данные измерений, команды. Цифровой
мультиметр и цифровой частотомер — приборы и «слушающие», и
«говорящие». Они получают адреса и команды из интерфейса и
передают в него данные измерений напряжения, тока, сопротивлений
резисторов (мультиметр), частоты и интервалов времени
(частотомер).
Работой системы управляет контроллер, с которым связаны его
периферийные устройства, например клавиатура. Он может
осуществлять обработку данных, полученных результатов измерений.
В начальный момент по команде IFC (очистка интерфейса),
посылаемой контроллером, интерфейсные части всех приборов
системы устанавливаются в исходное состояние. Следующая команда
REN переводит приборы в режим дистанционного управления
(возврат к местному управлению возможен в любой момент и
выполняется по соответствующей команде контроллера или по
внутренней приборной команде). Управление системой сводится главным
образом к передаче адресов и команд, поступающих из
контроллера (при низком уровне напряжения в линии ATN). Его основная
задача — указание адресов «говорящих» и «слушающих» приборов
для обмена данными между ними. После формирования конкрет-
70

ного адреса контроллер деблокирует шины выбранного «говорящее
го» прибора (установив высокий уровень напряжения в линии
ATN), в результате чего создается возможность осуществления
интерфейсной функции SH этого прибора — передачи данных от
него выбранному «слушающему» прибору. По окончании передачи
данных возобновляется управляющая функция контроллера: он
может формировать очередной адрес прибора и команды.
Контроллер может также активно участвовать в обмене данными,
выполняя роль «говорящего» прибора (передача программных данных)
или «слушающего» прибора (прием данных измерений).
Интерфейс позволяет проводить параллельный или
последовательный опрос абонентов системы (независимо от описанного
процесса ее функционирования). Цель опроса—обнаружение таких
ситуаций внутри системы, которые требуют определенных
действий. При последовательном опросе контроллер, получив
соответствующее требование, формирует команду SRQ (вызова прибора на
обслуживание) и устанавливает вид обслуживания. Подобный
опрос может быть программируемым, т. е. проводиться согласно
соответствующей подпрограмме контроллера, обращение к которой
определяется «появлением требования на обслуживание.
Параллельный опрос проводится независимо от поступления заявок на
обслуживание.
3.5. РОЛЬ МИКРОПРОЦЕССОРОВ В СИСТЕМЕ
С ИНТЕРФЕЙСОМ
Как уже отмечалось, работой измерительных систем,
выполняемых на основе стандартного интерфейса, управляют контроллеры.
Их подразделяют на три вида: ручные, специализированные и
программируемые. Функции контроллеров первых двух видов
сравнительно просты. Более сложные задачи решают контроллеры
третьего вида, которые подразделяются в свою очередь на две
разновидности: контроллер без обработки данных и контроллер,
выполняющий обработку данных [25].
Программируемые контроллеры, рассчитанные на обработку
данных, помимо осуществления обычных функций управления
выполняют также определенные логические и математические
операции, необходимые для анализа данных измерений, их обработки по
выбранной программе, принятия решений, определяющих поведение
отдельных приборов или измерительной системы в целом.
Подобные контроллеры представляют собой, как правило, адаптивные
(приспосабливающиеся) устройства. Их строят на основе
микропроцессоров. Часто роль программируемого контроллера с
обработкой данных выполняет микро-ЭВМ.
В измерительных приборах, содержащих микропроцессорные
системы, с помощью последних возможно управление
осуществлением интерфейсных функций. Такое использование внутриприбор*
ной микропроцессорной системы особенно целесообразно при
большом числе интерфейсных присоединений и сложности операции со*
П

пряжения. Однако организация микропроцессорного управления
интерфейсом требует хорошо обоснованного выбора микропроцессора
(прежде всего по быстродействию и возможности прерывания),
детального анализа функционирования интерфейса, а также
рационального программирования работы микропроцессорной системы.
В [25] подчеркивается, что при осуществлении интерфейса с
микропроцессором нельзя руководствоваться общими соображениями.
В каждом конкретном случае должны быть учтены реализуемые
интерфейсные функции, характеристики применяемых приборов и
микропроцессоров, элементная база и т. п.
Глава четвертая.
ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ
4.1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Прежде чем рассматривать принципы построения и работу
современных цифровых частотомеров, необходимо остановиться на
определении понятий «частота» и «средняя частота»
периодического сигнала.
В частотоизмерительной технике основополагающей
характеристикой периодического сигнала является период. Поэтому
начать следует с его определения.
Периодом Т периодического сигнала называют наименьший
интервал времени, через который регулярно последовательно
повторяется произвольно выбранное мгновенное значение u(t)
периодического сигнала. С математической точки зрения это
интерпретируется так: период Т—наименьший интервал времени,
удовлетворяющий уравнению u(t+iT) = u(t), где i — любое целое число.
Частота f периодического сигнала — физическая величина,
значения которой представляют обратные значения периода
этого сигнала. Соотношение между значениями частоты и периода
определяется известной формулой /=1/7\
Отношение числа п периодов периодического сигнала к
интервалу времени At, за которой сосчитано это число, дает среднее (за
интервал At) значение частоты, называемое обычно средней
частотой периодического сигнала. На практике чаще всего находят
среднюю частоту, хотя экспериментаторы обычно принимают такой
результат ее измерения за значение частоты периодического сигнала.
Методы измерения частоты многообразны. В современной
измерительной технике доминирующее положение занимает метод
дискретного счета, на основе которого строят цифровые (электронно-
счетные) частотомеры. Этот метод обладает многими
достоинствами. К ним относятся: очень широкий диапазон значений частот,
которые можно измерить одним прибором (например, 10 Гц...
... 32 ГГц); высокая точность измерений; получение отсчета в циф-
72

ровой форме; возможность выдачи результатов измерений на
печать; возможность обработки результатов наблюдений с помощью
ЭВМ или микропроцессорной системы; упрощение проектирования
цифровых измерителей, допускающих присоединение к
интерфейсной шине — включение в состав измерительно-вычислительного
комплекса; возможность построения многофункциональных и
многорежимных программируемых приборов.
4.2. ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРИОДА СИГНАЛА МЕТОДОМ
ДИСКРЕТНОГО СЧЕТА
Общие сведения. Измерение периода периодического сигнала
представляет частный случай общей задачи измерения интервалов
времени. Обычно измеряемый интервал Atx задан двумя
импульсами (рис. 4.1,а): опорным (О) и интервальным (И). При
определении длительности Atx импульса прямоугольной формы опорный
импульс соответствует фронту исследуемого сигнала, а
интервальный— срезу (рис. 4.1,6 и в). По отношению к периоду
периодического сигнала моменты положений опорного и интервального
импульсов на оси времени — это моменты двух соседних переходов
исследуемого сигнала через нулевой уровень с производной
одинакового знака, например положительного (пересечения оси времени
снизу вверх) —рис. 4.1,г и д. Из сказанного не следует делать
заключение, что для измерения длительности прямоугольного
импульса или периода синусоидального сигнала обязательно
требуется преобразование этих сигналов в два коротких импульса.
Сущность метода. Измерение заключается в сравнении
измеряемого интервала времени Atx (длительности тх, периода Тх) с
дискретным интервалом, воспроизводящим единицу времени. Это
достигается заполнением измеряемого интервала Atx импульсами с
известным образцовым периодом следования Гобр^СА^х —
преобразованием интервала в отрезок периодической последовательности
импульсов, число которых, пропорциональное интервалу Atx, под-
считывается. Импульсы, заполняющие интервал Atx, принято назы-
Рис 4.1
73

Рис. 4.2
вать счетным и импульсами
и обозначать период их
следования Тсч.
Изложенный принцип
применительно к случаю измерения
периода синусоидального сигнала
иллюстрирует рис. 4.2. Из него
видно, что исследуемый сигнал
(рис. 4.2,а) преобразуют в
прямоугольный импульс (рис. 4.2,6),
который «вырезает» из
периодической последовательности счетных
импульсов (рис. 4.2,в) участок,
содержащий т импульсов (рис»
4.2,г). Так как период их
следования ГСч, то значение измеряемого периода определится из формулы
Структурная схема измерителя. Для аппаратурного
осуществления описанного метода необходимы генератор счетных импульсов
и счетчик, между которыми должна быть включена схема,
отпирающая вход счетчика на время Тх. Эту функцию, как видно из
рис. 4.3, выполняет временной селектор, представляющий собой
логический элемент И. Счетные импульсы, непрерывно
поступающие на первый вход временного селекто]эа, могут проходить в
счетчик только тогда, когда на втором входе селектора действует
селекторный прямоугольный импульс. В радиотехнике такой
импульс называют стробирующим. Он формируется из
исследуемого сигнала с помощью специальной схемы (например, триггера
Шмитта), содержащейся в блоке формирования и управления.
Стробирующий импульс, равный по длительности периоду Тх
исследуемого сигнала (см. рис. 4.2,а и б), подается на второй вход
временного селектора и за время действия этого импульса счетчик
считает импульсы генератора (см. рис. 4.2,б,в и г).
74
Рис. 4.3

В измерительной технике импульс, «вырезающий» участок им«
пульсной последовательности или задающий продолжительность
счета, принято называть временными воротами. Число импульсов,
зафиксированное счетчиком и наблюдаемое с помощью цифрового
отображающего устройства — дисплея, однозначно соответствует
измеряемому периоду Тх.
Если период следования счетных импульсов генератора Тсч
(частота следования TvO, то за период Тх через временные ворота
пройдет m импульсов:
и, следовательно, измеряемый период
Измерения получаются косвенными. Для получения прямого
показания в приборах, построенных по схеме с жесткой логикой (без
микропроцессора), частота следования импульсов выбрана так, что
FC4 = lOh Гц, где &=1, 2, 3, . . . Тогда Тх = тЛ0~к с.
Погрешности измерения. При измерении периода Тх
рассмотренным цифровым измерителем возможны следующие три
составляющие погрешности: меры, преобразования и сравнения.
Погрешность меры— это нестабильность частоты следования
счетных импульсов. Поскольку генератор выполняют по схеме с
кварцевой стабилизацией частоты, то удельный вес данной
составляющей погрешности измерения пренебрежимо мал.
Погрешность преобразования обусловлена главным образом
шумовой помехой, действие которой проявляется при формировании
стробирующего импульса (временных ворот) из исследуемого
сигнала. Формирование производится с помощью триггерных схем. В
результате суммирования напряжения помехи с напряжением
исследуемого сигнала моменты переброса триггеров (блока
формирования и управления) смещаются случайным образом
относительно моментов пересечения исследуемым сигналом оси времени.
Следовательно, длительность сформированного прямоугольного строби-
рующего импульса отличается от измеряемого периода Тх.
Появляется погрешность, которую называют погрешностью запуска
триггера. Так как эта погрешность случайная, то ее
характеризуют среднеквадратическим значением. При расчетах пользуются
среднеквадратическим значением относительной погрешности,
обозначаемым бзап. Можно показать [24], что
где q — число одновременно измеряемых периодов сигнала; UnoM—
среднеквадратическое значение напряжения помехи;
Um—амплитуда напряжения сигнала; h=Um/UnoM — отношение
сигнал-помеха.
Так, например, при отношении сигнал-помеха 40 дБ (ft=100)
и q=l относительная среднеквадратическая погрешность б3ап^
75

«0,3%. Если при том же отношении измерять интервал времени
равный 100 периодов сигнала, то 63ап~0,003%.
Погрешность сравнения (измеряемого периода Тх с периодом
следования счетных импульсов ГСч) определяется тем, что
искомое числовое значение периода Тх заменяется целым числом
периодов Тсч. С математической точки зрения такая процедура
подобна округлению чисел (но при измерениях округление, в
отличие от математического, производится не обязательно до
ближайшего целого). Появляющаяся при этом погрешность —
методическая погрешность, обусловленная дискретизацией непрерывной
величины (измеряемого периода). Такую составляющую
погрешности измерений называют погрешностью дискретности.
Она возникает вследствие того, что периодическая
последовательность счетных импульсов и заполняемый ими стробирующий
импульс в общем случае — сигналы несинхронные.
Максимальное значение абсолютной погрешности
дискретности измерения периода (при правильно построенной схеме стро-
бирования) Ат=±7,Сч, т. е. составляет ±1 младшего разряда
счета. Это значение не зависит от значения измеряемого периода Тх
и определяется единицей дискретизации. Наибольшая
относительная погрешность дискретности составляет 6т = ±(ТСч/Тх) =
= ±(1//я) и, конечно, зависит от значения Тх.
Рассмотрим пример. Пусть измеряется период Гх= 100 мкс
прибором, у которого FC4=10 МГц. При этом максимальная
абсолютная погрешность дискретности Ат=±7,сч=±0,1 мкс, а
максимальная относительная погрешность 6т = 0,001, или 0,1%.
Если при той же частоте следования счетных импульсов
будем измерять период Гх^0,5 мкс, то максимальное значение
абсолютной погрешности дискретности останется неизменным, т. е.
Дт=±0,1 мкс (оно не зависит от измеряемого значения), а
максимальное значение относительной погрешности станет больше:
6г = 0,2, или 20%.
Уменьшение погрешности дискретности. Измерения малых
периодов могут сопровождаться значительной погрешностью
дискретности. Ее можно уменьшить тремя способами.
Первый способ, представляющий прямое, очевидное решение
задачи, — увеличение частоты следования счетных
импульсов. Это требует применения не только генератора
сигналов более высокой частоты, но и радикального повышения
быстродействия счетчика, т. е. серьезного усложнения аппаратуры.
Следовательно, возможности использования первого способа
существенно ограничены.
Второй способ заключается в измерении большого
числа периодов, т. е. интервала времени, равного qTx. Эта
возможность предусматривается в современных цифровых
измерителях. Исследуемый периодический сигнал преобразуется в
периодическую последовательность импульсов, период следования
которых равен периоду Тх исследуемого сигнала. Она поступает
в делитель частоты с коэффициентом деления q. На выходе де-
76

лщ-еля получается периодическая последовательность импульсов
с периодом следования qTx. Хотя при неизменной частоте
следования счетных импульсов максимальное значение абсолютной
погрешности дискретности остается тем же, что и при измерении
одного периода, максимальная относительная погрешность
дискретности в случае измерения периода qTx уменьшается в q раз.
Напомним, что при увеличении периода в соответствующее число
раз уменьшается и относительная погрешность запуска триггера.
Третий способ получил название способа интерполяции.
Рассмотрим его применительно к измерению интервала времени,
заданного опорным и интервальными импульсами (можем
положить, что эти импульсы определяют период Tx = Atx). Сущность
способа состоит в том, что помимо целого числа периодов
счетных импульсов, заполняющих измеряемый интервал времени,
учитываются и дробные части периода, заключенные между опорным
импульсом и первым счетным импульсом, а также между
последним счетным импульсом и интервальным. Принцип осуществления
этого способа иллюстрирует рис. 4.4.
Рис. 4.4
77

На рис. 4.4,а изображены опорный и интервальный импульсы,
задающие измеряемый интервал Atx, на рис. 4.4,6 — счетные
импульсы, следующие с периодом Тсч (частотой FC4). Эти импульсы
заполняют временные ворота Atx (рис. 4.4,6). Число импульсов
т0. Первый счетный импульс, попавший в ворота, запаздывает
относительно их фронта на время Atu а срез ворот и очередной
счетный импульс, появляющийся после среза, разделяет интервал At2
(рис. 4.4,6 и г). Следовательно, измеряемый интервал времени
(4.1)
Поэтому если бы удалось точно учесть отрезки At\ и At2, то
погрешность дискретности была бы исключена. Задача измерения
интервалов Ati и At2 решается следующим образом.
За время Ati линейно заряжается конденсатор, который затем
разряжается в 1000 раз медленнее, т. е. время разряда составляет
1000 Д/i (рис. 4.4,5). Этот интервал заполняется теми же счетными
импульсами (период следования ГСч) и подсчитывается их число
mi — рис. 4.4,е и ж (на графиках рис. 4.4,е и ж обозначением оси
времени буквой t* подчеркивается, что масштаб времени этих двух
графиков отличается от масштаба времени остальных графиков).
Аналогично «растягивается» отрезок Д^. Полученный интервал
1000 At2 также заполняется счетными импульсами, число которых
составляет т2. Так как
то подстановка значений
в формулу (4.1) дает
или
Обозначим 1000 т0 +
Из полученного выражения видно, что интервал времени
измеряется с максимальной абсолютной погрешностью дискретности
7VC4 = 7W103, что равносильно заполнению его счетными
импульсами с частотой следования в 103 раз выше, чем /чч.
Теперь уже период 7^ = 0,5 мкс при РСч=Ю МГц будет
измеряться с относительной погрешностью дискретности дт=0,0002, т.е.
0,2%, а не 20%. Для получения такой точности при прямом
способе измерения понадобились бы счетные импульсы с частотой
следования 10 ГГц и счетчик с еще более высоким быстродействием.
4.3. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ МЕТОДОМ ДИСКРЕТНОГО СЧЕТА
Сущность метода. Заключается в прямом сравнении на основе
дискретного счета измеряемого значения частоты /* со значением
образцовой частоты F0QPi воспроизводимым мерой в качестве еди-
78

нмы, т. е. нахождении числа /г, показывающего, во сколько
раз7* больше ^обр. Искомое значение частоты определяется
выражением
и, следовательно, единица дискретизации равна ^обр.
Сначала рассмотрим измерение частоты следования импульсов.
На рис. 4.5,а представлена исследуемая периодическая
последовательность импульсов, частоту следования Fx которой нужно
измерить. Мера вырабатывает также периодическую последовательность
импульсов с образцовой частотой следования Т^обр (рис. 4.5,6).
Задача сравнения частот Fx и Т^обр упрощается, если перейти к
сравнению периодов Тх и Г0бр. Так как Tx=l/fx и Г0бр= 1/^обр, то
Число п показывает, сколько периодов Тх укладывается в
интервале Г0бр.
Сформируем из двух соседних импульсов образцовой
периодической последовательности, которые разделены интервалом времени
7\>бр, стробирующий импульс — временные ворота — и обозначим их
длительность AtK (индекс указывает, что интервал Д/к—
калиброванный, образцовый). Очевидно, что Д*к=7\>бр. Заполним эти
ворота импульсами, следующими с периодом Тх (рис. 4.5,в).
Число п импульсов, попадающих в ворота, длительность
ворот Д/к и период следования Тх импульсов исследуемой
последовательности связаны соотношением
из которого получается рабочая формула для определения частоты
(4.2)
Таким образом, алгоритм измерения предписывает следующие
операции:
сформировать стробирующий импульс — временные ворота,
длительность которых равна периоду сигнала образцовой частоты:
Д?к= 1 обр J
заполнить временные ворота импульсами, следующими с
искомой частотой Fx;
Рис. 4.5
Рис. 4.6
79

сосчитать число п импульсов, попадающих в ворота;
вычислить отношение n/AtK.
Теперь перейдем к измерению частоты непрерывного
периодического сигнала, например синусоидального (рис. 4.6,а). Опираясь
на изложенное можно утверждать, что для выполнения такого
измерения достаточно преобразовать исследуемый сигнал в
периодическую последовательность либо коротких импульсов, моменты
появления которых соответствуют моментам перехода
синусоидального сигнала через нулевой уровень с производной одного и того
же знака (рис. 4.6,6), либо в периодическую последовательность
импульсов, соответствующих положительным полупериодам
исходного сигнала (рис. 4.6,в). В результате преобразования получается
последовательность импульсов с периодом следования, равным
периоду исследуемого сигнала, и таким образом задача сводится к
уже рассмотренному измерению периода следования импульсов.
Искомая частота находится из формулы, аналогичной (4.2):
(4.3)
Это среднее значение частоты за интервал Д/к.
Измерения получаются косвенными. Чтобы иметь прямые
показания, в частотомерах, построенных по схеме с жесткой логикой,
т. е. без микропроцессора, устанавливают длительности временных
ворот Д/к=10рс, где р = 0; ±1; ±2;... (на передней панели
прибора переключатель длительности ворот обозначен надписью
ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЯ). Когда р=0, т. е. AtK=l с, то fx=n Гц.
Структурная схема частотомера. Современные цифровые
частотомеры, даже выполненные по схемам с жесткой логикой, —
приборы многофункциональные (но переход от одной функции к другой
осуществляется посредством электромеханических коммутаторов).
Поэтому следует иметь в виду, что на рис. 4.7 изображена
структурная схема, относящаяся к режиму измерения частоты. Работа
схемы заключается в следующем.
Периодический сигнал, частоту fx которого необходимо
измерить, поступает на вход прибора. После усиления или ослабления
во входном блоке сигнал подается на формирователь, где
преобразуется в периодическую последовательность импульсов с частотой
следования, равной fx. Эти импульсы подводятся ко входу 1 вре-
80
Рис. 4.7

менного селектора и проходят через него в счетчик, если на входе
2 селектора имеется стробирующий импульс (длительностью Д/к).
Последний формируется из высокочастотного напряжения
кварцевого генератора. Так как период его выходного сигнала мал, то для
получения требуемой длительности стробирующего импульса
(например, 1 с) в схеме предусмотрен делитель частоты. Он
представляет собой набор декад, каждая из которых уменьшает частоту
следования импульсов в 10 раз. Коэффициент деления q зависит
от числа включенных декад. Из периодической последовательности
импульсов, образующейся на выходе делителя частоты, в блоке
формирования и управления формируется стробирующий импульс
(временные ворота) длительностью Д/к, подаваемый на вход 2
временного селектора и определяющий продолжительность счета.
Блок формирования и управления помимо формирователя
временных ворот содержит схему, задающую продолжительность
индикации показания дисплеем и сбрасывающую показания счетчика на
нуль.
Погрешности измерения. При непосредственном, прямом
измерении частоты периодического сигнала наиболее весомы две
составляющие погрешности: меры и сравнения.
Погрешность меры определяется нестабильностью частоты
напряжения кварцевого генератора (а также погрешностью
установки частоты по образцовой мере при изготовлении прибора). Эта
составляющая погрешности может быть ощутимой при измерении
очень высоких частот. В современных цифровых частотомерах
применяются кварцевые генераторы с малой относительной
нестабильностью частоты, например ±Ы0"10 за 1 с и ±5-10~9 за сутки.
Погрешность сравнения определяется главным образом
погрешностью дискретности, обусловленной тем, что фронт
и срез стробирующего импульса (временных ворот) не
синхронизированы с моментами появления заполняющих ворота импульсов
периодической последовательности, которая сформирована из
исследуемого сигнала. Максимальное значение абсолютной
погрешности дискретности составляет ± 1 дискретизации и не зависит от
измеряемого значения частоты. Так как при измерении частоты за
единицу дискретизации принято значение /\эбр, то значение
максимальной абсолютной погрешности дискретности при измерении
частоты определится из выражения
(4.4)
Этому соответствует ±1 младшего разряда счета, причем
значение А/ выражено в герцах, если интервал AtK выражен в секундах.
Максимальное значение относительной погрешности
дискретности измерения частоты
(4.5)
где п — число, фиксируемое счетчиком.
Уменьшение погрешности дискретности. При измерении низких
частот погрешность дискретности является определяющей состав-
81

ляющей погрешности измерения. Например, если измеряется
значение частоты /х=5 Гц при А/к=1 с, то максимальное значение
абсолютной погрешности дискретности ± 1 Гц, а максимальное
значение относительной погрешности составит 20%, что
недопустимо велико.
Таким образом, из-за больших погрешностей дискретности
низкие частоты непосредственно измеряются цифровым частотомером
с невысокой точностью. Поэтому решение задачи уменьшения
влияния погрешности дискретности на результаты измерения всегда
представляло одно из важных направлений разработки цифровой
частотоизмерительной техники. Прежде чем рассматривать
цифровые частотомеры с микропроцессорами, радикально решающие
указанную задачу, остановимся на четырех способах уменьшения
погрешности дискретности при измерении частоты.
Первый способ очевиден: увеличение длительности временных
ворот, т. е. продолжительности измерения. Но возможности такого
способа ограничены, так нередко для получения высокой точности
требуется очень большая продолжительность измерения. В обычных
цифровых частотомерах (не содержащих микропроцессора)
максимально возможная длительность временных ворот Д/к=10 с.
Второй способ сводится к увеличению числа импульсов,
заполняющих временные ворота, достигаемому умножением частоты
исследуемого сигнала. При этом максимальная абсолютная
погрешность не меняется (если неизменна длительность ворот), но
уменьшается относительная погрешность. Осуществление данного
способа сопряжено с применением дополнительного блока —
умножителя частоты, что усложняет и удорожает аппаратуру.
Третий способ, учитывающий случайную природу погрешности
дискретности, предполагает проведение многократных наблюдений
(единичных измерений) и усреднение их результатов. Это
эффективный путь уменьшения влияния случайной погрешности на
результат измерения.
Четвертый способ заключается в непосредственном измерении
периода исследуемого сигнала с последующим вычислением
значения, обратного результату измерения периода. Этот путь
позволяет резко уменьшить погрешность дискретности при измерении
низких частот.
Воспользуемся приведенным выше примером, чтобы ощутить
достигаемый эффект. Измеряемое значение частоты 5 Гц. При
непосредственном измерении относительная погрешность
дискретности составляла 20%, если AtK=l с. Увеличение длительности ворот
до 10 с привело бы к тому, что указанная погрешность
уменьшилась до 2%, что во многих случаях неприемлемо.
Перейдем к измерению периода. Значению частоты /^=5 Гц
соответствует значение периода 7^ = 0,2 с. Сформируем стробиру-
ющий импульс длительностью, равной периоду Тх, и заполним его
счетными импульсами, частота следования которых 10 МГц (что
обычно имеет место в цифровых частотомерах). Так как 1 сч —
82

= 10~7 с, то относительная погрешность дискретности измерения
периода
Принимая во внимание, что при малых погрешностях
измерения периода относительная погрешность измерения частоты равна
относительной погрешности измерения периода, т. е.
(4.6)
несложно заключить, что косвенное измерение частоты в данном
случае позволило резко повысить точность по сравнению с прямым
измерением частоты: относительная погрешность дискретности
уменьшилась в 400 000 раз.
Не следует забывать, что при пользовании обычными
цифровыми частотомерами для нахождения искомого значения частоты по
результату измерения периода требуются вычисления, проводимые
вручную (с помощью микрокалькулятора).
В дальнейшем нам понадобится соотношение между
абсолютными погрешностями дискретности А/ и Аг. Поскольку 6/ = А///* и
дт = Ат/Тх, то из равенства б/=бг следует, что
(4.7)
4.4. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ
Введение. Применение микропроцессорных систем в цифровых
частотомерах дает возможность автоматизировать установку
требуемого диапазона частот и вычислительные процедуры (в
частности, нахождение числового значения частоты, обратного
результату прямого измерения периода), осуществить управление всеми
блоками частотомера и организовать их взаимодействие, задавать
требуемую длительность временных ворот (например, 1 с) и
формировать их непосредственно в микропроцессоре,
программировать выполнение набора функций в многофункциональных
приборах, обрабатывать результаты наблюдений, осуществлять
автоматический контроль работоспособности частотомера, получать
отображение результатов измерений в удобной форме, снизить
потребляемую мощность.
Использование микропроцессорной системы не исключает
наличия в составе прибора набора стандартных блоков электронной
техники (таких, как формирователи импульсов, логические
элементы, делители частоты и т. п.), составляющих аппаратную часть
частотомера. Но по сравнению с обычными приборами, выполненными
согласно схемам с жесткой логикой, аппаратная часть сокращена
и, кроме того, отпадает необходимость в электромеханической
коммутации блоков для изменения функции, выполняемой
прибором.
Рассмотрим примеры микропроцессорных частотомеров.
Сервисный цифровой частотомер. Это сравнительно простой
вариант частотомера, входящего в состав сервисного мультиметра
83

[38]. Для расширения его функций (измерение частоты) в состав
этого прибора введена специально разработанная (заказная)
измерительная интегральная микросхема. Описываемый прибор
измеряет частоту в сравнительно узком (для цифровых частотомеров)
диапазоне 20 Гц... 200 кГц, который разбит на четыре
поддиапазона с верхними граничными частотами: 200 Гц; 2, 20 и 200 кГц
соответственно.
Структурная схема частотомера приведена на рис. 4.8.
Конструктивно формирователи импульсов и временных ворот,
мультиплексоры, временной селектор, генератор, вырабатывающий
счетные импульсы с частотой следования FC4 = 400 кГц, и
12-разрядный двоичный счетчик расположены внутри измерительной
интегральной микросхемы (конкретные числовые характеристики
приводятся для того, чтобы сделать описание работы прибора более
наглядным; те же принципы могут быть осуществлены и при
иных значениях характеристик).
Значения частоты от 20 Гц до 2 кГц измеряются косвенным
путем: непосредственно измеряется период и по результату
измерений микро-ЭВМ вычисляет значение частоты. Для частот,
лежащих в пределах 2... 200 кГц, осуществляется прямое измерение.
Целесообразность такого решения подтверждают следующие
расчетные данные. При косвенном измерении значения частоты
20 Гц максимальная абсолютная погрешность дискретности,
определяющая разрешающую способность, согласно (4.7) составит
А/ = 400/(400-103) =0,001 Гц, а при прямом измерении того же
значения частоты с установленной длительностью временных
ворот 1 с эта погрешность будет 1 Гц. Для значения частоты 200 Гц
абсолютные погрешности соответственно получатся 0,1 и 1 Гц.
Легко установить, что в случае измерения частоты 2 кГц
косвенное измерение сопровождается абсолютной погрешностью А/ =
= 10 Гц, а прямое — абсолютной погрешностью А/=1 Гц.
Рассмотрим работу измерителя, изображенного на рис. 4.8,
используя поясняющие графики, приведенные на рис. 4.9.
Напряжение исследуемого сигнала (рис. 4.9,а), значение
частоты fx которого требуется измерить, поступает через входной
блок на формирователь импульсов, где преобразуется в
периодическую последовательность положительных импульсов (р-ис.
4.9,6). Они поступают в формирователь временных ворот,
содержащий делитель частоты, у которого устанавливается одно из
двух значений коэффициента деления: ^i = 16 или #2=128.
Измерительная процедура всегда начинается с измерения
периода. Это регламентируется подачей сигнала с микро-ЭВМ на
управляющие входы 3 (см. рис. 4.8) обоих мультиплексоров, при
котором входы 1 и 2 временного селектора соединяются со
входами 1 первого и второго мультиплексоров соответственно.
Одновременно у делителя частоты формирователя временных ворот
устанавливается коэффициент деления #i = 16. В результате на вход
/ временного селектора поступает стробирующий импульс —
временные ворота длительностью q\Tx=l6Tx (рис. 4.9,в), где Тх —
84

Рис. 4.8
Рис. 4.9
85

период исследуемого сигнала, а ко входу 2 временного селектора
подводятся счетные импульсы от генератора, заполняющие строби-
рующий импульс (рис. 4.9,2). Их число N=qiFC4Tx=64-l05/fx.
Например, при измерении значения частоты fx = 20 Гц получается
число N = 320 000. Поскольку оно в несколько раз больше
емкости счетчика (С = 212 = 4096), то последний в процессе
поступления импульсов многократно переполняется. Сигналы
переполнения и остаточное двоичное число, фиксируемое счетчиком,
поступают в микро-ЭВМ и оттуда — после вычисления значения
частоты — на дисплей. Он отображает результат в виде десятичного
числа с указанием единиц измерения частоты.
Если значение Тх периода исследуемого сигнала окажется
недостаточно большим, то микро-ЭВМ, сохраняя тот же режим
измерения, автоматически установит у делителя частоты
коэффициент деления 92=128, после чего длительность стробирующего
импульса станет равной 128 Тх. Может оказаться, «что и теперь
число импульсов, заполняющих временные ворота, относительно
мало. Тогда микро-ЭВМ так изменит режим работы, что прибор
будет измерять частоту непосредственно.
При переводе прибора в режим прямого измерения частоты
согласно управляющему сигналу микро-ЭВМ входы 1 и 2
временного селектора подключаются ко входам 2 первого и второго
мультиплексоров соответственно (см. рис. 4.8). После этого на
вход / временного селектора подается из микро-ЭВМ стробирую-
щий импульс (временные ворота) длительностью 1 с (рис. 4.9,5),
а на вход 2 временного селектора поступает с.выхода
формирователя импульсов периодическая последовательность импульсов с
частотой следования fx (рис. 4.9,6). Счетчик подсчитывает число
импульсов, попадающих во временные ворота (рис. 4.9,е).
Зафиксированное в счетчике число и сигналы переполнения, если они
появляются, подаются в микро-ЭВМ, которая после обработки
передает результат измерения на дисплей.
В описываемом частотомере использована однокристальная
4-разрядная микро-ЭВМ, для которой характерно малое
потребление мощности (ток 50 мкА при напряжении 3 В). Она имеет
двунаправленную выходную схему, позволяющую
непосредственно управлять 72 сегментами цифровых индикаторов дисплея.
Исходная программа работы микро-ЭВМ составлена на языке
ассемблера.
В частотомере, выполненном по схеме, изображенной на рис.
4.8, может быть осуществлен автоматический контроль
(самоконтроль) нормального функционирования прибора. Для этого по
команде микро-ЭВМ выход генератора счетных импульсов,
следующих с частотой FC4, подключается ко входу прибора, который
работает в режиме измерения частоты. При нормальном
функционировании частотомера дисплей будет показывать значение FC4.
Возможен и иной вариант соединений согласно управляющему
сигналу микро-ЭВМ: вход 2 первого мультиплексора соединяется со
входом 1 временного селектора (на этот вход подается стробттру-
85

ющий импульс длительностью А/к=1 с), а его вход 2
подключается ко входу / второго мультиплексора (к данному входу
подводятся счетные импульсы). Дисплей отображает значение FC4,
если схема нормально функционирует.
Широкодиапазонный цифровой частотомер повышенной
точности. Большой интерес представляют приборы, измеряющие
частоты в широком диапазоне (например, 0,01 Гц ... 320 МГц или
10 Гц ... 1 ГГц) с малой погрешностью дискретности,
максимальное значение которой остается постоянным во всем диапазоне из«
мерений. Органичной частью таких приборов служат
микропроцессорные системы, без которых крайне сложно осуществить
вычисления, диктуемые алгоритмом измерения, а также управление
блоками прибора и режимами его работы.
Сначала рассмотрим идею оригинального варианта метода
дискретного счета, позволяющего измерять частоту с малой и
постоянной погрешностью в широком диапазоне, а затем выясним,
как эта идея осуществляется аппаратурно.
Предположим, что исследуемый периодический сигнал,
значение частоты fx которого требуется найти, — сигнал
синусоидальной формы (рис. 4.10,а). Он преобразуется в периодическую
последовательность импульсов (рис. 4.10,6) с периодом Тх
следования, равным периоду исследуемого сигнала. Независимо от этой
последовательности формируются первые временные ворота
длительностью Д/i (рис. 4.10,0). Они заполняются импульсами
периодической последовательности, при этом в ворота попадает п
импульсов (рис. 4.10,2). Число п фиксируется. Согласно (4.3)
отношение n/AtK соответствует значению f'x измеряемой частоты. Его
отклонение от значения fx определяется погрешностью
дискретности, уменьшение которой и является целью применения данного
метода.
Одновременно формируются вторые временные ворота — такие,
что фронт этих ворот соответствует импульсу последовательности,
появившемуся в первых воротах сразу после их отпирания, а
срез — импульсу, возникающему сразу после запирания первых
ворот (рис. 4.10, д и е). Таким образом, длительность вторых
временных ворот точно равна целому числу периодов исследуемого
сигнала, т. е. At2 = nTx (рис. 4.10,е). Фронт и срез образованных
ворот синхронизированы с моментами появления импульсов
периодической последовательности, сформированной из исследуемого
сигнала, поэтому погрешность округления исключается. Во вторые
ворота направляются счетные импульсы (рис. 4.10,яе). Число N
счетных импульсов, заполнивших вторые временные ворота (рис.
4.10,з), фиксируется.
Формулу для нахождения значения измеряемой частоты
можно получить следующим путем. Число импульсов, попавших во
вторые временные ворота, как это видно из рис. 4.10,е и з,
определяется отношением
87

Рис. 4.10
откуда
(4.8)
где FC4 — частота следования счетных импульсов, значение
которой известно.
Точность измерения частоты определяется погрешностью
дискретности измерения интервала времени пТх.
Получим выражение для относительной погрешности
дискретности б/ измерения частоты, для чего сначала определим
максимальное значение относительной погрешности дискретности
измерения интервала времени Af2 = ft7V Так как этот интервал запол-
88

няется счетными импульсами с периодом следования Гсч, то
максимальная абсолютная погрешность А2 = ±7,сч, а максимальная
относительная погрешность
(4.9)
Равенство nTx=At2 можно представить в виде fx=n/At2.
Тогда в соответствии с правилами вычисления погрешностей
косвенных измерений погрешность измерения функции (fx) связана с
погрешностью измерения аргумента (At2) соотношением (с
точностью до второго порядка малости) б/=бг. После подстановки д2
из (4.9) получим
(4.10)
Согласно (4.3) можно записать равенство Ati=n/ffx. Подставив
в (4.10) вместо fx/n отношение (ffx/n)=l/Atu будем иметь
(4.11)
Формула (4.11) приводит к заключению, что максимальное
значение относительной погрешности дискретности измерения
частоты изложенным вариантом метода дискретного счета не
зависит от значения измеряемой частоты и, следовательно, постоянно
во всем диапазоне измерения.
При частоте следования счетных импульсов FC4=10 МГц и
длительности первых временных ворот AU=l с (как это имеет
место в некоторых частотомерах) максимальное значение
относительной погрешности дискретности
Если при измерении длительности интервала времени At2 = nTx
применить метод интерполяции, то для той же частоты
следования счетных импульсов /44=10 МГц и той же длительности
первых временных ворот A/i = l с получим
Теперь рассмотрим структурную схему прибора,
осуществляющего измерения согласно рассмотренному варианту метода
дискретного счета. Она приведена на рис. 4.11. Фигурирующие в
схеме логические элементы Иь И2. НЕ относятся к блоку
формирования и управления, но изображены вне его для большей
наглядности пояснения работы схемы.
Исследуемый сигнал частотой fx (рис. 4.10,а) передается
через входной блок в формирователь импульсов, где преобразуется
в периодическую импульсную последовательность (рис. 4.10,6).
Она поступает на первый вход временного селектора /, ко
второму входу которого подводится вырабатываемый внутри
микропроцессора стробирующий импульс, представляющий собой первые
временные ворота длительностью A^i = 1 с (рис. 4.10,в).
Заполняющие эти временные ворота импульсы (рис. 4.10,г) подсчитыва-
ются счетчиком /, в нем фиксируется число п.
89

Стробирующий импульс, выполняющий роль первых временных
ворот, подается с микропроцессора также на вход 2 логического
элемента Hi и на вход логического элемента НЕ. Вследствие
этого импульсы периодической последовательности, подводимые с
выхода формирователя ко входам / логических элементов Hi, Иг,
могут пройти на вход 1 блока формирования и управления, если на
входе 2 элемента Hi имеется стробирующий импульс, а на вход 2
блока формирования и управления если отсутствует стробирующий
импульс на входе логического элемента НЕ.
Схема формирования вторых временных ворот длительностью
пТх (входы 1 и 2 блока формирования и управления — это ее
входы) выполнена на двух триггерах. Особенности ее работы
заключаются в следующем. Импульсы, поступающие при исходном
состоянии схемы на ее вход 2, не оказывают воздействия на схему.
Первый импульс, поступающий через логический элемент Hi на
вход / схемы, переключает ее первый триггер, это влечет за
собой переключение второго триггера, образуется положительный
перепад напряжения на его выходе, и в результате на выходе
схемы формируется фронт вторых временных ворот (рис. 4.10, д я е)<
После этого импульсы, подаваемые на вход 1 схемы
формирования, состояния ее не меняют. Пока имеется стробирующий
импульс на входе логического элемента НЕ, импульсы
периодической последовательности не могут проходить через логический
элемент И2. Но сразу по окончании действия стробирующего
импульса первый импульс последовательности поступает через
логический элемент И2 на вход 2 схемы и возвращает второй триггер
в исходное состояние. На его выходе образуется отрицательный
перепад напряжения — формируется срез вторых временных во-
90
Рис. 4.11

рот (рис. 4.10,5 и е). Таким образом, на входе 2 второго
временного селектора получаются вторые временные ворота
длительностью At2 = u>Tx, через которые проходят счетные импульсы (рис.
4А0,ж). Попавшие в ворота импульсы (рис. 4.10,з) подсчитыва-
ются счетчиком 2, в нем фиксируется число N.
Микропроцессорная система, в памяти которой как константа хранится значение
FC4, вычисляет значение частоты fx согласно (4.8). Результат
вычисления передается на дисплей, который может быть выполнен
в виде цифровых индикаторов (например, на жидких кристаллах)
или на основе электронно-лучевой трубки.
Микропроцессорная система не только осуществляет
необходимые вычисления, но и управляет выбором режима в
поддиапазона измерений, установкой запятой в показании прибора, а
также соответствующих единиц измерения (Гц, кГц, МГц). Наличие
микропроцессорной системы позволяет расширить функции,
выполняемые прибором: проводить многократные наблюдения и
усреднять их результаты, измерять не только частоту, но и период
периодического сигнала, интервалы времени, фазовые сдвиги (при
наличии дополнительного блока в составе аппаратной части),
исключать систематическую погрешность при измерении интервалов
времени, обусловленную задержкой опорного и интервального
импульсов в каналах передачи сигналов. Кроме того,
микропроцессорная система дает возможность осуществлять автоматический
контроль нормального функционирования частотомера, включать
прибор в измерительную систему посредством интерфейса,
выполнять передаваемую через него внешнюю программу измерений.
Глава пятая.
ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ И МУЛЬТИМЕТРЫ
5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Известно, что цифровые вольтметры получили широкое
распространение в технике измерения напряжений постоянного и
переменного тока. Это объясняется многими достоинствами цифровых
вольтметров: высокой точностью, широким диапазоном измерений
при высокой чувствительности, отсчетом в цифровой форме
(практически исключающим глазомерные ошибки и создающим
удобство наблюдения на расстоянии), относительной простотой
осуществления документальной регистрации показаний,
возможностью получения результатов наблюдений в форме, удобной для
ввода в ЭВМ, возможностью вывода на интерфейсную шину и
включения в состав измерительно-вычислительного комплекса.
Следует отметить, что, хотя удельный вес цифровых приборов
в общей совокупности выпускаемых вольтметров растет,
применение аналоговых вольтметров вовсе не стремится к нулю, как ка-
91

Якется некоторым специалистам. Количество производимых типов
этих приборов сохраняется примерно постоянным в течение ряда
лет (рост удельного веса цифровых вольтметров обусловлен
абсолютным увеличением их выпуска). Одна из причин такого
положения кроется в том, что на практике не так уж редки ситуации,
когда аналоговая форма индикации, в частности стрелочная,
предпочтительнее цифровой. К ним можно отнести режим
слежения за поведением измеряемой физической величины — контроль
постоянства уровня напряжения, решение задачи установки
заданного значения напряжения, настройку избирательной системы
на определенную частоту и др. Поэтому в современной
измерительной технике все чаще появляются цифровые по схемному решению
вольтметры с двумя видами устройства отображения в одном
приборе: цифровым и аналоговым.
Новый этап в развитии цифровых вольтметров связан с
построением их на основе микропроцессорной системы. Именно в
вольтметрах наиболее полно осуществлены преимущества
микропроцессорных измерительных приборов, отмеченные в § 1.10 и
1.11: дальнейшее повышение точности, расширение
измерительных возможностей упрощение и облегчение управления,
возможность получения различных математических функций измеренных
значений, статистическая обработка результатов наблюдений,
самокалибровка и самодиагностика, повышение надежности и
экономичности, возможность построения программируемых
многофункциональных приборов.
В самом общем виде структурная схема микропроцессорного
цифрового вольтметра представлена на рис. 5.1.
Входной блок содержит аналоговые преобразователи — это
прежде всего аттенюатор и усилитель, но в некоторых приборах
в состав блока может входить также измерительный
преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного
тока. Такое схемное решение применяется тогда, когда
быстродействие микропроцессора недостаточно для вычисления средне-
квадратического значения измеряемого напряжения.
Обязательным узлом каждого цифрового вольтметра, в том
числе микропроцессорного, является аналого-цифровой
преобразователь (АЦП). Современная микроэлектррнная техника
представляет разработчику измерительных приборов АЦП в интегральном
исполнении, выпускаемые в виде БИС. Однако не следует
полагать, что наличие АЦП и микропроцессора полностью гаранти-
92
Рис. 5.1

рует успешное создание прибора. Построение цифрового
вольтметра требует правильного выбора АЦП, служащего основным
измерительным преобразователем, рационального выбора
микропроцессора, осуществления их сопряжения, определения
необходимых характеристик остальных модулей микропроцессорной
системы, разработки программного обеспечения.
Учитывая роль АЦП в цифровом вольтметре, представляется
полезным напомнить типы АЦП. Наиболее распространена
классификация АЦП, признаком которой служит характер процедуры
приближения цифрового кода, получаемого в .результате
дискретизации времени и квантования уровня, к преобразуемому
сигналу. Соответственно этой процедуре АЦП делят на
последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.
К последовательным АЦП относятся:
1. Аналого-цифровой преобразователь со
ступенчато-нарастающим образцовым напряжением. Это напряжение сравнивается
с преобразуемым напряжением. В процессе нарастания
образцового напряжения подсчитывается число ступенек строго
определенной высоты. Счет прекращается в момент равенства
образцового напряжения преобразуемому. Фиксируемое в этот момент
число ступенек представляет числовой эквивалент значения
преобразуемого напряжения.
2. Время-импульсный АЦП (с однократным интегрированием),
преобразующий напряжение в отрезок периодической
последовательности импульсов (с промежуточным преобразованием
напряжение— интервал времени), число которых пропорционально
измеряемому значению напряжения. Преобразование напряжения
в интервал времени осуществляется путем сравнения этого
напряжения с образцовым линейно-изменяющимся напряжением,
вырабатываемым интегратором.
3. Аналого-цифровой преобразователь с двухтактным
(двухкратным) интегрированием. В течение первого такта
длительностью 7i ко входу интегратора приложено преобразуемое
(измеряемое) напряжение постоянного тока и выходное напряжение
интегратора растет по линейному закону (крутизна этого
напряжения пропорциональна ?/изм). По окончании такта в момент ti = T{
преобразуемое напряжение снимается со входа интегратора, и он
подключается к источнику образцового напряжения полярности,
противоположной полярности преобразуемого напряжения.
Начинается второй такт интегрирования, во время которого выходное
напряжение интегратора линейно падает и в момент t2
становится равно нулю. Интервал At=t2—U заполняется счетными
импульсами, число m которых пропорционально значению [/изм
напряжения.
4. Интегрирующий АЦП, осуществляющий преобразование
напряжение в периодическую последовательность импульсов,
частота следования которых пропорциональна значению
преобразуемого напряжения.
96

5. Аналого-цифровой преобразователь поразрядного
уравновешивания, работающий по принципу сравнения преобразуемого
напряжения с рядом образцовых напряжений, значения которых
различаются по определенному закону, например по закону
последовательного расположения разрядов двоичного кода. Число,
соответствующее набору значений образцовых напряжений,
которым компенсируется преобразуемое (измеряемое) значение,
представляет это значение в закодированной форме, т. е. в виде
числового эквивалента.
Параллельные АЦП или АЦП, работающие по методу
считывания, выполняют операцию квантования напряжения сигнала по
многим уровням параллельно путем сравнения его с набором
пороговых уровней.
Последовательно-параллельные 2я-разрядные АЦП
представляют собой сочетание двух параллельных я-разрядных АЦП, п-
разрядного ЦАП и схемы вычитания. В этой системе цифры
старших разрядов формируемого кода получаются на выходе
первого параллельного АЦП, а цифры младших разрядов — на
выходе второго параллельного АЦП из разности входного
напряжения и выходного напряжения ЦАП, на вход которого подается
число, образованное старшими разрядами первого АЦП.
5.2. СОПРЯЖЕНИЕ АЦП С МИКРОПРОЦЕССОРОМ
Касаясь данной темы, прежде всего необходимо отметить,
что задача совместимости АЦП с микропроцессором и работы
АЦП в составе микропроцессорной системы представляет собой
конкретную задачу совместимости модулей, которые должны
функционировать в единой системе. Эта проблема была освещена
в гл. 3, где отмечалось, что при организации модулей в
измерительную систему необходимо осуществить пять видов
совместимости: информационную, конструктивную, энергетическую,
метрологическую и эксплуатационную.
Не имея воможности детализировать все виды совместимости
для системы АЦП-микропроцессор, кратко остановимся на
первом виде совместимости, играющем основополагающую роль.
Информационная совместимость предполагает удовлетворение
определенных требований к уровням напряжения логической
единицы и логического нуля выходного двоичного АЦП и к
управляющим сигналам, а также выполнения протоколов,
регламентирующих временные соотношения сигналов.
При транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ) построения
БИС логической единице выходного сигнала АЦП должен
соответствовать высокий уровень напряжения, равный или больший
2,4 В (при определенном значении тока), а логическому нулю —
низкий уровень напряжения, равный или меньший 0,4 В (при
конкретном значении тока).
Большая часть 8-разрядных АЦП непосредственно
совместима со многими универсальными микропроцессорами. С увеличе-
94

нием числа разрядов АЦП (10,
12, 16) задача сопряжения
усложняется. Однако в принципе
возможна совместная работа этих
АЦП с 8-разрядными
микропроцессорами.
Продолжительность
формирования на выходе АЦП
устойчивого слова, соответствующего зна- Рис- 5-2
чению преобразуемого
аналогового сигнала, определяется интервалом времени между
сигналами запуска АЦП и окончания преобразования, которые на рис.
5.2 названы сигналами НАЧАЛО и КОНЕЦ соответственно
(сказанное относится к тактируемым, управляемым АЦП). Иногда
этот интервал задается стробирующим импульсом, подаваемым
на АЦП. При выполнении протоколов сопряжения,
регламентирующих временные соотношения сигналов, время установления
выходного кода АЦП на шине данных микропроцессора остается
меньше продолжительности обращения к памяти
микропроцессорной системы. Следует иметь в виду, что не все протоколы
сопряжения единообразны. Например некоторые АЦП запускаются с
помощью сигнала выбора модуля памяти (см. рис.
1.8)—сигнала, получаемого в результате дешифрирования адреса. При этом
возможны непредвиденные запуски АЦП ложными сигналами —
выбросами напряжения, возникающими в дешифраторе. Во
избежание этого рекомендуется использовать два стандартных
сигнала: сигнал, подаваемый на схему выбора модуля, и стробиру-
ющий импульс записи (подводимый ко входу / блока управления
на рис. 1.8) [43].
Вообще сопряжение АЦП с микропроцессором получается
относительно простым, если работа АЦП определяется сигналами,
имеющимися на шине управления микропроцессорной системы.
Возможны два варианта организации сопряжения АЦП с
микропроцессорной системой. При первом варианте микропроцессор
«воспринимает» АЦП, как одну из ячеек памяти системы: число,
образующееся на выходе АЦП, направляется по адресу,
расположенному в поле адресов памяти. Второй вариант осуществим
тогда, когда в системе предусмотрен интерфейс ввода-вывода. Если в
ней имеется свободный порт ввода-вывода, то выходы АЦП
соединяются со входами порта, управляемого соответствующими
командами. Иногда при осуществлении сопряжения требуются
схемы для «распознавания» сигналов в шине управления
микропроцессора и дешифрирования адреса порта [30].
На рис. 5.3 изображена одна из возможных схем сопряжения
8-разрядного АЦП и 8-разрядного микропроцессора. В этой
схеме содержатся два порта. Первый из них используется полностью
и служит для ввода числа, образующегося на выходе АЦП, т. е.
данных, в микропроцессорную систему. Второй порт
предназначала

Рис. 5.3
ется для управляющих сигналов и используется частично — по
одному разряду со стороны входа и со стороны выхода.
Работа схемы заключается в следующем. По команде
микропроцессора на выходной линии порта 2 появляется единичный
сигнал, который определяет начало аналого-цифрового
преобразования. Затем производится обращение к входной стороне порта
2. Появление на входной линии единичного сигнала означает
конец аналого-цифрового преобразования. Этот сигнал
«разрешает» передачу результата преобразования из буферного регистра
через порт 1 на шину данных.
Возможна также схема сопряжения, позволяющая применить
только один порт. Но поскольку шина данных — двунаправленная
шина, то схема должна содержать трехрежимный буферный
регистр (могущий принимать три состояния), с помощью которого
осуществляется управление направлением передачи.
5.3. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР
Общая характеристика. Цифровые вольтметры, выполняемые
на основе микропроцессорной системы, измеряют напряжение
постоянного тока и напряжение переменного тока (часто также
сопротивление резистора). Они представляют собой
многопредельные приборы с автоматическим и ручным переключением
полярности и диапазонов измерений, проводят статистическую
обработку результатов наблюдений, выполняют ряд специфических
подпрограмм, существенно расширяющих возможности прибора,
осуществляет автокалибровку. Эти приборы отличаются высокими
метрологическими характеристиками. Так, например,
относительная погрешность одного из вольтметров постоянного тока при
диапазоне измерений 10 мВ (чувствительность 100 нВ) не
превышает 0,001%, а относительная погрешгость измерения среднеквад-
ратического значения напряжения переменного тока
синусоидальной формы при диапазоне измерений 100 мВ (чувствительность
1 мкВ) не превышает 0,03% в полосе частот 50 Гц.., 10 кГц и
остается менее 0,1% в полосе частот 40 Гц ... 100 кГц. Следует
заметить, что точность измерения среднеквадратического значения
напряжения переменного тока зависит от того, каким способом
получают это значение: в результате преобразования напряжения
переменного тока в напряжение постоянного тока с помощью спе-
96

Рис. 5.4
циального измерительного преобразователя или путем непосредст*
венного вычисления микропроцессором по совокупности чисел, со*
ответствующих мгновенным значениям измеряемого напряжения.
Структурная схема. Если в упрощенной схеме вольтметра,
приведенной на рис. 5.1, развернуть структуру микропроцессорной
системы согласно рис. 1.7 и дополнить эту схему специфическими
для измерительного прибора блоками ввода и вывода, то
получится структурная схема микропроцессорного цифрового вольтметра.
Она показана на рис. 5.4.
Микропроцессор организует процедуру измерений, управляет
работой всех узлов, производит арифметические и логические
операции с данными, поступающими из АЦП через интерфейс
ввода на шину данных. Программа работы микропроцессора, со*
4—54 97

ставленная изготовителем цифрового вольтметра, хранится в
постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) и не разрушается при
отключении питания. В ПЗУ содержатся также некоторые
константы, используемые при выполнении различных подпрограмм,
и числа, необходимые для автокалибровки. Оперативное
запоминающее устройство (ОЗУ) служит для временного хранения
данных наблюдений и промежуточных результатов. Связь
микропроцессора с остальными модулями, точнее взаимодействие всех
модулей системы, осуществляется через три шины: данных, адреса
и управления (в общем плане работа микропроцессорной системы
описана в § 1.6 и 1.7). АЦП и клавиатура подключаются к шинам
через интерфейс ввода, а цифровой дисплей, печатающее
устройство, блок автокалибровки и схема автоматического
переключения диапазона измерений (она находится во входном блоке и на
рис. 5.4 не показана) — посредством интерфейса вывода.
Наличие интерфейсной карты (ИКАР) дает возможность соединить
вольтметр с системным интерфейсом, перевести в режим внешнего
управления контроллером, включить в автоматическую
измерительную систему.
Рассмотрим кратко основные узлы программируемого
цифрового вольтметра и взаимодействие с ними микропроцессора.
Аналого-цифровой преобразователь. В цифровых вольтметрах,
выполняемых на основе микропроцессорной системы, вообще
говоря, могут быть применены АЦП различных типов. Как показал
анализ, в вольтметрах, непосредственно измеряющих напряжение
постоянного тока, наиболее распространены АЦП с двойным
(двухтактным) интегрированием. В последнее время все шире
используются время-импульсные преобразователи с однократным
интегрированием (см. § 5.4). Для вольтметров, у которых средне-
квадратическое значение напряжения переменного тока
вычисляет микропроцессор, характерны АЦП поразрядного
уравновешивания, а при высоких частотах измеряемого напряжения — АЦП
параллельного типа (известен, например, 8-разрядный монолитный
АЦП, позволяющий осуществлять дискретизацию аналогового
сигнала с частотой до 75 МГц).
Выходной сигнал АЦП представлен в параллельном двоичном
коде. У АЦП с двойным интегрированием или время-импульсного
АЦП счетные импульсы, образующиеся на выходе (их число
пропорционально значению преобразуемого напряжения в момент
запуска АЦП), направляются в счетчик, с которого
зафиксированное в нем число снимается в параллельном коде и подается в
порт интерфейса ввода.
Обращение к данному порту интерфейса ввода происходит по
сигналу с выхода микропроцессора при наличии сигнала на
определенной линии шины адреса, соединенной с соответствующим
ей (данному разряду) портом. Второй сигнал указывает адрес
порта. Это достигается с помощью дешифратора адреса,
выполненного в виде набора двухвходовых логических элементов И. У
каждого элемента один вход подключен к линии определенного
98

разряда шины адреса, а второй вход — к соответствующему
выходу регистра состояний (INP для интерфейса ввода, OUT для
интерфейса вывода). Выход конкретного логического элемента И
соединен с соответствующим ему портом.
В случае применения АЦП с двойным интегрированием микро-
процессор управляет продолжительностью интегрирования. Ее
определяет пользователь вольтметра нажатием клавиши,
задающей число индицируемых дисплеем разрядов. Микропроцессор
переходит в режим прерывания (его продолжительность фиксиро*
вана, например, 100 мкс), опрашивает клавиатуру и выводит дан*
ные на дисплей, после чего цикл работы микропроцессора возоб»
новляется.
Клавиатура. Помимо АЦП к устройству ввода относится
клавиатура, представляющая собой совокупность органов
управления — клавиш, расположенных на передней панели прибора. Как
уже отмечалось в гл. 2, чем выше «интеллектуальный уровень>
прибора, тем проще его эксплуатация. В микропроцессорных циф*
ровых вольтметрах применяются усовершенствованные схемы и
конструкции клавиатуры, позволяющие обходиться малым числом
органов управления и получать четкую информацию о
выполняемой прибором функции.
Клавиши управляются ключами специальной конструкции,
осуществляющими замыкание и размыкание цепей. Общепринятое
выражение «нажатие клавиши» в данном случае следует
понимать фигурально. В действительности для выполнения прибором
функции, определяемой конкретной клавишей, достаточно прикос*
новения к ней. При этом разомкнутый ключ замыкается на малый
интервал времени и снова размыкается, клавиша возвращается в
исходное состояние. Для того чтобы пользователь вольтметра мог
получить информацию о выполняемой им функции, каждая
клавиша снабжена индикатором — светодиодом, который светится по*
еле нажатия клавиши.
Клавиши сгруппированы в логические блоки, обозначенные
надписями ВИД ИЗМЕРЕНИЯ, РЕЖИМ РАБОТЫ, ДИАПАЗОН
и т. д. В некоторых приборах используются надписи-гравировкй
трех цветов, что позволяет уменьшить число клавиш и упрощае?
управление прибором.
Многие цифровые вольтметры рассчитаны на осуществление
нескольких программ. У них имеется общая клавиша ПРОГРАМ-*
МА, после нажатия которой «работают» надписи определенного
цвета, в том числе цифры от 0 до 9, отмечающие ряд клавиш.
Каждая цифра соответствует номеру варианта программы.
Клавиатура обслуживается микропроцессором в режиме
прерывания. Микропроцессор выполняет операции опроса,
подавления переходных колебательных процессов и дешифрации.
Рассмотрим обслуживание клавиатуры, содержащей 18 клавиш. Ее
электрическая схема представляет три горизонтальные линии и
шесть вертикальных. У каждого пересечения линий помещен ключ,
4* 9»

контакты которого при нажатии клавиши замыкаются на малый
интервал времени. Вследствие этого данная вертикальная линия
соединяется с оответствующей горизонтальной линией. На
вертикальные линии последовательно с определенной частотой
подаются импульсы. В течение интервала прерывания микропроцессор,
располагающий информацией, на какой из вертикальных линий
в данный момент имеется импульс, опрашивает три
горизонтальных линии. Если при опросе нажата, например, клавиша,
соединяющая пятую вертикальную линию со второй горизонтальной, и
в момент опроса на пятую вертикальную линию подан импульс,
то на второй горизонтальной линии, пока замкнут ключ, будет
логический нуль. Таким образом, микропроцессор определяет,
какая клавиша была нажата, направляет эту информацию (в
числовой форме) в ОЗУ и выдает команду подсвета светодиода,
соответствующего данной клавише. Опрос клавиатуры проводится
микропроцессором примерно 100 раз в секунду в
продолжительность опроса составляет около 100 мкс. Естественно, что время,
затрачиваемое пользователем на нажатие клавиши и на переход
от одной клавиши к другой, намного больше. Поэтому ситуация,
при которой микропроцессор пропустит нажатую клавишу,
исключена. Если по ошибке нажаты одновременно две клавиши,
определяющие два взаимоисключающих вида или режима измерений,
то микропроцессор, обнаружив такое положение, не посылает
информации в ОЗУ и не выдает команды подсвета клавишного
индикатора.
Дисплей. Для отображения результатов наблюдений,
результатов измерений, получаемых в итоге статистической обработки
данных наблюдений, и другой информации служит цифровой
дисплей. Поскольку цифровые вольтметры — приборы высокой
точности, выполняющие измерения в широком диапазоне, то для
них характерны многоразрядные цифровые дисплеи. К таким
приборам можно отнести 3 72-разрядный (полной шкале
соответствует 1999) или 672-разрядный (полная шкала — число
1 499 999) вольтметры.
Прежде чем рассматривать особенности дисплеев и
обслуживание их микропроцессором, полезно ответить на вопросы: «Что
означает выражение 3 1/2 разряда?», «Как понимать 72 разряда?»
Разрядность цифрового вольтметра — количество десятичных
разрядов, которые индицируются цифрами от 0 до 9. Например,
прибор с тремя разрядами может давать такие максимальные
показания при различных пределах измерений: 999; 99,9; 9,99;
0,999 В. Цифровой вольтметр, позволяющий индицировать
дополнительно еще один разряд, но неполностью, называют прибором
с расширенным диапазоном показаний или соответственно 3 7г,
4 7а> 5 7г, 6 7г-разрядным вольтметром. Например, если
максимальное показание вольтметра не 0,999, а 1,999 В, то это уже
3 Va-разрядный вольтметр (при максимальном показании 9,999 В,
т. е. полном четвертом разряде, был бы 4-разрядный вольтметр).
Итак, у дисплея л7г-разрядного цифрового вольтметра п млад-
100

ших полных разрядов, в которых цифры могут изменяться от
О до 9, и один (старший) неполный разряд.
Дисплей цифрового вольтметра взаимодействует с
клавиатурой. Он отображает не только цифры, но и единицы измерения,
знаки (+ или —), слова или буквы, которые несут существенную
для пользователя прибора информацию. Если предусмотрено
несколько вариантов используемых программ, то при нажатии
клавиши, определяющей конкретный вариант, соответствующие
сведения можно прочесть на дисплее. При вводе констант они
индицируются дисплеем, что позволяет контролировать правильность
их ввода,
У многих цифровых вольтметров дисплей содержит набор се-
мисегментных индикаторов, отображающих цифры, и индикатор,
изображающий перемещающуюся точку (светящуюся), которая
выполняет роль плавающей запятой. В состав семисегментного
индикатора входят светодиоды, резисторные сборки и регистры.
Сегменты, из которых состоит цифра, управляются выходными
сигналами буферного регистра, входы которого подключены к
шине данных микропроцессорной системы. Все операции
преобразования информации в семисегментный код, определения
положения запятой и другие осуществляются программным путем.
Для дисплеев современных цифровых приборов характерно
отсуствие мелькания цифр, так как в каждый момент времени
индицируется только одна цифра. Это достигается поочередным
сканированием (опросом) семисегментных индикаторов с
помощью распределителя импульсов. Полный цикл дисплея
синхронизирован с прерыванием микропроцессора. Последний, получая
запрос на прерывание, уже располагает информацией о том, какой
индикатор дисплея должен быть выбран, т. е. подключен. При
погашенном дисплее с шины данных поступают сигналы на семь
сегментов выбранного индикатора, и появляется свечение
определяемой им цифры. Вывод числа на дисплей и опрос клавиатуры
занимают не более 100 мкс, отводимых на прерывание
микропроцессора. После этого микропроцессор возвращается к выполнению
основной программы. Индикатор светится до очередного
прерывания (примерно через 1мс ), после которого будет включен
следующий индикатор. В результате осуществления такой
процедуры последовательно светятся цифры всех разрядов дисплея,
причем цикл сканирования всех индикаторов длится около 10 мс.
Следовательно, цифра данного разряда через 10 мс снова будет
светиться. Подобные чередования гашения и свечения
человеческий глаз не фиксирует, и поэтому, число, отображаемое
дисплеем, представляется наблюдателю светящимся непрерывно, без
мельканий. Такая система индикации хорошо сочетается с
возможностями микропроцессора и особенностями его работы,
удобна для пользователя и весьма экономична.
Блок автокалибровки. Цель калибровки любого вольтметра
заключается в том, чтобы добиться однозначного и точного
соответствия между показанием прибора и значением напряжения, по-
'101

даваемого на вход вольтметра от специального источника —
калибратора, служащего образцовой меррй. При наличии
систематических погрешностей, вносимых узлами прибора, соответствие
нарушается и для его восстановления пользователь проводит
требуемые регулировочные операции (вручную). Одна из задач
калибровки — устранение смещения нуля.
Принципы автокалибровки, позволяющие автоматически
исключать систематические погрешности, обусловленные
изменением параметров внутренних цепей цифрового вольтметра, уже
были освещены в § 2.2. Здесь следует подчеркнуть, что последова-
вательностью операций автокалибровки и ее периодичностью
управляет микропроцессор, проводящий также вычисления, связан-*
ные с калибровкой. Интервалы времени, через которые
выполняется автокалибровка, определяются программой, хранимой в
памяти. Предусматривается возможность отмены автокалибровки
или задания момента ее начала командами внешнего управления,
а также действием пользователя вольтметра (с помощью
специальных клавиш).
Для осуществления автокалибровки в схеме вольтметра
имеется блок, подключенный к микропроцессорной системе через
интерфейс вывода и управляющий входным блоком. Внутри блока
автокалибровки содержится образцовый ЦАП.
Одна из функций автокалибровки — коррекция смещения
нуля. По команде микропроцессора вход усилителя, находящегося
во входном блоке, отключается от источника измеряемого
напряжения и соединяется с корпусом прибора. При этом значение
входного напряжения равно нулю. Если имеет место смещение нуля,
то оно измеряется вольтметром. Результат измерения
запоминается в ОЗУ и впоследствии используется для коррекции данных,
получаемых в процессе измерения, когда вход вольтметра вновь
подключен к источнику измеряемого напряжения.
Другая функция автокалибровки заключается в уточнении
масштабных коэффициентов, зависящих от характеристик
внутренних цепей вольтметра. К таким цепям относятся находящиеся
во входном блоке аттенатор, усилители, измерительный
преобразователь напряжения переменного тока в напряжение
постоянного тока. В энергонезависимой памяти (представляющей собой
ОЗУ, питаемое при выключенном приборе от литиевого элемента,
обладающего сравнительно большой энергоемкостью) хранятся в
виде констант точные значения коэффициентов передачи тракта
прохождения сигнала от входных зажимов до АЦП. Значения
констант различны для каждого диапазона и вида измерений.
Реальные масштабные коэффициенты определяются с помощью
образцового напряжения, подаваемого на входые зажимы
вольтметра. При калибровке вольтметров постоянного тока такое
напряжение образуется на выходе ЦАП, когда на его вход поступает
по команде микропроцессора хранимое в памяти число, задающее
определенное значение образцового напряжения.
Остановимся еще на одной функции автокалибровки, характер-
102

ной для вольтметров, измеряющих напряжение переменного
тока, — автоматической коррекции в области высоких частот
коэффициента передачи тракта прохождения сигнала. Принцип
коррекции заключается в следующем. Как видно из схемы,
изображенной на рис. 5.5,а, в ее составе имеются операционный
усилитель и аналоговый измерительный преобразователь напряжения
переменного тока в напряжение постоянного тока, значение
которого пропорционально среднеквадратическому значению
измеряемого напряжения. В области низких частот, как и при усилении
напряжения постоянного тока, коэффициент усиления
определяется соотношением сопротивлений резисторов: Ko=R2/Ri. В области
высоких частот, где имеет место неравенство (1/2я/с)<С#,
коэффициент усиления зависит от соотношения емкостей
конденсаторов (Ci и С2). Если бы конденсаторов не было, то на
высокочастотном участке спектра сигнала значение коэффициента
усиления зависело бы от соотношения паразитных емкостей схемы.
Емкости d и С2 конденсаторов, подключенных параллельно
резисторам сопротивлениями Ri и R2 соответственно, хотя и малы, но
заведомо больше паразитных емкостей. Теоретически
коэффициент усиления не зависит от частоты, если выполняется условие
RiCi = R2C2 или а = Ь, где a = d/C2; b=(R2/R\)=Ko. Но так как
реально влияние паразитных емкостей все же сказывается, то
соотношение а=Ь нарушается, коэффициент усиления оказывается
частотно-зависимым (рис. 5.5,6) и поэтому требуется калибровка,
заключающаяся в изменении отношения С\1С2. Для этого
параллельно конденсатору емкостью С2 присоединен варикап (от англ.
vari (able) — переменный в cap (acity) — емкость) —
полупроводниковый диод, емкость которого зависит от приложенного к нему
обратного напряжения (смещения). Как видно из рис. 5.5,а,
емкостью варикапа управляет напряжение, снимаемое с выхода ЦАП.
Рис. 5.5
103

Процедура «высокочастотной» калибровки сводится к
следующему.
Кратковременным нажатием соответствующей клавиши
подается напряжение образцового сигнала высокой частоты (ее
конкретное значение зависит от диапазона частот вольтметра), средне-
квадратическое значение которого соответствует верхнему
конечному значению предела измерения. Получаемый на выходе АЦП
числовой эквивалент вводится в микропроцессор. Последний
сравнивает получение число с хранимым в памяти числом (констан-
той), соответствующим значению образцового напряжения.
Найденная разность чисел, характеризующая погрешность, подается
на входы ЦАП. Его выходное напряжение изменяет емкость
варикапа, в результате чего уменьшается погрешность — отклонение
коэффициента передачи от требуемого. Двукратное выполнение
этой подпрограммы позволяет существенно понизить погрешность
(до 0,01%). В памяти хранится совокупность констант,
используемых при проведении аналогичной калибровочной процедуры для
всех пределов измерений.
Через тот же интерфейс вывода и блок автокалибровки
микропроцессор управляет по специальной программе автоматическим
выбором предела измерения.
Автокалибровка проводится регулярно через установленные
интервалы времени, после каждого изменения (вручную или
автоматически) диапазона измерений, перехода к другому виду
измерений, при выборе большего интервала интегрирования (в
цифровых вольтметрах с двойным интегрированием) или изменения
числа индицируемых дисплеем разрядов. Выполняя каждую из
последовательно проводимых операций автокалибровочной
процедуры, микропроцессор сравнивает полученные данные с
записанными в памяти пределами. Когда фиксируется несоответствие,
аномалия, то выдается соответствующая информация, привлекающая
внимание пользователя прибора. При этом автоматическая
коррекция результатов измерения продолжается, однако
пользователь, уловив тенденцию изменения характеристик вольтметра,
может принять профилактические меры, исключающие серьезные
нарушения работы прибора или выход его из строя.
Функции, выполняемые вольтметром. Современный цифровой
вольтметр, построенный на основе микропроцессорной системы,—
многофункциональный программируемый прибор. Применяемые
программы и подпрограммы определяют возможные функции
вольтметра. Они неодинаковы у различных приборов, но многие
из них осуществляют такие функции: умножение на масштабный
коэффициент (константу, вводимую с клавиатуры); сдвиг
(вычитание константы из результата измерений); определение
относительного отклонения результата измерения от заданного значения;
нахождение отношений, выраженных в относительных единицах
или децибелах; определение максимального, минимального и
среднего (за время измерения) значений напряжения, причем
продолжительность измерений может быть большой (дни и даже не-
104

сколько недель), что важно при очень медленных изменениях
исследуемой физической величины; сравнение значений напряжения,
подводимого к входу вольтметра, с верхним и нижним пределами,
которые записаны в памяти, или отнесение результата измерения
к определенному «коридору» (интервалу) значений;
статистическая обработка данных наблюдений; запоминание некоторого
числа (например, 50) последовательно снятых показаний (причем это
осуществляется автоматически — без участия пользователя и
независимо от режима работы) с возможностью последующего
вывода на дисплей каждого показания и чтения их совокупности от
конца к началу; вычисление статистических характеристик
исследуемого напряжения (среднего значения, дисперсии, среднеквад-
ратического отклонения и т. п.). Значительная часть выполняемых
вольтметром функций более подробно освещена в § 2.1 и 2.2.
Пример алгоритма программы. Из предыдущего раздела
видно, что микропроцессорный цифровой вольтметр может работать
согласно разнообразным программам. Полное изложение даже
только алгоритмов всех программ не представляется возможным
из-за малого объема книги (да и, пожалуй, у широкого круга
читателей в этом необходимости не возникает). Для создания
представления приведем примерный алгоритм, относящийся к
измерению среднеквадратического значения напряжения. Структурная
схема алгоритма изображена на рис. 5.6.
В соответствии с приведенным алгоритмом в дискретные
моменты времени измеряются мгновенные значения напряжения
u(t)f подводимого ко входу вольтметра, и проводятся вычисления
по формуле
где U — среднеквадратическое значение напряжения и (t);
u(iT0)—мгновенное значение напряжения u(t) в момент i-й
выборки (t-ro запуска АЦП); N— общее количество выборок,
используемых при нахождении среднеквадратического значения;
Го — интервал времени между двумя соседними выборками.
Данный алгоритм определения среднеквадратического
значения не накладывает ограничений при измерении напряжений
сколь угодно низкой частоты, но для высокочастотных
напряжений применимость алгоритма ограничивается быстродействием
АЦП и скоростью вычислений, выполняемых микропроцессором.
Именно поэтому в широкодиапазонных цифровых вольтметрах
для измерения напряжений переменного тока предусматривают
измерительный преобразователь напряжения переменного тока в
напряжение постоянного тока.
Следует заметить, что операцию вычисления среднего
квадрата по N выборкам можно выполнить двумя способами. Первый
из них предполагает накопление чисел в ОЗУ и последующую их
обработку, а сущность второго заключается в том, что в каждом
105

Рис. 5.6

цикле работы квадрат числа, полученного при i-й выборке,
прибавляется к уже накопленной за i—1 предшествующих выборок
сумме квадратов. Хотя второй4 способ и привлекателен тем, что
позволяет значительно уменьшить количесто занимаемых ячеек
ОЗУ, — осуществить его удается не всегда. Препятствие
возникает при недостаточно высоком быстродействии микропроцессора,
когда для выполнения вычислительной процедуры ему требуется
время, превышающее интервал между двумя соседними выборка*
ми (запусками АЦП).
5.4. ВТОРОЕ РОЖДЕНИЕ ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНОГО ВОЛЬТМЕТРА
Говорят, что «новое — это хорошо забытое старое». В
буквальном смысле сказанное можно принять лишь по отношению к
моде — на прически, одежду или обувь, модели которых
повторяются через несколько десятков лет, да и то, пожалуй, не
полностью, а скорее их силуэты, отдельные компоненты и детали. В
технике же приведенную поговорку следует трактовать как
возрождение старых идей и принципов на новой
конструктивно-технологической основе. Именно так получилось с одним из первых
цифровых вольтметров — время-импульсным. Об этом и пойдет
речь в данном параграфе. Но сначала необходимо рассказать о
структурной схеме и принципе действия первоначального
варианта упомянутого вольтметра, который появился около 25 лет тому
назад.
Первоначальный вариант вольтметра. Идея, лежащая в
основе построения время-импульсного вольтметра, заключается в
преобразовании измеряемого напряжения постоянного тока в
интервал времени, значение которого измеряется цифровым
измерителем (заполнение счетными импульсами). Преобразование
осуществляется путем сравнения измеряемого напряжения с линейно-
изменяющимся напряжением.
Структурная схема прибора приведена на рис. 5.7. Ее работу
можно пояснить графиками, изображенными на рис. 5.8.
Напряжение измеряется циклами, задаваемыми блоком управления. В
начале цикла (момент U на рис. 5.8,а) тактовый импульс,
посылаемый из блока управления, сбрасывает на нуль показание
счетчика, оставшееся от предыдущего цикла, запускает компаратор и
Рис. 5.7
107

Рис. 5.8
генератор
линейно-изменяющегося напряжения. Измеряемое
напряжение f/изм, проводимое ко
входу 1 компаратора (для
упрощения рассуждений положим, что
коэффициент передачи входного
устройства равен единице),
сопоставляется в нем с
линейно-изменяющимся напряжением илшв
(рис. 5.8,6), подаваемым на вход
2 компаратора от генератора. В
момент t2 фиксируется равенство
значений напряжений. На выходе
компаратора формируется
прямоугольный импульс длительностью
At=t2—U (рис. 5.8,в),
поступающий на вход 1 временного
селектора и служащий стробирующим
импульсом. Он заполняется
счетными импульсами (рис. 5.8,г), подводимыми ко входу 2 селектора.
Счетчик подсчитывает число т импульсов, поступающих на его
вход за интервал времени At (рис. 5.8,(5). Результат измерения
отображается цифровым дисплеем.
Пользуясь графиками и формулой, устанавливающей
зависимость числа т от значений At и FC4 (§ 4.2), несложно показать, что
Un3M=m(v/FC4), где v — скорость нарастания линейного
напряжения (численно равная тангенсу угла наклона линии илин к оси
времени). Отношение Fch/v выбрано равным 10ft (k — целое число)
и поэтому f/изм=m-10~ft — показание прибора дает
непосредственно значение измеряемого напряжения (число k определяет
положение запятой в числе т).
Как видно из рассмотренного принципа действия вольтметра,
его точность в большой мере зависит от характеристик линейно-
изменяющегося напряжения. Вырабатывающий его генератор
выполняют по схеме интегратора. Он представляет собой
операционный усилитель с большим коэффициентом усиления, охваченный
глубокой отрицательной обратной связью посредством ^С-цепи.
Ко входу интегратора подключен источник образцового
напряжения постоянного тока [/0бр (см. рис. 5.9,6). На выходе
получается линейно-изменяющееся напряжение.
При высокой стабильности образцового напряжения выходное
напряжение интеграторов характеризуется высокой степенью
линейности (можно добиться, чтобы коэффициент нелинейности не
превосходил значения Ю-6);
Высокая степень линейности напряжения, с которым
сравнивается измеряемое напряжение, — несомненное достоинство
рассмотренного время-импульсного вольтметра, но для него характерны
108

два существенных недостатка, заметно понижающих точность
прибора: смещение (дрейф) нуля и непостоянство наклона линейно-
изменяющегося напряжения, обусловленное изменением
параметров С и R компонентов цепи обратной связи интегратора. Эти
недостатки послужили причиной того, что подобные
время-импульсные вЬльтметры (с однократным интегрированием) были вытес»
йены вольтметрами с двойным интегрированием. Но последние не
позволяют получить столь высокой степени линейности
напряжения, как при однократном интегрировании, вследствие паразитно*
го эффекта в конденсаторе, называемого диэлектрическим
поглощением.
Применение микропроцессора позволило сохранить достоинства
время-импульсного вольтметра с однократным интегрированием,
устранить присущие ему недостатки. Как отмечается в [38],
аналого-цифровое преобразование с однократным интегрированием,
модернизированное с помощью микропроцессора, используется во
многих современных цифровых мультиметрах.
Микропроцессорный время-импульсный вольтметр.
Структурная схема вольтметра и поясняющий график показаны на рис,
5.9. Рассмотрим работу схемы [40].
По командам микропроцессора, подаваемым на управляющий
вход мультиплексора, вход 1 компаратора может последовательно
подключаться ко входу 1, 2 или 3 мультиплексора. На вход 2
компаратора подается напряжение с выхода интегратора. Пока
Рис. 5.9
109

микропроцессор не получит сигнала команды преобразования, он
находится в состоянии ожидания. В этом состоянии из него
периодически поступают сигналы сброса на интегратор / (рис.
б.9,а и б). После каждого сброса (разряда конденсатора)
интегратор формирует пилообразный импульс напряжения (линейно-
изменяющееся напряжение), значения длительности Глин и
размаха Up которого постоянны (например, ГЛИн=50 мс, f/P=10 В), а
паузы между импульсами достаточно велики для надежного
разряда конденсатора (рис. 5.9,в).
С приходом на микропроцессор команды преобразования
(момент t* на рис. 5.9,в) мультиплексор соединяет вход 1
компаратора со своим первым входом, т. е. с корпусом прибора. При
этом потенциал входа 1 компаратора равен нулю.
Микропроцессор ждет начала очередного пилообразного импульса. Получив с
выхода компаратора сигнал в момент равенства пилообразного
напряжения нулю микропроцессор измеряет интервал времени Д*1
(рис. 5.9,в) , причем роль счетных импульсов выполняют импульсы
тактового генератора. Результат измерения А\ запоминается. После
этого по команде микропроцессора соединяются вход 1
компаратора и вход 2 мультиплексора — на вход 1 компаратора подается
измеряемое напряжение ?/ИЗм. Оно сравнивается с
линейно-изменяющимся напряжением, в момент их равенства компаратор
посылает сигнал в микропроцессор и тот измеряет интервал
времени At2 (рис. 5.9,в). Результат этого измерения А2 также
запоминается. Затем по команде микропроцессора мультиплексор
подключает ко входу / компаратора свой вход 3, т. е. выход
источника образцового напряжения. Значение последнего определяет
верхний конечный предел измерения (полную шкалу). В момент
равенства линейно-изменяющегося напряжения образцовому с
выхода компаратора поступает импульс в микропроцессор и он
измеряет интервал времени Д/3 (рис. 5,9,в). Результат измерения
Аз передается в память.
Микропроцессор вычисляет значение измеряемого напряжения
f/изм согласно формуле
где с — коэффициент, зависящий от характеристик прибора и
единиц, в которых выражается результат измерения.
Из изложенного видно, что дрейф нулевого уровня
практически не сказывается на результате измерения. Например, при
частоте следования тактовых импульсов FC4=2 МГц и приведенных
характеристик Глин = 50 мс и [/р=10 В значению напряжения 10 В
соответствуют 100 000 импульсов и, следовательно, даже малые
смещения нуля измеряются достаточно точно.
Убедиться в том, что при осуществляемом принципе измерений
нестабильность наклона линейно-изменяющегося напряжения не
оказывает влияния на результат измерения напряжения, можно,
воспользовавшись графиками, изображенными на рис. 5.10.
ПО

Рис. 5.10
С одной стороны, из подобия треугольника BFH и BCD
получаются соотношения
а с другой — из подобия треугольников LPR и LMN следует, что
Таким образом, независимо от угла наклона (а или р) линии
пилообразного напряжения к оси времени
Так как значения частоты следования счетных импульсов F&
и напряжения верхнего предела ?/пРед характеризуются высокой
стабильностью и все интервалы времени заполняются счетными
импульсами от одного источника, то последнее выражение можно
представить в виде
где A\f А2, Аз — соответственно результаты измерений смещения
нуля, искомого и предельного значений напряжения.
Резюмируя, отмечаем основные достоинства рассмотренного
вольтметра:
постоянство размера шкалы, достигаемое коррекцией дрейфа
нуля и верхнего конечного предела. На точность прибора не
влияет нестабильность (во времени и при колебаниях температуры^
параметров компонентов схемы. Основной фактор, определяющий
точность, — стабильность источника образцового напряжения;
относительно малое и постоянное значение погрешности, появ«
ляющейся из-за диэлектрического поглощения в конденсаторе ин*
тегратора. Это объясняется тем, что заряд конденсатора всегда
изменяется в одном направлении. Указанная погрешность, про*
являющаяся в виде смещения уровня напряжения, корректируется
при автокалибровке, осуществляемой с помощью микропроцессора!
III

хорошая повторяемость моментов переключения при наличии
помех, а также ограниченных усилении и полосе пропускания
компаратора, что обусловлено приближением
линейно-нарастающего напряжения к точке срабатывания компаратора всегда с
одной стороны и с одинаковой скоростью.
Недостаток описанной схемы по сравнению со схемой
двукратного интегрирования — отсутствие механизма подавления помех.
Однако имеются пути устранения этого недостатка или
уменьшения влияния помех, к которым, в частности, относится усреднение
наблюдений.
5.5. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ МУЛЬТИМЕТРЫ
Чтобы «расшифровать» название мультиметр, напомним, что
мульти ... (лат. multum — много) — первая составная часть
сложных слов, указывающая на множественность. Под мультиметром
понимают универсальный многофункциональный измерительный
прибор, позволяющий измерить несколько параметров
электрических сигналов и компонентов цепей электронных устройств.
Наиболее часто мультиметры измеряют напряжения постоянного и
переменного тока, сопротивление резистора, емкость
конденсатора, коэффициент усиления, затухание четырехполюсника, частоту
и другие параметры.
Программируемые мультиметры строятся на основе
микропроцессора и выполняют много функций. Но, как было показано в
§ 5.3, большое число функций присуще и микропроцессорным
цифровым вольтметрам. Поэтому в тех случаях, когда нахождение
значений параметров х; помощью мультиметра базируется на
прямых измерениях напряжения с последующими вычислениями,
нелегко четко провести грань, разделяющую эти два вида
измерительных приборов. Нередко можно столкнуться с тем, что два
прибора выполняют почти одинаковые функции, но один из них назван
цифровым вольтметром, а второй — цифровым мультиметром.
Отсюда понятно, что все основные положения, изложенные в § 5.3,
относятся и к микропроцессорным мультиметрам.
Тем не менее, вообще говоря, функциональные возможности
цифровых мультиметров шире, чем у цифровых вольтметров.
Например, в [21], где описан программируемый мультиметр, хотя и
отмечается, что он сохраняет все свойства цифровых вольтметров
высокой точности, подчеркиваются дополнительные, новые
возможности, создаваемые выносной клавиатурой. Она позволяет
программировать мультиметр на языке символических
обозначений, которые нанесены на клавишах. Иначе говоря, программа
вводится с клавиатуры. С ее помощью пользователь мультиметра
имеет возможность набирать и задавать программы,
определяющие измеряемый параметр, режим измерений, запоминание
результатов наблюдений, алгебраические и тригонометрические
вычисления при осуществлении косвенных измерений, статистичес*
кую обработку.
112

Конструктивно такой мульти-
метр состоит из основного
прибора с клавиатурой на передней
панели (как у цифрового
вольтметра) и дополнительного
блока — вычислительного
контроллера, выполненного на основе от- Рис. 5.11
дельного, второго
микропроцессора. В составе микроконтроллера имеются внутренняя логическая
плат* и внешняя клавиатура (подобная применяемой в
микрокалькуляторах). С ее помощью пользователь получает доступ к
управляющему микропроцессору, находящемуся внутри основного
прибора. Логическая плата микроконтроллера выполняет требуемую
обработку данных и дополнительных инструкций по
интерпретации команд, вводимых с клавиатуры. Микропроцессор либо сразу
выполняет команды, либо направляет их в модуль памяти для
хранения и использования впоследствии.
Система команд, набираемых на клавиатуре, включает
операции вычисления алгебраических (в том числе логарифмических)
и тригонометрических функций, определяемых пользователем, а
также команды, относящиеся к чисто программной процедуре:
условных переходов, адресации, вывода на дисплей и т. п.
Одна из возможностей прибора — косвенное измерение
мощности, рассеиваемой на резисторе сопротивления R (рис. 5.11). По
программе предполагаются измерение падения напряжения U на
резисторе и последующее вычисление мощности по известной
формуле P = U2IR. При выполнении указанной программы прибор
фактически представляет собой уже не вольтметр, а измеритель
мощности. Характерно то, что эта функция прибора задана
программным путем, причем требуются всего 10 шагов программы.
Для набора определенной программы время затрачивается
только один раз, так как ее можно записать в съемный модуль
памяти программ.
Глава шестая.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
6.1. КОРОТКО ОБ ОСЦИЛЛОГРАФАХ ВООБЩЕ
Известно, что электронные осциллографы — приборы для визуального
наблюдения электрических сигналов, а также измерения их параметров с
использованием средства отображения формы сигналов — являются самыми
распространенными измерительными приборами. Доминирующее положение
занимают электронно-лучевые осциллографы, у которых средством отображения
формы сигналов служит электронно-лучевая трубка.
113

Различают универсальные осциллографы (вид С1), стробоскопические (вид
С7), запоминающие (вид С8), телевизионные (вид С9). В зависимости от
количества одновременно исследуемых сигналов или, иначе, количества используемых
каналов сигнала электронные осциллографы делят на одноканальные, двухка-
налшые (и двухлучевые), трехканальные, многоканальные.
На рис. 6.1 приведена упрощенная структурная схема универсального од-
ноканального электронно-лучевого осциллографа (не показаны питающие
устройства и схема управления лучом электронно-лучевой трубки).
Канал вертикального отклонения, или канал сигнала, предназначен для
передачи напряжения источника исследуемого сигнала, подводимого ко входу Y,
на вертикально отклоняющие пластины трубки. Входной блок содержит
аттенюатор (набор делителей напряжния) ,и предварительный усилитель с эмиттерным
(истоковым) повторителем на входе. Наличие линии задержки позволяет при
исследовании импульсных сигналов в режиме внутренней синхронизации,
ждущей развертки, т. е. синхронизации исследуемым сигналом (на рис. 6.1
переключатель П1 в положении 1), запускать генератор развертки с опережением
относительного момента поступления исследуемого импульса на вертикально-
отклоняющие пластины трубки. В этих условиях при благоприятных
временных соотношениях удается получать неискаженные осциллограммы, наблюдать
фронт импульса. Оконечный усилитель выполняет две функции: усиливает
исследуемый сигнал до уровня, требуемого для получения достаточно большого
размера изображения по вертикали, и преобразует несимметричное входное
напряжение в два симметричных напряжения, подаваемых с выходов усилителя
на вертикально-отклоняющие пластины.
Основные характеристики канала вертикального отклонения: чувствитель-
114
Рис. 6.1

ность или коэффициент отклонения, полоса пропускания, входное сопротивление
и входная емкость.
Канал горизонтального отклонения, или канал развертки, служит для фор*
мирования напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча,
пропорциональное времени. Эту функцию выполняет генератор развертывающего
напряжения, сокращенно называемый генератором развертки (переключатель
П2 — в положении /). Вторая функция канала — усиление (ослабление)
сигнала, передаваемого от входа X на горизонтально-отклоняющие пластины
трубки (переключатель П2 — в положении 2). Роль усилителя в этом канале
аналогична роли усилителя канала вертикального отклонения. Схема
синхронизации передает и формирует поступающие на ее вход сигналы, синхронизирующие
работу генератора развертки. В зависимости от положения переключателя Ш
возможны три вида синхронизации: внутренняя — исследуемым сигналом
(положение /), внешняя — сигналом, поступающим от внешнего источника на
гнездо «Вход синхр.» (положение 2), и напряжением питающей сети (поло-
жени 3).
В режиме формирования развертывающего напряжения канал
горизонтального отклонения характеризуют параметрами сигналов, вырабатываемых
генератором развертки: длительностью, амплитудой, скоростью изменения или
коэффициентом развертки, а также коэффициентом нелинейности. При
выполнении функции усиления основные характеристики канала аналогичны
характеристикам канала вертикального отклонения.
Во многих осциллографах предусмотрены две развертки. Первая —
развертка, создаваемая обычным генератором пилообразного напряжения, —
называется основной. Вторая, формируемая с помощью второго генератора,
аналогичного первому и работающему в ждущем режиме, называется
задержанной разверткой, так как второй генератор запускается импульсом,
задержанным на некоторое время относительно начала основной развертки. Для
получения задержанного импульса в обычных (не управляемых микропроцессором)
осциллографах предусматривают компаратор, на один вход которого подано
образцовое напряжение постоянного тока, а на второй вход — пилообразное
напряжение основной развертки. Изменяя значение образцового напряжения с
помощью потенциометра, ручка которого расположена на передней панели
осциллографа, можно «перемещать» момент начала задержанной развертки вдоль
всей длительности основной развертки. Обычно предусматривают возможность
устанавливать скорость задержанной развертки в два, пять или десять раз
выше скорости основной развертки. Таким образом, получаются две оси
времени с различными масштабами. Это позволяет наблюдать с помощью
развертки растянутые участки осциллограммы, получаемой при основной
развертке («электронная лупа»). Для увеличения яркости этой осциллограммы с
генератора задержанной развертки может быть снят импульс подсвета.
Наличие двух разверток также дает возможность повысить точность измерения
интервалов времени при непосредственном отсчете.
Канал управления яркостью предназначен для передачи со входа Z на
управляющий электрод электронно-лучевой трубки напряжения сигналов,
модулирующих яркость свечения.
Средства измерения параметров исследуемых сигналов служат для
измерения чаще всего напряжений (преимущественно пиковых значений) и
интервалов времени: периода периодического сигнала, длительности импульса, дли-
115

тельностей его фронта и среза и т. п. Электронно-лучевые трубки современных
осциллографов имеют внутреннюю масштабную сетку, расположенную в
плоскости экрана. Эта сетка используется при измерениях параметров сигнала.
Осциллографы более старых выпусков содержат калибраторы чувствительности
и длительности — средства измерения (меры), с помощью которых градуируют
или проверяют градуировочные характеристики осей экрана (масштабной
сетки) осциллографа: вертикальной — в единицах напряжения, горизонтальной —
в единицах времени. В новых осциллографах применяются встроенные
цифровые измерители, причем результаты измерения отображаются на экране
электронно-лучевой трубки в цифровой форме — число и единицы измерения.
6.2. НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ ОСЦИЛЛОГРАФОВ,
СОЗДАВАЕМЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРАМИ
После ознакомления с микропроцессорными приборами,
рассмотренными в предыдущих главах, может появиться резонный
вопрос: «К чему привело «вторжение» микропроцессора в
осциллограф, какие возможности появились у этого прибора?»
Познакомимся с новыми свойствами, которые характерны для
электронного осциллографа, содержащего микропроцессорную систему
[7, 27].
Прежде всего следует отметить, что управление
осциллографом стало программным, и это радикально упростило его
эксплуатацию. Так, например, имеется осциллограф, у которого только
одним переключателем устанавливаются необходимые значения
коэффициента усиления канала вертикального отклонения (размер
изображения по вертикали), длительности развертывающего
напряжения и т. п. Функции управления группируются по
логическому принципу, и выбор желаемой функции достигается нажатием
соответствующей клавиши. Это коренным образом изменило
переднюю панель осциллографа. Управление не только упростилось,
но и стало более гибким. Его можно осуществить как по
программе работы внутреннего микроконтроллера, так и с помощью
контроллера системного интерфейса, к которому подключается прибор.
Созданы возможности полной автоматизации управления работой
электронно-лучевого осциллографа (не считая функций
регулировки режима работы электронно-лучевой трубки, которые
выполняются перед началом исследования вручную), пересылки
результатов измерения через интерфейс в печатающее устройство
или устройство обработки.
Вторая возможность (точнее, совокупность возможностей)
микропроцессорных осциллографов — упрощение измерительной
процедуры, снижение трудоемкости измерений, повышение их
точности, расширение перечня измеряемых параметров сигналов,
выполнение математических операций. Характерным примером
может служить измерение длительности фронта (или среза)
прямоугольного импульса. Чтобы осуществить это измерение, достаточно
установить на изображении фронта две светящиеся метки — одну
на нулевом уровне, а вторую — на уровне, соответствующем
116

амплитуре импульса, — и нажать соответствующую клавишу.
Результат измерения отображается на экране в виде десятичного
числа с указанием единиц измерения. Для осциллографов,
содержащих микропроцессорную систему, снижаются требования к
точности установки и стабильности коэффициентов передачи каналов.
Возможные по этим причины погрешности корректируются по
хранимым в памяти точным значениям коэффициентов передачи
каналов вертикального и горизонтального отклонения.
Выполнение операции усреднения исследуемого сигнала за большое число
периодов существенно ослабляет влияние помех, улучшает
качество осциллограммы. Говоря о расширении перечня измеряемых
параметров исследуемого сигнала, следует отметить, что в этот
перечень вошли такие параметры, как частота периодического
сигнала, среднеквадратическое значение напряжения, площадь
импульса, энергия и другие параметры, измерения которых
выполняются нажатием одной клавиши и не требуют вычислений.
Третья новая возможность заключается в повышении
эффективности испытаний и настройки электронных схем в процессе их
разработки. В память микропроцессорной системы заносятся
расчетные данные, характеризующие идеальную схему, ее реакцию
в целом или отдельных элементарных схем на типовые
испытательные сигналы. После выполнения реальной схемы полученные
при ее испытании данные сопоставляются с хранимыми в памяти.
Результат сравнения несет информацию, которой
руководствуются при настройке и доработке схемы. Многократные испытания и
сопоставления позволяют оценить роль каждого узла и
компонента разрабатываемой схемы и оптимизировать ее по выбранному
критерию.
Еще одна существенная возможность — ускорение калибровки
и регулировки осциллографа. Эта процедура, проводимая
периодически согласно установленному регламенту в условиях
эксплуатации, не требует проникновения внутрь прибора (снятия
кожуха): она выполняется с помощью органов управления,
расположенных на передней панели. По заданной программе вычисляются
значения калибровочных коэффициентов, которые записываются
в неразрушаемую память. В ней хранятся также указания по
проведению калибровки. Они последовательно выводятся на экран
электронно-лучевой трубки и служат пошаговыми инструкциями
для лица, осуществляющего калибровку. Хотя она и требует
участия человека, но в гораздо меньшей степени, чем при выполнении
этой процедуры с обычным осциллографом. По окончании
предварительной калибровки значения установленных параметров
фиксируются в запоминающем устройстве. В ходе измерений
калибровка проводится автоматически после того, как пользователь
прибора нажмет соответствующую клавишу.
117

6.3. ВАРИАНТЫ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ
ОСЦИЛЛОГРАФОВ
В различных электронных осциллографах, содержащих
микропроцессор, выполняемые им функции неодинаковы. На
микропроцессор могут возлагаться только функции управления, причем в
отдельных приборах — для решения сравнительно узкой задачи.
Иногда его основное назначение — выполнение измерительных
операций. В некоторых схемах разграничены собственно осцилло-
графическая часть и микропроцессорная система, решающая ряд
задач управления, измерения и обработки. Имеются приборы, у
которых все регулировки рабочих режимов осуществляются
программным путем, автоматизированы измерительные процедуры,
включая калибровку, проводятся необходимые вычисления,
обработка сигналов и результатов измерений. Естественно, что от
объема и характера функций, выполняемых микропроцессорной
системой, зависит общая структура осциллографа. В последующих
параграфах освещается несколько разновидностей
электроннолучевых осциллографов, в состав которых входят
микропроцессоры. Рассмотрение проводится в порядке возрастания удельного
веса функций, осуществляемых с помощью микропроцессорной
системы.
6.4. ЦИФРОВЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Применение запоминающих осциллографов существенно
повысило эффективность экспериментального исследования многих
процессов. Эти приборы могут быть аналоговыми — со специальными
запоминающими электронно-лучевыми трубками — и цифровыми,
выполняемыми на обычных электронно-лучевых трубках.
Достоинством аналоговых приборов является очень широкий
частотный диапазон исследуемых сигналов. Однако у цифровых
запоминающих осциллографов имеются свои несомненные
преимущества: практически неограниченная продолжительность хранения
запомненной иформации, широкие пределы изменения скорости
считывания, возможность замедленного воспроизведения
отдельных участков запомненной осциллограммы (например, один из
осциллографов позволяет устанавливать коэффициент развертки
1 ч/см), яркие и четкие осциллограммы, намного более
контрастные, чем в аналоговых запоминающих осциллографах, простота
управления, вывод информации в цифровой форме на ЭВМ или
обработка ее внутри осциллографа.
Структурная схема цифрового запоминающего осциллографа
приведена на рис. 6.2. Особенность этого прибора в том, что он
может работать в двух режимах. Когда переключатели П
находятся в положении / (оба переключателя управляются одним
органом), схема представляет собой обычный универсальный
осциллограф и работает в нормальном режиме. После перевода
переключателей в положение 2, соответствующее режиму запоминания
118

Рис. 5.2
и воспроизведения, получается схема цифрового запоминающего
осциллографа. Его работа заключается в следующем.
Напряжение u(t) исследуемого сигнала поступает через
входной блок на информационный вход АЦП. Из контроллера в
момент U подается на управляющий вход АЦП сигнал начала
преобразования, по которому напряжение u(U) преобразуется в
числовой эквивалент. По окончании преобразования контроллер
получает от АЦП соответствующий сигнал. Образующееся на
выходе АЦП число передается в определенную ячейку запоминающего
устройства. В последнем за интервал исследования накапливается
совокупность чисел, которая может храниться сколь угодно долго,
так как запоминающее устройство — энергонезависимое. При
необходимости воспроизведения хранимой информации по команде
контроллера из памяти выбираются в требуемой
последовательности числа и подаются на цифровой вход ЦАП, который
преобразует числа в напряжения. Их значения в каждый момент
соответствуют числу, поступившему на вход ЦАП. Напряжения
передаются через оконечный усилитель канала У на вертикально
отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. Осциллограмма
представляет собой совокупность светящихся точек. Для
получения непрерывного изображения кривой (такое изображение
называют векторным) между выходом ЦАП и входом усилителя
включают блок интерполяции (сглаживания).
Наиболее существенный недостаток осциллографов
описанного вида — ограниченная полоса пропускания в режиме
запоминания, обусловленная относительно невысоким быстродействием
АЦП. Так у большинства находящихся в эксплуатации цифровых
запоминающих осциллографов полоса пропускания при
исследовании непериодических сигналов составляет 1 или 10 МГц. В
последнее время решена задача построения цифровых
широкополосных осциллографов в результате повышения быстродействия АЦП,
а также разработки новых методов дискретизации, интерполяции
и отображения сигналов [7, 12].
Иной вариант структурной схемы цифрового запоминающего
осциллографа представлен на рис. 6.3. Ее основное отличие от
уже рассмотренной схемы (см. рис. 6.2) в том, что функции гене-
119

Рис. 6.3
ратора развертывающего напряжения выполняет ЦАП,
управляемый данными, поступающими на его цифровой вход из
микроконтроллера. На выходе ЦАП образуется
ступенчато-изменяющееся напряжение. Чтобы оно мало отклонялось от
линейно-изменяющегося напряжения, вырабатываемого аналоговым
генератором развертки (интегратором), применяется 10-битовый ЦАП.
Так как 210=1024, то при подаче на цифровой вход ЦАП чисел,
изменяющихся от 0 до 1023 с дискретностью 1, напряжение на
его выходе растет, принимая 1023 значения. Следовательно, весь
диапазон выходного напряжения разбивается на 1023 одинаковые
ступеньки и горизонтальное перемещение луча практически
получается пропорциональным времени. Максимальная скорость
развертки определяется быстродействием ЦАП и микроконтроллера.
Регулируется скорость понижением или повышением частоты
изменения чисел на цифровом входе ЦАП.
Следует заметить, что система АЦП — запоминающее
устройство — ЦАП канала У позволяет осуществить регулируемую в
широких пределах задержку исследуемого сигнала в канале
вертикального отклонения, что в сочетании с ЦАП канала X,
служащего генератором развертывающего напряжения, гарантирует
высококачественную синхронизацию.
6.5. ОБЫЧНЫЙ АНАЛОГОВЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ ПЛЮС
МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА
Мотивы схемного решения. Один из первых
«интеллектуальных», т. е. программируемых, осциллографов представляет собой
сочетание обычного универсального аналогового осциллографа и
устройства цифровой обработки, построенного на основе
микропроцессорной системы. Выполненный конструктивно в виде
единого блока, этот прибор обладает многими новыми
возможностями микропроцессорных осциллографов, изложенными в § 6.2.
Такое схемное решение продиктовано стремлением разработчиков
помочь пользователю преодолеть психологический барьер на пути
перехода от привычных осциллографов с ручным управлением к
программно-управляемым приборам, сделать этот переход
постепенным [7].
120

Рис. 6.4
Структурная схема. На рис. 6.4 приведена упрощенная
структурная схема осциллографа (реальный прибор — двухканальный).
В верхней части рисунка изображен аналоговый осциллограф
(канал управления яркостью Z, а также средства измерения и
отображения параметров сигналов не показаны, чтобы не
усложнять рисунок). Расположенные в средней части АЦП и ЦАП, а
также модули запоминающих устройств в сочетании с
контроллерной функцией микропроцессорной системы позволяют
использовать рассматриваемый прибор как цифровой запоминающий
осциллограф, подобный описанному ранее (см. рис. 6.2).
Находящаяся в нижней части рисунка микропроцессорная система — это
система программного управления и цифровой обработки.
При получении изображения исследуемого сигнала в реальном
масштабе времени прибор работает как обычный универсальный
осциллограф. Если у экспериментатора еще не появилась
необходимость воспользоваться возможностями программного
управления и^ цифровой обработки, создаваемыми микропроцессорной
системой, то в его распоряжении привычный аналоговый
осциллограф. В таком приборе можно менять стандартные блоки
(усилители вертикального отклонения, генераторы развертки и т. п.),
как это делается в случае применения обычного осциллографа,
конструкция которого рассчитана на подобные замены или
подключение новых блоков. Тенденция разделения прибора на
аналоговую и цифровую части проявляется и в расположении органов
управления: традиционные органы управления, характерные для
121

обычного осциллографа, занимают «свою территорию» — отделены
от клавиш, с помощью которых осуществляются возможности,
заложенные в цифровой части.
Микропроцессорная система придает осциллографу новые
свойства. Она содержит все основные модули, характерные для таких
систем. Основным связующим звеном между ею и аналоговой
частью осциллографа служит АЦП. Рассмотрим особенности
аналого-цифрового преобразования осциллографируемых сигналов.
Аналого-цифровое преобразование. Описанный в [7]
микропроцессорный осциллограф — широкополосный прибор: полоса
пропускания канала вертикального отклонения 400 МГц
(минимальный коэффициент развертки 0,5 нс/дел). Необходимость
запоминания высокочастотных сигналов при сохранении высокой
разрешающей способности отображения исследуемого сигнала
определяет специфику аналого-цифрового преобразования:
дискретизацию аналогового сигнала с малыми интервалами (высокой
частотой) и квантование по большому числу уровней. В
рассматриваемом осциллографе обе операции выполняются с относительной
погрешностью, не превышающей 2~10, т. е. наибольшая
разрешающая способность и по горизонтальной, и по вертикальной осям
экрана составляет 1/1024 (0,1%). Для достижения столь высоких
характеристик требуются 10 двоичный разрядов (бит)
квантования и дискретизация с частотой не ниже 1 ГГц (при полосе
400 МГц). Современные АЦП не обладают таким
быстродействием. Поэтому применительно к сигналам, отображаемым на
экране осциллографа, разработан метод стохастической
(нерегулярной) дискретизации, который позволил решить задачу аналого-
цифрового преобразования на основе 10-битового АЦП (типа
поразрядного уравновешивания), характеризуемого временем преоб*
разования 1 мкс. Поясним сущность этого метода, для чего вос<
пользуемся рис. 6.5.
Экран электронно-лучевой трубки представляется в виде сово*
купности пХт элементарных ячеек: я=1024 — число ячеек по
вертикали, т = п (или я/2, я/4, я/8) —число ячеек по горизонтали.
Порядковый номер i ячейки, отсчитываемый по горизонтальной
оси, указывает адрес определенной ординаты кривой
отображаемого сигнала, а порядковый номер k той же ячейки по вертикали
соответствует числовому значению f-й ординаты. Число i
получается в результате аналого-цифрового преобразования
развертывающего напряжения, поступающего из канала горизонтального
отклонения в АЦП канала X. Образующееся на выходе этого АЦП
число, соответствующее значению развертывающего напряжения в
момент выборки, поступает в шину адреса и используется для
формирования адреса ячейки памяти энергонезависимого ЗУ.
Число k представляет результат аналого-цифрового преобразования
осциллографируемого сигнала, подводимого из канала
вертикального отклонения к АЦП канала У. Полученное число передается
через шину данных в ячейку памяти указанного адреса, в которой
и хранится.
122

Рис. 6.5
Моменты выборок (дискретизации) сигналов, поступающих из
каналов горизонтального и вертикального отклонения на
соответствующие схемы выборки и запоминания, задаются импульсами,
вырабатываемыми генератором синхросигналов. Импульсы
выборок имеют очень малую длительность (они подобны импульсам,
применяемым для дискретизации сигналов в стробоскопических
осциллографах). Поэтому напряжение выборки запоминается
конденсатором, содержащимся в схеме выборки и запоминания, на
время, достаточное для преобразования с помощью АЦП (в
данном случае — на 1 мкс). Интервалы следования
импульсов-выборок изменяются случайным образом, и выборки получаются
нерегулярными по отношению к преобразуемому аналоговому
сигналу. Они осуществляются в разных точках периодически
повторяющегося сигнала. После заполнения каждой ячейки ЗУ,
находящейся по указанному выходным числом АЦП канала X адресу,
выдается сигнал (флаг), индицирующий заполнение. Результаты
последующих выборок фиксируются в других ячейках памяти.
Процедура взятия выборок продолжается до заполнения по
крайней мере 99% общего объема ячеек, отведенного в ЗУ для
цифрового представления осциллографируемого сигнала. В
результате в памяти оказываются записанными значения сигнала,
которые необходимы для последующего его отображения на экране
осциллографа.
Заметим, что осциллограф, описанный в [7], содержит только
один АЦП, подключаемый попеременно к обеим схемам выборки
и запоминания с помощью мультиплексора. Это, естественно,
увеличивает продолжительость преобразования.
Микропроцессор и модули памяти. Как видно из рис. 6.4,
микропроцессорная система имеет обычную структуру, однако специ-
123

фика ее работы в осциллографе определяет требования к
входящим в нее модулям и алгоритмы функционирования. Сказанное
прежде всего относится микропроцессору.
Использование 10-разрядного АЦП и требования к скорости
обработки и вычислительным возможностям микропроцессорной
системы предопределили ориентацию на 16-разрядный
микропроцессор. Хотя принципиально и возможно сочетание 10-разрядного
АЦП и 8-разрядного микропроцессора, но в данном случае оно
неприемлемо. Это объясняется тем, что три такой комбинации
слово данных приходится разбивать на два байта, последовательно
запоминаемых и обрабатываемых, что требует значительного
увеличения продолжительности всей процедуры аналого-цифрового
преобразования, вычислений и отображения. Кроме того,
ограничиваются возможности адресации при запоминании
многочисленных значений сигналов и программ, да и точность вычислений
оказывается недостаточно высокой.
Примененный в осциллографе микропроцессор допускает
16 вектор-прерываний, что важно в условиях специфики работы
осциллографа, особенно при подключении к системному
интерфейсу. Еще одна существенная особенность микропроцессора
заключается в том, что он содержит 16 регистров общего назначения.
Это упрощает и ускоряет обработку данных. Следует также
отметить, что наличие в составе шины управления линий запросов
и разрешений, которые могут быть использованы для очистки шин
данных и адреса, создавая прямой доступ к памяти, позволяет
ускорить запись и считывание текущих данных обрабатываемого
сигнала, сократить продолжительность аналого-цифрового
преобразования и процедуры отображения.
Постоянное запоминающее устройство, служащее для хранения
программы управления, имеет емкость 32К байт. Предусмотрена
возможность применения ППЗУ. Основное ОЗУ рассчитано на 4К
двухбайтовых слов. При необходимости емкость ОЗУ может быть
удвоена.
Клавиатура управления цифровой частью прибора. В
соответствии с принципом постепенного перехода от обычного
осциллографа к программируемому построена и система управления
цифровой частью прибора. Эта система разделена на две подсистемы.
Первая представляет собой совокупность клавиш, помещенных
непосредственно на передней панели осциллографа и
предназначенных для осуществления лишь тех функций, которые
относительно близки к традиционным: измерения максимального и
минимального значений напряжения исследуемого сигнала, его
размаха, среднеквадратического значения, длительностей фронта и среза
прямоугольного импульса и т. п. Сюда же относятся клавиши для
управления дискретизацией сигнала. Пользователь осциллографа
имеет возможность уменьшить число выборок (вместо 1024
устанавливать 512, 256 или 128 выборок). Это позволяет увеличивать
количество запоминаемых сигналов ценой ухудшения
разрешающей способности.
124

Вторая подсистема — это выносная клавиатура, расширяющая
функциональные возможности прибора и позволяющая управлять
им на расстоянии. С целью облегчения освоения осциллографа и
его эксплуатации выносная клавиатура ориентирована на язык
символьных клавиш — язык программирования, применяемый в
настольных калькуляторах. Особенность этого языка заключается
в том, что конкретная функция задается нажатием (одним
пальцем) клавиши, имеющей соответствующее мнемоническое
обозначение. Каждая операция (определяемая только оператором и
операндом) выполняется независимо от остальных, и результат
получается немедленно. Его можно отобразить совместно с
названием операции на экране электронно-лучевой трубки.
Одна группа клавиш служит для выбора режима осциллографи-
рования: в реальном масштабе времени или с запоминанием, а
также сочетания того и другого. Управление отображением в
режиме запоминания достигается с помощью других клавиш,
определяющих характер изображения на экране — точечное или
непрерывное, а также позволяющих получать осциллограммы в
системе координат сигнал—время или сигнал—сигнал, стирать
изображение (полностью или частично). Предусмотрены клавиши, с
помощью которых можно изменять масштабы по вертикальной и
горизонтальной осям, а также перемещать осциллограмму по
экрану. Имеются клавиши для ввода констант, выбора номера
хранимого сигнала, изменения числа и положения меток,
используемых при измерениях. Группа клавиш служит для выполнения
математических операций с числами — арифметических, вычисления
логарифмов и экспоненциальных функций. Специальные клавиши
позволяют выполнять такие функциональные преобразования
сигналов, как дифференцирование, интегрирование, усреднение, и
осуществлять линейную интерполяцию с целью восстановления
формы сигнала по отдельным точкам (эти точки соединяются
отрезками прямых). Еще одна группа клавиш предназначена для
задания программного режима работы. Предусмотрена
возможность прерывания программы по требованию пользователя
прибора.
6.6. ОСЦИЛЛОГРАФ С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Отличительные черты. Специально разработанный на основе
микропроцессорной системы электронный осциллограф с
программным управлением [27] отличается не только от традиционных
приборов аналогичного назначения, но и от осциллографа,
описанного в § 6.5. Его необычность проявляется и во внешнем виде,
и во внутренней архитектуре, и в управлении.
Передняя панель прибора делится на две примерно равные
части. Левая часть представляет большой прямоугольный экран
электронно-лучевой трубки, в правой части расположены органы
управления (один поворотный переключатель и набор клавиш), а
также светодиодный дисплей.
126

Внутренняя архитектура осциллографа — машинная, она
подобна архитектуре вычислительных машин, выполняемых на
основе микропроцессора. Это предопределяет цифровую форму
информации, поступающей в микропроцессор как с передней
панели — при клавишном управлении, так и через интерфейсную
шину — при дистанционном управлении.
Наличие микропроцессорной системы дает возможность
полностью автоматизировать работу осциллографа, осуществить
активный обмен информацией между пользователем и системой, в
ходе которого система осуществляет прием, обработку и выдачу
сообщений в реальном масштабе времени (такой режим называют
диалоговым).
Структурная схема. Из приведенной на рис. 6.6 схемы видно,
что специфические для каждого электронно-лучевого
осциллографа узлы занимают сравнительно скромное место по сравнению с
модулями микропроцессорной системы. Построенния на
16-разрядном микропроцессоре, она более сложна, чем в ранее
рассмотренных приборах. Это обусловлено многочисленными функциями,
осуществляемыми системой, и особенностями управления. Дискретные
(ступенчатые) регулировки диапазонов коэффициента отклонения
и коэффициента развертки производятся с помощью цифровых
устройств, управляющих аттенюатором и генератором развертки.
Данные, необходимые для управления, поступают из
микропроцессорной системы через интерфейсы вывода. Для плавных регули-
Рис. 6.6
126

ровок (чувствительности канала вертикального отклонения,
смещения луча, длительности развертки и т. п.) предусмотрен
14-разрядный многоканальный (16 каналов) ЦАП. Цифровые данные
на его вход подаются из специального контроллера, входящего в
состав микропроцессорной системы. Аналоговые напряжения,
образующиеся <на выходах каналов ЦАП, подводятся к предусилителю
(входы 2 и 3), усилителю канала вертикального отклонения,
генератору развертки (вход 2), схеме синхронизации (вход 3),
усилителю сигналов подсвета (вход 3) и т. п. Отображение буквенно-
цифровой информации о результатах измерений, единицах
измерений, выполняемых операциях и т. п. достигается с помощью
генератора символов (управляемого микропроцессором), сигналы
которого поступают на вход 4 предусилителя.
Характерной особенностью рассматриваемой схемы является
линия обратной связи, соединяющая генератор развертки со
специальным интерфейсом ввода микропроцессорной системы. По
этой линии микропроцессор получает информацию об
обнаружении входного сигнала (подробное пояснение приводится в разделе,
освещающем режим автоматического осциллографирования).
Программное управление радикально упростило для
пользователя процедуру калибровки и настройки осциллографа. Они,
несомненно, заслуживают внимания, так как, не представляя их,
трудно понять механизм управления в режиме автоматического
осциллографирования. Говоря о калибровке, имеют в виду
предварительную калибровку, а под настройкой поднимают настройку,
выполняемую в процессе осциллографирования.
Предварительная калибровка. Для ее осуществления нет
необходимости снимать кожух осциллографа и подключать
измерительные приборы к определенным точкам схемы. Все операции
выполняются нажатием клавиш, расположенных на лицевой
панели.
Согласно программе микропроцессор вычисляет калибровочные
коэффициенты, и полученные данные передаются в ОЗУ. В
памяти хранятся инструкции по проведению калибровки, которые с
помощью генератора символов последовательно, шаг за шагом,
отображаются на экране осциллографа. Следуя этим инструкциям,
пользователь прибора вращением ручки поворотного
переключателя, находящейся на передней панели, добивается того, чтобы
изображение калибровочного сигнала (внутреннего или
поступающего от внешнего источника) заняло определенное положение
на экране. После этого пользователь нажимает клавишу,
программа получает соответствующую информацию и фиксируются
данные о калибровочной точке. Затем процедура многократно
повторяется. Когда в память будут записаны данные о достаточном
количестве калибровочных точек, микропроцессор вычислит
калибровочные коэффициенты (относящиеся к конкретному виду
калибровки), которые записываются в энергонезависимые ОЗУ.
Каждой функции органов управления, расположенных на
передней панели прибора (и в том числе поворотного переключа-
127

Рис. 5.7
теля), соответствует определенная совокупность переменных,
помещаемая в отведенную для нее область энергонезависимого ОЗУ.
Числовые значения этих переменных определяют входные сигналы
буферных регистров и многоканального ЦАП (рис. 6.7).
Настройка в процессе осциллографирования. Эта процедура
проводится автоматически либо после нажатия пользователем
клавиши вызова, либо после поступления соответствующего сигнала
из контроллера системного интерфейса — в случае подключения
к нему осциллографа. Управление осуществляет содержащийся
внутри осциллографа микропроцессор, который «руководствуется»
данными, хранимыми в ОЗУ.
В качестве примера рассмотрим подстройки, выполняемые в
канале вертикального отклонения. Для этого воспользуемся
рис. 6.7, где штриховой линией очерчена область ОЗУ, в которой'
помещена информация о состоянии канала. Числа,
характеризующие состояние канала, — это трехзначное число, указывающее
требуемый коэффициент отклонения канала, и число,
обозначающее условный номер диапазона, к которому относится этот
коэффициент отклонения.
128

В самом начале процедуры настройки микропроцессор
извлекает из ОЗУ «номер диапазона» (например, —3) и, автоматически
заметив, какой коэффициент деления установлен на зонде
осциллографа (если зонд используется), проводит необходимые
вычисления, по окончании которых выдает данные в буферный
регистр изменения диапазонов. Зафиксированное в регистре число
определяет установку дискретных значений коэффициента
передачи аттенюатора канала У и коэффициента усиления предусилителя
этого канала. Затем микропроцессор определяет по номеру
диапазона число, которое должно быть подано на вход ЦАП, чтобы
на его соответствующем выходе могло образоваться напряжение,
необходимое для балансировки предусилителя. Согласно номеру
диапазона (—3) микропроцессор также считывает из ОЗУ
записанные в нем во время калибровки числа (калибровочные
коэффициенты); число, дающее значение коэффициента передачи
канала, и число, указывающее значение начального смещения. По ним
микропроцессор вычисляет данные, которые требуется подвести
ко входу ЦАП для получения на его определенных выходах
напряжений регулировки усиления и смещения луча. Все найденные
числа посылаются в ОЗУ, откуда они могут быть вызваны
контроллером. Он направляет их последовательно на вход ЦАП,
предоставляя микропроцессору возможность решать другие задачи.
На выходах каналов многоканального ЦАП последовательно
появляются напряжения, подстраивающие узлы канала вертикального
отклонения.
Информация о состоянии канала, принятая микропроцессором,
направляется также в буферный регистр данных СД
(светодиодного) дисплея. Оттуда они считываются контроллером ЦАП и
передаются на дешифратор, управляющий светодиодным дисплеем.
При этом у пользователя появляется возможность отключить
генератор символов, чтобы не дублировать отображение
информации на экране электронно-лучевой трубки.
Режим автоматического осциллографирования. В этом режиме,
задаваемом нажатием соответствующей клавиши, управление
осуществляет микропроцессор. Получив по линии обратной связи
сигнал, называемый флагом запуска, микропроцессор
согласно хранимой программе так регулирует значения коэффициента
отклонения и коэффициента развертки, чтобы осциллограмма
соответствовала определенному стандарту: размер по вертикальной
оси масштабной сетки составлял три деления, а по ее
горизонтальной оси укладывались два периода исследуемого сигнала.
Флаг запуска формируется следующим образом (рис. 6.8).
В схеме синхронизации устанавливаются заданные уровень
запуска (рис. 6.8,а) и скорость запуска. После поступления
исследуемого сигнала из канала вертикального отклонения или внешнего
синхронизирующего сигнала в этой схеме формируется в момент
t\ (рис. 6.8,а) импульс 1 (рис. 6.8,6). Он запускает генератор
основной развертки, вырабатывающий пилообразное
напряжение основной развертки (рис. 6.8,в), а также генератор задерж-
5—54 129

ки, который по истечении
установленного интервала
задержки запускает генератор
задержанной развертки
(рис. 6.8,г). Он, как и
генератор основной развертки,
выполнен по схеме интегратора.
Выходное пилообразное
напряжение генератора задержанной
развертки соответствует
прямоугольному стробирующему
импульсу на входе интегратора
(рис. 6.8,<Э).
При вторичном пересечении
исследуемым сигналом уровня
запуска (момент t2 на рис.
6.8,а) формируется
запускающий импульс 2 (рис. 6.8,6).
Если он появляется в течение
времени действия стробирующего
импульса (рис. 6.8,6 и д), то
запускающий импульс 2
перебрасывает триггер, на выходе
которого образуется высокий
уровень — логическая единица
(рис. 6.8,#). Этот уровень
служащий флагом запуска,
передается из схемы развертки по
линии обратной связив
микропроцессор (см. рис. 6.6).
Последний, таким образом,
получает информацию о наличии
исследуемого сигнала на входе канала вертикального отклонения
или внешнего сигнала на входе схемы синхронизации. Интервал
времени, требуемый для того, чтобы определить, образовалась ли
логическая единица флага запуска при конкретной совокупности
условий, равен максимальному времени ожидания.
После получения микропроцессором флага запуска
автоматически выполняются четыре группы операций: предварительная
установка параметров, поиск по вертикали, поиск по горизонтали,
окончательная установка параметров.
В процессе предварительной установки выбираются такие
значения параметров каналов, что последние находятся в заведомо
нормальном состоянии. При этом устраняются ошибки, которые
мог сделать пользователь. Так, если он установил режим,
который затрудняет или исключает возможность наблюдения
осциллограммы (например, слишком большой интервал задержки,
разделяющий моменты запуска основной и задержанной разверток), то
восстанавливается нормальный режим. Более того, выбирается
130
Рис. 6.8

такое состояние каналов, при котором получение
высококачественного изображения исследуемого сигнала наиболее вероятно.
В частности, в схеме синхронизации устанавливается номинальное
значение уровня запуска основной развертки.
Поиск по вертикали предполагает получение требуемой
амплитуды сигнала в канале вертикального отклонения. Эта процедура
предшествует поиску по горизонтали, так как в противном случае
возможна перегрузка усилителя вертикального отклонения.
Сущность поиска по вертикали заключается в установке надлежащей
чувствительности канала, что достигается автоматическим
выбором одного из четырех возможных значений коэффициента
передачи аттенюатора, т. е. поддиапазона коэффициента отклонения,
и плавной регулировкой чувствительности внутри поддиапазона.
Процедура поиска такова. Первоначально устанавливается
коэффициент отклонения 1 В/дел в поддиапазоне 1... 10 В/дел.
Формирователь импульсов запуска основной развертки подключается
к тому каналу, в котором производится поиск, — в данном случае
к каналу вертикального отклонения. Уровень запуска
первоначально устанавливается соответствующим 1,5 деления масштабной
сетки. Если амплитуда исследуемого сигнала, поступающего в схему
синхронизации, достаточно велика, чтобы сигнал пересекал
установленный уровень запуска, и появляется импульс запуска
развертки, то поиск продолжается в этом поддиапазоне. Указанный
уровень запуска приемлем для сигналов синусоидальной формы и
прямоугольных симметричных импульсов (меандра). Когде же
исследуемый сигнал представляет собой периодическую
последовательность импульсов, характеризуемую большой скважностью
(Q>2), то производится второй цикл поиска, при котором
изменяется знак уровня запуска — устанавливается уровень,
соответствующий —1,6 деления масштабной сетки.
После того, как исследуемый сигнал попал в требуемый
поддиапазон, фиксируется коэффициент передачи аттенюатора
канала У и согласно программе контроллер ЦАП подает на его вход
изменяющиеся данные. Соответственно изменяется напряжение »а
выходе того канала ЦАП, который управляет коэффициентом
передачи усилителя вертикального отклонения. Так осуществляется
плавная регулировка чувствительности канала вертикального
отклонения. Поиск продолжается до тех пор, пока размах изобра^
жения синусоидального сигнала (меандра и т. п.) будет равен
трем делениям масштабной сетки, а при осциллографиротании
импульсных последовательностей размер изображения станет —1,5
деления.
Поиск по вертикали проводится также при времени ожидания
42 мс, что необходимо для обнаружения сигналов частотой 50 Гц
(период 20 мс). Так как программа поиска выполняется каждый
раз заново с поступлением в микропроцессор флага запуска, то
очевидно, что для высокочастотных сигналов продолжительность
поиска сокращается. Флаг запуска, формируемый при
обнаружении сигнала в канале, записывается в ОЗУ и используется на
5* iai

стадии окончательной установки параметров. Запоминается и знак
уровня запуска.
Поиск по горизонтали, как уже отмечалось, выполняется после
получения требуемой амплитуды сигнала в результате поиска по
вертикали. Согласно программе формирователь импульсов
запуска основной развертки подключается к каналу вертикального
отклонения, в котором уже осуществлен поиск сигнала. Уровень
запуска в схеме синхронизации устанавливается в три раза
меньшим амплитуды отрегулированного сигнала, а знак считывается
из ОЗУ. Начинается процедура автоматического поиска
необходимой скорости развертки (рис. 6.9).
Из микропроцессорной системы передается в буферный регистр
число, определяющее максимальную скорость развертки.
Посредством логической схемы буферный регистр воздействует на
переключатель конденсаторов генератора развертывающего
напряжения, и в его схеме остается включенным конденсатор
минимальной емкости. Ему соответствует коэффициент развертки 10 нс/дел.
Если при этом появляется флаг запуска, то ЦАП производит
"плавную подстройку скорости развертывающего напряжения и на
этом поиск по горизонтали заканчивается. Но такой случай
встречается редко. Более вероятна ситуация, иллюстрируемая рис. 6.10,
который следует рассматривать вместе с рис. 6.9. На графике
(рис. 6.10,а), отмечены моменты t\ и t2 формирования импульсов
1 и 2 запуска генератора основной развертки. График,
приведенный на рис. 6.10,6, отображает стробирующий импульс на входе
интегратора генератора задержанной развертки, соответствующий
коэффициенту развертки 10 нс/дел. Длительность этого импульса
ti = 110 не. Сопоставление рис. 6.10,а и б приводит к заключению,
что при такой длительности развертки флаг запуска не образуется,
так как момент t2 формирования импульса 2 запуска генератора
132
Рис. 6.9
Рис. 6.10

развертки находится за пределами стробирующего импульса.
-Микропроцессор выдает новое число в буферный регистр, при
котором переключатель конденсаторов включает в схему генератора
развертки еще один конденсатор, увеличивая общую емкость
настолько, что получается коэффициент развертки 100 нс/дел. Ему
соответствует длительность стробирующего импульса тп=1100нс =
= 1,1 мкс (рис. 6.10,в). В этом случае импульс 2 запуска
генератора развертки, формируемый в момент t2, попадает в стробирую-
щий импульс (рис. 6.10,а и в) и микропроцессор получает флаг
запуска. Из изложенного видно, что требуемый коэффициент
развертки больше 10 и меньше 100 нс/дел. Микропроцессор
устанавливает поддиапазон 10 нс/дел и выдает данные в ЦАП, который,
воздействуя через делитель напряжения на компоненты схемы
генератора, осуществляет плавную регулировку значения
коэффициента развертки в пределах 10... 99 нс/дел, пока снова не
появится флаг запуска.
Принятая процедура позволяет быстро провести поиск
высокочастотных сигналов, так как время ожидания флага запуска не
превышает продолжительности двух периодов исследуемого
сигнала. Когда исследуется низкочастотный сигнал (например,
синусоидальный сигнал частотой 50 Гц), то один за другим
подключаются все новые и новые конденсаторы — общая емкость /?С-це-
ци интегратора увеличивается до тех пор, пока не получится
требуемая длительность развертки (42 мс).
Окончательную установку параметров осциллографа
микропроцессор производит на основе информации, полученной в
результате поиска по горизонтали и по вертикали. Включается
генератор основной развертки. Найденное значение коэффициента
развертки умножается на 2, и, таким образом, осциллограмма
содержит два периода исследуемого сигнала. Скорость задержанной
развертки устанавливается в 10 раз выше скорости основной
развертки. Тот канал (или каналы) вертикального отклонения, в
котором обнаружен сигнал, остается включенным, а остальные
каналы вертикального отклонения отключаются. В соответствии с
информацией, получаемой из работающего канала,
осуществляется смещение луча по вертикали. На шинах микропроцессорной
системы устанавливаются потенциалы, при которых гарантируется
(в случае нажатия соответствующей клавиши) работа системных
модулей, расширяющих выполняемые осциллографом функции (см.
рис. 6.6).
Осциллограф в сочетании с интерфейсом. Если
рассматриваемый осциллограф подключить к системному интерфейсу, то
помимо программного управления, задаваемого с передней панелиг
появляются дополнительные возможности. К ним относятся: пере*
дача системному контроллеру всей информации о положениях
органов управления и состоянии каналов — их параметров;
отображение на экране электронно-лучевой трубки текста с
мерцанием и подчеркиванием, причем возможны две разновидности
отображения: темные буквы на светлом фоне и наоборот; блоки-
13Э

ровка выполнения команд, выдаваемых с передней панели, с
посылкой в контроллер информации о том, какие клавиши были
нажаты; создание пользователю возможности доступа к
программным средствам в режиме автоматического осциллографирования.
Введение микропроцессорного осциллографа в состав
измерительной системы посредством интерфейса позволяет ускорить
автоматические и полуавтоматические испытания различных
устройств, существенно повысить производительность труда,
расширить функциональные возможности осциллографа и
измерительной системы.
Глава седьмая.
МЕТОДЫ ТЕСТИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
7.1. СПЕЦИФИКА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
Испытание микропроцессоров « микропроцессорных систем
называют тестированием. Его проводят для проверки качества
функционирования системы, диагностики и отыскания
неисправностей. Особенности структуры и работы микропроцессорных
систем обусловливают сложность их тестирования, не позволяют
отыскивать неисправности, опираясь только на широко
известные (традиционные) измерительные приборы: осциллографы,
анализаторы спектра, электронные вольтметры, обычные тестеры
и т. д.
В современной электронной технике диагностические
процедуры стали очень сложными. В одном из номеров журнала
«Electronics» это положение отражено такой фразой: «Иногда легче
изготовить .новое изделие, чем найти в нем причину неисправности».
И далее подчеркивается, что сказанное особенно справедливо по
отношению к системам на основе микропроцессоров, для которых
контроль трудоемок, а производственные установки контроля очень
сложны и требуют хорошо обученных операторов.
Если еще на стадии (проектирования микропроцессорной систе-
<мы не продуманы вопросы ее тестирования, то в процессе
эксплуатации системы они могут вырасти в трудно разрешимую
проблему. Поэтому, образно говоря, нужно следовать известному
афоризму: «Прежде, чем войти, подумай, как выйдешь!»
Каковы же основные особенности устройства и работы
микропроцессорной системы, влияющие на организацию ее контроля и
диагностики, определяющие специфику требуемой для тестирования
аппаратуры. Можно отметить шесть таких особенностей:
1. В микропроцессорных системах циркулируют потоки
цифровых данных, представляющие собой разнообразные комбинации
битов, слова различной длины, появление которых зачастую апе-
134

риодично. К тому же длительности цифровых сигналов могут
изменяться в широких пределах.
2. Микропроцессоры — это устройства со сложной внутренней
структурой и многочисленными внутренними путями передачи
информации, данных. Процедура, последовательность передачи
информации внутри микропроцессора определяется программой. Ее
успешное выполнение зависит от временных соотношений для
различных входных и выходных сигналов.
3. Трудность описания схем, обусловленная принципиальным
отличием микропроцессорной системы от многофункциональных
приборов, построенных по схемам с жесткой логикой. Если у
последних изменение выполняемой функции осуществляется
аппаратурным лутем, т. е. соответствующим изменением схемы, то в
микропроцессорных системах для перехода от одной функции к
другой меняют программу, помещенную в ПЗУ, а работа этих
систем скрыта в алгоритме программы.
4. Высокая скорость процессов, протекающих в устройствах
с микропроцессорами; элементарные сигналы существуют в
течение очень малого интервала времени (часто — доли
микросекунды) и кодовые комбинации, как правило, не повторяются, во
всяком случае регулярно.
5. Наличие двунаправленных шин — шин, по которым
цифровые сигналы передаются в обоих направлениях. Это затрудняет
интерпретацию данных ;и адресов. Значительные осложнения при
отыскании неисправностей создает параллельная структура шин,
к которым подключено сразу несколько устройств.
6. Большое число элементарных операций, за которыми
должны следить контрольно-испытательные устройства. Так, например,
в измерительных приборах с микропроцессорным управлением чи-
сло~ шагов процессорных программ может достигать нескольких
тысяч.
Неисправности, связанные с макропроцессором и узлами,
которые подключены к нему через интерфейсные схемы, очень
сложно обнаруживать и еще труднее локализовать их источники.
Применение традиционных приборов и методов контроля может не
дать ощутимых результатов даже при многочасовой
испытательной процедуре [26]. Поэтому расширение сферы применения
микропроцессоров, построение разнообразных микропроцессорных
систем вызвали необходимость разработки (принципиально новых,
эффективных методов контроля и диагностики этих систем.
Наибольшее распространение получили три метода
тестирования: автодиагностики, логического анализа и сигнатурного
анализа.
Автодиагностика, которую иногда называют встроенной
диагностикой, предполагает тестирование на основе использования
внутренних диагностических программ. Они бывают двух типов:
самозапускаемые «и вызываемые по требованию пользователя
системой. Полезной для тестирования ряда устройств является
программа прослеживания основного алгоритма, согласно которой
135

испытуемая система проходит обычную последовательность
состояний работы, причем в ключевых точках индицируются
мнемонические коды. Само собой разумеется, что возможность
автодиагностики (предусматривают при проектировании системы и указания
по ее осуществлению отражают в соответствующих инструкциях».
В последующих параграфах данной главы рассматриваются
два современных метода контроля и диагностики
микропроцессорной системы, для проведения которых разработаны специальные
приборы. Это методы логического и сигнатурного анализа.
7.2. ЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Различают трл вида приборов, с помощью которых
осуществляют логический анализ: анализаторы логических состояний;
анализаторы логических временных диаграмм; генераторы
логических синхросигналов.
Прежде чем излагать принципы построения приборов,
раскроем понятия «логические состояния» и «временные диаграммы»
цифровых устройств.
Логические состояния. Двоичные сигналы цифровых схем
характеризуются двумя заметно различающимися уровнями
напряжения называемыми логическим нулем и логической
единицей. Их обозначают 0 и 1 соответственно. В реальных
системах логический уровень обычно не задают строго конкретным
значением напряжения: он может принимать какое-то значение
в установленном интервале. Так, например, как указывалось в*
§ 5.2, при ТТЛ логике построения БИС логическому нулю может
соответствовать любое значение напряжения, равное или меньшее
0,4 В, а логической единице — значение напряжения, равное или
большее 2,4 В. Иначе говоря, логический нуль — это низкий
уровень (иногда отрицательной полярности), а логическая единица—
высокий уровень напряжения (положительной полярности).
Комбинация нулей и единиц на выходах цифровой схемы
определяет ее логическое состояние. Простейшим примером может
служить триггер, у которого возможны два логических состояния:
нуль и единица.
Рассмотрим в качестве более сложного примера 4-разрядный
двоичный счетчик, изображенный на рис. 7.1 (здесь Т\—триггер
младшего разряда, Г4 — триггер старшего разряда). В зависимо-
Рис. 7.1
136

сти от числа импульсов, поступивших на вход счетчика, он
может иметь 16 логических состояний, определяемых логическими
уровнями на выходах всех триггеров:
исходное (нулевое)
после 1-го импульса
после 2-го импульса
после 3-го импульса
после 4-го импульса
•после 5-го .импульса
после 6-го импульса
после 7-го импульса
после 8-го импульса
после 15-го импульса
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
I
0
1
Очевидно, что если входными имлульсами счетчика
синхронизировать работу анализатора, фиксирующего логические состояния
счетчика -и отображающего их на дисплее, то можно установить,
нормально ли функционирует счетчик.
Теперь еще немного усложним пример. Предположим, что
интересующий нас субъект — 8-разрядный сдвигающий регистр
(рис. 7.2). К его основному входу D подводится
последовательность 'битов 10010110, а на вход С поступают тактовые
(сдвигающие) импульсы. В .исходном состоянии содержимое регистра,
определяемое логическими состояниями триггеров Т\—Гз, будет
00000000. С приходом первого тактового импульса в триггер Тх
запишется единица. Логическое состояние регистра станет
00000001. Второй тактовый импульс продвинет единицу из
триггера Т\ в триггер Гг, а в триггер Т\ запишет следующий бит
последовательности— нуль, что повлечет за собой изменение
логического состояния регистра. Оно будет таким: 00000010. Третий
тактовый импульс снова изменит состояния триггеров и т. д. В
течение цикла, включающего восемь тактовых имшульсов,
сдвигающий регистр будет иметь восемь различных логических
состояний. Контролируя их, можно сделать заключение о правильности
работы регистра. Заметим, что максимальное число логических
состояний 8-разрядного сдвигающего регистра (при различных
входных последовательностях или одной, но очень длинной
входной последовательности) равно 28.
Рис. 7.2
1S7

Совокупность логических состояний отображается в виде
таблицы чисел.
В микропроцессорных системах передаваемые по шине
данных слова (или по адресной шине —адреса) рассматривают как
последовательность логических состояний.
Логические временные диаграммы. При анализе работы
системы, отыскания неисправностей в ней и локализации их
источника возможны ситуации, когда представление данных во
временной области дает 'больше информации о работе системы и
возникающих сбоях, чем таблица логических состояний.
Характерными примерами неисправностей в цифровой системе,
аналоговых по своей сущности, могут служить искажения фронта
импульса, смещения моментов -переключения и т. п.
Рассмотрим для примера сигналы на выходах Qu Q2, Q3 и
Q4 4-разрядного двоичного счетчика (см. рис. 7.1). Изменения
напряжения этих сигналов во времени ,и представляют
логические временные диаграммы. Они показаны на рис. 7.3.
Три формы отображения результатов анализа. Дисплеи
логических анализаторов, выполненные на основе электронно-лучевой
трубки, могут отображать получаемую при испытаниях цифровых
схем информацию в форме таблиц чисел, временных диаграмм и
карты состояний.
Табличный дисплей применяется в анализаторах логических
состояний. Он отображает логические состояния в виде таблиц
чисел, которые могут быть представлены в различных форматах
(системах счисления): двоичном, восьмеричном, десятичном,
шестнадцатиричном. Такие дисплеи иногда называют дисплеями для
отображения информации в области данных. Картину,
наблюдаемую на табличном дисплее, иллюстрирует рис. 7.4.
По горизонтали расположены слова. Вертикальную ось
называют «осью событий». Таким образом табличный дисплей
отображает информацию в координатах «с лов о-событие».
Примером «события» может служить очередной «импульс,
поступающий на вход счетчика и изменяющий его логическое состоя-
138
Рис. 7.3

Рис. 7.5
ние. Для удобства чтения слова, состоящие из 12 бит, разделены
на части (слоги), содержащие по 4 бит (для
шестнадцатиричного формата) или по 3 бит (для восьмеричного формата).
Дисплей, отображающий логические временные диаграммы,
подобен экрану многоканального осциллографа. Обычно имеется
возможность одновременного наблюдения восьми временных
диаграмм (в координатах «напряжение-время»),
соответствующих восьми (или меньшему числу) различным точкам
схемы, например выходам триггеров двоичного счетчика. Пример
отображения информации во временной области с помощью дисплея
рассматриваемого вида приведен на рис. 7.5.
При представлении данных в виде карты состояний на экране
дисплея вместо таблицы битов воспроизводится матрица
светящихся штрихов, где каждый штрих соответствует определенному
байту. Штрихи так взаимосвязаны, что по карте можно
наблюдать последовательность обработки данных.
На рис. 7.6 показан пример карты, которая отображает со-
139

стояния десятичного счетчика, состоящего из двух счетных
декадой считает числа импульсов от 0 до 99 (в десятичной системе
счисления). Строки, образованные последовательностью штрихов,,
соответствуют состояниям декады старшего разряда (они могут
изменяться от 0000 до 1001), а столбцы — состояниям декады
младшего разряда (они также могут изменяться от 0000 до 1001).
В точке пересечения горизонтальной линии (строки) штрихов,
соответствующей конкретному старшему разряду (например, 0010)*
и вертикальной линии (столбца), соответствующей данному
младшему разряду (например, 1001), находится штрих,
представляющий определенное слово (в нашем примере — слово 00101001)..
Из рисунка вадно, что штрих, расположенный в левом верхнем
углу карты, отображает слово 00000000, а штрих, находящийся;
в нижнем правам углу карты, — слово 10011001.
Если экран используется полностью, то штрихи,
расположенные в угловых точках экрана, представляют такие слова: 0000000О
(левый верхний угол), 00001111 (правый верхний угол), 1111000О
(левый нижний угол), 11111111 (правый нижний угол). Следует
заметить, что яркость изображения увеличивается по мере
приближения луча к каждой новой точке. Это дает возможность
узнать направление потока изменения состояний.
Карта состояний облегчает контроль функционирования 4цифро-
вой схемы, работающей циклически. Так, нацример, если на
карте, изображенной на рис. 7.6, между шестой и седьмой
строчками штрихов появился бы пробел (выпала строка), то это
свидетельствовало бы о том, что счетчик перескочил из состояние
01011001 (число 59 в десятичной системе счисления) в состояние-
01110000 (число 70) вместо состояния 01100000 (число 60), в
которое он должен перейти при нормальном функционировании.
Для обозначения, выделения специфической точки на карте
состояний .используется указатель, называемый курсором. Он
представляет собой светящийся кружок, который можно
перемещать по экрану. Так, например, с помощью курсора отмечается
расположение точки, отображающей сбой программы.
При контроле выполнения программы микропроцессорной
системы логическим анализатором с описываемым дисплеем карта
состояний принимает особую форму. Если научиться распознавать
формы, характерные для конкретных микропроцессорных систем,,
то можно относительно легко констатировать нормальный ход
программы.
Анализатор логических состояний. Приборы этого типа,
называемые часто синхронными анализаторами, должны отвечать ряду-
требовании. Основные из них сводятся к следующему:
1. Анализируемые данные должны отображаться в виде
комбинаций битов. Дисплей анализатора должен позволять легка
воспринимать и интерпретировать отображаемую информацию.
2. Наличие достаточно большого числа параллельных входов,,
позволяющих одновременно контролировать целое слово.
3. Управление данными, поступающими в анализатор и цир-
140

кулирующими в испытуемом устройстве, должно производиться
одними и теми же синхроимпульсами. Интервал времени,
необходимый для фиксации данных в анализаторе, должен быть очень
малым.
4. Подключение анализатора к испытуемой системе не должно
оказывать влияния на ее параметры, а также диктовать
необходимость изменения режима или программы работы системы.
5. Конструкция входного устройства анализатора должна
обеспечивать рациональное подключение прибора к испытуемому
устройству.
6. Дисплей анализатора должен позволять легко
воспринимать и интерпретировать отображаемую информацию.
В соответствии с требованием 2 выпускаются 8-, 12-, 16- и 32-
канальные анализаторы логических состояний.
На рис. 7.7 представлена структурная схема 16-канального
анализатора. Работой прибора управляют синхронизирующие
сигналы (тактовые импульсы), которые подаются на вход тактовых
импульсов от испытуемого устройства (возможно и управление
сигналами внутреннего тактового генератора).
После включения анализатора на входы 1 и 2 логического
элемента Hi с выхода 2 формирователя управляющего сигнала и с
выхода делителя частоты подается единица (разрешающий
'потенциал), в результате чего появляется разрешающий потенциал на
входе 1 логического элемента И2.
Рис. 7.7
Mil

С помощью клавиатуры экспериментатор набирает заданное
слово, соответствующее нормальному логическому состоянию
испытуемой схемы. С ним необходимо сравнить слово, поступающее
на входы анализатора. Биты набранного слова подводятся ко
входам 1 компаратора слов.
Анализируемое слово подается в форме 16 параллельных
битов на входы прибора (с 0-го по 15-й), которыми служат первые
входы компараторов. Ко вторым входам компараторов
подводится пороговое напряжение. Его значение определяет порог,
различающий логический нуль и логическую единицу, характерные
для испытуемой схемы (в числовом примере, приведенном в
начале параграфа, этот порог 2,4 В). С выходов 16 компараторов
биты слова подаются на входы 2 компаратора слов, где
сравниваются с набранным словом, а также на входы D регистров
памяти (с 0-го по 15-й).
Если слово, поступившее на входы анализатора, не
совпадает со словом, набранным клавиатурой, то каждый новый
тактовый импульс, проходящий через открытый логический элемент
И2 на входы С резисторов памяти, записывает в каждый из них
«свой» бит входного слова (в 16 регистрах памяти фиксируется
слово в параллельной форме) и сдвигает бит, записанный
предыдущим тактовым импульсом в соседнюю ячейку регистра. Такое
положение будет повторяться при каждом новом тактовом
импульсе до тех пор, пока не произойдет совпадение слов,
подведенных ко входам 1 и 2 компаратора слов.
Когда входное слово совпадает с набранным словом, на
выходе компаратора слов появляется импульс. Он запускает
формирователь управляющего сигнала, вырабатывающий стробирующий
импульс, который с выхода 1 формирователя подается на входы
/ логических элементов Из, И4. Это создает возможность
прохождения тактовых импульсов через элемент Из на вход
цифровой схемы регулируемой задержки, а также импульсов с ее
выхода через элемент И4 в делитель частоты.
При выключенной схеме задержки по истечении 15 тактовых
импульсов (с момента совпадения слов) на выходе делителя
частоты (/: 15) появляется сигнал, запирающий логический элемент
Иь а следовательно, и логический элемент И2, в результате чего
прекращается запись чисел в регистры памяти. К этому моменту
в регистрах записано слово, имеющееся в данный момент на
входах прибора (оно расположено в последних от входа ячейках
регистров), и еще 15 слов, записанных 15 тактовыми импульсами,
поступавшими .после момента возникновения импульса на выходе
компаратора слов (момента совпадения слов). Если входное
слово в течение 16 тактов не менялось, то во всех ячейках данного
регистра должен быть записан один и тот же б>ит, а во всей
совокупности регистров — 16 одинаковых слов.
, Запомненные в регистрах слова извлекаются схемой выборки
чисел и передаются через схему преобразования, содержащую
генератор символов, на дисплей. Последний отображает -кадр из
142

16 слеш в виде таблицы битов. Для облегчения восприятия
таблицы последовательности слов (логических состояний) столбцы
группируются в блоки по три бита в строке (если требуется
представление в восьмеричном формате) или по четыре бита в строке
(когда желательно представление в шестнадцатеричном или
двоично-десятичном формате) —см. рис. 7.4. Строки также обычно
разбивают на группы, т. е. делают просветы между группами
строк. Это упрощает считывание битов данной строки.
Рассмотренный режим работы анализатора логических
состояний называют режимом НАЧАЛО. В этом режиме на дисплее
отображается кадр из 16 слов, начинающийся с набранного
слова. Оно представлено верхней строкой таблицы, а
расположенные ниже строки соответствуют словам, записанным в регистрах
после момента совпадения входного и набранного слов.
Во втором режиме анализа, называемом режимом КОНЕЦ,
до момента совпадения входного слова с набранным схема рабо-
тает так же, как и в первом режиме. Когда на выходе
компаратора слов появляется «импульс, формирователь управляющего
сигнала немедленно выдает с выхода 2 сигнал логического нуля,
запирающий логический элемент Иь а следовательно, и логический
элемент И2. Это создает «запрет» для ввода чисел в регистры
памяти. Тогда в первых ячейках регистра оказывается записанным
входное слово, совпавшее с набранным, а в последующих
ячейках— 15 слов, появлявшихся в течение 15 тактов,
предшествовавших моменту совладения входного слова с набранным.
Следовательно, набранное слово завершает последовательность из 16 слов.
Таким образом, при втором режиме работы анализатора
дисплей отображает кадр из 16 слов, заканчивающийся набранным
словом. Подобный режим позволяет исследовать логические
состояния испытуемой системы до момента наступления
ожидаемого события — совпадения входного и набранного слов.
Возможен и третий режим работы анализатора — при
включенной цифровой схеме регулируемой задержки. И в этом
режиме дисплей отображает кадр, состоящий из 16 слов, но первое
слово кадра задержано относительно момента совпадения
входного и набранного слов на число тактов (число слов), которое
задано положениями регуляторов цифровой схемы задержки (см.
рис. 7.7).
До сих пор при описании работы анализатора предполагалось,
что у него табличный дисплей. В равной мере может быть
использована и карта состояний. При этом схема преобразования
содержит два 8-разрядных ЦАП. На первый из них схема
выборки чисел из регистров подает число, которое 'представляет
восемь младших разрядов слова, записанного в регистрах.
Образующееся на выходе первого ЦАП напряжение,
пропорциональное числу, подводится к горизонтально-отклоняющим пластинам
электронно-лучевой трубки. Число, соответствующее восьми
старшим разрядам слова, записанного в регистрах, поступает на
второй ЦАП. Пропорциональное этому числу напряжение подается
143

с выхода второго ЦАП на вертикально отклоняющие плДстины
трубки. Переход от табличного отображения к карте состояний
достигается изменением положения переключателя вида дисплея.
С помощью анализатора логических состояний можно
анализировать ход программы микропроцессорной системы. Если
подключить входы анализатора к выводам адресной шиуы
(например, микропроцессора КР580ИК80А) и применить для
синхронизации ввода слов в анализатор первый тактовый импульс
первого «машинного цикла, то на дисплее вида «карта -состояний»
будет отображен ход выполняемой программе. После обнаружения
нарушения нормального хода программы (неправильного
перехода) для более детального анализа используют табличную
форму отображения информации [1].
При поверхностной оценке описанной процедуры может
показаться, что тестировать микропроцессорную систему анализатором
логических состояний просто. Однако реальная процедура
прослеживания последовательно [Меняющихся состояний сложна и
продолжительна, а для интерпретации результатов анализа
требуется специалист высокой квалификации, хорошо знающий
тестируемую систему. Поэтому логические анализаторы более
эффективны для испытаний обычных цифровых устройств, чем для
контроля и диагностики (особенно глубокой) микропроцессорных
систем. Эти анализаторе применяют преимущественно в
лабораторной практике, реже в производстве и совсем редко в условиях
эксплуатации (см. табл. 2, с. 157).
Анализаторы логических временных диаграмм. Рассмотренные
анализаторы логических состояний позволяют констатировать
факт (а иногда и место) возникновения неисправности в
тестируемой цифровой схеме. Однако после того, как установлено
наличие ошибки, требуется определить ее характер и причину.
Часто ошибки проявляются в виде кратковременных импульсных
помех, неодновременного прихода сигналов, перемежающихся
нарушений синхронизации, неправильных команд. В таких ситуациях
эффективно применение анализатора логических временных
диаграмм, называемого также асинхронным анализатором. Он удобен
при контроле стандартных приборных интерфейсов для
отображения последовательностей, посылаемых по шине управления,
данных, передаваемых через устройства ввода-вывода, сигналов
согласования передачи (§ 3.4).
Так :как при временном анализе приходится исследовать
сигналы и процессы, длительность которых намного меньше
длительности, занимаемой словом данных, то рабочая частота
анализатора логических временных диаграмм должна быть
значительно выше, чем у анализатора логических состояний для тех же
самых полей данных.
У большинства анализаторов логических временных диаграмм
предусмотрена возможность работы в двух основных режимах:
синхронном и асинхронном. Последний режим —
высокоскоростной. Максимальное быстродействие определяется назначением ана-
144

лизатора. Выпускаются приборы, характеризуемые
быстродействием 20, 50, 100 и 200 МГц.
Необходимость высокого быстродействия при тестировании
микропроцессоров и микропроцессорных систем можно ощутить
на примере тестирования микропроцессора типа КР580ИК80А
(или 8080А). Хотя длительность такта составляет 500 не
(частота 2 МГц), но информация состояния, передаваемая по
восьмилинейной шине данных микропроцессора, доступна в течение
малого интервала времени между системными циклами
синхронизации, составляющего всего 50 не. За это время проходит слово
состояния (8 бит) и изменяются логические уровни в двух
линиях синхронизации. Для анализа временной диаграммы,
соответствующей указанным сигналам, интервал в 50 не необходимо
разделить на пять частей, т. е. .получить интервалы по 10 не.
Очевидно, что это возможно лишь тогда, когда частота
дискретизации (быстродействие анализатора) будет не ниже 100 МГц.
Только при таких соотношениях удается зафиксировать
неодновременное™ прихода сигналов. К приведенному примеру можно
добавить и то, что даже у микропроцессоров со сравнительно низким
быстродействием (1—2 МГц) продолжительность хранения
входных или выходных данных не превышает 10 не. Поэтому для
анализа временных соотношений между сигналами микропроцессора
и его периферийных микросхем необходимы анализаторы с
высоким быстродействием.
Важным достоинством анализаторов логических временных
диаграмм, которым не обладают анализаторы логических
состояний, является возможность обнаружения ложных сигналов,
представляющих собой .импульсные помехи малой длительности.
Их действие может нарушить нормальное функционирование
системы, а в синхронном режиме ,их практически невозможно
обнаружить. В ряде анализаторов логических временных диаграмм
предусмотрены специальные триггерные схемы, фиксирующие
ложные имлульсы (это позволит обнаружить их даже при
длительности 5 не). Схема расширяет короткие импульсы почти до
длительности, равной интервалу дискретизации, что гарантирует
регистрацию ложных (импульсов.
Для облегчения анализа временных диаграмм дисплей,
отображающий их, снабжен специальным указателем (курсорам). Он
представляет собой вертикальную прямую линию. Ее можно
перемещать вдоль экрана, устанавливая в характерные точки
диаграммы. С помощью этого курсора удобно определять сдвиг по
оси времени одной точки временной диаграммы относительно
другой. У некоторых анализаторов имеются два таких курсора, что
дает возможность измерять прямым путем (без вычислений)
интервал времени, разделяющий точки, с которым совмещены
курсоры.
Встречаются различные варианты конструкций логических
анализаторов. Одни приборы выпускаются со встроенной
электронно-лучевой трубкой, другие для воспроизведения временных диа-
145

грамм требуют применения
осциллографа или отдельного
блока с электронно-лучевой
трубкой. Имеются логические
анализаторы, позволяющие
отображать данные как в виде
таблиц логических состояний,
так и в виде временных
диаграмм.
Измерительные пробники.
Эти устройства, называемые
также зондами или щупами,
выполняют важные функции
при логическом анализе. Их
конструкции разнообразны.
Одну группу составляют индивидуальные пробники,
используемые как самостоятельные устройства для контроля
логического уровня в одной точке испытуемой схемы. Такие пробники,
называемые логическими пробниками, по своему внешнему
виду напоминают карандаш с наконечником, из которого
выходит металлическая игла (pine. 7.8).
Логический пробник служит для обнаружения и индикации
логического уровня в точке схемы, к которой прижата игла
наконечника. Для индикации уровня используется свечение
наконечника, причем оно тусклое, пока пробник находится вне
испытуемой схемы. Если 'потенциал точки, которой касается игла,
высокий, т. е. логическая единица, то наблюдается яркое свечение
наконечника (как на рис. 7.8). При логическом нуле (низкий
потенциал) свечение отсутствует. В случае «плохого» уровня (значение
потенциала «выше значения, соответствующего верхней границе
интервала логического нуля и ниже значения, обозначающего
нижнее значение интервала логической единицы) свечение
получается тусклым. Пульсирующий потенциал отображается
мерцанием, низкочастотными вспышкам-и.
Логический пробник считают эффективным средством для
обнаружения очень коротких, а также редко повторяющихся
импульсов, которые трудно наблюдать с помощью осциллографа, Он
реагирует на импульсы положительной полярности длительностью
большей или равной 10 не, а при имлульсах отрицательной
полярности сразу прекращается свечение. С помощью логического
пробника удается отыскивать такую неисправность, как обрыв
цени (в этом случае наблюдается тусклое свечение наконечника).
В многоканальных логических анализаторах измерительные
пробники служат для подключения к объекту тестирования.
Возможны различные конструктивные решения. Например, у одних,
анализаторов пробники выведены с .передней панели прибора
каждый индивидуально. Для других анализаторов характерны
переходные колодки, объединяющие зонды в группы, например 8-ка-
нальные переходные колодки с ответвляющимися от них пробни-
146

ками. Встречаются и приборе, у которых входное устройство
представляет собой комплект из четырех колодок: три колодки служат
для подсоединения к 16 каналам данных и двум каналам
признаков, а четвертая содержит пробник, предназначенный для подачи
в прибор синхронизирующих сигналов. Для подключения
пробников иногда используются «крокодильчики», надеваемые на
иглы пробников.
7.3. СИГНАТУРНЫЙ АНАЛИЗ
Вводные замечания. Как уже отмечалось диагностика
микропроцессорных систем и других цифровых устройств, содержащих
микропроцессоры, представляет сложную задачу. Анализаторы
логических состояний, рассмотренные в предыдущем параграфе,
решают ее лишь частично. Они помогают прослеживать алгоритм
работы микропроцессора по последовательности его машинных
состояний. После того, как специалист, проводящий диагностику,
обнаружит первое неправильное состояние, он использует
традиционные средства — осциллограф, вольтметр и т. п. Однако
процедура отыскания и выяснения причины неисправности
оказывается весьма продолжительной, и для ее выполнения требуются
специалисты высокой квалификации. Не исключены ситуации,
когда с помощью традиционных измерительных и испытательных
приборов вообще не удается установить причину отказа
(локализовать его), обусловленного микропроцессором или узлами
схемы, связанными с ним через интерфейсы.
Одним из наиболее эффективных путей поиска неисправностей
в устройствах, содержащих микропроцессоры, является
применение сигнатурного анализа, методика проведения которого и
соответствующие приборы, называемые сигнатурными
анализаторами, разработаны сравнительно недавно [8, 26].
Что такое сигнатура? Название сигнатурный анализ
происходит от слова сигнатура. Это слово знакомо не всем. Чтобы
объяснить его — заглянем в словари. Словарный поиск приводит к
заключению, что слово сигнатура имеет несколько значений. Так,
краткий словарь иностранных слов сообщает что сигнатура (от
лат. signare — назначать, указывать) —копия рецепта врача,
прилагаемая :к лекарству, изготовленному >в аптеке. Подобная
информация, очевидно, не проливает света на интересующий нас
вопрос. В полиграфии — это число (порядковый номер) внизу
первой и третьей страниц каждого печатного листа книги для
руководства при брошюровочных работах. В картографии сигнатурами
называются условные знаки для изображения различных
элементов географического ландшафта. Если к этому добавить, что в
музыке, точнее в нотном письме, под сигнатурами понимают
ключевые знаки для обозначения созвучий, а также учесть
приведенные в «Большом англо-русском словаре» такие значения,
как признак, отличительная черта, то мы вплотную подойдем к
определению слова сигнатура применительно к
рассматриваемому методу контроля микропроцессоров и других цифровых схем.
147

Итак, сигнатура, используемая при отыскании
неисправностей цифровых устройств,—это число, состоящее из
четырех знаков (цифр или букв) шестнадцатеричного
кода и условно, но однозначно характеризующее определенный
узел контролируемого устройства.
Общее описание сущности анализа. Сигнатурный анализ
сводится к сопоставлению реальной сигнатуры конкретного узла,
отображаемой дисплеем анализатора, с образцовой сигнатурой этого
узла, указанной на схеме (рис. 7.9) или в таблице руководства
по обслуживанию испытуемого устройства [8]. Несовпадение
сигнатур свидетельствует о неисправности, ненормальном
функционировании устройства. Например, если на дисплее анализатора
высвечена сигнатура F865, а на схеме в точке, соответствующей
выходу данного узла (к которой подключен анализатор),
записана сигнатура А963, то наличие неисправности очевидно. Для
выяснения причины появления неправильной сигнатуры прибор
подключают с помощью пробника (щупа, зонда) к различным
точкам схемы с обозначенными для них сигнатурами и фиксируют
совпадения и несовоадения в каждой точке. Таким способом
удается локализовать неисправный узел: на его выходе
фактическая и образцовая сигнатуры различны, в то время как на
выходе предшествующего узла, соединенного со входом данного
узла, фактическая и образцовая сигнатуры одинаковы.
Процедура сигнатурного анализа внешне схожа с процедурой
обнаружения неисправностей в аналоговых устройствах. На
принципиальных схемах последних в характерных точках указаны
эпюры напряжений сигналов и числовые значения напряжений.
Сними сопоставляют осциллограммы, наблюдаемые на экране
электронно-лучевого осциллографа, а также результаты измерения
напряжений электронным вольтметром, и в итоге сопоставления
делают заключение о нормальной работе или неисправности
испытуемого устройства.
Рис. 7.9
146

Для программируемых цифровых устройств система контроля,,
основанная на сопоставлении осциллограмм, к сожалению, не
может быть использована, поскольку все двоичные
последовательности на экране осциллографа практически неразличимы. Тем
более она неосуществима по отношению к устройствам, содержащим
микропроцессоры, по той причине, что нет однозначного
соответствия между характеристиками устройства и его конкретными
узлами. Поэтому для подобных устройств сигнатурный анализ
является способом контроля и диагностики, эффективность которого
трудно переоценить.
Принцип формирования сигнатуры. Для проведения
сигнатурного анализа цифровых систем с микропроцессорами необходим
испытательный сигнал, представляющий собой двоичную
последовательность, т. е. последовательность коротких прямоугольных:
импульсов, амплитуды которых могут принимать только два,
резко отличающихся одно от другого значения, записываемые в виде
битов 0 и 1.
Последовательность нулей и единиц, называемую данными,
вырабатывает по специальной программе микропроцессор,
расположенный внутри испытуемого прибора (устройства). Из этой
последовательности формируется испытательный сигнал,
называемый тест-последовательностью. Она имеет определенную
длину, которая зависит от общего числа битов, заключенных в
последовательности. Так как биту соответствует импульс строго
фиксированной длительности, то требуемую длину
последовательности устанавливают с помощью стробирующего импульса
(временных ворот), варьируя его длительность.
Принцип получения сигнатуры из тест-последовательности с
по,мощью сигнатурного анализатора поясняет рис. 7.10. Сигнатура?
формируется в схеме (аналогичной приведенной в [8]), которая
содержит Ш-разр'Ядный сдвигающий регистр (16 триггеров),
четыре последовательно включенных сумматора по модулю 2 и
цепи обратной связи, соединяющие вторые (нижние по схеме)
входы первого, второго, третьего и четвертого сум/маторов
(нумерация— справа налево) с выходами седьмого, девятого,
двенадцатого и шестнадцатого триггеров соответственно. У сдвигающего
регистра два входа: через основной вход, обозначенный буквой D
(от англ. Data — данные), в регистр вводятся биты двоичной
последовательности; на второй вход, который отмечен буквой С (от
англ. clock — тактирование), поступают тактовые
(синхронизирующие) импульсы, продвигающие биты по регистру.
Первый вход первого сумматора по модулю 2 служит входом
схеме, на который подается двоичная тест-последовательность.
Она .может быть любой длины, но в конце цикла обработки
анализируется только шестнадцатибитовое число, зафиксированное в
регистре. Это число, выраженное в шестнадцатеричном коде, и
представляет сигнатуру данной тест-последовательности. Так как
число знаков сигнатуры намного .меньше числа бит тест-последо-
149

Рис. 7.10
вательнасти, то говорят, что сигнатурный анализатор
осуществляет «сжатие» информации.
Следует подчеркнуть, что шестнадцатеричный код,
применяемый в сигнатурных анализаторах, частично
видоизменен по сравнению с обычным кодом 0123456789ABCDEF и
записывается так: 0123456789ACFHPU. Легко заметить, что
изменение коснулось только буквенной части: все буквы, кроме А,
либо заменены другими, либо расположены -в ином порядке. В
«сигнатурном» шестнадцатеричном коде буквы С и F соответствуют
числам 11 « 12 (десятичной системы счисления), а числа 13, 14 и
15 обозначены буквами Н, Р и U. Такой выбор знаков шестнадца-
?50

теричного кода связан с применением индикаторов,
отображающих цифру или букву в виде набора отрезков линий —
сегментов. Наибольшее число сегментов—семь, и .поэтому эти
индикаторы называют семисегментны-ми. Видоизмененный код облегчает
считывание сигнатуры, позволяет избежать ошибок. Если бы
использовались буквенные знаки обычного кода, то при
отображении их семисегментными индикаторами трудно было бы
различать букву В и цифру 8 (ом. сигнатуру на дисплее рис. 7.1©) >
букву D ,и цифру 0 и т. д.
Формируется сигнатура в анализаторе следующим образам.
На вход схемы, изображенной на рис. 7.10, поступает двоичная
тест-последовательность определенной длины, например 20 бит
(рис. 7.11). Ее биты передаются на вход D регистра через
цепочку сумматоров по модулю 2. В первом сумматоре каждый бит
тест-последовательности суммируется по модулю 2 с битом 7-го
разряда регистра, выходной бит первого сумматора суммируется
по модулю 2 во втором сумматоре с битом 9-го разряда регистра
и т. д. При этом имеет место следующая закономерность: если
на вторых входах всех четырех сумматоров бит 0 или у четного
числа сумматоров бит 1, то бит, поданный на вход схемы,
передается на вход D регистра без изменения; когда бит 1 имеется
на вторых входах нечетного числа сумматоров, то на входе D
регистра (получается бит, противоположный входному биту
(напомним, что на выходе сумматора по модулю 2 получается
^когда на его входах разные биты; при одинаковых битах на обоих
входах 'выходной бит 0).
До начала работы все триггеры регистра находятся в
состоянии 0. Первый тактовый (синхронизирующий) импульс,
поступающий на вход С регистра, вводит в триггер Т\ первый бит
последовательности, подаваемой на вход D. Второй тактовый импульс
сдвигает первый бит на одну ячейку влево — из триггера Т\ в
триггер Т2 и вводит в триггер Т\ второй бит последовательности.
Каждый очередной тактовый импульс сдвигает содержимое регистра
влево еще на одну ячейку и вводит в триггер Т\ очередной биг
последовательности. Эта процедура заканчивается тогда, когда в
триггер Т\ регистра вой|дет 20-й (длярассматриваемого примера) бит
тест-последовательности, прошедший через цепочку сумматоров ш>
модулю 2. Оставшийся в регистре код, представленный в шестнадца-
теричном формате, дает сигнатуру обработанной двоичной после-
Рис. 7.11
15В

довательности (в нашем примере F86H). Ее отображает дисплей
сигнатурного анализатора (см.-рис. 7.10).
Достоверность сигнатурного анализа. Как бы ни был
привлекателен метод контроля и диагностики, судить о его применимости
можно только после оценки достоверности. По отношению к
сигнатурному анализу в этом плане необходимо получить ответы на
следующие вопросы: может ли фактическая сигнатура точно
соответствовать образцовой, если в тестнпоследовательности
появились ошибки? Позволяет ли сигнатурный анализ обнаружить
ошибку в 1 бит? В какой мере зависит достоверность анализа от
длины тест-последовательности и какова вероятность обнаружения
ошибки в ней сигнатурным анализатором?
Чтобы ответить на поставленные вопросы, цроведам
следующие рассуждения.
Допустим, что исходная тест-последовательность имеет вид,
изображенный на рис. 7.11, т. е. может быть записана в виде
11111101000011101010. Такая последовательность подается в
сигнатурный анализатор с выхода исправного узла. Она
представляет собой неискаженную последовательность. Будем обозначать,
как это принято, безошибочно переданные биты нулем, а биты
ошибки — единицей. Так как в нашем примере все биты переданы
без ошибок, то последовательность ошибок будет состоять из
одних нулей. Ее сигнатура выражается четырьмя нулями.
Теперь цредположим, что четвертый (от левого конца) бит
передан с ошибкой. Тогда интересующие нас три
последовательности будут иметь вид:
искаженная 11101101000011101010
исходная 11111101000011101010
ошибок 00010000000000000000.
Видно, что искаженную последовательность можно
интерпретировать как сумму по модулю 2 исходной последовательности и
последовательности ошибок.
Несложно показать, что сигнатура искаженной
последовательности (в рассмотренном примере FAU8) представляет собой
результат поразрядного суммирования по модулю 2 сигнатуры
исходной последовательности (F86H) с сигнатурой
последовательности ошибок (0295). Последняя при отсутствии ошибок
получается нулевой. Следовательно, ошибка обнаруживается в том
случае, если при ее наличии сигнатура искаженной
последовательности отличается от сигнатуры исходной последовательности,^ е.
когда сигнатура последовательности ошибок состоит не из одних
нулей.
Выясним, может ли получаться нулевая сигнатура при
наличии единицы в последовательности ошибок.
Если в сигнатурном анализаторе применен 16-разрядный
сдвигающий регистр, то сигнатура не может быть нулевой для после-
152

довательности ошибок длиной 16 или менее бит, содержащей хотя
бы одну единицу. В этом легко убедиться,^ рассмотрев работу
сдвигающего регистра. Действительно, первая единица, вошедшая
в регистр, не успевает выйти из него за 16 тактов формирования
сигнатуры, а также не может обратиться в нуль вследствие
суммирования с битом, поступающим на сумматор через цепь
обратной связи. Следовательно, в последовательности длиной меньше
или равной 16 бит все ошибки могут быть выявлены.
При длине последовательности ошибок 17 бит только в одной
последовательности из всех возможных (их общее число 217—1)
не будет обнаружена ошибка: в той последовательности, у
которой первый (слева), восьмой, десятый и тринадцатый биты —
единицы. Это объясняется тем, что единицы восьмого, десятого и
тринадцатого битов превращаются в нуль после суммирования с
единичным битом, поступающим в сумматор из соответствующей
цепи обратной связи, а единица первого бита «выталкивается» и&
регистра при поступлении на его вход семнадцатого (последнего)
бита последовательности ошибок. Следовательно, можно
утверждать, что при 16-разрядном регистре для любой длины
последовательности вероятность пропуска ошибки всегда меньше, чем
1/(216—1), т. е. меньше 0,00001626. Иначе говоря, достоверность
обнаружения ошибки более 1—0,00001526=0,9999847 или выше
99,998%.
Изложенное позволяет сделать следующие выводы:
вероятность того, что у двух одинаковых двоичных
последовательностей будут одинаковые сигнатуры, равна 1;
вероятность получения одинаковых сигнатур для двух
двоичных последовательностей, отличающихся друг от друга только
одним битом, равна 0;
вероятность получения одинаковых сигнатур для двух
двоичных последовательностей, одна из которых содержит несколько
ошибочных бит относительно другой, не превышает 0,00001526.
Рис. 7.12
15&

Таким образам, контроль, основанный на сигнатурном
анализе, характеризуется высокой достоверностью.
Структурная схема сигнатурного анализатора. В
изображенной на рис. 7.12 схеме анализатора выполняются три основные
операции: формирование тест-последовательности, формирование
сигнатуры и отображение последней.
Тест-последовательность формируется следующим образом. Из
испытуемого устройства в анализатор поступают управляющие
сигналы. Они передаются через согласующую (переходную)
колодку трехканального пробника. Используются сигналы трех
видов: тактовые (синхронизирующие) импульсы (рис. 7.13,а),
сигнал запуска «Пуск» (рис. 7.13,6) и сигнал останова • «Стой»
^рис 7.13,в). Фронт сигнала «Пуск» подготавливает сдвигающий
регистр формирователя двоичного кода сигнатуры к приему тест-
сюследовательности и задает фронт временных ворот, а фронт
сигнала «Стоп»—,их срез (рис. 7.13,г). Таким образом, интервал
времени, разделяющий фронты сигналов «Пуск» и «Стоп»,
определяет продолжительность временных ворот.
Полученный стробирующий импульс (временные ворота) ,и
тактовые им/пульсы подаются на формирователь
тест-последовательности, ,в который через пробник данных также .поступает
последовательность данных из .испытуемого устройства.
В моменты совладения фронтов тактовых импульсов (рис.
7.13,а) с битами данных (рис. 7.13,5) образуются биты
тест-последовательности (рис. 7.13,е), причем «а ее структуру не
влияют никакие изменения данных в интервалах между фронтами
тактовых импульсов. Первый бит тест-последовательности
возникает при первом (совпадении фронта тактового импульса с
данными после отпирания временных ворот (рис. 7.13,а—е), а ее по-
154
Рис. 7.13

следний бит (появляется в момент последнего совпадения перед
запиранием ворот (рис. 7.13,а—е). Из изложенного следует, что
длину тест^лоследовательности (число бит в ней) можно
регулировать, изменяя интервал времени между сигналами «Пуск» и
«Стоп». Существенно заметить, что моменты появления фронтов
этих сигналов можно задавать с помощью органов управления,,
расположенных на передней панели анализатора.
Тактовые импульсы, вводимые в сигнатурный анализатор из
испытуемого устройства, синхронизируют работу всех узлов
анализатора. Особо следует подчеркнуть, что эти имшульсы служат
тактовыми и для сдвигающего регистра (они подаются «а вход С
формирователя двоичного кода сигнатуры).
Образованная тест-последовательность подводится ко входу D
формирователя двоичного кода сигнатуры, а на вход С этого
формирователя поступают тактовые импульсы через
формирователь временных ворот (см. рис. 7.12). Процедура получения
сигнатуры уже была рассмотрена (см. рис. 7.10).
Сформированное двоичное число, определяющее сигнатуру,
передается в два блока памяти. Блок памяти 1 хранит число в
течение цикла измерения. Оно снимается (без нарушения
информации) на отображающее устройство через дешифратор,
преобразующий двоичное 16-разрядное число в четырехзначный шест-
надцатеричный код — сигнатуру. В блоке памяти 2—2'
хранятся результаты формирования сигнатур, полученные за два цикла
измерения, следующие один за другим. Числа, соответствующие
двум сигнатурам, .поступают на два входа компаратора,
осуществляющего сравнение чисел. При идентичных сигнатурах в
подблоках 2 и 2' реакция компаратора отсутствует. Если сигнатуры
не совпадают, то светится надпись «нестабильная сигнатура». Это
дает возможность обнаружить случайные сбои в работе
испытуемого устройства.
Предусмотрен также режим однократного измерения, при
котором сигнатура формируется за вр^мя действия одного стро-
бирующего импульса (временных ворот). Это достигается с
помощью схемы однократного измерения. Чтобы повторить
процедуру формирования, нужно вручную сбросить показание,
отображаемое дисплеем.
В анализаторе содержится внутренний генератор,
вырабатывающий сигналы, необходимые для самопроверки нормального
функционирования анализатора. Как видно из рис. 7.12, на
выходе генератора получаются четыре сигнала: первые три
соответствуют сигналам, подаваемым на входы трехканального
пробника, а четвертый —на вход пробника данных. Этот же
генератор используется в качестве источника тест-сигнала для
испытания относительно простых (по логике работы) цифровых схем.
Методика контроля и диагностики приборов, содержащих
микропроцессор. Возможность применения сигнатурного анализа для
контроля и диагностики цифрового устройства создается на
стадии проектирования этого устройства. Приборы, схема и конст-
155

рукция которых допускают подключение сигнатурного
анализатора, называют сервисопригодными (это общее .название устройств,
в которых приняты конструктивные меры, упрощающие
обслуживание /в процессе эксплуатации). По отношению к системам с
микропроцессорами сервиеопригодность требует так строить схему,
чтобы на этапе сигнатурного анализа можно было осуществить
следующее: выделить ядро системы; разорвать цепь местной
обратной связи; привести в определенное начальное состояние
контролируемые схемы; располагать стабильными
тест-последовательностями на интервале, равном длительности временных ворот;
иметь документацию, указывающую образцовые сигнатуры для
конкретных точек и сечений схемы.
Ядром микропроцессорной системы называют сочетание
микропроцессора и генератора тактовых сигналов. Для проверки
ядра необходимо обособить, выделить его и разорвать цепи
обратных связей, идущих к ядру. Такими цепями являются шина дан-
дых и канал прерывания. Затем выясняют, имеются ли
неисправности в ядре. Если анализатор диагностирует неисправность, то
.локализуют ее .источник, используя сигнатурную карту.
Возможны два режима сигнатурного анализа
'микропроцессорных систем: автоматический и программно-управляемый.
Используя первый режим, создают свободный ритм работы
микропроцессора, при котором (процессор циклически проходит все поле
адресов. Это достигается в результате подачи на отключенные входы
шины данных команды INCREMENT (Инкремент), которая
вызывает приращение на единицу содержимого счетчика команд.
После этого микродроцеосор вновь обращается ко входу шины
данных, и поскольку сохраняется та же команда, то снова
увеличивается на единицу число в счетчике команд и т. д. Сигналы
пуска и останова получают от адресной шины, используя линию
старшего разряда адреса (Лis), а тактовыми сигналами служат
тактовые импульсы на входе микропроцессора. Их функцию
могут выполнять также сигналы ЧТЕНИЕ или СИНХР
микропроцессора.
В программно-управляющем режиме сигнатурного анализа
используется стимулирующая программа, хранимая в ПЗУ (в
микропроцессорной системе стимул — программа, управляющая
работой остальной части системы). Согласно этой программе
генерируются сигналы пуска и останова, а также записываются
повторяющиеся потоки информации через шину данных для контроля
узлов, соединенных с микропроцессором. Хотя осуществление
программно-управляемого режима, в отличие от автоматического,
требует использования примерно одной двадцатой части объема
ПЗУ, этот режим весьма эффективен, так как дает возможность
шире вести контроль, охватить большую часть схем испытуемого
устройства. Сочетание обоих режимов позволяет сделать контроль
еще более полным.
Приведение контролируемых схем .в начальное состояние —
очень важная операция (ее часто называют инициализа-
156

цией — от англ. initialization — установка в начальное
состояние). Если она не выполнена, то нельзя гарантировать получение
одинаковых сигнатур при повторных испытаниях одного и того
же исправного изделия.
Полная процедура контроля и диагностики микропроцессорной
системы предполагает проведение большого числа разнообразных
операций. Она изложена в [17]. Там же содержится общая схема
алгоритма проверки системы.
Расширение применимости сигнатурного анализа.
Внимательное рассмотрение табл. 2, дающей представление о
применимости логических и сигнатурных анализаторов [42], приводит к
заключению, что, хотя и полезны оба вида приборов, чаще
встречаются диагностические ситуации, ,в которых наиболее эффективен
сигнатурный анализ. (В таблице приняты следующие
обозначения: знак плюс — возможно применение; знак минус — не
применяется; кружок — применение наиболее эффективно.)
Однако, как следует из описания структурной схемы и
работы сигнатурного анализатора, для осуществления сигнатурного
анализа необходимо предусматривать возможность его
использования еще на стадии проектирования устройства, содержащего
макропроцессор. Иначе говоря, сигнатурный анализ применим для
проверки и диагностики устройств, которые заранее к нему
подготовлены и в аппаратурном, и в программном плане. Это,
естественно, вносит осложнения в решение задачи контроля.
Некоторые устройства «вообще не удается приспособить к сигнатурному
анализу из-за малой емкости памяти, отводимой для программы,
и ограниченного количества узлов аппаратуры. К тому же
следует иметь в виду, что многие изделия с микропроцессорами, для
отыскания неисправностей в которых эффективен сигнатурный
анализ, были разработаны и изготовлены еще до того, как он
получил распространение.
Преодолению указанных трудностей, расширению круга
объектов, для которых возможно применение сигнатурного анализа, в
определенной мере способствуют приборы, разработанные в
последние годы.
Таблица 2

Анализатор

Логический

Сигнатурный
Диагностируемые
устройства
обычные
цифровые
•
•

микропроцессорные
системы
+
•
Уровень диагностики
прибор
•
+
узел
+
•

компонент
—
•
Условия применения

лаборатория
•
. J+

производство
+
•

эксплуатация
—
•
157

Один из таких приборов — комбинированный логический
анализатор. В нем объединены методы анализа логических состояний
и сигнатурного анализа. Это позволило, с одной стороны,
ускорить процедуру анализа, а с другой — исключить необходимость
в схемных дополнениях, специально предусматриваемых для
контроля и диагностики эксплуатируемого прибора [37].
Второй дрибор— это испытатель микропроцессоров,
называемый микропроцессорным тестером и представляющий собой
специальный генератор тест-последовательностей. В сочетании с
сигнатурным анализатором он позволяет проводить сигнатурный
анализ ряда устройств, в конструкции которых заранее не
предусматривалась такая возможность [32]. Испытатель
микропроцессоров вырабатывает тест-последовательность, состоящую из нулей
и единиц, которая подается на контролируемую плату. Из
полученной выходной последовательности битов образуется сигнатура.
Особенность подобных микропроцессорных тестеров
заключается в том, что каждая модель прибора рассчитана на работу с
микропроцессором определенного типа. Для осуществления
контроля устройства, содержащего микропроцессор, последний
снимают с испытуемой платы и устанавливают в разъем, имеющийся
на передней панели тестера, а ленточный кабель, выходящий из
прибора, подключают к плате, точнее к гнезду, из которого был
извлечен микропроцессор. Во внутренней памяти
микропроцессорного тестера хранится набор тестовых программ, дающих
возможность проверить микропроцессор контролируемого устройства
(его систему команд, прерывания), ОЗУ, ПЗУ и т. п.
Появился новый сигнатурный анализатор, с помощью
которого можно диагностировать системы с микропроцессорами
различных типов, устанавливая соответствующие сменные модули.
Новый вариант сигнатурного анализатора — прибор, называемый
сигнатурным верификатором или сигнатурным конт-
рольником (верификация — от англ. verification — поверка,
проверка, контроль — установление достоверности опытным путем,
сравнением с образцом). Он автоматически сопоставляет «ikoht-
ролируемук» сигнатуру с образцовой. Для хранения набора
образцовых сигнатур в сигнатурном верификаторе используется
ППЗУ. Если реальная сигнатура в контролируемой точке не
совпадает с образцовой сигнатурой данной точки, то прибор выдает
сигнал. Таким образом, отпадает необходимость сопоставления
полученной сигнатуры с образцовой, содержащейся в таблице или
указанной на схеме контролируемого (диагностируемого)
устройства. Проводя контроль, оператор вставляет в сигнатурный
верификатор модуль ППЗУ, соответствующий испытуемому
микропроцессору, и переходит от одной контролируемой точки схемы к
другой в определенном порядке [49].
Для осуществления эффективной автодиагностики
микропроцессорных измерительных приборов в них предусматривают
встроенный сигнатурный анализатор, определяющий по программе
перед измерениями сигнатуры в «контрольных» точках.
158

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бедрековский М. А., Кручинкин Н. С, Подолян В. А. Микропроцессоры.—
М.: Радио и связь, 1981. —72 с.
2 Березенко Л. И., Корягин Л. Н., Назарьян А. Р. Микропроцессорные
комплекты повышенного быстродействия. — М.: Радио и связь, 1981.—168 с.
3. Балакай В. Г., Крюк И. П., Лукьянов Л. М. Интегральные схемы АЦП а
ЦАП. —М.: Энергия, 1978. —256 с.
4. Балашов Е. П., Пузанков Д. В. Микропроцессоры и микропроцессорные
системы. — М.: Радио и связь, 1981. — 328 с."
5. Бахтиаров Г. Д., Малинин В. В., Школин В. П. Аналого-цифровые
преобразователи.— М.: Сов. радио, 1980. — 280 с.
<6. Бериан Б. Программирование на языке ассемблера системы IBM/370.—
М.: Мир, 1980. —640 с.
7. Гейратс В., Толлмен Д. Осциллограф с программным управлением. —
Электроника, 1980, № 6, с. 27—41.
S. Гордон Д., Надич Г. Локализация неисправностей в микропроцессорных
системах при помощи шестнадцатиричных ключевых кодов. — Электроника,
1977, № 5, с. 23—33.
9. ГОСТ 26.003—80. Система интерфейса для измерительных устройств с байт-
последовательным, бит-параллельным обменом информацией.
10. Гришин Ю. П., Казаринов Ю. М., Катиков В. М. Микропроцессоры в
радиотехнических приборах. — М.: Радио и связь, Г982. -—280 с.
Л- Гудрич Д. Л. Очень эффективная программа умножения и деления для
микропроцессора 8080. — Электроника, 1982, № 4, с. 74, 75.
12. Дагостино Т., Тернер М. Р. ЮО^МГц осциллограф с реализацией цифрового
запоминания сигналов. — Электроника, 1980, № 11, с. 71—80.
13. ДеСантис Г. Д. Цифровой мультиметр автономного и системного
назначения. — Электроника, 1980, № 24, с. 4 Г—49.
14. Джефферс Дж. Введение в системный анализ: применение в экологии.—
М.: Мир, 1981. —266 с.
15. Интерфейс для программируемых приборов в системах автоматизации экс-
перимента/П. И. Гореликов, А. Н. Домарацкий, С. Н. Домарацкий и др.;
Под ред. Л. С. Ситников а.—М.: Наука, 1981. — 262 с.
16. Каган Б. М., Сташин В. В. Микропроцессоры в цифровых системах.—М.:
Энергия, 1979. — 192 с.
17. Кирьянов К. Г., Соловейчик Э. Б. К проектированию РЭА,
ориентированной на диагностику сигнатурным анализом. — Техника средств связи. Сер.
Радиоиамерительная техника, 1980, выи. 1, с. 9—80.
18. Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем: Пер. с англ./Под
ред. С. Д. Пашкеева.— М.: Мир, 1980. —569 с.
19. Крузен Г. Р., Биллингхерст Е. М. Микропроцессор и программное
управление для универсального ЦВ. — Электроника, 1978, № 12, с. 52—61.
20. Лильят А. Архитектура малых вычислительных систем: Пер. с англ./Под
ред. К. В. Песелева. —М.: Мир, 1981.-186 с.
21. Мейер Л. Программируемый мультиметр.—Электроника, 1980, № 8, с. 26—35.
22. Микропроцессорные комплекты интегральных схем: Состав и структура:
Справочник/В. С. Борисов, А. А. Васенков, Б. М. Малашевич и др.; Под
ред. А. А. Васенкова, В. А. Шахнова. — М.: Радио и связь, 1982. — 192 с.
23. Микро-ЭВМ/Под ред. А. Дирксена: Пер. с англ./Под ред. В. В. Сташин а. —
М.: Энергоиздат, 19812.—328 с.
24. Мирский Г. Я. Радиоэлектронные измерения. — М.: Энергия, 1975.
25. Науман Г., Майлинг В., Щербина А. Стандартные интерфейсы для
измерительной техники: Пер. с нем./Под ред. А. С. Бондаревского. — М.: Мир,
1982. —304 с.
26. Нейл М., Гуднер Р. Учет требований ремонта при проектировании
микропроцессорных систем. — Электроника, 1979, № 5, с. 40—49.
27. Остен П., Уотри У., Карин М. Осциллограф с программным управлением. —
Электроника, 1980, № 6, с. 27—41.
159

28. Пайлер Дж., Гросси Р. БИС для сопряжения приборов со стандартным
интерфейсом.— Электроника, 1979, № 9, с. 63—71.
29. Пинн К. Внутрисхемные испытания с применением сигнатурного анализа.—
Электроника, 1979, № М, с. 64—70.
30. Подключение аналого-цифрового преобразователя к микропроцессору.*-»
Экспресс-информация. Приборы и элементы автоматики и вычислительной,
техники, 1982, вып. 25, с. 7—13.
31. Прангишвили И. В. Микропроцессоры и микро-ЭВМ. — М.: Энергия, 1979.
32. Родес-Бурке Р. Применение сигнатурного анализа для ранее
разработанных изделий на основе микропроцессора. — Электроника, 1981, № 4»
с. 40—49.
33. Сизмур М., Бруэртон Д. Измеритель уровня высокочастотных сигналов с
компенсацией собственных шумов. — Электроника, 1981, № 23, с. 56—63.
34. Скрупски С. Е. Причины и способы тестирования микропроцессоров
потребителями.— Электроника, 1978, № 5, с. 25—36.
35. Соловейчик И. Е. Дисплеи в системах с ЭВМ. — М.: Сов. радио, 1979.
36. Соучек Б. Микропроцессоры и микро-ЭВМ: Пер. с англ./Под ред. А. И.
Петренко.— М.: Сов. радио, 1979. — 520 с.
37. Спектор И. Комбинированный логический анализатор. — Электроника, 1978,
№ 12, с. 62—68.
38. Тейлор Д. Р. Заказная ИС для ручного мультиметра, обеспечивающая
измерение частоты. — Электроника, 1982, № 9, с. 38—39.
39. Тротье Л., Матик Б. Оптимизация управления ЭЛТ с помощью
прозрачного ЗУ. — Электроника, 1979, № 14, с. 48—52.
40. Уильяме Д. Линейный 20-разрядный интегрирующий АЦП. — Электроника,
1980, № 24, с. 55—62.
41. Фарнбах В. Поиск неисправностей в цифровых системах с помощью
логических анализаторов. — Электроника, 1975, № 10, с. 49-—57.
42. Фатеев Б. П., Кирьянов К. Т., Соловейчик Э. Б. Методы диагностики
современной радиоэлектронной аппаратуры. Сигнатурный анализ. — Техника
средств связи. Сер. Радиоизмерительная техника, 1980, вып. 1, с. 1—8.
43. Фредриксен Т. М. Аналого-цифровой К/МОП-преобразователь для работы
с микропроцессорами. — Электроника, '1981, № 6, с. 67—7в.
44. Фихтер А. Программа микрокомпьютера 8080 для деления 32-разрядных
чисел на 16-разрядные. — Электроника, 1980, № 7, с. 77—79.
45. Хазанов Б. И. Интерфейсы измерительных систем. — М.: Энергия, 19179.—
46. Хилбурн Дж., Джулич П. Микро-ЭВМ и микропроцессоры: Пер. с англ./
Под ред. С. Д. Пашкеева. — М.: Мир, 1979. — 464 с.
47. Шерр С. Электронные дисплеи: Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. — 623 с.
48. Щеголева Л. И., Давыдов А. Ф. Основы вычислительной техники и
программирования.— Л. Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1981. — 256 с.
49. Камерфорд Р. Внедрение автоматизации в техническое обслуживание
сложных систем. — Электроника, 1982, т. 55, № 7, с. 26—44.
50. Lenk J. D. Handbook of practical microcomputer troubleshooting. — Reston
Publishing Company, Inc., Englewood Cliffs. Prentice-Hall, 1979. — 389 p.
51. Tocci R. I., Laskowski L. P. Microprocessors and microcomputers. Hardware
and Software. — Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1979.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Глава первая. Введение в микропроцессорную технику .... 5
1.1. Сначала немного об ЭВМ и ее работе 5
1.2. Что такое бит слово, байт? 9
1.3. Микропроцессор, микропроцессорный комплект, микропроцессорная
система 9
1.4. Характеристики микропроцессоров 11
1.5. Архитектура микропроцессора 12
1.6. Микропроцессорная система 20
1.7. Управление работой микропроцессорной системы 26
1.8. Типовые команды 30
1.9 Программное обеспечение 32
Глава вторая. Общие вопросы применения микропроцессоров в
измерительных приборах 43
2.1. Функции, выполняемые микропроцессорами в приборах .... 43
2.2. Улучшение метрологических характеристик приборов 49
2.3. Когда целесообразно применять микропроцессоры? 54
2.4. Что осложняет и ограничивает использование микропроцессоров в
средствах измерения? 55
Глава третья. Интерфейсы для измерительных систем .... 59
3.1. Вводные замечания 59
3.2. Агрегатный принцип построения измерительных систем .... 59
3.3. Классификация интерфейсов 61
3.4. Цифровой интерфейс МЭК 62
р.5. Роль микропроцессора в системе с интерфейсом 71
Глава четвертая. Цифровые частотомеры 72
4.1. Вводные замечания 72
4.2. Измерение периода сигнала методом дискретного счета .... 73
4.3. Измерение частоты методом дискретного счета 78
4.4. Микропроцессорные цифровые частотомеры 83
Глава пятая. Цифровые вольтметры и мультиметры 91
5.1. Общие сведения 91
5.2. Сопряжение АЦП с микропроцессором 94
5 3. Микропроцессорный цифровой вольтметр 06
5.4. Второе рождение время-импульсного вольтметра 107
5.5. Программируемые мультиметры 112
Глава шестая. Электронные осциллографы 113
6.1. Коротко об осциллографах вообще 113
6.2. Новые возможности электронных осциллографов, создаваемые
микропроцессорами 116
6.3. Варианты построения микропроцессорных осциллографов . . . . 118
6.4. Цифровые запоминающие осциллографы 118
6.5. Обычный аналоговый осциллограф плюс микропроцессорная система 120
6.6. Осциллограф с программным управлением 125
Глава седьмая. Методы тестирования микропроцессорных систем
измерительных приборов 134
7.1. Специфика контроля и диагностики 134
7.2. Логический анализ 136
7.3. Сигнатурный анализ 147
Список литературы 159

35 к.