Микропроцессорные системы

Простейшие электронные часы (рис.9.38) содержат: генератор тактовых импульсов, делители частоты, счетчики, дешифраторы и семисегментные индикаторы.

Генератор тактовых импульсов генерирует прямоугольные импульсы с частотой кратной 2. Чтобы обеспечить высокую точность часов для стабилизации частоты следования импульсов используют кварцевый резонатор. Частота следования импульсов в нашем примере равна f_Г =2¹⁵Гц =32768 Гц.

С помощью набора счетчиков, работающих в режиме деления частоты, частоту следования импульсов понижают до частоты f =2⁰Гц=1 Гц. Импульсы с периодом следования T =1 с поступают на вход десятичного счетчика секунд. Счетчик с модулем счета K_c =6 считает десятки секунд. Следующая пара счетчиков с модулями счета K_c =10 и 6 сосчитывают единицы и десятки минут. Счетчик с K_c =24 считает единицы и десятки часов. Посекундно результаты счета числа импульсов после раскодирования в дешифраторах фиксируются в виде свечения сегментов индикаторов, соответсвующих данному моменту времени.

Рис. 9.38 Структурная схема электронных часов

Ранее рассмотренные нами цифровые устройства выполняют только один ранее заданный набор операций. В отличие от них микропроцессор (МП) выполняет операции по заданной программе, которую можно менять, т. е. микропроцессор обладает «гибкой» логикой.

Микропроцессор (МП) – программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации и управление им.

Уровень интеграции в современной микроэлектронике позволил реализовать МП на одной СБИС.

Выполнение заданной программы осуществляется в микропроцессорной системе (МПС). Основными составными частями МПС являются микропроцессор, память, устройства ввода/вывода, интерфейсные схемы.

Как видно из обобщенной схемы, показанной на рис. 9.39, типичная микропроцессорная система имеет магистрально-модульную структуру. МПС содержит

центральное процессорное устройство (ЦПУ, англ. CPU),

оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, англ. RAM),

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, англ. ROM),

Рис. 9.39. Обобщенная структурная схема микропроцессорной системы

Кроме этих основных модулей МПС имеет группу магистралей (шин). Для того чтобы процессор мог управлять МПС, он соединен со всеми модулями шинами. Шина – это набор параллельных проводников, число которых определяет разрядность передаваемого цифрового сигнала. Термин «шина» применяется как синоним термина «интерфейс». В любой МПС имеется три основные шины: шина адреса ША, шина данных ШД и шина управления ШУ. Англоязычный эквивалент их названий – AB (Address Bus), DB (Data Bus), CB (Control Bus).

По ША передается цифровой код адреса ячейки памяти или номер порта ввода/вывода, к которому в данный момент обращается процессор.

Шина данных ШД предназначена для передачи данных от процессора к периферийным устройствам, а также и в обратном направлении – от периферийного устройства к процессору.

Для управления процессами обмена информации в МПС имеется специальный набор линий, объединенных в шину управления ШУ. По ним передаются, например, сигналы чтения (RD), записи (WR), инициализации ОЗУ, ПЗУ (MREQ), портов ввода/вывода (IORQ). Активным уровнем обычно является логический ноль. Например, при работе процессора с памятью сигнал на выходе MREQ активный – равен лог. 0. На шину адреса из процессора сначала поступает адрес нужной ячейки. При работе оперативной памяти она затем получает управляющий сигнал чтения (RD) или записи (WR), которые указывают требуемое направление передачи данных между ОЗУ и процессором. Постоянная память используется только для чтения и в подобных сигналах не нуждается.

Сигналы R/D поступают также и на порты ввода/вывода. Однако порты на него реагируют т.к. сигнал IORQ равен лог. 1. При управляющем сигнале IORQ равном лог. 0 (MREQ равен лог. 1) операция чтения/записи в порт происходит аналогично операциям чтения/записи ОЗУ.

1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. -М.: Высшая школа,1983, -535с.; 1988. – 446 с.

2. Чеботарев В.И. Теоретические основы радиотехники. Часть 1: Учебн.

3. Чеботарев В.И. Теоретические основы радиотехники. Часть 2: Учебн. пособие. – Х.: Изд-во ХГУ, 1990.– 102 с.

4. Бобровников Л. З. Электроника: Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. – СПб.: Питер, 2004. – 560 с.

5. Бойко В. И., Гурский А. Н., Жуков В. Я., Зорг А. А., Спивак В. М. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства/– СПб.: БХВ – Петербург, 2004. – 496 с.

6. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи: Учеб. для вузов. – М.: Высшая школа, – 2002.– 321 с.

7. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс). Учебник для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. – 768 с.

8. Сисоєв В.М. Основи радіоелектроніки. – К.: Вища школа, 2004.– 279 с.

9. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 528 с.

10. Бабич Н.П., Жуков И.А. Основы цифровой схемотехники: Учебное пособие. – М.: Изд. дом «Додэка-XXI», К.: «МК-Пресс», 2007. – 480 с.

11. Радіотехніка: Енциклопедичний навчальний довідник: Навч. Посібник / За ред. Ю.Л. Мазора, Є.А. Мачуського, В.І. Правди. – К.: Вища шк., 1999. – 838 с.

12. Основы теории цепей / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 526 с.

13. Лосев А.К. Теория линейных электрических цепей: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1987,– 512 с.

14. Андреев В.С. Теория нелинейных электрических цепей: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1982. – 280 с.

15. Радиотехнические цепи и сигналы./Д.В. Васильев, М.Р. Витоль, Ю.Н. Горешников и др.; Под ред. К.А. Самойло. – М.: Радио и связь, 1982.–526 с.

16. Чеботарьов В.І., Ляховський А.Ф., Думін О.М. Електронні підсилювачі / Під. ред. В.І. Чеботарьова – Х.: ХНУ імені В.Н. Каразіна, 2005. – 132 с.

17. Чеботарев В.И., Думин А.Н., Холодов В.И. Полупроводники в радиоэлектронике. Учебно-методическое пособие по основам радиоэлектроники для самостоятельной работы студентов физических специальностей / Под. ред. Чеботарева В.И. – Харьков: ХНУ имени В.Н. Каразина, 2004. – 52 с.

18. Чеботарьов В.І., Думін О.М., Ляховський А.Ф. Аналіз режиму спокою в підсилювальних колах. Навчально-методичний посібник із схемотехніки радіоелектронних пристроїв для студентів фізичних спеціальностей / Під. ред. Чеботарьова В.І. Харків: ХНУ імені В.Н. Каразіна, 2004. – 20 с.

19. Чеботарев В.И., Думин А.Н., Ляховский А.Ф. Схемотехника усилительных каскадов. Учебно-методическое пособие по схемотехнике радиоэлектронных устройств для самостоятельной работы студентов физических специальностей / Под. ред. Чеботарева В.И. – Харьков: ХНУ имени В.Н. Каразина, 2004. – 32 с.

20. Чеботарев В.И., Думин А.Н., Холодов В.И. Генераторы электрических колебаний. Учебно-методическое пособие по основам радиоэлектроники для самостоятельной работы студентов физических специальностей / Харьков: ХНУ имени В.Н. Каразина, 2007. – 84 с.

21. Чеботарев В.И., Думин А.Н., Ляховский А.Ф., Ляховский А.А. Усилители. Анализ режима усиления сигналов. Учебно-методическое пособие по анализу усилительных устройств для самостоятельной работы студентов физических специальностей / Под. ред. Чеботарева В.И. – Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2008. – 61 с.

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….. 2. 1. РАДИОТЕХНЕЧИСКИЕ СИГНАЛЫ…………………………………... 1.1 Классификация сигналов……………………………………………….. 1.2. Гармонические сигналы и их представление…………………………. 1.3. Спектральное представление сигналов……………………………….. 1.3.1.Спектр периодических сигналов……………………………….. 1.3.2. Спектр непериодических сигналов……………………………. 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ………………………………………… 2.1. Общие понятия и элементы теории электрических цепей………….. 2.2. Методы анализа электрических цепей……………………………….. 2.2.1. Основы метода комплексных амплитуд……………………….. 2.2.2. Комплексное сопротивление и комплексная проводимость….. 2.2.3. Методы составления уравнений состояния цепей………………. 2.2.4. Элементы теории четырехполюсников………………………… 2.3. Частотные характеристики линейных цепей с сосредоточенными параметрами…………………………………………. 3. ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ……………… 3.1 Электрофизические свойства полупроводников………………………….. 3.2. Электронно-дырочный переход……………………………………………. 3.3. Диоды……………………………………………………………………….. 3.4. Транзисторы……………………………………………………………… 3.4.1. Биполярные транзисторы…………………………………………….. 3.4.2. Полевые транзисторы………………………………………………… 3.4.2.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом………… 3.4.2.2. Полевые транзисторы с индуцированным каналом…………… 3.4.2.3. Полевые транзисторы со встроенным каналом……………….. 3.4.3. Дифференциальные параметры и эквивалентные схемы замещения транзисторов………………………………………. 4. УСИЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ………………………. 4.1. Общие сведения………………………………………………………… 4.2. Основные положения линейной теории усиления сигналов………… 4.2.1. Анализ режима покоя. Схемотехника усилительных цепей…... 4.2.2. Анализ режима усиления………………………………………… 4.3. Частотные характеристики усилителя на резисторах………………... 4.4. Избирательные усилители …………………………………………….. 4.4.1. Резонансный усилительный каскад с общим эмиттером………. 4.4.2. Каскады со связанными контурами……………………………... 4.5. Обратные связи в электронных усилителях…………………………... 4.6. Повторители напряжения………………………………………………. 4.7. Усилители постоянного тока ………………………………………….. 4.8. Операционные усилители …………………………………………….. 4.9. Оконечные каскады усилителей мощности ………………………… 5. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ……………… 5.1. Общие сведения………………………………………………………… 5.2. Автогенераторы гармонических колебаний…………………………... 5.2.1. LC -автогенератор с индуктивной связью………………………. 5.2.2.Трехточечные LC – автогенераторы………………………….. 5.2.3. RC – автогенераторы……………………………………………… 5.2.3.1. RC – автогенератор с фазосдвигающей цепочкой……………. 5.2.3.2. RC – автогенератор с мостом Вина на ОУ…………………….. 6. АВТОГЕНЕРАТОРЫ РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ ………… 6.1. Общие сведения…………………………………………….…………... 6.2. Мультивибратор на биполярных транзисторах………………………. 6.3. Мультивибратор на операционном усилителе……………………….. 7. НЕЛИНЕЙНЫЕ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ…………………………………………………………………. 7.1. Общие сведения………………………………………………………... 7.2. Нелинейное резонансное усиление и умножение частоты………….. 7.3. Модуляция сигналов…………………………………………………… 7.3.1. Амплитудная модуляция ………………………………………... 7.3.2. Угловая модуляция..…………………………………………… 7.4. Детектирование сигналов……………………………………………… 7.4.1. Детектирование амплитудно-модулированных сигналов…… 7.4.2. Детектирование сигналов с угловой модуляцией…………… 7.5. Преобразование частоты……………………………………………… 7.6. Синхронное детектирование………………………………………… 7.7. Параметрическое усиление…………………………………………… 8. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ………………… 8.1. Общие сведения………………………………………………………... 8.2. Выпрямители……………………………………………………………. 8.2.1. Однополупериодный выпрямитель……………………………... 8.2.2. Мостовой двухполупериодный выпрямитель…………………... 8.3. Сглаживающие фильтры……………………………………………… 8.4. Стабилизаторы напряжения…………………………………………… 9. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ…………………………………… 9.1. Общие сведения о цифровой обработке сигналов…………………… 9.2. Цифровое представление информации. Цифровые коды…………… 9.3. Основы алгебры логики……………………………………………… 9.4. Логические элементы (ЛЭ) …………………………………………… 9.5. Представление логических переменных электрическими сигналами………………………………………………………………… 9.6. Базовые логические элементы. Их классификация, схемотехника и принцип действия……………………………………… 9.7. Классификация логических устройств……………………………… 9.8. Комбинационные логические устройства (КЛУ)…………………… 9.8.1. Синтез КЛУ………………………………………………………… 9.8.2. Логическое устройство неравнозначности (Исключающее ИЛИ)……………………………………………………. 9.8.3. Логическое устройство равнозначности (Исключающее ИЛИ-НЕ)………………………………………………. 9.8.4. Полусумматор одноразрядных двоичных чисел …………….. 9.8.5. Сумматор одноразрядных двоичных чисел…………………… 9.8.6. Сумматор одноразрядных десятичных чисел………………… 9.8.7. Преобразователи кодов…………………………………………… 9.8.8. Шифраторы и дешифраторы…………………………………… 9.8.9. Мультиплексоры и демультиплексоры………………………… 9.9. Последовательностные логические устройства (ПЛУ)……………… 9.9.1. Триггеры………………………………………………………… 9.9.2. Счетчики………………………………………………………… 9.9.3. Регистры……………………………………………………… 9.10. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи………… 9.11. Запоминающие устройства…………………………………………… 9.12. Примеры цифровых систем…………………………………………... 9.12.1. Электронные часы……………………………………………. 9.12.2. Микропроцессорные системы……………………………….. ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………