Основы бортовых вычислительных машин
 Скачать 3.2 Mb.
|
|
Цифро -аналоговым преобразователем (ЦАП) называется электронное устройство, предназначенное для преобразования циф- ровой информации в аналоговую. Они используются для формирова- ния сигнала в виде напряжения или тока, функционально связанного с 219 управляющим кодом. В большинстве случаев эта функциональная за- висимость является линейной. Наиболее часто ЦАП используются для сопряжения устройств цифровой обработки сигналов с система- ми, работающими с аналоговыми сигналами. Кроме этого, ЦАП ис- пользуются в качестве узлов обратной связи в аналого-цифровых преобразователях и в устройствах сравнения цифровых величин с аналоговыми. Схемы ЦАП можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, виду выходного сигнала, полярности выходного сигнала, элементной базе и др. По принципу действия наибольшее распространение получили ЦАП следующих видов: со сложением то- ков, с делением напряжения и со сложением напряжений. В микро- электронном исполнении применяются только первые два типа. По виду выходного сигнала ЦАП делят на два вида: с токовым выходом и выходом по напряжению. Для преобразования выходного тока ЦАП в напряжение обычно используются операционные усили- тели. По полярности выходного сигнала ЦАП принято делить на од- нополярные и двухполярные. Управляющий код, подаваемый на вход ЦАП, может быть раз- личным: двоичным, двоично-десятичным, Грея, унитарным и др. Кроме того, различными могут быть и уровни логических сигналов на входе ЦАП. При формировании выходного напряжения ЦАП под действием управляющего кода обычно используются источники опорного на- пряжения. В зависимости от вида источника опорного напряжения ЦАП делят на две группы: с постоянным опорным напряжением и с изменяющимся опорным напряжением. Кроме этого, ЦАП классифи- цируют по основным характеристикам: количеству разрядов, быстро- действию, точности преобразования, потребляемой мощности. Все параметры ЦАП можно разделить на две группы: статиче- ские и динамические. К статическим параметрам ЦАП относят: раз- решающую способность, погрешность преобразования, диапазон зна- чений выходного сигнала, характеристики управляющего кода, сме- щение нулевого уровня и некоторые другие. К динамическим показателям ЦАП принято относить: время ус- тановления выходного сигнала, предельную частоту преобразования, динамическую погрешность. Рассмотрим некоторые из этих парамет- ров. 220 Разрешающая способность ЦАП определяется как величина, обратная максимальному количеству градаций выходного сигнала. Так, например, если разрешающая способность ЦАП составляет 10 -5 , то это означает, что максимальное число градаций выходного сигнала равно 10 5 . Иногда разрешающую способность ЦАП оценивают вы- ходным напряжением при изменении входного кода на единицу младшего разряда, т. е. шагом квантования. Очевидно, что чем боль- ше разрядность ЦАП, тем выше его разрешающая способность. Погрешность преобразования ЦАП принято делить на диффе- ренциальную и погрешность нелинейности. С ростом кода на входе ЦАП растет и выходное напряжение, однако при увеличении напря- жения могут быть отклонения от линейной зависимости. Погрешно- стью нелинейности называют максимальное отклонение выходного напряжения от идеальной прямой во всем диапазоне преобразования. Дифференциальной погрешностью называют максимальное от- клонение от линейности для двух смежных значений входного кода. Напряжение смещения нуля определяется выходным напряже- нием при входном коде, соответствующем нулевому значению. Время установления уст t — это интервал времени от подачи входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы, определяемые погрешностью. Максимальная частота преобразования — наибольшая частота дискретизации, при которой все параметры ЦАП соответствуют за- данным значениям. По совокупности параметров ЦАП принято делить на три груп- пы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. Быст- родействующие ЦАП имеют время установления меньше 100 нс. К прецизионным относят ЦАП, имеющие погрешность нелинейности менее 0,1%. Существует несколько схем, являющихся базой для построения многих разновидностей ЦАП соответствующего класса. Для форми- рования соответствующих уровней выходного напряжения (или тока) к выходу ЦАП подключается необходимое количество опорных сиг- налов п Е Е Е , 2 1 (или токов п I I I , 2 1 ), либо устанавливают соответ- ствующее дискретное значение коэффициента деления п K K K , 2 1 На рисунке 5.28 приведена схема ЦАП с суммированием токов. В этой схеме используются п опорных источников тока п I I I , 2 1 221 Входной код п b b b , 2 1 управляет ключами п S S S , 2 1 , которые или подключают источники тока к нагрузке, или замыкают их накоротко. При, этом если i b = 0, то соответствующий источник закорочен и в работе схемы не участвует. Если же i b = 1, то соответствующий ис- точник тока подключен к нагрузке. Результирующий ток равен сумме токов опорных источников, для которых i b = l. Напряжение на выхо- де будет равно результирующему току ∑ I умноженному на сопро- тивление н R , т. е. н вых R I U ∑ = (5.5) Так, например, если входной код является двоичным, то резуль- тирующий ток определяется выражением: N I b b b I I n n n 0 0 2 2 1 1 0 ) 2 2 2 ( = + + + = − − ∑ , (5.6) где n — число двоичных разрядов входного тока, N — n-разрядное цифровое слово. Рисунок 5.28 - Упрощенная схема ЦАП с суммированием токов Упрощенная схема ЦАП со сложением напряжений приведена на рисунке 5.29. В этой схеме используется п опорных источников напряжения п Е Е Е , 2 1 . Входной код управляет ключами п S S S , 2 1 , которые или подключают соответствующие источники опорного на- пряжения к нагрузке, или отключают их. Так же, как и для схемы с суммированием токов, при i b = 1 соответствующий источник напря- 222 жения включен, а при i b =0 — выключен. Результирующее напряже- ние на выходе равно сумме напряжений включенных опорных источ- ников. Так, например, для входного двоичного кода выходное напря- жение определяется по формуле N U b b b U U U n n n вых 0 0 2 2 1 1 0 ) 2 2 2 ( = + + + = = − − ∑ . (5.7) Упрощенная схема ЦАП с делением опорного напряжения Е 0 приведена на рисунке 5.30. В этой схеме имеется один источник опорного напряжения и набор калиброванных сопротивлений п R R R , 2 1 , с помощью которых напряжение опорного источника мо- жет быть разделено до значения, соответствующего входному коду. Выходное напряжение для схемы, приведенной на рис. 8, опре- деляется формулой н н вых R R R Е U + = ∑ 0 , (5.8) где ∑ R — результирующее сопротивление устанавливаемое при по- мощи ключей п S S S , 2 1 которые управляются входным кодом. Рисунок 5.29 - Упрощенная схема ЦАП с суммированием напряжений При н R = 0 эта схема превращается в управляемый источник то- ка, т. е. работает так же, как схема со сложением токов. Практически выполнить н R = 0 можно при помощи операционного усилителя с па- раллельной обратной связью. Практическая схема ЦАП со сложением токов обычно выполня- 223 ется на различных резистивных матрацах и одном источнике опорно- го напряжения. На рисунок 5.31 приведена схема ЦАП с суммирова- нием токов, в котором использован один источник опорного напря- жения Е 0 , и резистивная матрица типа R—2R, Рисунок 5.30 - Упрощенная схема ЦАП с делением напряжения изображенная на рисунке 5.31, б. Особенность этой резистивной мат- рицы заключается в том, что при любом положении ключей п S S S , 2 1 входное сопротивление матрицы всегда равно R, а следовательно, ток, втекающий в матрицу, равен R E I / 0 0 = . Далее он последова- тельно делится в узлах А, В, С по двоичному закону. Двоичный закон распределения токов в ветвях резистивной матрицы соблюдается при условии равенства нулю сопротивления нагрузки. Так как нагрузкой резистивной матрицы является операционный усилитель ОУ, охва- ченный отрицательной обратной связью через сопротивление R OC , то его входное сопротивление равно нулю с достаточно высокой точно- стью. Напряжение на выходе операционного усилителя определяется выражением , 2 ) 2 2 2 ( 2 0 0 2 2 1 1 0 N R R Е b b b R R Е U n ос n n n n ос вых = + + + = − − (5.9) где i b = 1, если ключ i S , находится в положении, при котором ток протекает на инвертирующий вход ОУ, и i b = 0, если ключ i S , нахо- дится в положении, при котором ток протекает в общий вывод, п — число разрядов преобразователя. 224 Рисунок 5.31 - Схема ЦАП со сложением токов на резистивной мат- рице типа R—2R (а) и структура резистивной матрицы (б) Максимальное значение выходного напряжения (т. е. напряжение в конечной точке диапазона) имеет место при всех i b = 1 и определя- ется по формуле: , ) 2 1 ( 0 0 max h R R Е R R Е U ос n ос вых − = − = − (5.10) где h — шаг квантования, т. е. приращение выходного напряжения при изменении входного кода на единицу младшего разряда: 2 0 R R Е h n ос = Как следует из формулы (5.9), выходное напряжение ЦАП зави- сит не только от входного кода N, но и от напряжения Е 0 опорного источника. Если допустить, что напряжение Е 0 меняется, то выходное напряжение ЦАП будет пропорционально произведению двух вели- чин: входного кода и напряжения, поданного на вход опорного сиг- нала. В связи с этим такие ЦАП обычно называют перемножающими. 225 В интегральных микросхемах перемножающих ЦАП источник опор- ного напряжения отсутствует, но имеется вход для его подключения. Интегральные микросхемы АЦП имеют буквенное обозначение ПВ, например К572 ПВ2 – АЦП двойного интегрирования с выходом на семисегментный светодиодный индикатор. Микросхемы ЦАП обо- значаются буквами ПА, например К572 ПА2А – двенадцатиразряд- ный ЦАП. 5.3.5 Микропроцессорные средства информационного обмена В состав МПК К580 входят интегральные микросхемы, обеспе- чивающие организацию информационного обмена между МП и внешними устройствами в различных режимах. Их основной особен- ностью является возможность программной настройки микросхемы на конкретные условия информационного обмена. К числу наиболее употребляемых схем относятся параллельный периферийный адаптер К580ИК55, программируемый контроллер прерываний К580ВН59 и контроллер прямого доступа к памяти К580ИК57. Принципы построения микропроцессорных средств информаци- онного обмена и порядок их программной настройки рассмотрим на примере БИС параллельного периферийного адаптера (ППА) К580ИК55. Этот адаптер имеет 24 линии ввода-вывода, которые сгруппиро- ваны в три восьмиразрядных канала (порта) А, В и С, причем канал С разделен на две части: младшие его разряды РСЗ-РСО составляют подканал С1, а старшие разряды РС7-РС4 – подканал С2. Программи- рование адаптера осуществляется с помощью управляющих слов, по- ступающих из процессора в специальный регистр ППА и задающих функциональное назначение каналов и их отдельных линий. С помо- щью программирования можно получить около ста различных кон- фигураций этой БИС, что позволяет обслуживать почти любое ВУ без дополнительной внешней логики. Структурная схема ППА (рисунок 5.32) содержит следующие уз- лы: восьмиразрядный буфер данных (БД), имеющий три устойчивых состояния и обеспечивающий двунаправленную связь внутренней шины ППА с шиной данных микропроцессорного вычислительного устройства (МПВУ); три восьмиразрядных буфера каналов А, В и С, обозначенных БКА, БКВ и БКС1 БКС2; устройство управления запи- 226 сью и чтением (УУ Зп/Чт), которое управляет всеми внутренними пе- ресылками данных, управляющих слов и слов состояния ППА; два устройства управления УУАС1 и УУВС2, связанные соответственно с каналами А и С1 и с каналами В и С2. Рисунок 5.32 Выводы БИС ППА имеют следующее назначение. ЧТ – вход для передачи сигнала считывания информации (байта данных или слова состояния) из ППА в процессор, поскольку опера- ция считывания осуществляется с помощью команды ввода IN, то на вход ЧТ через элемент «И» подаются от микропроцессора сигналы ВВОД и ПРИЕМ, которые перекрываются во времени. ЗП – вход для подачи сигнала занесения информации (байта дан- ных или управляющего слова) из процессора в ППА. Поскольку эта операция осуществляется с помощью команды вывода OUT, то на вход ЗП подаются через элемент «И» сигналы процессора ВЫВОД и ВЫДАЧА. ВК – вход для подачи сигнала разрешения работы ППА. На этом входе, как и на предыдущих двух, активным является нулевой уро- вень сигнала, если же ВК = 1, то буфер данных БД устанавливается в высокоимпедансное состояние. К входу ВК подключается одна из свободных линий шины адреса ША, выделенная для адресации дан- ного ППА, либо один из выходов дешифратора адреса. 227 А1 , А0 – адресные входы, определяющие канал ППА, к которому производится обращение. Код 00 соответствует каналу А, 01 – каналу В, 10 – каналу С, 11 – управляющему регистру, в которой заносится управляющее слово при программировании ППА. СБРОС – вход для подачи сигнала начальной установки ППА, этот вход подключается к системной шине сброса МПВУ. При подаче сигнала СБРОС все каналы установлены в начальное состояние (т.е. 24 выходные линии находятся в высокоимпедансном состоянии). Перед началом выполнения операций ввода-вывода дан- ных через ППА необходимо осуществить его программирование. С этой целью в ППА засылается управляющее слово, которое устанав- ливает требуемый режим работы адаптера. Имеются три основных режима работы ППА: режим 0 – простой ввод-вывод; режим 1 – стробируемый ввод-вывод; режим 2 – двуна- правленная магистраль. В режиме 0 могут работать все три канала, в режиме 1 – каналы А и В, в режиме 2 – только канал А. При программировании ППА используются два формата управ- ляющего слова; первый предназначен для задания режима работы и направления включения каналов; второй – для установки или сброса произвольного разряда канала С. Признак формата содержится в раз- ряде Д7 управляющего слова: 1 соответствует формату 1, а 0 – фор- мату 2. Остальные разряды управляющего слова в первом формате имеют следующее назначение (рисунок 5.33): Д0, Д1, Д3, Д4 – на- правление включения каналов С2, В, С1 и А соответственно (1 озна- чает включение канала на ввод, а 0 – на вывод); Д2 – выбор режима работы группы каналов В и С2 (0 – режим «0», 1 – режим «1»); Д6, Д5 – выбор режима группы каналов А и С1 (00 – режим «0», 01 – режим «1», 10 или 11 – режим «2»). При каждом изменении режима работы, т.е. при поступлении но- вого управляющего слова первого формата, все выходные регистры, а также триггеры состояния ППА сбрасываются. Режимы работы кана- лов А и В задаются независимо и они определяют режим работы подканалов С1 и С2. При работе каналов А и В в режиме 0 оба подка- нала С1 и С2 составляют отдельный восьмиразрядный канал, рабо- тающий в режиме 0. Если каналы А и В работают в режиме 1, или ка- нал А работает в режиме 2, то линии канала С используются для об- мена управляющими сигналами с ВУ и распределяются между кана- лами А и В. 228 Рисунок 5.33 - Формат 1 управляющего слова Разряды управляющего слова во втором формате имеют следую- щее назначение: Д0 – установка (Д0 = 1) или сброс (Д0 = 0) разряда канала С; Д3, Д2, Д1 – двоичный код номера разряда; Д6, Д5, Д4 – не используются. Второй формат используется, например, для формирования за- просов прерывания при работе ППА в режимах 1 и 2. Питание БИС К580ИК55 осуществляется от источника +5 В при токе потребления 40 = n I мА. 229 Глава 6. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ БОРТОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН 6.1 Основное содержание и этапы эксплуатации БВМ Методы контроля работоспособности БВМ тесно связаны с экс- плуатацией ее как объекта обслуживания. От того, насколько рацио- нально они выбраны, будет зависеть эффективность эксплуатацион- ного обслуживания БВМ. Под эксплуатацией БВМ будем понимать комплекс организаци- онных и технических мероприятий, направленных на поддержание БВМ в исправном состоянии и готовности к работе. Организация эксплуатации современных бортовых ЦВМ вклю- чает в себя: обучение и постоянную проверку знаний техническим со- ставом вверенной ему техники; учет работы БВМ и ведение техниче- ской документации; проведение регулярного контроля правильности функционирования БВМ и системы в целом; проведение ремонта БВМ. Бортовая цифровая вычислительная машина должна содержать- ся в состоянии постоянной готовности к работе, ответственность за поддержание которой несут инженерно-технический состав и летные экипажи. Из перечисленных основных положений эксплуатации БВМ сле- дует, что высококачественную эксплуатацию БВМ можно достигнуть при хорошо организованном контроле правильности функционирова- ния отдельных устройств и БВМ в целом. При выборе методов кон- троля основное внимание должно быть обращено на способность ме- тода контроля к обнаружению ошибок, а также на объем аппаратуры и время, затрачиваемое на контроль. Методы контроля, используемые в БВМ, можно разделить на программные и схемные (аппаратные). 6.2 Программные методы контроля работоспособности БВМ Программные методы контроля правильности вычислений предназначены для проверки правильности реализации вычислитель- ного процесса в различных режимах работы БВМ и правильности функционирования всех устройств БВМ. 230 Программные методы контроля основаны на включении в про- граммное обеспечение БВМ специальных контролирующих программ и дополнительных соотношений в общий алгоритм. Программные методы делятся на программно-логический и тестовый контроль. Программно-логический контроль основан на использовании информационной избыточности и предназначен для проверки пра- вильности реализации вычислительного процесса. Информационная избыточность обеспечивается за счет включения в общий алгоритм дополнительных соотношений, позволяющих обнаруживать и ис- правлять ошибки, возникающие при вычислениях. Наиболее широко применяются следующие способы программ- но-логического контроля: двойного просчета со сравнением результа- тов; контрольных соотношений; «усеченного» алгоритма; логическо- го анализа результатов решения; подстановки. Способ двойного просчета со сравнением результатов. Этот спо- соб является наиболее распространенным. Основное его достоинство – простота реализации. Сущность его заключается в том, что вся ра- бочая программа разбивается на отдельные части и после выполнения какого-либо этапа вычислений производится контрольное суммиро- вание всех команд, промежуточных и конечных результатов контро- лируемого этапа. Контрольная сумма запоминается и выполняется повторное вычисление этого этапа с последующим контрольным суммированием. Обе контрольные суммы сравниваются. При сравне- нии выполняется следующий этап вычислений. В случае не сравнения производится третий просчет данного этапа. При совпадении третьей контрольной суммы с одной из предыдущих выполняется следующий этап вычислений. В противном случае подается сигнал экипажу о сбоях в машине. Этот способ имеет следующие недостатки: он увели- чивает время реализации алгоритма, что допустимо лишь при нали- чии избыточного быстродействия БВМ и позволяет обнаруживать и устранять лишь случайные ошибки, вызванные сбоями в машине. При организации контроля способом двойного просчета необхо- димо правильно произвести разбиение алгоритма на контролируемые этапы. В качестве основного критерия при разбиении следует принять обеспечение требуемой вероятности обнаружения ошибки при мини- мальной затрате времени на контроль. Исследования показали, что существует оптимальное число контролируемых участков алгоритма, при котором время, расходуемое на контроль, минимально. |