Цифровые измерительные устройства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова» Бийский технологический институт (филиал) Е.В. Сыпин, Е.С. Повернов, Е.В. Берестова, О.Ю. Якушева ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА Курс лекций Автор 1 Сыпин Е.В. Автор 2 Повернов Е.С. Автор 3 Берестова Е.В. Автор 4 Якушева О. Ю. Нормоконтроллер каф.МСИА Председатель МКФ ИТАУ Галенко Ю.А. Зав.библиотекой Волкова Л. В. Редактор Барнаул 2010 УДК 681.325.5 (076.5) Сыпин, Е.В. Цифровые измерительные устройства: курс лекций / Е.В. Сыпин, Е.С. Повернов, Е.В. Берестова, О.Ю. Якушева. Алт. гос. тех. ун-т, БТИ.  Бийск. Изд-во Алт. гос. тех. ун-та, 2010.  48 с. В курсе лекций приведена полная информация необходимая студенту специальности 200601 «Информационно-измерительная техника и технологии» для успешного освоения курса дисциплины «Цифровые измерительные устройства». Курс разбит на 5 законченных блоков: вводная часть, в которой рассматриваются основные достоинства цифровых измерительных устройств (ЦИУ); методы измерения постоянных и переменных напряжений; измерение частоты; измерение параметров линейных компонентов электрических цепей; современная элементная база для построения ЦИУ. Каждый из блоков имеет иллюстрации, помогающие глубже понять материал курса. Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры МСИА. Протокол № 60 от 17.12.2009 г. Рецензент: доцент каф. ИУС Ломакин Г.С. (БТИ АлтГТУ)  Сыпин Е.В., Повернов Е.С., Е.В. Берестова, Якушева О.Ю., 2010  БТИ АлтГТУ, 2010 Содержание 1. Различия между аналоговыми и цифровыми средствами измерений 5 2. Цифровые средства измерения напряжения 6 2.1 Измерение постоянного напряжения 6 2.1.1 Метод пространственного кодирования 7 2.1.2 Метод с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал (время-импульсный методы) 8 2.1.3 Метод двойного интегрирования 10 2.1.4 Метод с промежуточным преобразованием напряжения в частоту 13 2.1.5 Метод с промежуточным преобразованием напряжения в фазу 15 2.1.6 Кодово-импульсный метод (метод поразрядного кодирования) 16 2.1.7 Комбинированный метод преобразования 16 2.2 Автоматизация измерений 18 2.2.1 Автоматизация выбора предела (АВП) измерений 18 2.2.2 Автоматическая коррекция погрешностей 20 2.3 Измерение переменного напряжения 21 2.3.1 Измерение мгновенных значений 22 2.3.2 Измерение среднего значения 22 2.3.3 Измерение средневыпрямленного значения 22 2.3.4 Измерение среднеквадратичного значения 22 2.3.5 Измерение пикового значения 22 3. Измерение частоты электромагнитных колебаний 23 3.1 Методы определения действительного значения частоты электромагнитных колебаний 23 4. Измерение параметров линейных элементов электрических цепей 25 4.1 Метод электронного счета 26 5. Цифровая обработка сигналов (DSP) 27 5.1 Типовые области применения DSP процессоров 27 5.2 16–ти разрядные DSP фирмы MOTOROLA 28 5.2.1 Семейство 561хх. Основные характеристики 28 5.3 24 разрядные DSP фирмы MOTOROLA 30 5.3.1 Обзор архитектуры и шинной организации DSP 560xx 31 5.3.1.1 Общая характеристика 31 5.3.1.2 Арифметико-логическое устройство данных 32 5.3.2 Устройство генерации адресов (AGU) и режимы адресации. 34 5.3.2.1 Блок регистров адреса R0-R7 35 5.3.2.2 Блок регистров смещения N0-N7 35 5.3.2.3 Блок регистров модификации М0-М7 36 5.3.2.4 АЛУ адресов 36 5.3.2.5 Линейный модификатор 37 5.3.2.6 Модульный модификатор 37 5.3.2.7 Модификатор реверсивного переноса 38 5.3.3 Программный контроллер 39 5.3.3.1 Структура программного контроллера 39 5.3.3.2 Регистр операционного режима (OMR) 43 5.4 Порт А 44 5.5 Таймер DSP56002 45 5.5.1 Программная модель таймерного модуля 46 5.5.1.1 Регистр таймера/счётчика TCR 46 5.5.1.2 Регистр статуса/управления TCSR 47 Литература 48 1. Различия между аналоговыми и цифровыми средствами измерений Основные характеристики, параметры и свойства цифровых и аналоговых измерительных приборов приведены в Таблице 1.1. Таблица 1 - Сравнение аналоговых и цифровых измерительных приборов Параметры, характеристики, свойства Возможности приборов Аналоговых Цифровых «Длина» числового значения Бесконечная Конечная, ограничена уровнем квантования Пределы измерения ~103 ~107 Возможная минимальная погрешность ~0,1% ~0,0001% Технические ограничения высокой точности Ограничивается механизмом отсчётного устройства Ограничивается аналоговыми компонентами (меры и шумы) Ошибка при считывании результата Зависит от человека Влияние помех Мало, из-за инерционности отсчётного устройства Может быть большим при высокой частоте дискретизации Многопредельность измерений Пересчёт ведёт оператор Автоматический выбор предела измерения Отсчёт результатов По шкале со стрелкой По цифровому индикатору Регистрация результатов С помощью самописцев (кривая) С помощью принтера (числа) Запоминание Запись на магнитный носитель в непрерывной форме Запись в ОЗУ Удобство обозримости и анализа результатов При записи в виде непрерывных кривых При использовании дополнительных средств (ПК) Контроль экстремальных значений Метками на шкале Сигнализируется с помощью специальной схемы Обработка результатов измерений Простейшая Сложная Возможна с помощью дополнительных устройств Невозможна Возможна Возможна 2. Цифровые средства измерения напряжения 2.1 Измерение постоянного напряжения При измерении постоянного напряжения предполагается, что напряжение на входе изменяется во времени значительно медленнее, чем длительность одного периода измерений. К достоинствам цифровых вольтметров относят: - малая погрешность измерений; - высокое быстродействие; - отсутствие субъективных ошибок оператора; - возможность автоматизации измерений; - возможность использования вольтметров в качестве звеньев информационно измерительной системы. Существует множество классификаций цифровых вольтметров. Рассмотрим некоторые из них. По типу измеряемого напряжения: - вольтметры мгновенного значения; - вольтметры среднего значения за интервал времени (интегрирующие). По виду измеряемой величины: - вольтметры постоянного тока; - вольтметры переменного тока и его параметров; - универсальные вольтметры. По способу осуществления процесса преобразования непрерывной величины в цифровой эквивалент: - циклического типа, когда преобразование ведется непрерывно цикл за циклом; - следящие, в которых преобразование ведется только в том случае, если непрерывная величина меняется. По методу преобразования непрерывной величины в цифровой эквивалент: - с пространственным кодированием; - с преобразованием во временной интервал; - с преобразованием в частоту; - с преобразованием в фазу; - двойного интегрирования; - кодово-импульсное преобразование; - комбинированное преобразование. Рассмотрим эти методы подробнее. 2.1.1 Метод пространственного кодирования В основе метода пространственного кодирования лежит использование в качестве преобразователя ЭЛТ. На горизонтальные пластины ЭЛТ подается пилообразное напряжение. На вертикальные через схему усилителя – измеряемое напряжение. Для практического использования данного метода обязательным условием является использование превышение частоты пилообразного напряжения над частотой измеряемого напряжения. На экран ЭЛТ наносится специальная сетка. Она составлена таким образом, чтобы горизонтальные участки имели уникальную комбинацию закрашенных и незакрашенных сегментов. Все сегменты имеют, как правило, одинаковую ширину и образуют вертикальные столбцы. На границах столбцов устанавливаются светонепроницаемые перегородки, между которыми размещаются фотоприемники. Высота горизонтальных участков определяет шаг квантования преобразователя. Совокупность сигналов с фотоприемников представляет собой цифровой эквивалент измеряемого сигнала. Код в общем виде определяется по формуле , где - коэффициент, связывающий линейный размер ЭЛТ и используемый код; - коэффициент, характеризующий чувствительность пластин вертикального отклонения; - коэффициент усиления входного усилителя; - единица младшего разряда. Основное достоинство данного метода - высокая частота дискретизации, которая позволяет вести преобразование с частотой до 100МГц. 2.1.2 Метод с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал (время-импульсный методы) На рисунке 2.1 приведена типичная структурная схема, поясняющая построение вольтметров по время-импульсному методу ВУ – входное устройство; ВД – входной делитель; ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения; УС1, УС2 – устройства сравнения; ГОЧ – генератор опорной частоты; ДП – датчик полярности; ИП – индикатор полярности; ГПИ – генератор периода измерений; СТ – счетчик; DC – дешифратор; И – индикатор Рисунок 2.1 – Типичная структурная схема, поясняющая построение вольтметров по время-импульсному методу На рисунке 2.2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу схемы. Рисунок 2.2 – Временные диаграммы время-импульсного вольтметра Начало измерения инициируется нажатием кнопки «пуск». ГПИ вырабатывает импульс 7, который передним фронтом сбрасывает счетчик в нулевое состояние, а также начинает формировать сигнал 1 равный 0. Этот сигнал заставляет ГЛИН вырабатывать линейно уменьшающееся напряжение 2. Время, а, следовательно, и значение Umin определяется длительностью отрицательного импульса 1. Устройства сравнения вырабатывают на своих выходах единицу в случае, если напряжение 2 меньше, чем напряжение на другом входе сравнения, поэтому сигнал 3 равен 1, когда сигнал 2 меньше 0, а сигнал 4 равен 1, когда входное напряжение, прошедшее через ВУ, либо ВУ и ВД, больше, чем напряжение 2. Сигнал 5 формируется из сигналов 3 и 4 с помощью элемента исключающее «ИЛИ» и этот сигнал разрешает прохождение импульса ГОЧ на счетчик. Ввиду того, что сигнал 5 имеет 2 части с логической единицей на элемент И, на 3-ий вход подается инвертированный сигнал 1. Таким образом, счетчик насчитывает число импульсов где - частота ГОЧ; - коэффициент преобразования входного напряжения; - крутизна линейно изменяющегося напряжения. Насчитанные показания с помощью дешифратора подаются на индикатор. Интересной особенностью прибора является то, что алгоритм его работы практически не изменяется при измерении отрицательного напряжения. Знак входного напряжения легко определить путем сравнения времени срабатывания УС1 и УС2. Если УС1 срабатывает первым, то напряжение положительно, иначе – отрицательно. В принципе, чтобы на индикаторе сразу отображалось напряжение между счетчиком и дешифратором можно поставить специальный блок преобразователя кодов, но проще подобрать f0 и K1, чтобы, например, когда напряжение 1 В соответствует 1000 импульсов, тогда измерение ведется с точностью до 1 мВ. Достоинство данного метода – простота реализации. Недостатки: - погрешность из-за нелинейности и нестабильности ГЛИН; - нестабильность порогов срабатывания УС1 и УС2 (меняется время TX и количество импульсов NX). Все это приводит к тому, что прибор, построенный по данному принципу, имеет погрешность от 0,1 % до 0,05 %. 2.1.3 Метод двойного интегрирования Теоретическое обоснование метода Неизвестное напряжение интегрируется в течение известного времени TИ, соответственно получается напряжение на первом этапе Данное выражение приведено для классического RC интегратора, где RC – постоянная времени интегратора. На вход интегратора подается опорное напряжение, имеющее полярность, противоположную UX, и интегрируется до тех пор, пока напряжение на выходе интегратора снова не станет равным нулю. Время второго интегрирования замеряют. , при этом - временной интервал, пропорциональный входному напряжению. Таким образом, измеряемое время второго интегрирования прямо пропорционально входному напряжению и не зависит от компонентов, используемых в интеграторе. Достоинство данного метода в том, что точность метода зависит только от TИ и UОП. Сформировать высокоточное опорное напряжение, задача достаточно не сложная, а измерение и формирование эталонных интервалов времени для современного уровня развития техники является самыми точными решаемыми задачами. Недостаток метода – относительно большое время интегрирования. Структурная схема устройства, реализующего данный метод приведена на рисунке 2.3. Рисунок 2.3 – Структурная схема вольтметра двойного интегрирования Измерение начинается с прихода сигнала «Пуск» на устройство управления. УУ коммутирует ключ 1 в первое положение, сбрасывает счетчик и подает сигнал логической единицы на элемент «И». Начинает выполняться первый этап интегрирования. Чаще всего УУ делается на микропроцессоре, который может отсчитывать эталонные интервалы времени, но для повышения точности для формирования эталонного интервала времени выгоднее использовать ГОЧ. Поэтому первый этап длится до тех пор, пока не наступит переполнение в блоке счетчиков. Сигнал переполнения сообщает УУ, что первый этап закончился. УУ переключает ключ 1 во второе положение, а ключ 2 в такое положение, чтобы полярность опорного источника напряжения была противоположна полярности измеряемого напряжения. Полярность входного напряжения легко определяется по состоянию выхода устройства сравнения во время первого этапа интегрирования. Второй этап длится до тех пор, пока УС не переключится в противоположное состояние. Насчитанное счетчиком число во время второго этапа, а, следовательно, пропорционально входному напряжению. После завершения второго этапа УУ подает 0 на элемент «И» и стробирует запись информации со счетчиков в блок регистров – дешифраторов. Временные диаграммы поясняющие работу данного вольтметра приведены на рисунке 2.4. Рисунок 2.4 – Временные диаграммы поясняющие работу вольтметра двойного интегрирования Основные погрешности в вольтметрах данного вида вносят нестабильность опорного напряжения, нестабильность ГОЧ, нестабильность порога УС. Ввиду того, что ключи 1 и 2 выполняются в аналоговом виде, то на точность влияют остаточные параметры аналоговых ключей. С помощью данного метода строят вольтметры, имеющие погрешность от 0,02 до 0,005 %. 2.1.4 Метод с промежуточным преобразованием напряжения в частоту На рисунках 2.5 и 2.6 показаны структурная схема вольтметра по частотно-импульсному методу и временные диаграммы, поясняющие его работу. ГОИВ - генератор образцовых интервалов; УПТ – усилитель постоянного тока; ПОС – преобразователь обратной связи; УП – указатель полярности; ОП – ограничитель перегрузки Рисунок 2.5 – Структурная схема вольтметра по частотно-импульсному методу Рисунок 2.6 – Временные диаграммы, поясняющие работу частотно-импульсного вольтметра Измерения начинаются с прихода сигнала «Старт» на УУ. Оно разрешает вырабатывать один эталонный импульс ГОИВ, а так же в самом начале сбрасывает счетчик в 0. Таким образом, ГОИВ разрешает проходить частоте с выхода элемента «ИЛИ» через элемент «И» на счетчик. Преобразователь напряжения в частоту работает постоянно, независимо от действий УУ. Напряжение UX, пройдя через ВУ, поступает на вход интегратора, который имеет постоянную времени τ = R 1 ·C1. В случае, если UX положительно, то напряжение на выходе интегратора увеличивается, если UX отрицательно, то уменьшается. И это происходит до тех пор, пока не сработает одно из устройств сравнения. В момент равенства напряжения на выходе интегратора с опорным напряжение, УС включает соответствующий преобразователь обратной связи на эталонный промежуток времени. Под действием этого блока напряжение на выходе интегратора изменяется в обратную сторону. На выходе преобразователя получается пилообразное напряжение, причем обратный ход напряжения имеет всегда одинаковый угол наклона и длительность. Таким образом, частота зависит только от первого этапа интегрирования, длительность которого в свою очередь зависит от входного напряжения. Основная погрешность подобных вольтметров определяется отношением сопротивлений R 2 / R 1, которое можно обеспечить очень точно. Еще менее влияет на точность нестабильность коэффициента усиления ВУ, нестабильность ГОИВ и нестабильность UОПОРН. Используя данный метод, удается строить вольтметры с погрешностью 0,005% и чувствительностью до 1 мкВ. 2.1.5 Метод с промежуточным преобразованием напряжения в фазу На рисунках 2.7 и 2.8 показаны структурная схема вольтметра с промежуточным преобразование напряжения в фазу и временные диаграммы, поясняющие его работу ФВ – фазовый вращатель; Ф1, Ф2 – устройство контроля перехода сигнала через 0 Рисунок 2.7 – структурная схема вольтметра с промежуточным преобразование напряжения в фазу Рисунок 2.8 – Временные диаграммы, поясняющие работу вольтметра с промежуточным преобразование напряжения в фазу Преобразование начинается с прихода сигнала «Старт». УУ снимает сигнал сброса со входа R-триггера. Опорное переменное напряжение, чаще всего синусоидальное (т.к. строить фазовращатель для синусоид проще), подается на устройство Ф1 и Ф2. Причем на Ф1 подается через электрически управляемый фазовращатель, сдвиг фазы в котором прямо пропорционален постоянному напряжению, в качестве которого выступает измеренное напряжение. Таким образом, устройства Ф1 и Ф2 будут срабатывать не одновременно. Разница в срабатывании по времени прямо пропорциональна фазовому сдвигу, т.е. UX. Сигналы с выходов Ф1 и Ф2 через элемент ИЛИ подаются на счетный вход Т-триггера. Получив первый сигнал, Т-триггер переключится в противоположное состояние, т.е. на его выходе установится 1, которая сообщает УУ о начале цикла измерения и разрешит прохождение импульсов с ГОИ на счетчик. Затем через элемент ИЛИ на вход Т придет второй импульс, который сбросит триггер в 0 и тем самым остановится процесс счета счетчика, а УУ поймет, что цикл измерения завершен. Т.е. счетчик насчитает число, прямо пропорциональное измеряемому напряжению. В виду того, что фазовращатель изменяет фазу с учетом знака входного напряжения UX легко определить полярность по очередности срабатывания Ф1 и Ф2. Погрешность данного метода определяется такими параметрами, как: - стабильность ГОЧ; - стабильность частоты опорного напряжения; - линейность фазовращателя. Данный метод имеет погрешность от 0,1-0,01%. 2.1.6 Кодово-импульсный метод (метод поразрядного кодирования) В основе этого метода лежит РПП, выходы которого подключены к ЦАП, выход которого в свою очередь, подключен ко входу компаратора. На второй вход компаратора подается измеряемое напряжение. Выход компаратора подается на вход результата сравнения РПП. Погрешность определяется качеством ЦАП, аналогового компаратора и стабильностью . Вольтметры, использующие этот метод, имеют погрешность от 0,05% до 0,001%. 2.1.7 Комбинированный метод преобразования За счет аппаратурной избыточности происходит повышение точности, разрешающей способности и быстродействия. Совмещение двух и более методов в одном вольтметре необходимо для исключения недостатков каждого метода в отдельности. Наиболее широкое распространение на практике получил интегропотенциометрический метод, который совмещает частотно-импульсный и кодово-импульсный методы (рисунок 2.9). ВС – входной смеситель; - преобразователь напряжения в частоту; ВУ - входное устройство Рисунок 2.9 – Структурная схема интегропотенциометрического вольтметра Измерение начинается с прихода сигнала СТАРТ. УУ коммутирует входной смеситель таким образом, чтобы просто пропускать UX. UX преобразовывается в частоту с помощью простого, дешевого и неточного блока преобразователя, и выходные импульсы подаются на счетчик через элемент И. Таким образом, в конце первого этапа счетчик хранит число пропорциональное входному напряжению, но с достаточно большой погрешностью. Это число преобразуется с помощью ЦАП в аналоговое напряжение и начинается второй этап преобразования. ВС настраивается таким образом, чтобы на выходе формировать разницу между напряжением на выходе ЦАП и UX. Получившаяся разница вновь преобразуется в частоту, и счетчик досчитывает некоторое количество импульсов, т.е. на втором этапе выполняется компенсация погрешностей первого этапа. С использованием двухэтапного измерения и аппаратной избыточности удается компенсировать погрешность и получить ее значения порядка 0,0001%. 2.2 Автоматизация измерений В цифровых вольтметрах автоматизации подлежат следующие процессы: управление процессом измерения; выбор предела измерения; установка нуля; калибровка; определение неисправностей и их диагностика и сообщение; определение и индикация полярности; дистанционное программное управление видом измерения и родом работы; запуск прибора; автоматизация времени измерения, как по длительности, так и по началу измерений; обработка результатов измерений. 2.2.1 Автоматизация выбора предела (АВП) измерений В основе всех схем выбора предела измерений лежит метод изменения чувствительности. Общая структурная схема для реализации АВП измерения представлена на рисунке 10. БПЭ – блок переключающих элементов; ИП – индикатор предела Рисунок 2.10 – Общая структурная схема АВП Входной сигнал, проходя через ВУ, изменяется в k раз, причем перед началом поиска предела k заранее известно. k· UX сравнивается УС с константным опорным напряжением. Если заранее заложенное условие в УУ не выполняется, УУ коммутирует БПЭ, чтобы изменить k таким образом, чтобы k· UX стремилось к выполнению заложенного условия. Постепенное изменение k в нужном направлении продолжается до тех пор, пока не выполнится заложенное условие. При выполнении условия требуемый предел найден. Его отображает ИП. Существует три типа алгоритмов выбора предела: c постепенным увеличением чувствительности прибора; с постепенным уменьшением чувствительности прибора; с реверсивным изменением чувствительности прибора. Тип 1. При этом типе АВП прибор сам начинает перебирать пределы с предела с наименьшей чувствительностью. На рисунке 2.11 представлена структурная схема с возможной реализацией данного метода. Рисунок 2.11 - Структурная схема АВП с постепенным увеличением чувствительности Начало работы всей схемы – это подача сигнала на вход сброса счетчика на выходах Q0-Qn. Появляются логические 0 и, следовательно, активный уровень появляется на входе Y0 дешифратора. Замыкается ключ возле резистора R2, при этом для ВУ выбирается минимальный коэффициент усиления. УС работает следующим образом. Если UОП. больше, чем k·UX, то на выходе формируется логическая единица, в противном случае логический 0. Если при kmin k·UX сразу больше, чем UОП., то дальнейший поиск предела не ведется, используется данный предел, иначе, на входе УС логическая единица, которая разрешает прохождение импульсов частотой f0 через элемент И на счетный вход счетчика. Счетчик считает на увеличение и, следовательно, активный уровень на выходах дешифратора перемещаемый от Y0 к Y1, далее к Y2 и т.д. Соответственно в схеме попеременно подключены резисторы R3, R4 и т.д. постепенно увеличивая коэффициент k. Это продолжается до тех пор, пока при очередном k k·UX не превысит UОП, и счет не остановится. Недостатком схемы является большое количество прецизионных резисторов, а так же относительно большое время нахождения требуемого предела. Второй тип аналогичен первому за исключением того, что сравнение начинается с максимальной чувствительности, т.е. с максимального коэффициента k. Для этого входы УС меняются местами, а кроме того, меняются местами выходы дешифратора. Для схемы 3. ставится реверсивный счетчик и два устройства сравнения. Одно устройство сравнивает сигнал с выхода усилителя с верхним значением напряжения для предела, другое – с нижним значением напряжения для предела. По результатам сравнения счетчик считает либо на увеличение, либо на уменьшения, пока не будет выполнено неравенство , где UН - нижний предел; UВ - верхний предел. Такая модификация схемы позволяет уменьшить время нахождения требуемого предела измерения, т.к. новый поиск предела начинается не с 0, а от предыдущего предела. 2.2.2 Автоматическая коррекция погрешностей Для обеспечения автоматической коррекции погрешностей в прибор, как правило, вводится аппаратная и программная избыточность. В качестве аппаратной избыточности вводятся дополнительные элементы с эталонными значениями напряжения, частоты и т.п. Под программной избыточностью понимается увеличение программы с целью выполнения дополнительных вычислений, которые позволят оценить изменение параметров узлов и учесть это изменение при вычислении результатов измерения. Типичным значением для проведения очередной проверки блоков является количество проведенных измерений от 100 до 1000 и всегда при включении прибора. За счет применения микропроцессорных средств удается существенно упростить схему вольтметра путем исключения из нее термокомпенсационных цепей. Применение вычислений поправочного коэффициента позволяет не только скорректировать погрешность, но и контролировать работоспособность прибора в процессе измерения с точностью до блока. При вычислении параметров каждого блока процессор проверяет полученное значение на вхождение в некоторый диапазон. В случае не вхождения делается вывод о неисправности блока. Дополнительно в вольтметр могут вводиться некоторые сервисные функции, а именно, вычисление статистических параметров измерений. 2.3 Измерение переменного напряжения Все вольтметры переменного тока измеряют один из параметров переменного напряжения, таких как мгновенное значение напряжения, среднее значение напряжения, средне-выпрямленное значение, средне-квадратичное значение, пиковое напряжение. Для измерения переменных напряжений применяют 2 структурные схемы построения вольтметров, изображенные на рисунке 2.12. а) б) Д- детектор; ВПТ - вольтметр постоянного тока; УПТ - усилитель постоянного тока; УПерT – усилитель переменного тока Рисунок 2.12 – Структурные схемы вольтметров переменного напряжения Недостатком первой схемы является сложность построения высококачественного широкополосного с линейной АЧХ усилителя переменного тока. Недостаток второй схемы состоит в том, что детектор, как правило, строится на основе вентильных устройств, для которых порог срабатывания достаточно высок, что ограничивает чувствительность второй схемы. Тем не менее, для обеих схем характерно предварительное преобразование измеряемого параметра переменного напряжения в постоянное напряжение, т.е. для переменных напряжений используют косвенные измерения. 2.3.1 Измерение мгновенных значений В основе этих вольтметров лежит схема для стробируемого запоминания аналогового значения напряжения. «Защелкнутое» напряжение измеряется как постоянное напряжение. 2.3.2 Измерение среднего значения Для получения среднего напряжения используются два однопериодных выпрямителя, на выходах которых получаются постоянные напряжения с противоположными знаками, которые затем суммируются с учетом знака, а результат измеряется. 2.3.3 Измерение средневыпрямленного значения Переменное напряжение выпрямляется двухполупериодным выпрямителем. Полученное напряжение измеряется вольтметром постоянного тока. 2.3.4 Измерение среднеквадратичного значения Для измерения применяется усилитель, коэффициент усиления которого имеет квадратичную зависимость от входного напряжения. Выходное напряжение с усилителя выпрямляется двухполупериодным выпрямителем. 2.3.5 Измерение пикового значения Для измерения пикового значения применяют пиковые детекторы – это комбинация выпрямителя и конденсатора. При измерении параметров периодических сигналов правильной формы вольтметр измеряет только один параметр, все остальные легко рассчитываются по известным формулам. Как правило, измеряется средневыпрямленное значение. При измерении переменных напряжений неправильной формы, как правило, задается коэффициент пересчета для данной формы. 3. Измерение частоты электромагнитных колебаний Измерение частоты есть одна из основных задач в измерениях. Это обуславливается рядом причин: в практике широкое распространение получила различная радиоаппаратура, использующая в своем составе генераторы, для изготовления, настройки и ремонта подобной аппаратуры необходимо уметь измерять частоту генератора; для измерения различных физических величин необходима привязка к реальному времени; для этой цели используется аппаратура, способная воспроизводить точные интервалы времени; измерение частоты является одним из наиболее точных измерений (погрешность может достигать %), поэтому зачастую частота используется в косвенных измерениях; калибровку большинства вольтметров, амперметров и т.д. производят в нескольких точках частотного диапазона, и естественно возникает задача получения точной и стабильной частоты для этих точек. В задачи частотомеров входит измерение действительного значения частоты и ее стабильности. Стабильность частоты различают двух типов: кратковременная – девиация частоты происходит в течение первого или нескольких, но не более 10 периодов; долговременная – отклонение частоты измеряется днями, годами и т.д. 3.1 Методы определения действительного значения частоты электромагнитных колебаний На практике из всего множества методов измерения частот распространение получили следующие: - метод сравнения с эталонной частотой; - резонансный метод; - мостовой метод. Для построения цифровых приборов используется только метод сравнения с эталоном. Метод сравнения с эталоном цифровым способом получил название электронно-счетного частотомера. Суть метода состоит в подсчете количества импульсов измеряемой частоты и сравнения этого количества с количеством импульсов эталонной частоты, формируемой частотомером. Для простоты сравнения либо измеряемую частоту, либо эталонную берут за период измерения, т.е. один период измеряемой или эталонной частоты является периодом измерения. На рисунке 3.1 показана структурная схема подобного частотомера. ВК – входной компаратор; Г – генератор Рисунок 3.1 – Структурная схема частотомера по методу сравнения с эталонной частотой Входной компаратор необходим в схеме для того, чтобы исключить влияние формы измеряемого сигнала на точность измерения. Потенциометр R1 позволяет выбрать точку переключения на входном сигнале, что в некоторых случаях позволяет избежать погрешности. УУ получив сигнал «Старт» сбрасывает счетчик и запускает генератор, который формирует единичный импульс эталонной длины, например 1 секунду. Таким образом, за эталонную длительность счетчик насчитает некоторое количество импульсов частоты fX. Если эталонный импульс равен 1 секунде, то число, насчитанное счетчиком, и есть измеряемая частота. Для некоторых практических применений одна секунда - слишком долгое время измерений, поэтому генератор помимо секундного импульса может формировать импульсы кратные 1 секунде (0.1, 0.01, 10 секунд). Если измерение ведется 0.1 секунду, то для получения реальной частоты на индикаторе достаточно умножить насчитанное счетчиком число на 10, т.е. перенести запятую на индикаторе вправо на 1 разряд. Данному методу присуща методическая погрешность ±1 импульс из-за того, что начало формирования эталонного импульса не синхронизировано с периодом измеряемого сигнала. Для преодоления методической погрешности в схему вводят блок согласования, который позволяет начинать формировать эталонный импульс синхронно с каким-либо состоянием измеряемого сигнала. Чаще всего, это передний или задний фронты. Точность измерения тем выше, чем дольше они длятся. Вместе с тем при измерении низких частот для получения необходимой точности период измерения становится очень большим, что не всегда приемлемо для практического использования. В этом случае переходят ко второй структурной схеме (рисунок 3.2). Сигнал с ВК не идет на элемент И, а идет по пунктирным стрелкам на устройство управления. УУ подает на элемент И сигнал логической единицы, равный по длительности периоду измеряемой частоты. Для этого в УУ может использоваться, например, Т-триггер. Генератор в этом случае формирует высокочастотные стабильные импульсы с периодом кратным секунде. Причем, чем выше частота, тем точнее измерения. Таким образом, счетчик насчитывает число, которое показывает, сколько эталонных периодов известной длительности умещается в одном периоде неизвестной частоты, т.е. другими словами для высокой частоты fX измеряется ее частота, а для низкой измеряется ее период. Чаще всего частотомеры при измерении низких частот отображают именно период измеренной частоты. Генератор может изменять частоту ступенчато, кратно секунде. Для учета этого измерения достаточно просто перенести запятую на индикаторе. Рисунок 3.2 - Структурная схема частотомера по методу сравнения с эталонной частотой для низких частот 4. Измерение параметров линейных элементов электрических цепей У всех линейных элементов электрических цепей различают основные и дополнительные параметры линейных элементов. К основным относятся параметры идеальных компонентов. Дополнительные параметры описывают отличие реальных компонентов от идеальных, а также влияние различных факторов. Существует множество методов измерения сопротивления, индуктивности и емкости. Для построения цифровых приборов наибольшее распространение получили два метода: электронно-счетный; с промежуточным преобразованием измеряемого параметра в частоту. При использовании второго метода берется любая схема генератора, частоту которого задает измеряемый элемент. Как правило, выбирают генератор, частота которого линейно зависит от основного параметра компонента. Погрешность данного метода составляет от 1 до 0,1%. 4.1 Метод электронного счета На рисунке 4.1 приведена типичная структурная схема для измерителя RC по методу электронного счёта. Т – триггер; Рисунок 4.1 – Иллюстрация метода электронного счёта В первоначальный момент времени Кл.1 подключен в положение 1. Измеряемая емкость СX заряжается через RД от эталонного источника питания. RД необходим для ограничения тока, т.к. при первоначальном включении измеряемого конденсатора он полностью разряжен. Т.е. для UПИТ является короткозамкнутой нагрузкой без RД. Ток может достигать значительных величин вплоть до выхода измеряемого конденсатора из строя. Триггер до начала измерений сброшен в 0, что запрещает прохождение импульсов с ГОЧ на счетчик. В начале измерения счетчик сбрасывается в 0, а ключ переключается во второе положение. При этом напряжение на выходе устройства сравнения соответствует логическому 0. Одновременно триггер УУ переключается в 1. Таким образом, счетчик начинает счет импульсов с ГОЧ одновременно с началом разряда конденсатора через эталонный резистор. Разрядка продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не станет меньше, чем напряжение на выходе делителя R1-R2. После чего УС переключается и переключает триггер в 0. Процесс счета останавливается, число, насчитанное счетчиком, позволяет рассчитать УУ емкость измеряемого конденсатора. Делитель R1-R2 позволяет уменьшить время измерения, т.к. конденсатор разряжается не до 0, а до некоторого значения на экспоненте, при котором с достаточной точностью можно рассчитать значение конденсатора и минимизировать время измерения. Приборы, построенные на основе метода электронного счета, обычно имеют погрешность от 0,1 до 0,001%. 5. Цифровая обработка сигналов (DSP) Цифровая обработка сигналов (DSP) использует два принципиально различных способа аппаратных построений. При первом способе к обычному процессорному ядру добавляются модули, позволяющие работать с аналоговыми сигналами. К таким модулям относятся, в частности АЦП, ЦАП, ШИМ (широтноимпульсный модулятор). Это позволяет выполнять некоторые операции по обработке аналоговых сигналов, используя недорогие технические решения. Второй способ по своим архитектурным особенностям использует процессор полностью ориентированный на ЦОС. Характерной особенностью ЦОС процессоров является наличие нескольких шин адреса и данных, аппаратный перемножитель многоразрядных чисел с плавающей точкой, система команд ориентированная на работу с числами с плавающей точкой. 5.1 Типовые области применения DSP процессоров Телекоммуникации: транскодеры, цифровые АТС, сотовая связь, тональный набор, обработка речи, видеотелефоны, голосовая почта, спутниковые приёмники. Персональные компьютеры: сервоконтроль оптических накопителей, локальные сети, математический сопроцессор, распознавание и синтез речи, цифровое аудио, высококачественная видеографика. Цифровое аудио: музыкальные инструменты, эквалайзеры, микшеры. Автомобили: активная подвеска, антиблокировочная система (АБС), адаптивное управление двигателем, ориентация по спутнику. Бытовая техника: цифровая звукотехника, цифровое телевидение, автоответчики, распознавание отпечатков пальцев, диктофоны, цифровое радио. Медицина: ультразвуковая диагностика, усиление звука. Передача данных: модемы, факсы, криптография. Военные применения: навигация, гидроакустика, секретная связь, радиолокационные станции, подавление шума, обработка изображения. Инструменты: тестеры сигналов, спектральный анализ, сейсмические приборы, генератор функций. Промышленность: высокоскоростное управление, управление двигателями, виброанализ, робототехника, распознавание образов для диагностики. 5.2 16–ти разрядные DSP фирмы MOTOROLA В данном классе DSP у фирмы MOTOROLA имеется три семейства: DSP 561хх; DSP 5660х; DSP 568хх. 5.2.1 Семейство 561хх. Основные характеристики Скорость работы при тактовой частоте кварцевого резонатора 60 МГц 30 MIPS; - параллельное выполнение умножения – суммирования 16х16 бит; - 2 аккумулятора по 40 бит каждый; - параллелелизм при выполнении инструкций; - специальные режимы адресации для выполнения операций сигнальной обработки; - три источника прерываний; - 16-тиразрядные шины адреса и данных; - режим останова и пониженного энергопотребления; - внутрикристальный эмулятор, который позволяет просмотреть и при необходимости модифицировать все внутренние ресурсы DSP; - статическая технология КМОП. Структурная внутренняя схема DSP561хх приведена на рисунке 5.1. Ген – генератор; OnCE – внутрисхемный эмулятор (Ген и OnCE имеют подключение практически ко всем внутренним блокам); ПМ – периферийные модули; РППр – расширение ОЗУ и ПЗУ памяти программ; РПх – расширение ОЗУ и ПЗУ памяти Х; ШУ – шина управления; УГА – устройство генерации адреса; ХАВ1 и ХАВ2 – шины адреса памяти данных; PAB - шина адреса памяти программ; ПВША – переключатель внешней шины адреса (подключают к внешним выводам одну из трех внутренних ША); ПВнШД – переключатель внутренних шин данных (позволяет распределить шины данных для выполнения текущих объемов); ПВШД – переключатель внешних шин данных (коммутирует одну из 3-х внутренних шин данных на внешние выводы); ХDВ – шина данных памяти Х; РDВ – шина данных памяти программ; GDB – общая шина данных; ПК – программный контроллер; АЛУ - арифметико-логическое устройство Рисунок 5.1 – Структурная внутренняя схема DSP561хх Т.о. DSP данного семейства имеет трех шинную гарвадскую организацию процессорного ядра. 5.3 24 разрядные DSP фирмы MOTOROLA Базовым для 24 разрядных DSP является семейство DSP 560хх (в литературе 56 К). Имеет следующие основные характеристики: - быстродействие свыше 30 MIPS при частоте кварцевого резонатора 60 МГц; - две памяти Х и У, что позволяет считывать два операнда одновременно; - состав периферийных модулей типичен для большинства микроконтроллеров. В основу системы команд DSP данного семейства положена система команд процессора М 68000. Внутренняя структура процессорного ядра DSP560хх показана на рисунке 5.2. YAB-шина адреса для памяти Y; YDB-шина данных для памяти Y; КПр – контроллер прерываний; КДП – контроллер декодирования программ; ГА – генератор адреса Рисунок 5.2 – Внутренняя структура процессорного ядра DSP560хх 5.3.1 Обзор архитектуры и шинной организации DSP 560xx 5.3.1.1 Общая характеристика Высокая производительность DSP данного семейства позволяет использовать их в области коммуникации, высокоскоростного управления, компьютерных приложениях и аудиоприложениях. Для всех DSP основной операцией является умножение и суммирование двух многоразрядных чисел с плавающей точкой. Данная операция получила название МАС. Эта операция внутри DSP выполнятся за 1 машинный цикл при расположении операндов в разных областях памяти. Основу процессора составляют три параллельно работающих устройства: - Арифметико-логическое устройство; - устройство генерации адреса; - программный контролер. В DSP данного семейства имеется трехступенчатый аппаратный конвейер инструкций. Структура шин Шины данных являются 24-х разрядными. Шины данных X и Y могут объединяться в 48 разрядную шину. Дополнительно может использоваться глобальная шина данных, например, при обращении к периферийным модулям. Структура шин поддерживает пересылку данных 3-х типов: регистр - регистр; регистр - память; память - регистр. Поддерживаются следующие разрядности данных: 24 бита, 48 битов, 56 битов. Шины адреса являются 16-ти разрядными. Пространство внешней памяти адресуется с помощью однонаправленной 16-ти разрядной шины адреса с 3-мя состояниями, к которой может подключаться одна из 3-х внутренних шин адреса. В одном машинном цикле может быть произведен только один доступ к внешней шине данных. 5.3.1.2 Арифметико-логическое устройство данных На рисунке 5.3 показана структурная схема АЛУ данных. X0, X1, Y0, Y1 - буферные регистры; АК. ЛУ – аккумулятор логического устройства; УС – устройство сдвига; А, В – аккумуляторы процессора; ШДХ - шина данных Х; УСО – устройство сдвига-ограничения Рисунок 5.3 – Структура АЛУ данных АЛУ данных позволяет выполнять в одном машинном цикле следующие действия: умножение, итерационное деление, нормализация, сдвиги, поразрядные логические операции. Регистры АЛУ данных могут быть прочитаны или записаны 24-х или 48-ми разрядными операндами. Операнды источники могут быть 24-х, 48 и 56 – разрядные. Результаты любой операции всегда сохраняются в аккумуляторе. Буферные регистры X0, X1, Y0, Y1 могут использоваться как независимые 24-х битные регистры или как два 48-ми разрядных регистра X и Y, образованные объединением X0 с X1 и Y0 с Y1 соответственно. Умножитель способен обрабатывать до 3-х операндов одновременно, и выдает 56-ти разрядный результат в следующем формате: 8-ми битное расширение, 24-х битная старшая значащая часть, 24-х битная младшая значащая часть. Каждый из аккумуляторов А и В образуется из 3-х регистров. Регистры А2 и В2 – 8-ми битное расширение, А1 и В1 – старшая значащая часть, А0 и В0 – младшая значащая часть. Восьми битные регистры расширения предназначены для защиты от переполнения. В DSP 560хх диапазон значений операндов составляет от –1 до 0,9999998. В случае выхода результата за границы диапазона возникает переполнение, которое позволяет учесть регистр расширения. Самый старший бит регистра расширения является знаковым. Асинхронное параллельное устройство сдвига может выполнять следующие операции: обнуление всех битов, ротация вправо и влево, арифметические и логические сдвиги вправо и влево, нет сдвига. Устройство сдвига-ограничения используется для того, чтобы иметь возможность полученный 56-ти разрядный результат сохранить во внешней памяти через 24-х или 48-ми разрядную шину данных. 24-разрядные числа в DSP данного семейства представляются следующим образом (рисунок 5.4): Рисунок 5.4 – Представление 24-разрядных чисел с плавающей точкой Для 48-ми битного представления используется аналогичный принцип. DSP имеет три независимых пространства памяти. Эти пространства конфигурируются битами управления в регистре режима операции. Два бита в данном регистре управляют картой памяти программ, и выбирают адрес вектора сброса. Один бит управляет картами памяти X и Y. Возможные варианты карт памяти программ и памяти данных приведены на рисунках 5.5 и 5.6. Рисунок 5.5 – Карты памяти программ Рисунок 5.6 – Карты памяти данных В некоторых представителях семейства в пространстве памяти X и Y могут размещаться ПЗУ, в котором фирма Motorolla размещает при изготовлении таблицы некоторых часто используемых для вычислений при DSP функций (например, sin, cos и др.). Периферийные модули на кристалле адресуются как обычные ячейки памяти X и Y соответственно. 5.3.2 Устройство генерации адресов (AGU) и режимы адресации. На рисунке 5.7. показаны структура AGU. Все регистры AGU являются 24 разрядными, в которых 16 младших разрядов являются значащими. Старшие 8 бит всегда равны 0 и при записи не модифицируются. АЛУ А – АЛУ адреса; АЛУ ВА – АЛУ верхних адресов; АЛУ НА – АЛУ нижних адресов Рисунок 5.7 – Структура AGU 5.3.2.1 Блок регистров адреса R0-R7 Блок данных регистров состоит из двух подблоков регистров адреса, каждый из которых содержит четыре 16-ти битных регистра, которые содержат адреса для обращения к памяти. Каждый регистр может быть записан или прочитан через глобальную шину данных. Каждый адресный регистр может использоваться как вход АЛУ адресов для модификации регистров. Если параллельно осуществляется пересылка данных из памяти Х и из памяти У, то адресные регистры разделяются на два блока R0 – R3 и R4 – R7 соответственно. 5.3.2.2 Блок регистров смещения N0-N7 Данные регистры жестко привязаны к регистрам R в соответствии с номерами и так же разбиваются на два подблока. Регистры хранят смещение, которое используется для модификации адреса. Любой из регистров смещения может быть записан или прочитан через глобальную шину данных. 5.3.2.3 Блок регистров модификации М0-М7 Каждый из двух подблоков регистров модификации содержит четыре 16-ти битных регистра, которые определяют тип адресной арифметики для вычисления модификации регистров адреса R. Имеется так же жесткая привязка к регистрам R по номерам. Каждый из регистров М может быть прочитан или записан через глобальную шину данных. После сброса процессора все регистры модификации хранят число FFFF, что определяет линейный режим модификации адреса. 5.3.2.4 АЛУ адресов Два идентичных АЛУ адресов рассчитывают 16-ти битный полный адрес, который может быть инкрементирован, декрементирован или выполнены сложные вычисления с использованием регистра смещения в соответствии с выбранным режимом адресации. DSP данного семейства обеспечивает 3 различных типа адресации: прямую регистровую косвенную регистровую специальную регистровую. При косвенной адресации возможны следующие модификации: без модификации - адрес операнда содержится в регистре адреса Rn и не изменяется после выполнения команды; постинкремент - адрес операнда содержится в регистре адреса Rn и после выполнения команды инкрементируется; постдекремент - адрес операнда содержится в регистре адреса Rn и после выполнения команды декрементируется; постинкремент со смещением Nn; после использования содержимое регистра R суммируется с содержимым регистра N и сохраняется в регистре R. Содержимое регистра N при этом не изменяется; Rn=Rn+Nn ; постдекремент со смещением Nn; Rn= Rn - Nn ; индексный со смещением Nn – адрес операнда находится как сумма регистров R и N; содержимое регистров R и N не изменяется; предекремент; адрес, хранящийся в R, декрементируется до начала выполнения команды и сохраняется в нем же; специальные типы модификации адреса АЛУ, которые позволяют существенно упростить создание структур данных в памяти для очередей, линий задержки, циклических буферов, стеков. 5.3.2.5 Линейный модификатор Включается если в регистр М загружено число FFFF. В этом случае используется нормальная, 16-ти битная линейная арифметика. При вычислении адреса используется 16-ти битное смещение N инкремент и декремент. Диапазон смещения для знаковых чисел от – 32768 до 32767 и от 0 до 65535 для беззнаковых чисел. Поддерживается переполнение, как через верхнюю границу, так и через нижнюю. Для верхней границы из суммы вычитается 65536, для нижней границы к разнице надо прибавить 65536. 5.3.2.6 Модульный модификатор Включается, если в регистр М загружено число от 1 до 32767. Модуль рассчитывается как число из регистра М+1. При включении модульного модификатора в памяти данных создается множество буферов размером равным модулю. Причем модуль однозначно определяет нижнюю и верхнюю границу всех буферов. Нижняя граница или базовый адрес буфера определяется из неравенства , где Mod – модуль; К – количество младших разрядов, которые всегда будут равны 0 у всех базовых адресов. Верхняя граница рассчитывается как , где ; В – номер буфера. Количество буферов . Процессор из всего множества созданных в памяти буферов работает только с одним из них, а именно с тем, в который попадает регистр R. Если регистр R попадает между буферами, то процессор попадает в сбойный режим. При выборе конкретного буфера регистр R может модифицироваться только в пределах этого буфера, за исключением специального случая, когда имеет место постинкремент или постдекремент со смещением, и регистр N равен , где P-целое число. В этом случае регистр R переходит из одного циклического буфера в другой, отстоящий от первого на P буферов. Для определения номера активного буфера Ba используются следующие соображения ; Ввиду того, что за исключением специального случая регистр R модифицируется внутри активного буфера, происходит переполнение, как через верхнюю, так и через нижнюю границу буфера. При постдекременте со смещением новое значение R рассчитывается по формулам . При постинкременте: ; ; . Количество брошенных ячеек ; . 5.3.2.7 Модификатор реверсивного переноса Данный режим включается, если в регистр М загружено число 0. Модификация адреса в этом режиме осуществляется путем реализации на аппаратном уровне переноса на арифметических операциях в обратном направлении от старших битов к младшим. Для ручного вычисления адреса применяют следующий алгоритм. Выполняется реверсия обоих операндов, затем выполняется сложение или вычитание по обычным правилам, после чего выполняется реверсия результата. Под реверсией понимают разворот числа таким образом, что младший бит становится старшим, а старший - младшим. Модификатор реверсивного переноса используется для эффективного вычисления адресов при реализации алгоритма БПФ с прореживанием по времени. 5.3.3 Программный контроллер Программный контроллер обеспечивает предварительную выборку инструкций, декодирование инструкций, управление аппаратными циклами и обработку исключений. Контроллер содержит 15-уровневый 32-разрядный системный стек и шесть непосредственно адресуемых регистров: - программный счетчик PC (Program Counter); - регистр адреса цикла LA (Loop Address); - счетчик петли LC (Loop Counter); - регистр статуса SR (Status Register); - регистр режима операций OMR (Operating Mode Register); - указатель стека SP (Stack Pointer). Системный стек представляет собой отдельный блок внутренней памяти, используемый для хранения регистра статуса и программного счетчика при вызовах подпрограмм и длительных прерываниях. В стеке также хранятся LA и LC при организации аппаратных циклов. Все эти регистры могут быть прочитаны или записаны через внутрисхемный эмулятор для упрощения отладки системы. Конвейер программного контроллера имеет три уровня, каждый из которых выполняет параллельно одно действие. Первый уровень отвечает за считывание следующей команды, второй уровень за декодирование, третий за выполнение. Таким образом, за один машинный цикл виртуально команда считывается, декодируется и выполняется одновременно. Нарушение работы конвейера происходит, если в программе встречается команда условного ветвления. Процессор всегда в конвейер считывает команду следующую при условии верности условия. 5.3.3.1 Структура программного контроллера Программный контроллер состоит из трех аппаратных блоков: - контроллера декодирования программ (PDC); - генератора адресов программ (PAG); - контроллера прерываний (PIC). Контроллер декодирования программ включает в себя программную логику для декодирования команд, генератор адреса регистра, механизм выполнения циклов, механизм выполнения повторений, генератор кодов условий, механизм выполнения прерываний, регистр-защелку инструкций и его копию. Генератор адресов программ содержит все регистры программного контроллера и системный стек. Циклы, являющиеся основной конструкцией алгоритмов цифровой обработки сигналов, поддерживаются аппаратно. С точки зрения программиста достаточно указать количество повторений цикла и его границы. После чего выполнить соответствующую команду начала цикла. На аппаратном уровне в регистр LC загружается количество повторений цикла, в регистр LA адрес последней команды цикла, а в регистре статуса автоматически устанавливается флаг инициализации цикла. После этого цикл автоматически повторяется LC раз. Механизм повторений позволяет ускорить процессы пересылки большого объема информации путем автоматического, аппаратного повторения LC раз одной и той же команды. При этом экономится время на считывание и декодирование команды. Из-за особенностей механизма повторений в процессе его реализации отключается механизм прерываний. Контроллер прерываний принимает все запросы прерываний, осуществляет арбитраж в каждом цикле и генерирует адрес вектора прерывания. Прерывания могут вызывать четыре внешних и шестнадцать внутренних источников прерываний. Используется структура гибкого приоритета прерываний. Каждое прерывание получает свой уровень приоритета (IPL), от 0 до 3. Уровни 1 и 2 могут маскироваться. При арбитраже к исполнению выбирается прерывание с максимальным уровнем приоритета. В таблице 5.1 указаны источники прерываний и их уровни приоритета. Таблица 5.1 - Источники прерываний и их уровни приоритета Стартовый адрес IPL Источник P:$0000/P:$E000 3 Аппаратный внешний сброс P:$0002 3 Ошибка стека P:$0004 3 Трассировка P:$0006 3 Программное прерывание SWI P:$0008 0-2 Внешнее прерывание IRQA P:$000A 0-2 Внешнее прерывание IRQB P:$000C 0-2 Приемник данных SSI P:$000E 0-2 Приемник данных в состоянии исключения SSI P:$0010 0-2 Передатчик данных SSI P:$0012 0-2 Передатчик данных в состоянии исключения SSI P:$0014 0-2 Приемник данных SCI P:$0016 0-2 Приемник данных в состоянии исключения SCI P:$0018 0-2 Передатчик данных SCI P:$001A 0-2 Простой линии SCI P:$001C 0-2 Таймер SCI P:$001E 3 NMI, зарезервировано для разработок P:$0020 0-2 Приемник данных Host P:$0022 0-2 Передатчик данных Host P:$0024 0-2 Команда Host P:$0026 0-2 Доступно для команд Host P:$0028 0-2 Доступно для команд Host P:$002A 0-2 Доступно для команд Host P:$002C 0-2 Доступно для команд Host P:$002E 0-2 Доступно для команд Host P:$0030 0-2 Доступно для команд Host P:$0032 0-2 Доступно для команд Host P:$0034 0-2 Доступно для команд Host P:$0036 0-2 Доступно для команд Host P:$0038 0-2 Доступно для команд Host P:$003A 0-2 Доступно для команд Host P:$003C 0-2 Доступно для команд Host P:$003E 0-2 Неправильная инструкция При наступлении прерывания процессор делает переход по указанному адресу для каждого прерывания. Если по этому адресу стоит однословная команда, то она выполняется, и прерывание автоматически завершается. Если команда двухсловная, то процессор входит в режим длинного прерывания и в этом случае в стек дополнительно к адресу возврата сохраняется регистр статуса. Программная модель программного контроллера показана на рисунке 5.8. Рисунок 5.8 – Программная модель программного контроллера Стек состоит из пятнадцати парных ячеек, т.к. в стек обычно сохраняется адрес и регистр статуса. Ввиду того, что стек ограничен по размерам, необходимо тщательно отслеживать, чтобы не произошло переполнение стека. SP - указатель стека. Ввиду ограниченного объема стека (всего 30 ячеек памяти) значащими являются только 6 младших бит (0-5). SR- регистр статуса, состоит из двух частей (рисунок 5.9): регистра режима MR и регистра кодов условий CCR. Рисунок 5.9 – Структура регистра статуса Регистр кодов условий CCR определяет текущее состояние процессора для пользователя. После сброса все его биты равны 0. Бит 0 – С, флаг переноса. Бит 1 – V, флаг переполнения. Устанавливается при переполнении 56-разрядного результата. Бит 2 – Z, флаг 0. Бит 3 – N, флаг минуса, если результат отрицательный, то флаг равен 1. Бит 4 – U, флаг денормализации, устанавливается в 1, если 2 старших бита равны. Бит 5 – E, флаг расширения, обращается в 0, если 8 битов старшей части аккумулятора все равны 0 или 1. Бит 6 – L, флаг ограничения, устанавливается при выполнении сдвига ограничения в АЛУ данных. S1 – S0, данные биты определяют режим масштабирования для устройства сдвига ограничения данных АЛУ и позиции округления для MAC. Бит 13 – Т, бит трассировки, если бит равен 1, то после выполнения каждой команды процессор останавливается и ждет разрешения на выполнение следующей команды от внутрисхемного эмулятора. Бит 15 – флаг LF, бит становится равным 1 при выполнении цикла, после завершения цикла сам сбрасывается в 0. 5.3.3.2 Регистр операционного режима (OMR) В данном регистре используется только 5 битов из 24. Биты МА и МB, нулевой и первый, определяют, какая карта памяти будет использоваться в процессоре. Изменяя их содержимое по ходу можно переключаться между внутренним и внешним ПЗУ и т.п. После сброса данные биты копируют состояние со специальных входов процессора. Бит 2 – DE, разрешение ПЗУ данных. Если бит установлен, то становится активным внутреннее ПЗУ данных в областях памяти X и Y. Бит 6 – SD, при выходе из состояния останова, если этот бит равен 0, генерируется задержка длительностью 31072 периода тактовой частоты, если бит установлен в 1, задержка составляет 16 периодов. Длительная задержка в некоторых случаях необходима для стабилизации синхронизации. Бит 7 – EA, бит определяет функции 2-х линий порта А, что влияет на режим обращения к внешней памяти. 5.4 Порт А На рисунке 5.10 приведена структура Порта А. Рисунок 5.10 – Структура Порта А Порт А используется для подключения к DSP процессору внешних блоков памяти и различных периферийных устройств. Типичная схема подключения внешних блоков памяти Х и Y приведена на рисунке 5.11. Рисунок 5.11 – Типичная схема подключения внешних блоков памяти Х и Y через порт А 5.5 Таймер DSP56002 Таймер DSP процессора может использовать внутреннюю или внешнюю синхронизацию и может прерывать работу процессора по наступлению переполнения или выдавать сигнал внешним устройствам после подсчёта внутренних событий. Важную роль в работе таймера играет двунаправленная линия TIO. Данная линия может выполнять три функции: 1. ввод/вывод общего назначения; 2. вход таймерного модуля, в этом случае таймер работает как счётчик внешних событий на входе TIO; 3. выход таймерного модуля, на который выдаются пульсации таймера. На рисунке 5.12 приведена структурная схема таймерного модуля. Таймерный модуль включает в себя 24-битный регистр статуса/управления таймером, 24-битный регистр таймера/счётчика, логику выбора синхронизации и генерации прерывания. Рисунок 5.12 – Структура таймера 5.5.1 Программная модель таймерного модуля Программная модель таймерного модуля приведена на рисунке 5.13. Рисунок 5.13 – Программная модель таймера 5.5.1.1 Регистр таймера/счётчика TCR 24-битный регистр TCR содержит величину, загружаемую в счётчик, если таймер разрешён (бит ТЕ=1) или если было декрементировано нулевое значение счётчика (счётчик считает на уменьшение) и произошло новое событие (под событием понимается любой активный сигнал, приводящий к изменению счётчика). Если в TCR загружено число n, то счётчик перезагружается через n+1 событий. Если таймер запрещён (бит ТЕ=0) и производится запись нового значения в TCR, величина, находящаяся там до момента записи, сохраняется и снова загружается в счётчик, когда устанавливается разрешение таймера (бит ТЕ=1). В режиме 4 и 5 TCR может быть загружен текущим значением счётчика по фронту сигнала на линии TIO. 5.5.1.2 Регистр статуса/управления TCSR Регистр статуса/управления определяет состояние таймера в текущий момент времени, что помогает эффективно использовать таймер в программе, и задавать необходимый режим его работы. Информация по режимам работы таймера приведена в таблице 5.2. Таблица 5.2 – Режимы работы таймера TC2 TC1 TC0 TIO Синхронизация Режим GPIO Внутренняя Таймер (режим 0) 1 Выход Внутренняя Импульсный (режим 1) 1 Выход Внутренняя Переключение (режим 2) 1 1 - - Резерв 1 Вход Внутренняя Измерение длительности (режим 4) 1 1 Вход Внутренняя Измерение периода (режим 5) 1 1 Вход Внешняя Счетчик (режим 6) 1 1 1 Вход Внешняя Счетчик событий (режим 7) Литература 1. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.- 2-е изд-ние, перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988.- 304 с.: ил. 2. Измерения в электронике: Справочник/ В.А.Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др.; Под ред. В.А. Кузнецова.- М.: Энергоатомиздат,1987.- 512 с.: ил. 3. Техническое обеспечение цифровой обработки сигналов. Справочник.Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д., Иванова В.Е., Матвиенко Н.И., Усов Д.Ю. - СПб. "ФОРТ", 2000. - 752 с. 4. Шагурин И.И. Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы Motorola: Справочное пособие.- М.: Радио и связь, 1998.- 560 с.: ил. 5. Цифровая и вычислительная техника: Учебник для ВУЗов/ Э.В. Евреинов, Ю.Т. Бутыльский, И.А. Мамзелев и др.; Под ред. Э.В. Евреинова. - М.: Радио и связь, 1991. - 464 с.: ил. 6. Бирюков С.А. Применение цифровых микросхем серий ТТЛ и КМОП.- М.: ДМК, 1999.- 240 с.: ил. (В помощь радиолюбителю)