Теория автоматического управления. Часть 8. Дискретные системы

1. Теория Автоматического Управления Часть 8

1
Полулях Антон Иванович,
к.т.н., доцент кафедры АД,
зам. начальника отдела
проектирования систем
автоматического управления

2. 8. Дискретные системы

2
Определение аппаратных и программных средств
Общая структура микропроцессорной системы представлена на
рис. 1

3. 8. Дискретные системы

3
Аппаратные средства включают в себя: микропроцессор,
запоминающее устройство, устройства ввода вывода,
вспомогательные устройства и линии связи между ними.
Программные средства включают систему команд
микропроцессора, а также средства для разработки программ, по
которым работает микропроцессорная система (в том числе
трансляторы).
Аппаратные средства
Архитектура микропроцессора — описание устройства
микросхемы в виде крупных структурных единиц (блоков).
Интерфейс микропроцессора — описание выводов микросхем и
правил изменения сигналов на них.

4. 8. Дискретные системы

4
Микропроцессорный комплект — набор микросхем, совместимых
друг с другом с точки зрения интерфейса.
Совместимость с точки зрения интерфейса предполагает
логическую и физическую совместимость.
Логическая совместимость — совместимость с точки зрения
состава и назначения выводов. Например, на рис. 2 представлены
две логически совместимые микросхемы — они имеют
одинаковые выводы для управления обменом.

5. 8. Дискретные системы

5
Под физической совместимостью интерфейсов понимается
одинаковость их электрических параметров (уровни напряжений,
способ кодирования логических "0" и "1").
Изучение аппаратных средств МПС предполагает изучение
архитектуры и интерфейса входящих отдельных устройств, таких
как МП, ЗУ, УВВ и вспомогательные устройства.

6. 8. Дискретные системы

6
Программные средства
Работа программных средств строится по следующей
схеме (рис. 4)
При написании программы на языке высокого уровня,
транслятор осушествляет ее перевод в команды
микропроцессора. При этом перевод не всегда бывает
оптимальным с точки зрения размера получаемого
набора команд и быстродействия (времени
выполнения программы). Это происходит вследствие
того, что транслятор переводит выражения языка
высокого уровня в команды микропроцессора по неким
общим правилам без учета специфики конкретных
участков программы, и программист не может
воздействовать на процесс этого перевода.

7. 8. Дискретные системы

7
В некоторых случаях неоптимальность трансляции играет
отрицательную роль (например, если важен размер
результирующего машинного кода или его время его выполнения
процессором). В этих случаях для составления исходной
программы используется язык "Ассемблер", в котором каждый
оператор соответствует одной строго определенной команде
микропроцессора. Поскольку каждый микропроцессор имеет свою
собственную систему команд, язык "Ассемблер" индивидуален для
каждого МП.
Так как "Ассемблер" тоже является языком программирования,
программа написанная на нем также должна быть преобразована
в команды микропроцессора с помощью транслятора.

8. 8. Дискретные системы

8
Но так как каждый оператор "Ассемблера" всегда преобразуется в
одну определенную команду МП, программист, составляя
программу на языке "Ассемблер", имеет возможность
непосредственно определять результирующий набор команд, в
который в конечном итоге будет преобразована программа.
Однако программирование на "Ассемблере" является весьма
трудоемкой задачей. Поэтому часто применяют комбинированный
способ разработки программ: программа пишется на языке
программирования высокого уровня (C, Pascal, Basic), а
определенные части, для которых важна скорость выполнения,
пишутся на языке "Ассемблер".

9. 8. Дискретные системы

9
Изучение программных средств МПС предполагает изучение
системы команд МП (на примере какого-либо конкретного
микропроцессора, так как системы команд разных МП различны).
Изучение системы команд МП также удобно вести с
использованием "Ассемблера", так как каждый оператор этого
языка соответствует определенной команде МП.

10. 8. Дискретные системы

10
Обобщенная архитектура микропроцессора
Обобщенная архитектура микропроцессора представлена на
рис. 1

11. 8. Дискретные системы

11
Устройство управления управляет работой микропроцессора,
обменом с внешними устройствами и обработкой информации. В
состав устройства управления входит уже известный нам
дешифратор команд.
Аккумулятор предназначен для временного хранения операндов
или результатов операции. Если один из операндов хранится в
аккумуляторе, операция выполняется максимально быстро.
Аккумулятор представляет собой регистр, разрядность которого
совпадает с разрядностью микропроцессора.
Регистры общего назначения — набор регистров,
предназначенных для временного хранения операндов,
результатов операций или других данных.

12. 8. Дискретные системы

12
Вообще операнды, используемые в команде, могут храниться
либо в одном из внутренних регистров микропроцессора, либо в
запоминающем устройстве. Естественно, обращение к операндам,
находящимся в ЗУ занимает больше времени.
Поэтому часто используемые данные, результаты операций,
используемые как операнды для последующих операций,
хранятся во внутренних регистрах микропроцессора —
аккумуляторе или регистрах общего назначения. Количество
регистров общего назначение различно у разных МП.

13. 8. Дискретные системы

13
Способ задания местоположения операндов в команде
называется методом адресации. Существуют следующие
основные методы адресации:
Непосредственная адресация — значение операнда указывается
в самой команде (в виде числа);
Прямая адресация — в команде указывается адрес ячейки ЗУ, в
которой находится операнд;
Неявная адресация — местоположение операнда явно не
указывается, но из описания операции известно, где он находится.
Регистровая адресация — операнд находится в одном из
регистров общего назначения микропроцессора или в
аккумуляторе. В команде указывается имя (номер,
идентификатор) этого регистра.

14. 8. Дискретные системы

14
Регистр признаков (регистр "флагов") — регистр, каждый бит
которого ("флаг") имеет собственное значение и содержит
информацию об определенном событии, произошедшем или не
произошедшем в процессе выполнения предыдущей команды.
Наиболее важными "флагами" являются "флаг" нуля (ZF) и "флаг"
знака (NF). "Флаг" нуля равен единице, если в результате
предыдущей команды был получен ноль (нулевой результат).
"Флаг" знака равен единице, если в результате выполнения
предыдущей команды было получено отрицательное число. Эти
"флаги" могут быть использованы для организации сравнения
чисел.

15. 8. Дискретные системы

15
Например, необходимо проверить условие
. Для этого
достаточно провести вычитание
и проанализировать "флаг"
нуля: если ZF=1, значит результат вычитания был нулевым и
величины a и b равны. Если ZF=0 — не равны. Аналогично, если
после операции вычитания "флаг" знака установился в 1, это
говорит о том, что был получен отрицательный результат, то есть
значение b больше a значения.
Счетчик команд хранит адрес следующей выполняемой команды.
После загрузки очередной команды содержимое счетчика команд
увеличивается таким образом, чтобы он опять указывал на
следующую команду. При этом предполагается, что в ЗУ команды
программы лежат последовательно друг за другом. Если же
порядок выполнения команд изменяется (например, при вызове
подпрограммы), адрес очередной команды заносится в счетчик
команд с помощью специальной команды ветвления.

16. 8. Дискретные системы

16
При выполнении программы часто возникает такая специфическая
ситуация, как вызов подпрограммы. При переходе к подпрограмме
в счетчик команд записывается новое значение, соответствующее
адресу первой команды подпрограммы. После окончания
выполнения подпрограммы, должно быть продолжено выполнение
основной программы. Таким образом, перед вызовом
подпрограммы необходимо запомнить адрес следующей команды
основной программы ("адрес возврата"), для того, чтобы загрузить
его в счетчик команд ("восстановить счетчик команд") по
окончании выполнения подпрограммы. При этом нужно учитывать,
что вызовы подпрограмм могут быть "вложенными" (из первой
вызывается вторая, из второй третья и так далее). Для сохранения
адресов возвратов из подпрограмм используется специально
организованное запоминающее устройство, называемой стеком.

17. 8. Дискретные системы

17
Стек организован по принципу "последним вошел — первым
вышел". Схема работы стека при помещении в него информации
представлена на рис. 2.
Стек представляет собой набор ячеек (регистров), но запись
нового числа ( a) всегда происходит только в самую верхнюю
ячейку, называемую "вершиной" стека.

18. 8. Дискретные системы

18
При записи следующего числа (b ), первое "продвигается" дальше,
вглубь стека, вершина стека освобождается и в нее записывается
второе число. Запись третьего ( c) и последующих чисел
происходит аналогично.
Извлечение данных из стека происходит в обратном порядке
(рис. 3). Извлечено может быть только число, находящееся в
вершине стека. При его извлечении, находящиеся в стеке данные
"продвигаются" вверх и следующее число занимает место в
вершине стека и может быть извлечено из него.

19. 8. Дискретные системы

19
При записи следующего числа (b ), первое "продвигается" дальше,
вглубь стека, вершина стека освобождается и в нее записывается
второе число. Запись третьего ( c) и последующих чисел
происходит аналогично.
Извлечение данных из стека происходит в обратном порядке
(рис. 3). Извлечено может быть только число, находящееся в
вершине стека. При его извлечении, находящиеся в стеке данные
"продвигаются" вверх и следующее число занимает место в
вершине стека и может быть извлечено из него.

20. 8. Дискретные системы

20
Стек может быть организован аппаратно или программноаппаратно.
Аппаратный стек — это специальным образом организованная
группа регистров. При помещении данных в вершину стека, его
содержимое физически "продвигается" путем перезаписи
информации между регистрами. Работа аппаратного стека
контролируется специальным блоком управления. Недостаток
такого стека – аппаратная сложность и ограниченность объема
данных, которые могут быть сохранены.
В случае программно-аппаратного стека в качестве стека
используется специально выделенная область основного
запоминающего устройства. Одна из ячеек этой области является
вершиной стека и ее адрес хранится в специальном регистре
микропроцессора, называемом "указатель стека".

21. 8. Дискретные системы

21
Именно такой вариант является наиболее распространенным и
представлен на рис. 1 При записи данных в стек, уже находящиеся
там данные никуда не перемещаются, а "перемещается" вершина
стека (путем изменения значения указателя стека), (см. рис. 4).
Запись данных всегда происходит в ячейку, являющуюся в данный
момент вершиной стека, адрес которой хранится в указателе
стека.

22. 8. Дискретные системы

22
При извлечении данных из стека указатель перемещается в
обратном направлении (рис. 5). Чтение данных всегда происходит
из ячейки, являющейся вершиной стека.

23. 8. Дискретные системы

23
Недостаток программно-аппаратного стека — большее, чем в
случае просто аппаратного стека, время, необходимое для
записи/извлечения данных. Объясняется это необходимостью
обращения к основному ЗУ при каждой операции со стеком.
Достоинства — простота аппаратной реализации и отсутствие
жестких ограничений на размер стека (фактически его размер
ограничен только размером основного ЗУ).
Использование стека для хранения адресов возвратов из
подпрограмм позволяет получать адреса возврата в порядке,
обратном их помещению. И таким образом обеспечить корректный
возврат из подпрограмм даже в случае вложенных вызовов.

24. 8. Дискретные системы

24
В большинстве современных процессоров основной стек,
доступный программам, имеет программно-аппаратную
реализацию. Соответственно, МП имеет в своем составе региструказатель стека. Аппаратный стек применяется в
специализированных процессорах
Таким образом, мы рассмотрели обобщенную архитектуру
микропроцессора, включающую в себя АЛУ, УУ с ДШК,
аккумулятор, РОН, счетчик команд, регистр флагов и указатель
стека.

25. 8. Дискретные системы

25
Обобщенный интерфейс микропроцессора
Обобщенный интерфейс микропроцессора включает шину данных,
шину адреса и шину управления (рис. 1).
Каждая шина состоит из нескольких проводников (линий связи),
идущих параллельно.
Разрядность шины данных определяется разрядностью
микропроцессора.

26. 8. Дискретные системы

26
Разрядность шины адреса
определяется разрядностью
адреса, используемого в данном
микропроцессоре, и может
отличаться от разрядности шины
данных. Количество же линий в
шине управления зависит от
микропроцессора и способа
организации в нем обмена с
другими устройствами, входящими в
состав МПС.
Обобщенный интерфейс
микропроцессора представлен на
рис. 2.

27. 8. Дискретные системы

27
Интерфейс включает шину данных (в данном случае для примера
— 16-ти разрядную), 16-разрядную шину адреса и шину
управления, в которую входят сигналы, предназначенные для
управления обменом в параллельном формате. Для реализации
асинхронного обмена предусмотрен сигнал проверки готовности
READY, с помощью которого ведомое устройство сообщает
микропроцессору о своей готовности к обмену.
Часто с целью уменьшения количества выводов микропроцессора,
для передачи адреса и данных используют одни и те же линии.
При этом передача адреса и данных происходит в разные
моменты времени (разделение во времени).

28. 8. Дискретные системы

28
Такой способ организации шины получил название
мультиплексированная шина адреса-данных (рис. 3)

29. 8. Дискретные системы

29
Для организации обмена по прерываниям в интерфейсе
микропроцессора должны быть предусмотрены специальные
управляющие сигналы (они входят в состав шины управления),
(см. рис. 5).

30. 8. Дискретные системы

30
Сигнал INT — запрос на прерывание от внешнего устройства.
Сигнал INTA — подтверждение прерывания (микропроцессор этим
сигналом сообщает внешнему устройству, что он готов обработать
запрос). Сигнал NMI — запрос немаскируемого прерывания,
аналогичен сигналу INT. Немаскируемое прерывание
обрабатывается микропроцессором всегда, в то время как
обработка обычных прерываний (по входу INT) может быть
запрещена (с помощью специальной команды) на время
выполнения критических участков программы. Ко входу запроса
немаскируемого прерывания обычно подключаются сигналы,
информирующие МП о событиях, имеющих жизненно важное
значение для работы МПС (например, сигнал о понижении
напряжения питания — микропроцессор должен принять
немедленные меры для сохранения данных).

31. 8. Дискретные системы

31
Временная диаграмма изменения сигналов
запроса/подтверждения прерывания приведена на рис. 6
Временной разрыв между активизацией сигналов INT и INTA
вызван необходимостью завершения текущей команды
микропроцессором.

32. 8. Дискретные системы

32
В дополнении к указанным сигналам, на микропроцессор
обязательно подаются тактовые импульсы от тактового
генератора, которые позволяют синхронизировать работу всех
узлов процессора (рис. 7).
Для подачи импульсов служит вход CLK микропроцессора.

33. 8. Дискретные системы

33
Команды микропроцессора. Система команд
Алгоритм — строго определенная последовательность действий,
направленная на достижение заданного результата.
Программа — запись алгоритма с использованием языка
программирования.
При рассмотрении основных принципов построения
микропроцессора, любой алгоритм может быть представлен в
виде последовательности простейших действий. Следовательно,
программа, описывающая алгоритм на языке программирования,
должна быть преобразована в этот набор простейших действий.

34. 8. Дискретные системы

34

35. 8. Дискретные системы

35
КОД ХЕММИНГА
В качестве контрольных символов Р.Хеммингом было предложено
использовать те позиции в кодовых комбинациях,
которые содержат только одну единицу (в двоичном
представлении номера позиции символа). Эти позиции
соответствуют
номерам, кратным степени двойки: 1,2,4,8,… Каждый из
контрольных символов формируется всеми информационными
символами, входящими в кодовую комбинацию и содержащими
единицу (опять же в двоичном представлении номера
позиции символа), соответствующую контрольному символу.

36. 8. Дискретные системы

36
Распределение сфер влияния контрольных битов для кода (7,4,3)
Проверочные символы сi определяются информационными
символами аi из следующих соотношений

37. 8. Дискретные системы

37
Распределение сфер влияния контрольных битов для кода (7,4,3)

38. 8. Дискретные системы

38

39. 8. Дискретные системы

39
Представим операцию в следующем виде (рис. 3)

40. 8. Дискретные системы

40
Команда — указание микропроцессору выполнить некоторое
действие. Команда должна включать информацию об операндах и
описание самой операции, которую необходимо выполнить.
Структура команды получила название "формат команды" (рис. 4).
Так как описание операции может быть достаточно громоздким,
нецелесообразно иметь его непосредственно в составе команды.
Учитывая, что каждый микропроцессор способен выполнить
ограниченное количество операций, каждой операции может быть
присвоен числовой код — код операции (КОП). В самой команде
при этом можно указывать только этот код, который будет
характеризовать операцию (рис. 5).

41. 8. Дискретные системы

41
В составе микропроцессора необходимо иметь блок, который по
коду операции будет определять собственно ее описание —
последовательность элементарных действий, которые должны
быть выполнены. Такой блок называется дешифратором команд
и входит в состав устройства управления микропроцессора
(рис. 6).

42. 8. Дискретные системы

42

43. 8. Дискретные системы

43
Дешифратор команд можно представить в виде таблицы из двух
столбцов, в одном из них — код операции, в другом – ее описание.
Получив очередную команду, блок управления обращается к
дешифратору команд, передает ему код операции и получает
описание операции в виде последовательности элементарных
действий, которые затем выполняются.
Вся совокупность команд, которая может выполняться
микропроцессором, называется системой команд. В систему
команд входит ограниченное число команд. Естественно, все они
должны быть представлены в дешифраторе команд —
микропроцессор не может выполнить команду, код которой
неизвестен дешифратору.

44. 8. Дискретные системы

44
Таким образом, преобразование, представленное на рис. 1
представляет собой преобразование программы, написанной на
языке программирования, в последовательность команд
микропроцессора. Оно называется трансляцией и выполняется
специальной программой — транслятором. Трансляторы
подразделяются на компиляторы (преобразуют сразу всю
программу) и интерпретаторы (выполняют построчное
преобразование и исполнение программы).

45. 8. Дискретные системы

45
Обобщенная архитектура и интерфейс запоминающего
устройства
Запоминающее устройство представляет собой набор ячеек
(регистров), каждая из которых может хранить определенное
количество (как правило, 1 байт) информации. Регистр состоит из
элементарных запоминающих элементов, каждый из которых
хранит информацию о состоянии одного бита. Так как бит может
иметь только два значения, элементарный запоминающий
элемент также должен иметь два устойчивых состояния. Такой
элемент получил название триггера. Таким образом, ячейка ЗУ
состоит из триггеров, каждый из которых хранит значение одного
бита. К каждой ячейке ЗУ возможно индивидуальное обращение
со стороны МП для чтения или записи информации.

46. 8. Дискретные системы

46
Запоминающие устройства подразделяются на постоянные
запоминающие устройства и оперативные запоминающие
устройства.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM — Read Only
Memory) предназначено для хранения неизменяемой
информации. Информация из него может быть только прочитана и
не может быть записана (изменена) микропроцессором. ПЗУ
является энергонезависимым — при отключении питания
информация в нем сохраняется. ПЗУ предназначено для хранения
команд программы и различных констант, используемых при
выполнении вычислений и обработки данных.

47. 8. Дискретные системы

47
Классификация ПЗУ:
ПЗУ масочного типа (ПЗУ, однократно программируемое при
изготовлении). Программируется однократно при изготовлении
микросхемы (в заводских условиях).
ПЗУ, однократно программируемые у заказчика. Изготавливаются
"чистыми", информация заносится с помощью специального
устройства (программатора) разработчиком или изготовителем
микропроцессорной системы. После занесения информации
("программирования") изменение ее невозможно.

48. 8. Дискретные системы

48
ПЗУ многократного программирования. Аналогичны предыдущему
типу, но информация может быть стерта и записана вновь (то есть
можно модифицировать данные и заменять их другими). По
способу стирания информации подразделяются на:
– ПЗУ с электрическим стиранием — стирание информации
выполняется путем подачи напряжения определенной
величины на специальные входы микросхемы.
– ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием — стирание информации
производится путем облучения кристалл ПЗУ
ультрафиолетовым излучением с определенной длиной волны
в течение определенного времени (через отверстие в корпусе
микросхемы).

49. 8. Дискретные системы

49
Стоимость ПЗУ минимальна для ПЗУ масочного типа и
максимальны у ПЗУ многократного программирования.
Соответственно и области использования у них различны.
ПЗУ масочного типа применяют при серийном изготовлении
крупных партий микропроцессорных систем. ПЗУ однократного
программирования — при единичном производстве.
Перепрограммируемые ПЗУ — при разработке и отладке
системы, когда часто возникает необходимость в модификации
программного обеспечения.

50. 8. Дискретные системы

50
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM — Random
Access Memory) позволяет записывать и считывать данные
средствами микропроцессора. При отключении питания данные не
сохраняются, таким образом, ОЗУ не является
энергонезависимым. ОЗУ используется, как правило, для
временного хранения промежуточных данных в процессе
расчетов.
Классификация ОЗУ:
ОЗУ статического типа. В качестве запоминающих элементов
(триггеров) используются транзисторные ключи.
ОЗУ динамического типа. В качестве запоминающих элементов
используются электрические емкости, которые могут находиться в
заряженном или разряженном состоянии.

51. 8. Дискретные системы

51
ОЗУ статического типа отличаются большим быстродействием, но
более дороги и менее компактны. ОЗУ динамического типа более
компактны и дешевы, но требуют более сложной схемы
подключения. Дело в том, что электрические емкости, образующие
ОЗУ динамического типа, обладают свойством саморазрядки. Для
сохранения информации в этих условиях используется механизм
регенерации (обновления) информации в ОЗУ.
ОЗУ статического типа используются в тех случаях, когда
необходимо обеспечить высокое быстродействие ЗУ при
небольшом его объеме (например, кэш-память). ОЗУ
динамического типа используют при организации ЗУ большого
объема, так как в этом случае становятся важными вопросы
компактности и стоимости такого ЗУ.

52. 8. Дискретные системы

52
Обобщенная архитектура ЗУ представлена на рис. 1

53. 8. Дискретные системы

53
Классификация устройств ввода-вывода
Передача данных внутри МПС осуществляется в параллельном
формате. Обмен данными между МПС и внешними устройствами
возможен как в параллельном, так и в последовательном
формате. Исходя из этого, УВВ подразделяются на:
УВВ, обеспечивающие обмен с внешними устройствами в
параллельном формате;
УВВ, обеспечивающие обмен с внешними устройствами в
последовательном формате (в этом случае имеет место
преобразование данных из параллельного формата,
используемого внутри МПС, в последовательный формат).

54. 8. Дискретные системы

54
Параллельный программируемый интерфейс
УВВ, обеспечивающие обмен с внешними устройствами в
параллельном формате носит название параллельного
программируемого интерфейса, иногда также называемого
параллельным портом. Архитектура его представлена на рис. 1.

55. 8. Дискретные системы

55
Буфер шины данных — усилитель, предназначенный для
подключения к шине данных МПС.
Устройство управления управляет работой параллельного порта.
К устройству управления подходят управляющие сигналы RD, WR,
CS.
Порт представляет собой регистр и усилитель, обеспечивающий
подключение к разрядам регистра внешних линий связи. При
работе порта в режиме вывода данных, информация,
содержащаяся в регистре, выдается на линии порта в виде
соответствующих напряжений. При работе порта в режиме ввода
данных, внешнее устройство устанавливает на линиях порта
напряжения, соответствующие передаваемым данным, при этом в
регистре порта устанавливаются значения, соответствующие этим
напряжениям, т.е. передаваемые данные.

56. 8. Дискретные системы

56
Регистр управления содержит данные, определяющие режим
работы параллельного интерфейса (например, направление
передачи данных через порт — ввод или вывод). Настройка
интерфейса на требуемый режим работы (программирование)
осуществляется путем записи соответствующего значения в
регистр управления. Эта запись выполняется микропроцессором
перед началом работы с УВВ.
Адресные линии (A0, A1) необходимы для выбора внутреннего
регистра, в который будет происходить запись (чтение)
информации при выполнении цикла обмена с МП. В
представленном на рисунке примере имеются только два
внутренних регистра — сам порт и регистр управления. Часто в
одной микросхеме помещают несколько портов.

57. 8. Дискретные системы

57
Последовательный программируемый интерфейс
Обобщенная архитектура УВВ, обеспечивающие
последовательный обмен с внешними устройствами представлена
на рис. 1.

58. 8. Дискретные системы

58
Такое устройство называется последовательным
программируемым интерфейсом (последовательным портом).
Часто применяют также аббревиатуру УАПП — универсальный
асинхронный приемопередатчик.
Приемник осуществляет прием информации в последовательном
формате с линии (вход RxD). Данные из последовательного
формата преобразуются в параллельный и формируется символ.
Принятый символ помещается во входной буфер и может быть
прочитан микропроцессором. Если новый символ будет принят
приемником до того, как предыдущий будет прочитан,
предыдущий символ теряется, новый записывается на его место
во входной буфер.

59. 8. Дискретные системы

59
Передатчик осуществляет передачу данных в линию (выход TxD),
преобразуя данные в параллельном формате (записанные
процессором) в данные в последовательном формате. Символ
(байт) для передачи предварительно записывается процессором в
выходной буфер. Передача начинается немедленно после записи.
Регистр управления используется для настройки порта на
заданный режим работы (программирования). В данном случае
настраиваются такие параметры, как тип передачи (синхронная
или асинхронная), для асинхронной передачи — количество
стоповых бит, наличие или отсутствие контроля четности и т.п.

60. 8. Дискретные системы

60
Виды вспомогательных устройств
В состав микропроцессорной системы кроме микропроцессора,
запоминающего устройства и устройства ввода-вывода входят
вспомогательные устройства. К ним относятся:
Программируемый контроллер прерываний;
Программируемый таймер;
Буферный регистр;
Шинный формирователь.

61. 8. Дискретные системы

61
Программируемый контроллер прерываний
Принцип обмена по прерываниям показан на рис. 1:
Внешнее устройство по специальной линии посылает
микропроцессору сигнал запроса на прерывание. Микропроцессор
реагирует на него и переходит к подпрограмме обработки этого
прерывания.

62. 8. Дискретные системы

62
программируемый контроллер прерываний, который включается
в систему между МП и устройствами, запрашивающими
прерывания так, как показано на рис. 2.
Внешние устройства подключаются к контроллеру прерываний, а
он в свою очередь — к микропроцессору.

63. 8. Дискретные системы

63
Контроллер прерываний решает три основные задачи:
Передача в МП сигналов запросов на прерывание, поступивших от
внешних устройств.
Информирование МП о том, какое именно устройство запросило
прерывание (МП должен это знать для перехода на выполнение
соответствующей подпрограммы обработки прерывания, а сам он
это определить не может, так как все запросы приходят к нему по
одной линии INT).
Разрешение конфликтных ситуаций, когда два или более
устройства одновременно выдают запрос на прерывание. В этом
случае контроллер должен выбрать из них какое-то одно в
соответствии с теми приоритетами, которые назначены каждому
устройству при настройке (программировании) контроллера.
Первым будет обработан запрос от устройства, имеющего

64. 8. Дискретные системы

64
Обобщенная архитектура программируемого контроллера
прерываний представлена на рис. 3.

65. 8. Дискретные системы

65
Буфер шины данных, обеспечивает подключение к контроллера
прерываний к шине данных. Подключение к ШД необходимо для:
программирования (начальной настройки) контроллера перед
началом работы;
передачи контроллером МП номера устройства, запросившего
прерывание.
Блок управления управляет работой контроллера, обеспечивая
обмен данными между ним и МП (на этапе программирования
контроллера), формирование сигнала INT и передачу в МП
номера устройства, запросившего обмен.

66. 8. Дискретные системы

66
Регистр управления содержит информацию о режиме работы
контроллера. Информация в него заносится микропроцессором на
этапе программирования (настройки) контроллера. К
программируемым (настраиваемым) параметрам относятся, в
частности, номера устройств для каждой линии запроса,
приоритеты, схемы изменения приоритетов, наличие
контроллеров следующего уровня и т.п.
Регистр запросов фиксирует запросы, приходящие от внешних
устройств. К линиям IRQ подключаются ВУ, по ним передаются
запросы на прерывание.

67. 8. Дискретные системы

67
Регистр маскирования предназначен для "маскирования"
(запрещения обработки) запросов на прерывание для
определенного входа (входов). Регистр маскирования содержит по
одному биту на каждый вход запроса от внешнего устройства.
Если значение бита равно "1", обработка прерывания по данному
входу разрешена, если "0" — запрещена. Значение в регистр
маскирования записывается МП на этапе программирования
контроллера.
Контроллер прерываний в общем случае может поддерживать
разные схемы приоритетов.

68. 8. Дискретные системы

68
Схема жестких приоритетов. Каждому устройству (входу IRQ)
назначается фиксированный приоритет, который не меняется во
время работы контроллера. Недостаток такой схемы — если
устройство с высоким приоритетом будет интенсивно выдавать
запросы, запросы от устройств с более низким приоритетом
подолгу не будут обрабатываться. Схема используется в том
случае, если в системе явно присутствует устройство, которому
необходимо обеспечить первоочередное обслуживание в
обработке прерываний.
Схема циклически изменяющихся приоритетов. Приоритеты
изменяются по следующей схеме: устройство, запрос от которого
был обработан последним, получает наименьший приоритет.
Таким образом, устройство, которое дольше всех не
обслуживалось, имеет максимальный приоритет.

69. 8. Дискретные системы

69
Программируемый таймер
Программируемый таймер представляет собой
многофункциональный генератор, способный формировать
импульсы переменой длительности или последовательность
импульсов с заданным интервалом следования.

70. 8. Дискретные системы

70
Буферный регистр
Буферный регистр состоит из собственно регистра,
предназначенного для хранения информации и состоящего из
триггеров, выходного усилителя, имеющего выходы с тремя
состояниями и устройства управления.

71. 8. Дискретные системы

71
Шинный формирователь
Шинные формирователи применяют как буферные устройства
шины данных в микропроцессорных системах. На рис. 1
представлено условное графическое обозначение
восьмиразрядного шинного формирователя:

72. 8. Дискретные системы

72
Шинный формирователь представляет собой импульсный
многоканальный усилитель с единичным коэффициентом
усиления. Он имеет две группы выводов A0-A7 и B0-B7. В
зависимости от значения сигнала T, передача данных
производится от выводов A0-A7 к выводам B0-B7 (при T=1) или от
выводов B0-B7 к выводам A0-A7 (при T=0). Сигнал OE, как и в
случае буферного регистра, переводит выходы микросхемы в Z–
состояние. Таким образом, помимо усиления сигнала, шинный
формирователь дает возможность "отключения" одной части
электрической схемы передачи данных от другой.

73. 8. Дискретные системы

73
Этапы проектирования микропроцессорной системы
управления
Микропроцессорная система управления является
разновидностью системы автоматического управления.
Проектирование любой системы автоматического управления
(САУ) состоит из нескольких этапов:
Составление математической модели САУ.
Анализ математической модели методами ТАУ: определение
характера переходного процесса, оценка точности и устойчивости
и т.п.

74. 8. Дискретные системы

74
Синтез корректирующих устройств (в случае МПСУ — алгоритмов
управления) в соответствии с требованиями, предъявляемыми к
системе.
Моделирование синтезированной (скорректированной) системы и
анализ ее параметров.
Реализация корректирующие устройства.
Следовательно, прежде всего, необходимо уметь составлять
математическую модель микропроцессорной системы управления.

75. 8. Дискретные системы

75
Математическая модель микропроцессорной системы
управления
Рассмотрим частный случай цифровой САУ — цифровой
электропривод:

76. 8. Дискретные системы

76
Как видно, САУ состоит из микропроцессорной системы
(микропроцессор, запоминающее устройство и 3-х УВВ) и
непрерывной неизменяемой части (усилитель мощности,
исполнительный двигатель, редуктор, нагрузка и датчик обратной
связи). Выделим в этой системе четыре элемента:
Канал обратной связи (УВВ 1, ДОС и линии связи);
Канал управляющих сигналов (УВВ 2 и линии связи);
Канал входных сигналов (УВВ 3 и линии связи);
Цифровой фильтр (микропроцессор и запоминающее
устройство).
Таким образом, МПСУ состоит из цифрового фильтра, трех
каналов связи и непрерывной неизменяемой части.

77. 8. Дискретные системы

77
Почему микропроцессор и запоминающее устройство названы
цифровым фильтром? В технике принято называть фильтром
любое устройство, если при прохождении через него
синусоидального сигнала амплитуда этого сигнала меняется.
Любое корректирующее устройство представляет собой фильтр. В
запоминающем устройстве хранится программа, реализующая
алгоритм управления, а следовательно – осуществляющая
фильтрацию сигналов, проходящих через МПС. Эта фильтрация
называется цифровой, поскольку микропроцессор выполняет
команды за конечное время и работает с дискретными
величинами. Имеет место квантование по времени и по уровню.
Следовательно, микропроцессор работает как цифровой фильтр.
Рассмотрим более подробно структуру трех перечисленных
каналов связи и попытаемся получить их математическое
описание.

78. 8. Дискретные системы

78
Датчики
Классификация датчиков, основные требования к ним
Автоматизация различных технологических процессов,
эффективное управление различными агрегатами, машинами,
механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных
физических величин.
Датчики (в литературе часто называемые также измерительными
преобразователями), или по-другому, сенсоры являются
элементами многих систем автоматики - с их помощью получают
информацию о параметрах контролируемой системы или
устройства.

79. 8. Дискретные системы

79
Датчик – это элемент измерительного, сигнального,
регулирующего или управляющего устройства, преобразующий
контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу
света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный
для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а
иногда и для воздействия им на управляемые процессы.
Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное
воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для
дальнейшего использования.

80. 8. Дискретные системы

80
Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть
классифицированы по различным признакам:
В зависимости от вида входной (измеряемой) величины
различают: датчики механических перемещений (линейных и
угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики
скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.
В настоящее время существует приблизительно следующее
распределение доли измерений различных физических величин в
промышленности: температура – 50%, расход (массовый и
объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество
(масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные
величины – менее 4%.

81. 8. Дискретные системы

81
По виду выходной величины, в которую преобразуется
входная величина, различают неэлектрические и
электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения),
датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения),
датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики
сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.
Большинство датчиков являются электрическими. Это
обусловлено следующими достоинствами электрических
измерений:
- электрические величины удобно передавать на расстояние,
причем передача осуществляется с высокой скоростью;
- электрические величины универсальны в том смысле, что любые
другие величины могут быть преобразованы в электрические и
наоборот;

82. 8. Дискретные системы

- они точно преобразуются в цифровой код и позволяют
достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия
средств измерений.
По принципу действия датчики можно разделить на два класса:
генераторные и параметрические (датчики-модуляторы).
Генераторные датчики осуществляют непосредственное
преобразование входной величины в электрический сигнал.
Параметрические датчики входную величину преобразуют в
изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C)
датчика.
82
По принципу действия датчики также можно разделить на
омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные),
индуктивные, емкостные и д.р.

83. 8. Дискретные системы

83
Различают три класса датчиков:
- аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый
сигнал, пропорционально изменению входной величины;
- цифровые датчики, генерирующие последовательность
импульсов или двоичное слово;
- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал
только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или
1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

84. 8. Дискретные системы

84
Требования, предъявляемые к датчикам:
- однозначная зависимость выходной величины от входной;
- стабильность характеристик во времени;
- высокая чувствительность;
- малые размеры и масса;
- отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и
на контролируемый параметр;
- работа при различных условиях эксплуатации;
- различные варианты монтажа.

85. 8. Дискретные системы

85
Параметрические датчики (датчики-модуляторы) входную
величину X преобразуют в изменение какого-либо электрического
параметра (R, L или C) датчика. Передать на расстояние
изменение перечисленных параметров датчика без
энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно.
Выявить изменение соответствующего параметра датчика только
и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку
перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому
параметрические датчики требуют применения специальных
измерительных цепей с питанием постоянным или переменным
током.

86. 8. Дискретные системы

86
Омические (резистивные) датчики – принцип действия основан
на изменении их активного сопротивления при изменении длины l,
площади сечения S или удельного сопротивления p:
R= pl/S
Кроме того, используется зависимость величины активного
сопротивления от контактного давления и освещённости
фотоэлементов. В соответствии с этим омические датчики делят
на: контактные, потенциометрические (реостатные),
тензорезисторные, терморезисторные, фоторезисторные.

87. 8. Дискретные системы

87
Контактные датчики — это простейший вид резисторных
датчиков, которые преобразуют перемещение первичного
элемента в скачкообразное изменение сопротивления
электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и
контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры
объектов, контролируют их форму и т. д. К контактным датчикам
относятся путевые и концевые выключатели, контактные
термометры и так называемые электродные датчики,
используемые в основном для измерения предельных уровней
электропроводных жидкостей.

88. 8. Дискретные системы

88
Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на
переменном токе. В зависимости от пределов измерения
контактные датчики могут быть одно предельными и
многопредельными. Последние используют для измерения
величин, изменяющихся в значительных пределах, при этом части
резистора R, включенного в электрическую цепь, последовательно
закорачиваются.
Недостаток контактных датчиков — сложность осуществления
непрерывного контроля и ограниченный срок службы контактной
системы. Но благодаря предельной простоте этих датчиков их
широко применяют в системах автоматики.

89. 8. Дискретные системы

89
Реостатные датчики представляют собой резистор с
изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной
датчика является перемещение контакта, а выходной – изменение
его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с
объектом, перемещение (угловое или линейное) которого
необходимо преобразовать.
Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие
собой переменные резисторы, выполняют из различных
материлов — обмоточного провода, металлических пленок,
полупроводников и т. д.

90. 8. Дискретные системы

90
Тензорезисторы (тензометрические датчики) служат для измерения механических напряжений, небольших деформаций, вибрации. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте,
заключающемся в изменении активного сопротивления
проводниковых и полупроводниковых материалов под
воздействием приложенных к ним усилий.
Термометрические датчики (терморезисторы) - сопротивление
зависит от температуры. Терморезисторы в качестве датчиков
используют двумя способами:
1) Температура терморезистора определяется окружающей
средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что
не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии
терморезистор используется как датчик температуры и часто
называется «термометром сопротивления».

91. 8. Дискретные системы

91
2) Температура терморезистора определяется степенью нагрева
постоянным по величине током и условиями охлаждения. В этом
случае установившаяся температура определяется условиями
теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения
окружающей среды – газа или жидкости – относительно
терморезистора, ее плотностью, вязкостью и температурой),
поэтому терморезистор может быть использован как датчик
скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности
газов и т. п. В датчиках такого рода происходит как бы
двухступенчатое преобразование: измеряемая величина сначала
преобразуется в изменение температуры терморезистора, которое
затем преобразуется в изменение сопротивления.

92. 8. Дискретные системы

2Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов, так и из
полупроводников. Материал, из которого изготавливается такие
датчики, должен обладать высоким температурным
коэффициентом сопротивления, по возможности линейной
зависимостью сопротивления от температуры, хорошей
воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям
окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным
свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь и
никель.
92
По сравнению с металлическими терморезисторами более
высокой чувствительностью обладают полупроводниковые
терморезисторы (термисторы).

93. 8. Дискретные системы

93
Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения
информации о перемещениях рабочих органов машин,
механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в
электрический сигнал.
Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении
индуктивности обмотки на магнитопроводе в зависимости от
положения отдельных элементов магнитопровода (якоря,
сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое
перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение
индуктивности (L) датчика. Применяются для измерения угловых и
линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д.
В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой
катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент
которого (якорь) перемещается под действием измеряемой

94. 8. Дискретные системы

94
Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на
все токопроводящие предметы. Индуктивный датчик является
бесконтактным, не требует механичесого воздействия, работает
бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.
Преимущества
- нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с
состоянием контактов
- отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания
- высокая частота переключений до 3000 Hz
- устойчив к механическим воздействиям
Недостатки - сравнительно малая чувствительность,
зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего
напряжения, значительное обратное воздействие датчика на
измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).

95. 8. Дискретные системы

Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости
электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного
расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости
среды между ними.
95
Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая
емкость определяется выражением:
С = e0eS/h
где e0 - диэлектрическая постоянная; e - относительная
диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S активная площадь обкладок; h - расстояние между обкладками
конденсатора.
Зависимости C(S) и C(h) используют для преобразования
механических перемещений в изменение емкости.

96. 8. Дискретные системы

96
Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая
чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние
внешних электрических полей, относительная сложность
измерительных устройств.
Емкостные датчики применяют для измерения угловых
перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций,
скорости движения и т. д., а также для воспроизведения заданных
функций (гармонических, пилообразных, прямоугольных и т. п.).
Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость e
которых изменяется за счет перемещения, деформации или
изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков
уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных
материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщиномеры), а также контроля влажности и состава вещества.

97. 8. Дискретные системы

97
Датчики – генераторы
Генераторные датчики осуществляют непосредственное
преобразование входной величины X в электрический сигнал.
Такие датчики преобразуют энергию источника входной
(измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они
являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название
таких датчиков - они генерируют электрический сигнал).
Дополнительные источники электроэнергии для работы таких
датчиков принципиально не требуются (тем не менее
дополнительная электроэнергия может потребоваться для
усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в
другие виды сигналов и других целей). Генераторными являются
термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные,
фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.

98. 8. Дискретные системы

98
Индукционные датчики преобразуют измеряемую
неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия
датчиков основан на законе электромагнитной индукции. К этим
датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного
тока, представляющие собой небольшие электромашинные
генераторы, у которых выходное напряжение пропорционально
угловой скорости вращения вала генератора. Тахогенераторы
используются как датчики угловой скорости.
Тахогенератор представляет собой электрическую машину,
работающую в генераторном режиме. При этом вырабатываемая
ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного
потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется
частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты
вращения).

99. 8. Дискретные системы

99
Температурные датчики. В современном промышленном
производстве наиболее распространенными являются измерения
температуры (так, на атомной электростанции среднего размера
имеется около 1500 точек, в которых производится такое
измерение, а на крупном предприятии химической
промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.).
Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие
условий использования средств измерений и требований к ним
определяют многообразие применяемых средств измерения
температуры.
Если рассматривать датчики температуры для промышленного
применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые
датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и
газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары,
термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.

100. 8. Дискретные системы

100
Кремниевые датчики температуры используют зависимость
сопротивления полупроводникового кремния от температуры.
Диапазон измеряемых температур -50…+150 0C. Применяются в
основном для измерения температуры внутри электронных
приборов.
Биметаллический датчик сделан из двух разнородных
металлических пластин, скрепленных между собой. Разные
металлы имеют различный температурный коэффициент
расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или
охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет)
электрические контакты или переведет стрелку индикатора.
Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 0C.
Используются для измерения поверхности твердых тел и
температуры жидкостей. Основные области применения –
автомобильная промышленность, отоплениt и нагрев воды.

101. 8. Дискретные системы

Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой
цвет под воздействием температуры. Изменение цвета может
быть обратимым и необратимым. Производятся в виде пленок.
101
Термопреобразователи сопротивления
Принцип действия термопреобразователей сопротивления
(терморезисторов) основан на изменении электрического
сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от
температуры (рассмотрен ранее).
Платиновые терморезисторы предназначены для измерения
температур в пределах от –260 до 1100 0С. Широкое
распространение на практике получили более дешевые медные
терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления
от температуры.

102. 8. Дискретные системы

102
Недостатком меди является небольшое ее удельное
сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах,
вследствие чего конечный предел применения медных
термометров сопротивления ограничивается температурой 180 0C.
По стабильности и воспроизводимости характеристик медные
терморезисторы уступают платиновым. Никель используется в
недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных
температур.

103. 8. Дискретные системы

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют
отрицательный или положительный температурный коэффициент
сопротивления, значение которого при 20 0C составляет
(2…8)*10–2 (0C)–1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины.
Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах
имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве
полупров. материала используются оксиды металлов:
полупроводниковые терморезисторы типов КМТ - смесь окислов
кобальта и марганца и ММТ - меди и марганца.
103
Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой
стабильностью характеристик во времени и применяются для
изменения температур в диапазоне от –100 до 200 0С.

104. 8. Дискретные системы

104
Термоэлектрические преобразователи (термопары) - принцип
действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте,
который состоит в том, что при наличии разности температур мест
соединений (спаев) двух разнородных металлов или
полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила,
называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В
определенном интервале температур можно считать, что термоЭДС прямо пропорциональна разности температур ΔT = Т1 – Т0
между спаем и концами термопары.
Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в
среду, температура которой измеряется, называют рабочим
концом термопары. Концы, которые находятся в окружающей
среде, и которые обычно присоединяют проводами к
измерительной схеме, называют свободными концами.

105. 8. Дискретные системы

Температуру этих концов необходимо поддерживать постоянной.
При этом условии термо-ЭДС Ет будет зависеть только от
температуры T1 рабочего конца.
Uвых = Eт = С(Т1 – Т0),
где С – коэффициент, зависящий от материала проводников
термопары.
105
Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не
превышает 8 мВ на каждые 100 0С и обычно не превышает по
абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять
температуру в диапазоне от –200 до 2200 0С.
Наибольшее распространение для изготовления
термоэлектрических преобразователей получили платина,
платинородий, хромель, алюмель.

106. 8. Дискретные системы

Термопары имеют следующие преимущества: простота
изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна,
отсутствие источников питания и возможность измерений в
большом диапазоне температур.
106
Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие
значительной тепловой инерционности, необходимость введения
поправки на температуру свободных концов и необходимость в
применении специальных соединительных проводов.
Инфрокрасные датчики (пирометры) - используют энергию
излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру
поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на
радиационные, яркостные и цветовые.

107. 8. Дискретные системы

Радиационные пирометры используются для измерения
температуры от 20 до 2500 0С, причем прибор измеряет
интегральную интенсивность излучения реального объекта.
Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения
температур от 500 до 4000 0С. Они основаны на сравнении в узком
участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью
образцового излучателя (фотометрической лампы).
107
Цветовые пирометры основаны на измерении отношения
интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых
обычно в красной или синей части спектра; они используются для
измерения температуры в диапазоне от 800 0С.

108. 8. Дискретные системы

Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных
местах и температуру движущихся объектов, высокие
температуры, где другие датчики уже не работают.
108
Кварцевые термопреобразователи
Для измерения температур от – 80 до 250 0С часто используются
так называемые кварцевые термопреобразователи,
использующие зависимость собственной частоты кварцевого
элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на
том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и
линейность функции преобразования изменяются в зависимости
от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. Данные
датчики широко используются в цифровых термометрах.

109. 8. Дискретные системы

109
Пьезоэлектрические датчики
Действие пьезоэлектрических датчиков основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональна действующей силе.
Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного
напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом,
используется для возбуждения и приема акустических колебаний
звуковой и ультразвуковой частоты.
Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д.

110. 8. Дискретные системы

110
Канал обратных связей (КОС)
Согласно схеме, приведенной на рис. 3. КОС имеет следующую
структуру (рис. 4):
Здесь Д— датчик обратной связи. Датчик может быть
непрерывным и дискретным. Рассмотрим эти два варианта
отдельно.

111. 8. Дискретные системы

111
КОС с непрерывным датчиком
В этом случае датчик может быть представлен в виде
усилительного звена с некоторым коэффициентом усиления,
которое путем структурных преобразований может быть
перенесено в прямую цепь контура САУ. В результате структура
КОС оказывается следующей (рис. 5):

112. 8. Дискретные системы

112
Здесь — сигнал обратной связи, приходящий с датчика, —
данные, передаваемые по шине данных и представленные в
числовом виде. Из-за ограниченности разрядной сетки число не
может принимать любые значения в диапазоне своего изменения,
имеет место квантование по уровню. Следовательно, КОС должен
содержать устройство, обеспечивающее квантование сигнала по
уровню. Такое устройство называется аналого-цифровым
преобразователем (АЦП).