Автоматизация измерений, контроля и испытаний

1. Основыметрологического обеспечения
Под метрологическимобеспечением (МО)понимается установление и применение научных и организационных основ,технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства итребуемой точности измерении. Основной тенденцией в развитии МО являетсяпереход от существовавшей ранее сравнительно узкойзадачи обеспечения единства и требуемой точности измерений к принципиальноновой задаче обеспечения качества измерений.
Качество измерений понятие более широкое, чем точность измерений. Онохарактеризует совокупность свойств СИ, обеспечивающихполучение в установленный срок результатов измерений с требуемыми точностью(размером допускаемых погрешностей), достоверностью, правильностью, сходимостьюи воспроизводимостью.
Понятие «метрологическоеобеспечение» применяется, как правило, поотношению к измерениям (испытанию, контролю) в целом. В то же время допускаютиспользование термина «метрологическое обеспечение технологическогопроцесса (производства, организации)», подразумевая при этом МО измерений(испытаний или контроля) в данном процессе,производстве, организации. Объектом МОявляются все стадии жизненного цикла (ЖЦ) изделия (продукции) или услуги. ПодЖЦ понимается совокупность последовательных взаимосвязанных процессов созданияи изменения состояния продукции от формулирования исходныхтребований к ней до окончания эксплуатации или потребления.
Так, на стадии разработки продукции длядостижения высокого качества изделия производится выбор контролируемыхпараметров, норм точности, допусков, средств измерения, контроля и испытания. Так же осуществляется метрологическая экспертизаконструкторской и технологической документации. При разработкеМО необходимо использовать системный подход, суть которогосостоит в рассмотрении указанного обеспечения каксовокупности взаимосвязанных процессов, объединенныходной целью достижениемтребуемого качества измерений. Такими процессами являются:
•установление рациональнойноменклатуры измеряемых параметров и оптимальных норм точности измерений приконтроле качества продукции и управлении процессами;
•технико-экономическое обоснование ивыбор СИ, испытаний и контроля и установление их рациональной номенклатуры;
•стандартизация, унификация иагрегатирование используемой контрольно-измерительной техники;
•разработка, внедрение и аттестациясовременных методик выполнения измерения, испытаний иконтроля (МВИ);
•поверка, метрологическая аттестацияи калибровка контрольно-измерительного и испытательного оборудования (КИО),применяемого на предприятии;
•контроль за производством,состоянием, применением и ремонтом КИО, а также засоблюдением метрологических правил и норм на предприятии;
•участие в разработке и внедрениистандартов предприятия;
•внедрение международных,государственных и отраслевых стандартов, а также иных нормативных документовГосстандарта;
•проведение метрологическойэкспертизы проектов нормативной, конструкторской и технологическойдокументации;
•проведение анализа состоянияизмерений, разработка на его основе и осуществление мероприятий посовершенствованию МО;
•подготовка работников соответствующих служб и подразделений предприятия квыполнению контрольно-измерительных операций.
Метрологическое обеспечение имеет четыреосновы: научную, организационную, нормативную и техническую. Отдельные аспектыМО рассмотрены в рекомендации МИ 2500-98 пометрологическому обеспечению малых предприятий. Разработка и проведениемероприятий МО возложено на метрологические службы (МС). Метрологическая служба служба,создаваемая в соответствии с законодательством для выполнения работ пообеспечению единства измерений и осуществленияметрологического контроля и надзора.
 

2. Цифровыеустройства: шифраторы и дешифраторы, сумматоры, счетчики, мультиплексоры,регистры, магнитоэлектронные переключатели
Интегральныесчетчики
Интегральныйсчетчик —цифровое устройство (цифровая микросхема или ее часть), выполненное наинтегральных триггерах со схемами управления разной структуры и осуществляющеесчет поступающих на его вход импульсов. Счет импульсов в счетчик представляетсяопределенными комбинациями состояний триггеров. При поступлении на вход схемыочередной логической 1 в счетчике устанавливается новая комбинация состоянийтриггеров, соответствующая числу, превышающему предыдущее на единицу. Такиесчетчики называют суммирующими. В цифровой измерительной техникеприменяют и вычитающие счетчики, в которых в процессе счета входныечисла последовательно убывают на единицу, а также реверсивные счетчики, способныепереключаться из режима суммирования в режим вычитания и наоборот.
Дляпредставления чисел в счетчиках используются в основном двоичная, десятичная идвоично-десятичная системы счислений. При применении двоичной системы счислениялогические уровни на прямых выходах триггеров определяют цифры двоичныхразрядов числа. В этом случае каждый разряд числа в счетчике обеспечиваетсяопределенным состоянием одного триггера. Максимальное число импульсов, котороеможет быть записано, составляет N = 2л-1, где п — числоразрядов (число триггеров) в счетчике.
Рассмотримпростейший двоичный кольцевой счетчик, представляющий собой тризамкнутых в кольцо JК-триггеров (рис.1, а), по которым под воздействиемвходных импульсов (точка Вх) циркулирует одна пли несколько кодовыхединиц.
Врассматриваемой схеме прямой выход каждого предыдущего триггера соединен свходом J последующего триггера. Тактовые входы С всех триггеровобъединены (узел Вх.) и на них поступают счетные импульсы. Перед началомсчета первый триггер импульсным сигналом Уст. устанавливается всостояние 1, остальные триггеры — в состояние 0. Этому состоянию счетчикасоответствует 0 на выходе Q 3 последнего триггера. Послеотключения сигнала Уст, начинается счет, и триггеры функционируют какобычные JK-триггеры.
Поскольку наинформационных входах первого триггера было установлено J = 0 и К = 1, вмомент окончания первого входного импульса он перейдет в состояние логического0. Второй триггер примет состояние 1, так как на его входах было J = К = 1.Третий триггер не изменит своего предыдущего состояния. Таким образом, кодовая1 перешла с первого триггера на второй. По окончании каждого следующеговходного импульса 1 будет перемещаться от предыдущего триггера к последующему,т.е. переходить по схеме вправо (см. таблицу истинности на рис. 1, б).
/>
/>
рис.1.Кольцевой счетчик:
а – схема;б – таблица истинности

Шифраторыи дешифраторы
Прежде чемперейти к рассмотрению специфических устройств цифровой измерительной техники-шифраторов и дешифраторов, обратимся к системам отображения цифровойинформации.
Системысчисления и коды, применяемые в цифровой измерительной технике. Для изображения любыхчисел существует некоторое ограниченное число знаков и порядок их написания —это и есть система счисления. В наиболее привычной для нас десятичной системетаких знаков десять: 0, 1, 2,..., 9. Форма записи числа в десятичной системсчисления имеет вид:
/>              (1)
 
где 10i — десятичный разряд; аi—значение символа в соответствующем разряде, которое может быть любым от 0 до 9.
Например,число 583 с помощью трех десятичных разрядов запишется как: N = 583 = 102-5+ 10'-8 + 10°-3./> />
Аналогичнозаписывается целое число и в двоичной системе счисления:
Здеськоэффициенты b i, принимают лишь два значения: 0 и 1. Например,число 583 в двоичной системе запишется в виде
 
N= 1.29+0.28+ 0.27 + 1. 26+0.25+0.24+0.23+1. 22 + 1.2'+ 1.2°. (3)
Следовательно,числу 583 в десятичной системе соответствует число в двоичной — 1001000111.Последнее принято называть кодом числа в двоичной системе счисления. Написаниечисла в двоичном коде оказывается удобным для проведения арифметическихдействий по законам булевой алгебры, что применяется в вычислительныхустройствах и, в частности, в компьютерах.
Прииспользовании десятичной системы счисления для образования кода требуетсядесять различных импульсов, например отличающихся амплитудой, длительностью ипр. Такое представление кодов не применяют, так как для образования и егораспознавания требуется сложная аппаратура, в то время как для образования иобработки двоичного кода могут быть использованы простые, двоичные элементы,имеющие всего два состояния: единица и нуль. Двоичный коднаиболее компактен (экономичен) и пока является основным кодом в компьютернойтехнике. Однако двоичный код неудобен для управления десятичным цифровымотсчетным устройством измерительной аппаратуры.
Поэтому вцифровой измерительной аппаратуре широко используется двоично-десятичные итетрадно-десятичные коды, так как представление измеряемой величины наиндикаторе должно быть выполнено в привычном для наблюдающего человекадесятичном виде, а перевод двоичного кода в десятичный — сложная задача дляоператора.
Втетрадно-десятичной системе каждая десятичная цифра (0...9) кодируется четырьмядвоичными числами 0 и 1 (тетрада) при различных носовых коэффициентах. Широкораспространен в цифровых измерительных приборах (ЦИП) код 8421, вкотором весовыми коэффициентами являются цифры 8, 4, 2, 1 (табл.1).
Таблица 1. Двоично-десятичныйкод 8421Десятичные цифры 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Код 8421 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001

Есливернуться к числу 583, то в коде 8421 оно будет представлено следующим образом:
 
583=102(8-0+41+2-0+1-1)+10'(8-1+4-0+20+1-0)+10°(8-0+4-0+21+ 11). (4)
Соответственнотетрадно-десятичная запись имеет вид
0101 10000011
Помимодвоично-десятичного кода при построении цифровых измерительных приборовприменяются коды и с другими весовыми коэффициентами (тетрадно-десятичныекоды), например: 4 2 2 1 и др. Эти коды неоднозначные (т.е. числа можнополучить разными комбинациями), но требуют меньше символов, что иногда важно.Для устранения неоднозначности принимают специальные меры.
В широкоиспользуемых в цифровой измерительной технике десятичных (декадных) счетчикахцифры разрядов десятичного числа представляются в четырехразрядной двоичнойформе, т.е. используется двоично-десятичная система исчисления. При этом длякаждого разряда десятичного числа используется четыре триггера и, если числодесятичных разрядов к, то для регистрации чисел в десятичном счетчикенеобходимо задействовать 4к триггеров. Максимальное число записанныхимпульсов в счетчике в этом случае составляет N = 10k — 1.Десятичные счетчики широко применяют в случаях, когда число поступающихимпульсов необходимо представить в привычной для человека десятичной системесчисления.
Шифратор(называемый часто кодером)— устройство, преобразующее десятичные числа в двоичную систему счисления.Пусть в шифраторе имеется т входов, последовательно пронумерованныхдесятичными числами (0, 1, 2, 3,..., т — 1), и п выходов.Поступление сигнала на один из входов вызывает появление на выходахn-разрядного двоичного числа, соответствующего номеру возбужденного входа.
Из теориипередачи информации известно, что построить шифраторы с большим числом входов ттехнически трудно, поэтому они используются для преобразования в двоичнуюсистему счисления небольших десятичныхчисел. Для преобразования большихдесятичных чисел используются специальные методы.
Шифраторы частоснабжаются клавиатурой, каждая клавиша которой связана с определенным входомшифратора, и на его выходе воспроизводится двоичное число, соответствующеенаписанному на клавише символу.
На рис.2показано условное изображение шифратора, преобразующего первые десять цифрдесятичного счисления 0, 1, 2,..., 9 в двоичное представление. Символ CD вобозначении образован из букв, входящих в английское слово CODER, Слевана схеме показано десять входов, обозначенных соответствующими десятичными числами.Справа представлены выходы шифратора: цифрами 1, 2, 4, 8 обозначены весовыекоэффициенты двоичных разрядов, соответствующих отдельным выходам./> />
Рис.2. Условноеизображение шифратора
 
Дешифратор(называемый также декодером)предназначен для обратного преобразования двоичных чисел в сравнительнонебольшие по значению десятичные числа. Входы дешифратора служат для подачидвоичных чисел, выходы последовательно нумеруются десятичными числами.Дешифраторы широко используются в цифровой измерительной технике. В частности,их применяют в устройствах, печатающих на бумаге выводимые из цифровой схемытекст или числа. В таких устройствах двоичное число, поступая насоответствующий вход дешифратора, вызывает появление сигнала на егоопределенном выходе.
На рис. 3. вкачестве примера приведено условное изображение одной из простейших структурныхсхем дешифратора. Символ DC образован из букв английского слова DECODER.
Слева отсхемы представлены входы шифратора: цифрами 1, 2, 4, 8 обозначены весовыекоэффициенты дешифратора двоичных разрядов. Справа показаны десять выходов,пронумерованных десятичными числами, соответствующими отдельным комбинациямвходного двоичного числа. На каждом выходе дешифратора при строго определеннойкомбинации входного двоичного кода вырабатывается логическая 1.
/>

Рис.3.Условное изображение дешифратора
 
Сумматоры.
Основнойэлементарной операцией, выполняемой над кодами чисел в цифровых устройствах,является арифметическое сложение.
Сумматор —логическийоперационный узел, выполняющий арифметическое сложение кодов двух чисел.При арифметическом сложении выполняются и другие дополнительные операции: учётзнаков чисел, выравнивание порядков слагаемых и тому подобное. Указанные операциивыполняются в арифметическо-логических устройствах (АЛУ) или процессорныхэлементах, ядром которых являются сумматоры.
Сумматоры классифицируют по различным признакам.
В зависимости от системы счисления различают:
·          двоичные;
·          двоично-десятичные(в общем случае двоично-кодированные);
·          десятичные;
·          прочие(например, амплитудные).
По количеству одновременно обрабатываемыхразрядов складываемых чисел:
·          одноразрядные,
·          многоразрядные.
По числу входов и выходов одноразрядных двоичныхсумматоров:
·          четвертьсумматоры(элементы “сумма по модулю 2”; элементы “исключающее ИЛИ”), характеризующиесяналичием двух входов, на которые подаются два одноразрядных числа, и однимвыходом, на котором реализуется их арифметическая сумма;
·          полусумматоры,характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются одноимённые разрядыдвух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая сумма в данномразряде, а на другом — перенос в следующий (более старший разряд);
·          полныеодноразрядные двоичные сумматоры, характеризующиеся наличием трёх входов, накоторые подаются одноимённые разряды двух складываемых чисел и перенос изпредыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуетсяарифметическая сумма в данном разряде, а на другом — перенос в следующий (болеестарший разряд).
По способу представления и обработки складываемыхчиселмногоразрядные сумматоры подразделяются на:
·          последовательные,в которых обработка чисел ведётся поочерёдно, разряд за разрядом на одном и томже оборудовании;
·          параллельные,в которых слагаемые складываются одновременно по всем разрядам, и для каждогоразряда имеется своё оборудование.
Параллельный сумматор в простейшем случае представляет собойn одноразрядных сумматоров, последовательно (от младших разрядов к старшим)соединённых цепями переноса. Однако такая схема сумматора характеризуетсясравнительно невысоким быстродействием, так как формирование сигналов суммы ипереноса в каждом i-ом разряде производится лишь после того, как поступитсигнал переноса с (i-1)-го разряда.Таким образом, быстродействие сумматораопределяется временем распространения сигнала по цепи переноса. Уменьшениеэтого времени — основная задача при построении параллельных сумматоров.
Для уменьшения времени распространения сигнала переносаприменяют: конструктивные решения, когда используют в цепи переносанаиболее быстродействующие элементы; тщательно выполняют монтаж без длинныхпроводников и паразитных ёмкостных составляющих нагрузки и (наиболее часто)структурные методы ускорения прохождения сигнала переноса.
По способу организации межразрядных переносовпараллельные сумматоры, реализующие структурные методы, делят на сумматоры:
·          споследовательным переносом;
·          спараллельным переносом;
·          сгрупповой структурой;
·          соспециальной организацией цепей переноса.
Среди сумматоров со специальной организациейцепей переноса можно указать:
·          сумматорысо сквозным переносом, в которых между входом и выходом переноса одноразрядногосумматора оказывается наименьшее число логических уровней;
·          сумматорыс двухпроводной передачей сигналов переноса;
·          сумматорыс условным переносом (вариант сумматора с групповой структурой, позволяющийуменьшить время суммирования в 2 раза при увеличении оборудования в 1,5 раза);
·          асинхронныесумматоры, вырабатывающие признак завершения операции суммирования, при этомсреднее время суммирования уменьшается, поскольку оно существенно меньшемаксимального.
Сумматоры, которые имеют постоянное время, отводимое длясуммирования, независимое от значений слагаемых, называют синхронными.
По способу выполнения операции сложения ивозможности сохранения результата сложения можно выделить три основных видасумматоров:
·          комбинационный,выполняющий микрооперацию “S = A плюс B”, в котором результат выдаётся по мереего образования (это комбинационная схема в общепринятом смысле слова);
·          сумматорс сохранением результата “S = A плюс B”;
·          накапливающий,выполняющий микрооперацию “S = S плюс B”.
Последние две структуры строятся либо на счётных триггерах(сейчас практически не используются), либо по структуре “комбинационныйсумматор – регистр хранения” (сейчас наиболее употребляемая схема).
Важнейшими параметрами сумматоров являются:
·          разрядность;
·          статическиепараметры: Uвх, Uвх, Iвх и так далее, то есть обычные параметры интегральныхсхем;
·          динамическиепараметры. Сумматоры характеризуются четырьмя задержками распространения:
·          отподачи входного переноса до установления всех выходов суммы при постоянномуровне на всех входах слагаемых;
·          отодновременной подачи всех слагаемых до установления всех выходов суммы припостоянном уровне на входе переноса;
·          отподачи входного переноса до установления выходного переноса при постоянномуровне на входах слагаемых;
·          отподачи всех слагаемых до установления выходного переноса при постоянном уровнена входах слагаемых.
Четвертьсумматор
Простейшим двоичным суммирующим элементом являетсячетвертьсумматор. Происхождение названия этого элемента следует из того, что онимеет в два раза меньше выходов и в два раза меньше строк в таблице истинностипо сравнению с полным двоичным одноразрядным сумматором. Наиболее известны дляданной схемы названия: элемент “сумма по модулю 2” и элемент “исключающее ИЛИ”.Схема (рис. 4) имеет два входа а и b для двух слагаемых и один выход S длясуммы. Работу её отражает таблица истинности 1 (табл. 2), а соответствующееуравнение имеет вид
/> (5)
/> Рис. 4 Таблица 2 a b S 1 1 1 1 1 1
Данный элемент выпускается в виде интегральных схем (ИС) типаЛП5 (серии 133, 155, 530, 531, 533, 555, 1531, 1533); ЛП12 (555); ЛП107 (100,500, 1500); ЛП2 (561, 564); ЛП14 (1561) и т. п.
Реализуем четвертьсумматор в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ и сиспользованием только одного инвертора, для чего преобразуем уравнение (5):/>                                                   (6)
/>
(7)
/> (8) /> /> />
Схемы, полученные по уравнениям (6)–(8), приведены на рис. 5.
/>Рис. 5
 
Полусумматор (рис. 6) имеет два входа a и b для двухслагаемых и два выхода: S — сумма, P — перенос. Обозначением полусумматораслужат буквы HS (half sum — полусумма). Работу его отражает таблица истинности2 (табл. 3), а соответствующие уравнения имеют вид:
/> (9)
/> Рис. 6 Таблица 3 a b P S 1 1 1 1 1 1 1

Из уравнений (9) следует, что для реализации полусумматоратребуется один элемент “исключающее ИЛИ” и один двухвходовый вентиль И (рис.б).
Полный одноразрядный двоичный сумматор
Он (рис. 7) имеет три входа: a, b — для двух слагаемых и p —для переноса из предыдущего (более младшего) разряда и два выхода: S — сумма, P— перенос в следующий (более старший) разряд. Обозначением полного двоичногосумматора служат буквы SM. Работу его отражает таблица истинности 3 (табл. 4).
/> Рис. 7 Таблица 4 № наб. a b p P S 1 1 1 2 1 1 3 1 1 1 4 1 1 5 1 1 1 6 1 1 1 7 1 1 1 1 1
Уравнения, описывающие работу полного двоичного сумматора,представленные в совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СДНФ), имеют вид:/>                                                    (10)
Уравнение для переноса может быть минимизировано:P = ab + ap + bp. (11)
При практическом проектировании сумматора уравнения (10) и(11) могут быть преобразованы к виду, удобному для реализации на заданныхлогических элементах с некоторыми ограничениями (по числу логических входов идр.) и удовлетворяющему предъявляемым к сумматору требованиям побыстродействию.
Например, преобразуем уравнения (10) следующим образом:
/> (12)
Из выражений (12) следует, что полный двоичный сумматор можетбыть реализован на двух полусумматорах и одном двухвходовом элементе ИЛИ.Соответствующая схема приведена на рис. 8.
/>Рис. 8
Из выражения (12) для S также следует: S = a  b p. (13)
Примечание. Так как операция Е в выражении (13)коммутативна (переменные можно менять местами), то следует, что три входаполного двоичного сумматора абсолютно равноправны и на любой из них можноподавать любую входную переменную. Это полезно помнить, разводя печатные платы,на которых установлены ИС сумматоров.
К настоящему времени разработано большое число схемсумматоров. Доказано (нашим отечественным ученым Вайнштейном), что прииспользовании только одного инвертора нельзя реализовать полный двоичныйсумматор со сложностью Pкв без учёта инверторов.Регистры
Регистр — последовательноелогическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел ивыполнения преобразований над ними.
Регистрпредставляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которыхсоответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связанокомбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечиваетсявыполнение некоторых операций над словами. Фактически любое цифровое устройствоможно представить в виде совокупности регистров, соединенных друг с другом припомощи комбинационных цифровых устройств.
Регистрыклассифицируются по следующим видам:
1.  Параллельные илинакопительные (регистры памяти, хранения);
2.  Последовательные илисдвигающие.
В своюочередь сдвигающие регистры делятся:
·               поспособу ввода-вывода информация: параллельные; последовательные;комбинированные;
·               понаправлению передачи информации: однонаправленные; реверсивные.
Типичнымиявляются следующие операции:
·         приемслова в регистр;
·         передачаслова из регистра;
·         поразрядныелогические операции;
·         сдвигслова влево или вправо на заданное число разрядов;
·         преобразованиепоследовательного кода слова в параллельный и обратно;
·         установкарегистра в начальное состояние (сброс)
Элементарнойячейкой электронной памяти является триггер, способный сохранять 1 бит записаннойв нем информации. Регистром называется устройство из триггеров, предназначенноедля записи, хранения и выдачи информации. Каждый разряд двоичного числазаписывается в своем триггере, поэтому число триггеров в регистре определяетразрядность записываемого числа. Наиболее распространенным видом регистровявляются регистры сдвига. />Регистры сдвига.
Регистромсдвига называют цифровую схему, состоящую из последовательно включенныхтриггеров, содержимое которых можно сдвигать на один разряд влево или вправоподачей тактовых импульсов. Регистры сдвига широко применяются в цифровойвычислительной технике для преобразования последовательного кода в параллельныйили параллельного в последовательный, а также при построенииарифметико-логических устройств. Составляется регистр сдвига из соединенныхпоследовательно триггеров, в которые записываются разряды обрабатываемого кода.При наличии разрешающих сигналов импульс, приходящий на тактовый вход регистра,вызывает перемещение записанной информации на один разряд влево или вправо. Нарис. 9 приведена структурная схема регистра сдвига на синхронных JK-триггерах.
/> 
Рис. 9Регистр сдвига на JK — триггерах.
 
Рассмотримдействие регистра при записи в него числа 0011, начиная с правого — младшего — разряда. До записи числа все триггеры устанавливают в нулевое состояние. Затемна вход схемы подается серия импульсов, соответствующая записываемому числу, ана вход С подаются тактовые импульсы. Сначала на вход поступает импульс, соответствующийпервому из записываемых разрядов. В конце тактового импульса он дает Q3= 1 на выходе левого триггера. В конце следующего тактового импульсаинформационный импульс продвигается на выход следующего триггера и т. д.Одновременно продвигаются вправо и другие цифры записываемого числа. Послеприхода четырех тактовых импульсов все число оказывается записанным в четырехтриггерах, причем старший разряд числа записи в левом триггере, а младший — вправом. Чтобы записанная информация сохранилась, дальнейший сдвиг прекращается.Это осуществляется прекращением подачи тактовых импульсов. Описанный регистрназывается регистром сдвига с последовательным приемом информации. Выдачаинформации у него может быть как параллельной, так и последовательной. При параллельнойвыдаче информация снимается одновременно с выходов всех триггеров.Последовательная выдача осуществляется с выхода Q0при последующихтактовых импульсах. Параллельный прием информации может быть осуществленподачей ее на выводы предустановки. Мы рассмотрели работу простейшего регистра,осуществляющего сдвиг в одну сторону. Существуют реверсивные регистры сдвига,переключаемые на сдвиг вправо и влево. Если 0 и 1 в регистре трактовать какдвоичную запись числа, то сдвиг в одну сторону соответствует делению на 2, а вдругую — умножению на 2. Как известно, умножение двух десятичных чисел«столбиком» соответствует сложению частных произведений, сдвинутыхпоразрядно влево. Аналогично столбиком перемножаются и двоичные числа, но этаоперация выполняется проще, так как частные произведения получаются умножениемединиц и нулей умножаемого числа на единицы и нули множителя. Следовательно,умножение сводится к операции сложения сдвинутых поразрядно двоичных чисел.Аналогично осуществляется и деление двоичных чисел. />РегистрК155ИР1
 Схемотехникурегистров сдвига рассмотрим на примере регистра К155ИР1, упрощеннаяфункциональная схема и условное обозначение которого показано на рис. 10.

/> 
Рис. 10.Схема и обозначение регистра сдвига К155ИР1.
 
Этот регистрсодержит четыре тактируемых фронтом D-триггера, соединенных последовательно спомощью ячеек И-ИЛИ. Если на вход V (вывод 6) регистра подан потенциал«нуль», то выход каждого предыдущего триггера оказывается соединеннымчерез ячейку И-ИЛИ со входом D последующего. При этом импульсы, приходящие натактовый вход C2, будут каждый раз устанавливать последующий триггерв состояние, в котором до этого находился предыдущий. Таким образомосуществляется сдвиг информации вправо. Вход I регистра, связанный со входом Dпервого триггера, служит для приема информации в виде последовательного кода. Скаждым тактовым импульсом на этот вход должен подаваться код нового разрядавходной информации. После приема четырех разрядов последовательного кодасоответствующий параллельный код может быть получен с выходов триггеров Q1-Q4.Запись параллельного кода в регистр идет по входам D1-D4при подаче потенциала «I» на вход V и тактового импульса на вход C1.Устанавливая затем V=0 и подавая тактовые импульсы на вход С2, мыобеспечим сдвиг записанного кода. При этом с выхода Q4 последнеготриггера снимается последовательный выходной код. Иногда требуется производитьв регистре сдвиг информации как вправо, так и влево. В рассматриваемомустройстве такая возможность появляется, если попарно соединить выводы Q4и D3, Q3 и D2, Q2 и D1.Вход V в этом случае будет играть роль переключателя направления сдвига: еслиV=1, то тактовые импульсы С1 сдвигают информацию влево, а вход D4служит для приема последовательного кода; если же V=0, то, как указывалосьвыше, импульсы С2 будут сдвигать информацию вправо.
Мультиплексор
Мультиплексор — комбинационноеустройство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке цифровой информации,поступающей по нескольким входам на один выход.
Мультиплексорыобозначают сочетанием MUX (от англ. multiplexor), а также MS(от англ. multiplexor selector). Схематически мультиплексор можноизобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из несколькихвходов (их называют информационными) к одному выходу устройства. Кромеинформационных входов в мультиплексоре имеются адресные входы и, как правило,разрешающие (стробирующие). Сигналы на адресных входах определяют, какойконкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числоминформационных входов />и числом адресныхвходов действует соотношение />, то такоймультиплексор называют полным. Если />, томультиплексор называют неполным. Разрешающие входы используют для расширенияфункциональных возможностей мультиплексора. Они используются для наращиванияразрядности мультиплексора, синхронизации его работы с работой других узлов.Сигналы на разрешающих входах могут разрешать, а могут и запрещать подключениеопределенного входа к выходу, то есть могут блокировать действие всегоустройства. Мультиплексоры являются универсальными логическими устройствами, наоснове которых создают различные комбинационные и последовательностные схемы.Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерныхустройствах, сдвигающих устройствах и др. Мультиплексоры часто используют дляпреобразования параллельного двоичного кода в последовательный. Для такогопреобразования достаточно подать на информационные входы мультиплексорапараллельный двоичный код, а сигналы на адресные входы подавать в такойпоследовательности, чтобы к выходу поочередно подключались входы, начиная спервого и заканчивая последним.
Мультиплексор — устройство, имеющеенесколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход.Мультиплексор позволяет передать сигнал с одного из входов на выход; приэтом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинацииуправляющих сигналов.
Аналоговыеи цифровыемультиплексоры значительно различаются по принципу работы. Первые электрическисоединяют выбранный вход с выходом (при этом сопротивление между ними невелико —порядка единиц/десятков Ом). Вторые же не образуют прямого электрическогосоединения между выбранным входом и выходом, а лишь «копируют» на выходлогический уровень ('0' или '1') с выбранного входа.
Обобщеннаясхема мультиплексора:
Обобщеннаясхема мультиплексора приведена на рис. 11.Мультиплексор MUX (Multiplexor) вобщем случае можно представить в виде коммутатора, управляемого входнойлогической схемой. Входные логические сигналы Xi поступают на входы коммутатораи через коммутатор передаются на выход Y. Управление коммутаторомосуществляется входной логической схемой. На вход логической схемы подаютсяадресные сигналы Ak (Address). Мультиплексоры могут иметь дополнительныйуправляющий вход E (Enable), который может выполнять стробирование выхода Y.Кроме этого некоторые мультиплексоры могут иметь выход с тремя состояниями: двасостояния 0 и 1 и третье состояние — отключенный выход (выходное сопротивлениеравно бесконечности). Перевод мультиплексора в третье состояние производитсясигналом OE (Output Enable).

3. Аналоговые,цифроаналоговые (ЦАП), аналогово-цифровые (АЦП) преобразователи. Операционныйусилитель (ОУ), компаратор
 
Измерительныепреобразователи в зависимости от вида (аналоговый, кодированный) входного ивыходного сигналов относят к одной из следующих групп: а) аналоговыеизмерительные преобразователи, у которых на входе и выходе аналоговые сигналы;б) аналого–цифровые измерительные преобразователи, имеющие на входеаналоговый сигнал, а на выходе кодированный сигнал; в) цифроаналоговыеизмерительные преобразователи, у которых на входе кодированный сигнал, а навыходе аналоговый (квантовый) сигнал.
/> (14)
Прежде чемперейти к анализу принципа действия схем аналого-цифровых и цифроаналоговыхпреобразователей, коротко рассмотри" важнейший элемент интегральнойтехники — операционный усилитель на котором, в частности, построены современныекомпараторы (устройства сравнения).
Операционныеусилители. Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественныйинтегральный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициентусиления (106...107), высокое входное (сотни МОм) и малоевыходное (единицы Ом) сопротивления. На рис. 12, а показано условноеграфическое обозначение ОУ. По отношению к выходу один из входов ОУ является неинвертирующимUн, а другой — инвертирующим Uи; последний обозначается знаком инверсии(кружок на входе ОУ). Питание ОУ осуществляется от двух одинаковыхразнополярных источников +Uп и -Uп(на графическихобозначениях источники питания обычно не показывают). При таком питании входныеи выходные сигналы могут быть двуполярными, а нулевой входной сигналамсоответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционалендифференциальному входному сигналу — разности входных Uн- Uи.
 /> />
Рис.12.Операционный усилитель:
а –условное графическое обозначение; б – передаточные характеристики
 
Коэффициентусиления по напряжению К0собственно ОУ равен отношениювыходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:
/>
 (15)
Передаточныехарактеристики (рис.12, б) имеют важнейшее значение для ОУ. Еслиусиливаемый сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий входзаземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного напряжения(линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлениинеинвертирующего, знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного(линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристикпропорционален коэффициенту усиления по напряжению К0. Горизонтальныеучастки передаточных характеристик соответствуют режиму насыщения оконечныхтранзисторов ОУ, поэтому выходное напряжение
/> (16)
В теорииинтегральной усилительной техники с целью упрощения анализа и расчета схем наоперационных усилителях вводят понятие «идеальный» ОУ, для которогосправедливы следующие допущения: бесконечно большие коэффициент усиления К0= оо, входное сопротивление Rвх0= оо и нулевое выходноесопротивление Rвых0 = 0.
Из этихдопущений вытекают два основных свойства (правила анализа) ОУ:
1.        Дифференциальныйвходной сигнал равен нулю
/>
 (17)
2.        ВходыОУ не потребляют ток от источника входного сигнала
/>
 (18)
Изложенноевыше понятие идеального ОУ соответствует так называемому принципу «виртуального»(кажущегося) замыкания его инвертирующего и неинвертирующего входов. Привиртуальном замыкании, как и при физическом (обычном), напряжение междусоединенными зажимами равно нулю. Вместе с тем в отличие от физическогозамыкания ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет. Говоря другимсловами, для тока виртуальное замыкание зажимов эквивалентно разрывуэлектрической цепи.
В зависимостиот условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешнихэлементов можно получить две фундаментальные схемы включения: инвертирующую инеинвертирующую. Любое схемотехническое решение с применением ОУбазируется на этих включениях. Одно из них осуществлено в компараторе.
Компаратор—устройство, осуществляющее сравнение двух аналоговых напряжений. В простейшейсхеме компаратора входное напряжение сравнивается с некоторым опорным, вкачестве которого используется часть выходного напряжения (рис. 14, а).
Наинвертирующий вход ОУ поступает входное напряжение, а на неинвертирующий входподается опорное напряжение Uн= Uon = βUm,снимаемое с делителя R1,R2. Таким образом, ОУ охвачен положительнойобратной связью по неинвертирующему входу, и выходное напряжение скачкомизменяет свою полярность при сравнении входного и опорного напряжений.
Принципдействия компаратора рассмотрим с помощью передаточной характеристики —
зависимостивыходного напряжения от входного (рис.5, б). Пусть входное напряжение UBX= 0, а выходное Uвых= Um+ (точка 1 на рис 5, б). Напряжение нанеинвентирующем входе при этом будет:
Uн = βUm+ (19)
где р = Rl/(Rl+R2)— коэффициент передачи резистивной цепи Rt, R2положительнойОС в компараторе.
Если входноенапряжение больше нуля и увеличивается, то при сравнении его амплитуды сопорным, равным напряжению срабатывания U=βUm+, компаратор переключается.При этом произойдет скачкообразное изменение выходного напряжения со значенияUm+, на значение U-(переход от точки 2 к точке 3 на рис.14, б). Дальнейшее увеличение, входного напряжения не изменит состояниякомпаратора, и напряжение на неинвертирующем входе ОУ будет также постоянным:Uн=βUm-, При уменьшении входного напряжения до значения опорного, равного напряжениюотпускания Uвх = Uотп = βUm-, произойдет скачкообразный возвраткомпаратора в исходное состояние. Выходное напряжение при этом изменится с Um-на βUm+, (переход от точки 4 к точке 5 на рис. 5, б).
 /> />
Рис.14.Компаратор
а – схема;б- передаточная характеристика
Такимобразом, передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистерезиса.Такой компаратор обладает триггерным (переключающим) эффектом, ив радиоэлектронике его называют триггером Шмитта. Сумма напряженийсрабатывания и отпускания является напряжением гистерезиса.
/>
(20)

Рис.15.Формированиемеандра из синусоиды компаратором
/>

Оно вводитсядля повышения помехоустойчивости, что позволяет устранить «дребезг» триггера,т.е. случайное его переключение напряжением помех при отсутствии входногосигнала. В компараторе на ОУ амплитуда выходного напряжения практически равнанапряжению питания: Uвых = Um± = ±Uп. Компараторыприменяют для формирования сигналов прямоугольной формы из различных видовнепрерывных сигналов. В частности, при подаче на вход компараторасинусоидального напряжения (рис. 15), на его выходе формируется симметричноепрямоугольное колебание — меандр (греч. —узор — геометрическийорнамент).
Пусть вмомент времени t = 0 напряжение на выходе компаратора Uвых = Um+. Втаком состоянии компаратор будет находиться, пока амплитуда входного напряженияUBX В момент времени t = ttвходноенапряжение станетUBX = Uср, и компаратор переключится. Приэтом выходное напряжение Uвых скачком изменится со значения Um+назначение Um-. В момент времени t = t2входное напряжениестанет равным Uотп, и произойдет повое переключение компаратора.

3.1 Цифроаналоговыепреобразователи
Принципдействия четырехразрядного цифроаналогового преобразователя иллюстрируется спомощью простейшей схемы на ОУ, представленной на рис. 16. Основу схемысоставляет матрица резисторов с источником постоянного напряжения, соединенныхс инвертирующим входом ОУ ключами, которые управляются двоичным кодом(например, выходным кодом счетчика).
В зависимостиот поступающего кода цифрового сигнала подключаются резисторы с различныминоминалами сопротивлений. В схеме ключи замыкаются только при поступлении наних команд, соответствующих логической единице. Коэффициенты усиленияинвертирующего усилителя по входам 2°, 21, 22 и 23соответственно равны
 
  (21)K0= -R0 Qo / R; K1 = -2R0 Q1 / R; К2= — 4R0 Q2 / R; K3 = -8R0 Q 3/ R
ЗдесьQo,Q1, Q2, Q 3— кодовые числа,принимающие два значения: либо 1 (ключ замкнут), либо 0 (ключ разомкнут).
Из формулы 21следует, что четырехразрядный двоичный код преобразуется в выходное напряжение,изменяющееся по амплитуде от 0 до 15∆ (напомним, что ∆ — шагквантования). Например, двоичному числу 1001 соответствует напряжение uвых1= ∆(1.1+ 2.0 + 4. 0 + 8. 1) = 9∆, а числу 1100– uвых2 = 12 ∆. Поскольку на вход резистивной матрицы подается постоянноенапряжение Е, то выходное напряжение ЦАП изменяется скачками припереключении кода цифрового сигнала. Сглаживание выходного сигналаосуществляется фильтром низкой частоты (ФНЧ).
/> />
Рис.16. Схемачетырехразрядного ЦАП
 
Аналого-цифровыепреобразователи.
По своейструктуре аналого-цифровые преобразователи (АЦП) более сложны, чем ЦАП, причемпоследние часто являются основным узлом АЦП. В настоящее время существуют триразличных метода построения схем АЦП: последовательный, параллельный ипоследовательно-параллельный.
Последовательный(последовательного счета) метод построения АЦП (рис.17) основан наподсчете числа суммирований опорного напряжения младшего разряда, необходимогодля получения напряжения, равного входному.
При этом k — разрядный двоичный код одного отсчета определяется в схеме за 2kинтервалов дискретизации.
Началопреобразования входного непрерывного сигнала определяется временем поступленияимпульса запуска, который через.RS-триггер Т подключает счетчик Ст2 квыходу генератора тактовых (счетных) импульсов М. Схема ЦАПD/A,куда поступает цифровой код со счетчика, формирует выходное напряжение uвых,которое сравнивается в компараторе К с входным напряжением uвх. Присравнении этих напряжений, компаратор через логический элемент И (&) выдаетсигнал прекращения подачи на счетчик Ст2 тактовых импульсов. Врезультате осуществляется считывание со счетчика выходного четырехразрядногокода, представляющего в момент окончания преобразования цифровой эквивалентвыходного напряжения.
В описанномАЦП значения выходного цифрового кода в процессе преобразования многократноизменяются, поэтому он обладает низким быстродействием./> />
Рис.17.Упрощеннаяструктурная схема АЦП последовательного счета.
Действие параллельных(по методу считывания)k-разрядных АЦП основано наиспользовании 2k-1 компараторов (рис.18). Неинвертирующие входыоперационных усилителей компараторов объединены, и на них подается непрерывныйсигнал, а к каждому инвертирующему входу подключено индивидуальное опорноенапряжение, снимаемое с резистивного делителя. Разность между опорнымнапряжением двух соседних компараторов равна шагу квантования ∆ = U0п/2k. Компараторы, у которых входное напряжение превыситсоответствующее опорное напряжение, вырабатывают логическую 1, а остальные — логический 0. Информация с выходов компараторов поступает на шифратор CD, которыйпреобразует ее в двоичный код.
Параллельныесхемы обладают наибольшим быстродействием среди других типов АЦП. Однако дляповышения точности измерений и уменьшения мощности шумов квантования впараллельных АЦП требуется увеличение числа компараторов.

Рис.18.Структурная схема параллельного АЦП
/>

В последовательно-параллельныхсхемах АЦП используется сочетание методов последовательного и параллельногопреобразования сигналов, что существенно увеличивает быстродействиепоследовательных преобразователей и уменьшает объем параллельных.
На рис.19.показана структурная схема шестиразрядного аналого-цифрового преобразователяданного типа, в которой используются два трехразрядных параллельных АЦП, одинтрехразрядный ЦАП и сумматор ∑./> />
Рис.19.Структурная схема последовательно- параллельного АЦП
Аналого-цифровойпреобразователь формирует из входного напряжения три старших разряда выходногокода, соответствующие значениям 23, 24, и 25.Эти разряды поступают на вход трехразрядного ЦАП, в котором они вновьпреобразуются в аналоговое напряжение, отличающееся от входного напряжения uвхна величину погрешности преобразования схемы АЦП1. Аналоговое напряжениес выхода схемы ЦАП подается на сумматор ∑, где оно вычитается извходного напряжения uвх. Полученное разностное напряжение подается на АЦП2, вкотором оно преобразуется в три младших цифровых разряда22, 21,2° выходного кода преобразователя.
Взаключение отметим следующее. Перспективным направлением развития ЦИП являетсяприменение микропроцессоров, которые обеспечивают управление процессомизмерения, самодиагностику, автоматическую градуировку по заданной программе, атакже первичную обработку результатов измерения (линеаризацию функциипреобразования, коррекцию погрешностей, сжатие данных, т.е. уменьшениеизбыточности измеряемой информации). В настоящее время элементной базой ЦИПявляются аналоговые и цифровые интегральные микросхемы, что позволяетдостигнуть высокого быстродействия и малых габаритных размеров приборов.Применение интегральных микросхем большой степени интеграции значительнорасширило функциональные возможности ЦИП и повысило их надежность приодновременном снижении потребления энергии. Многие ЦИП имеют автоматическийвыбор пределов измерения, повышающий точность измерения при большомдинамическом диапазоне входного сигнала. Большинство ЦИП могут выполнятьоперации интегрирования и фильтрации, что значительно повышает ихпомехоустойчивость.
В последниегоды получили применение аналого-дискретные измерительные приборы (АДИП).В отличие от ЦИП в них используют квазианалоговые отсчетные устройства, вкоторых роль указателя выполняет светящаяся полоса или светящаяся точка,меняющие дискретно свою длину (полоса) или положение (точка) относительношкалы. Квазианалоговые отсчетные устройства управляются кодом. Такие приборысочетают в себе достоинства аналоговых приборов (аналоговые отсчетныеустройства) и ЦИП (код на выходе).
В настоящеевремя сформировалось новое направление в метрологии и электроизмерительнойтехнике — компьютерно-измерительные системы (КИС) и их разновидность —виртуальные приборы.

4. Микропроцессорыи микроЭВММикропроцессор — процессор,выполненный в виде одной либо нескольких взаимосвязанных интегральных схем.Микропроцессор состоит из цепей управления, регистров, сумматоров, счетчиковкоманд и очень быстрой памяти малого объема. Некоторые микропроцессорыдополняются сопроцессорами, расширяющими возможности микропроцессоров и наборвыполняемых команд.4.1 Основные характеристикимикропроцессора
Микропроцессорхарактеризуется:
1)тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключенияэлементов в ЭВМ;
2)разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичныхразрядов. Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает:
m- разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иномуклассу процессоров;
n- разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;
k- разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например,МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;
3)архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя системукоманд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд вовремени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы ирежимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектурамикропроцессора — это аппаратная организация и логическая структурамикропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства,запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура — это система команд,типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.В общемслучае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины втерминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.Структура типового микропроцессора
Архитектуратипичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис.20. Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройствоввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство(АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) иустройство вывода информации. Микропроцессор координирует работу всех устройствцифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разряднаяадресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, портаввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД)осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и отмикропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в памятьмикроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памятиили от одного из портов ввода. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) вмикроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализацииЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольнойвыборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программыпользователя

/>
Рис. 20.Архитектура типового микропроцессора
Вкачестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рассмотрим процедуру, дляреализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарныхопераций:
1.Нажатьклавишу с буквой «А» на клавиатуре.
2.Поместить букву «А» в память микроЭВМ.
3.Вывести букву «А» на экран дисплея.
Этотипичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой даетвозможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих вмикроЭВМ.
Нарис. 21 приведена подробная диаграмма выполнения процедурыввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первыешесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:
1.Ввести данные из порта ввода 1.
2.Запомнить данные в ячейке памяти 200.
3.Переслать данные в порт вывода 10.

/>

Рис. 21.Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода.
Вданной программе всего три команды, хотя на рис. 21 может показаться, что впамяти программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычноразбивается на части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе — команда ввода данных. Во второй части команды 1 указывается, откуда нужноввести данные (из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретноедействие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть — операндом. Кодоперации и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти программ. На рис. 21КОП хранится в ячейке 100, а код операнда — в ячейке 101 (порт 1); последнийуказывает откуда нужно взять информацию.
ВМП на рис. 21 выделены еще два новых блока — регистры: аккумулятор и регистркоманд. Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощьюзанумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор — этоцентральный узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.
Итак,при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМпроисходит следующая последовательность действий:
1. МП выдает адрес 100 нашину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий памятьпрограмм (конкретную микросхему) в режим считывания.
2. ЗУ программ пересылаетпервую команду («Ввести данные») по шине данных, и МП получает этозакодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует(интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нуженоперанд.
3. МП выдает адрес 101 наША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
4. Из памяти программ наШД пересылается операнд «Из порта 1». Этот операнд находится впрограммной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1)передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодируетполную команду («Ввести данные из порта 1»).
5. МП, используя ША и ШУ,связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы«А» передается в аккумулятор внутри МП и запоминается. Важноотметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласномикропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.
6. МП обращается к ячейке102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
7. Код команды«Запомнить данные» подается на ШД и пересылается в МП, где помещаетсяв регистр команд.
8. МП дешифрирует этукоманду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.
9. Из памяти программ на ШДпересылается код сообщения «В ячейке памяти 200». МП воспринимаетэтот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда «Запомнитьданные в ячейке памяти 200» выбрана из памяти программ и декодирована.
10. Теперь начинаетсяпроцесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует входзаписи, относящийся к памяти данных.
11. МП направляет хранящуюсяв аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы «А» передаетсяпо ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда.Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнемунаходится код буквы «А».
12. МП обращается к ячейкепамяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режимсчитывания.
13. Код команды выводаданных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд,дешифрирует и определяет, что нужен операнд.
14. МП выдает адрес 105 наША и устанавливает память программ в режим считывания.
15. Из памяти программ по ШДк МП поступает код операнда «В порт 10», который далее помещается врегистр команд.
16. МП дешифрирует полнуюкоманду «Вывести данные в порт 10». С помощью ША и ШУ, связывающихего с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы«А» (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква «А»выводится через порт 10 на экран дисплея.
Вбольшинстве микропроцессорных систем (МПС) передача информации осуществляетсяспособом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различиявозможны в блоках ввода и вывода информации. Подчеркнем еще раз, что именномикропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всемиоперациями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедурвыборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций вМПС определяется командами, записанными в памяти программ.
Такимобразом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:
— выборку команд программы из основной памяти;
— дешифрацию команд;
— выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных вкомандах;
— управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, междуустройствами ввода/вывода;
— отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерыванийс этих устройств;
— управление и координацию работы основных узлов МП. 4.2 Логическая структурамикропроцессора
Логическаяструктура микропроцессора, т. е. конфигурация составляющих микропроцессорлогических схем и связей между ними, определяется функциональным назначением.Именно структура задает состав логических блоков микропроцессора и то, как этиблоки должны быть связаны между собой, чтобы полностью отвечать архитектурнымтребованиям. Срабатывание электронных блоков микропроцессора в определеннойпоследовательности приводит к выполнению заданных архитектурой микропроцессорафункций, т. е. к реализации вычислительных алгоритмов. Одни и те же функцииможно выполнить в микропроцессорах со структурой, отличающейся набором,количеством и порядком срабатывания логических блоков. Различные структурымикропроцессоров, как правило, обеспечивают их различные возможности, в томчисле и различную скорость обработки данных. Логические блоки микропроцессора сразвитой архитектурой показаны на рис. 22

/>
Рис. 22. Общаялогическая структура микропроцессора: I — управляющая часть, II — операционнаячасть; БУПК — блок управления последовательностью команд; БУВОп — блокуправления выполнением операций; БУФКА — блок управления формированием кодовадресов; БУВП — блок управления виртуальной памятью; БЗП — блок защиты памяти;БУПРПр — блок управления прерыванием работы процессора; БУВВ — блок управлениявводом/выводом; РгСОЗУ — регистровое сверхоперативное запоминающее устройство;АЛБ — арифметико-логический блок; БДА — блок дополнительной арифметики; БС — блок синхронизации.
Припроектировании логической структуры микропроцессоров необходимо рассмотреть:
1)номенклатуру электронных блоков, необходимую и достаточную для реализацииархитектурных требований;
2)способы и средства реализации связей между электронными блоками;
3)методы отбора если не оптимальных, то наиболее рациональных вариантов логическихструктур из возможного числа структур с отличающимся составом блоков иконфигурацией связей между ними.
Припроектировании микропроцессора приводятся в соответствие внутренняя сложностькристалла и количество выводов корпуса. Относительный рост числа элементов помере развития микроэлектронной технологии во много раз превышает относительноеувеличение числа выводов корпуса, поэтому проектирование БИС в виде конечногоавтомата, а не в виде набора схем, реализующих некоторый набор логическихпереключательных функций и схем памяти, дает возможность получить функциональнозаконченные блоки и устройства ЭВМ.
Использованиемикропроцессорных комплектов БИС позволяет создать микроЭВМ для широкихобластей применения вследствие программной адаптации микропроцессора кконкретной области применения: изменяя программу работы микропроцессора,изменяют функции информационно-управляющей системы. Поэтому за счет составленияпрограммы работы микропроцессоров в конкретных условиях работы определеннойсистемы можно получить оптимальные характеристики последней.
Еслиуровень только программной «настройки» микропроцессоров не позволитполучить эффективную систему, доступен следующий уровень проектирования — микропрограммный. За счет изменения содержимого ПЗУ или программируемойлогической матрицы (ПЛМ) можно «настроиться» на более специфичныечерты системы обработки информации. В этом случае частично за счет изменениямикропрограмм затрагивается аппаратный уровень системы. Технико-экономическиепоследствия здесь связаны лишь с ограниченным вмешательством в технологиюизготовления управляющих блоков микроЭВМ.
Изменениеаппаратного уровня информационно-управляющей микропроцессорной системы,включающего в себя функциональные БИС комплекта, одновременно с конкретизациеймикропрограммного и программного уровней позволяет наилучшим образомудовлетворить требованиям, предъявляемым к системе.
Решениезадач управления в конкретной системе чисто аппаратными средствами (аппаратнаялогика) дает выигрыш в быстродействии, однако приводит к сложностям примодификации системы. Микропроцессорное решение (программная логика) являетсяболее медленным, но более гибким решением, позволяющим развивать имодифицировать систему. Изменение технических требований кинформационно-управляющей микропроцессорной системе ведет лишь к необходимостиперепрограммирования работы микропроцессора. Именно это качество обеспечиваетвысокую логическую гибкость микропроцессоров, определяет возможность ихширокого использования, а значит и крупносерийного производства.
Повиду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговыемикропроцессоры. Сами микропроцессоры цифровые устройства, однако могут иметьвстроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входныеаналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме,обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают навыход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собойаналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговымимикропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например,производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование идекодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложныесхемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности,конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессоразначительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и ихвоспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счетпрограммной «настройки» цифровой части микропроцессора на различныеалгоритмы обработки сигналов.
Обычнов составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналованалого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговоммикропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более,большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметическихопераций.
Отличительнаячерта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовыхданных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростьюпри необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов.Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальноммасштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме черезцифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельниковачастота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частотусигнала.
Сравнениецифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения имисписков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится поколичеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтроввторого порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяетсяего способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрееосуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра ваналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровыхсигналов можно задавать в микропроцессоре.
Однимиз направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоровявляется повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышениемскорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средстваобеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации засчет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.
Похарактеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные иасинхронные.
Синхронныемикропроцессоры — микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операцийзадаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае независит от вида выполняемых команд и величин операндов).
Асинхронныемикропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операцииопределить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции.Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорнойсистемы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи,обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу надкакой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий егоготовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителяработ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленнымприоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их команднойинформацией и данными.
Поорганизации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- имногомагистральные.
Водномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс иподключены к единой информационной магистрали, по которой передаются кодыданных, адресов и управляющих сигналов.
Вмногомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своейинформационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачуинформационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организациясистем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.
Поколичеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммныемикропроцессоры.
Воднопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход квыполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.
Вмного- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняетсянесколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммнойработы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль засостоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

4.3Понятие о микроЭВМ на примере однокристального микроЭВМ серии К1816
МикроЭВМэтой серии разработаны для использования в качестве микроконтроллеров, длякоторых требуются короткие программы, небольшой объем оперативной памяти иограниченные возможности ввода-вывода. Серия К1816 выпускается в четырехмодификациях, отличающихся быстродействием, объемом программной и оперативнойпамяти, а также способом программирования ПЗУ (см. табл. 5). Однокристальные микроЭВМсерии К1816 размещены в 40-выводном корпусе и имеют два вывода питания +5 В,один из которых Ucc подводит питание к микроЭВМ, а другой UDD — к внутреннему ОЗУ, что позволяет сохранять в нем данные во время сбояпитания.
4.4Архитектура микроЭВМ
Какбыло указано ранее, особенностью архитектуры микроконтроллера являетсялогическое и физическое разделение памяти на программную и данных. Программнаяпамять представлена только ПЗУ, так как в К1816 отсутствуют программныесредства оперативной записи команд и программ. Память может расширяться путемподключения внешних БИС: программная — на 2 Кбайта, данных — на 256 байт.Возможно также расширение средств ввода-вывода за счет использованияинтерфейсных БИС серии К580.
 
Таблица5Параметр Модификация КР1816ВЕ 35 39 48 49 Тип программной памяти - - ППЗУ ПЗУ Объем внутренней программной памяти, Кбайт - - 1 2 Объем ОЗУ, байт 64 128 64 128 Максимальная тактовая частота, МГц 6 11 6 11
Структурнаясхема однокристальной ЭВМ приведена на рис. 23. Она во многом напоминает намсхему микропроцессора серии К580. Основными отличиями К1816 от МП580 являются:
1.Увеличен объем внутренней сверхоперативной памяти данных.
2.Введена память команд.
3.Введен аппаратный таймер.
4.Используется мультиплексирование данных и адреса в порту ввода/вывода.
5.Увеличено число сигналов логического воздействия на микроЭВМ.
Элементыструктурной схемы могут быть объединены в четыре блока (обведены пунктирнойлинией):
·          центральноепроцессорное устройство;
·          блокпрограммного управления;
·          устройствоввода-вывода;
·          блокоперативных регистров.
Центральноепроцессорное устройство включает в себя устройство синхронизации и управления,АЛУ и схему условных переходов, которая организует условные переходы по битамрегистра флажков АЛУ и внешним сигналам управления ТО и Т1. АЛУ строитсяаналогично МП580 — оно выполняет операции накапливающего типа в двоичной идесятичной арифметике. Устройство синхронизации и управления связано спериферийными устройствами 13-разрядной шиной С {12: 0}, отдельные проводакоторой несут на себе следующие сигналы (в скобках указаны аналоги сигналовМП580):
BQ1,BQ2 — подключение кварца или LC — цепи синхронизации встроенного тактовогогенератора или входа внешнего тактового генератора;
WR(WR) — запись во внешнюю память данных, запись из порта BUS во внешнееустройство;
RD(DBIN) — чтение из внешней памяти или из внешних устройств, подключенных кпорту BUS
ALE(C) (address latch enable) — стробирование внешней памяти;
SR(RESET) (set-reset) — инициализация микроЭВМ;
INT(INT) — сигнал запроса на прерывание;
SS— организация пошагового выполнения программы (используется совместно с ALE);
PME(periphery memory enable) — стробирование внешней памяти при чтении./> />
Рис.23.
EMA(external memory access} — доступ к внешней памяти. Используется также припрограммировании и проверке ППЗУ; PR (periphery register) — расширение каналовввода/вывода. Используется также при программировании ППЗУ; ТО — ввод условиядля JTO/JNTO или выход тактовых сигналов после выполнения команды ENTO CLK; TI— ввод условия для JT1/JNT1 или ввод счетчика внешних событий после выполнениякоманды STRT CNT.
Блокпрограммного управления преобразует коды команд программы в сигналы управления.Он включает в себя счетчик команд (PC), дешифратор адреса команды, ППЗУ,регистр команды (IR) и дешифратор команды (IDC). В отличие от МП580, этот блокможет работать как с внутренней, так и с внешней памятью. В последнем случаекод адреса РС {11: 0} подается на внешнюю программную память, а байтный кодкоманды записывается непосредственно в регистр команды.
Устройствоввода/вывода включает в себя три байтных порта BUS, PI и Р2. Порты Р\ и Р2 имеютидентичные характеристики. При выводе информации данные от ЭВМ записываются врегистры порта и остаются там неизменными до следующей записи.
Привводе информации входной код, поддерживаемый неизменным на время действияимпульса RD, маскируется кодом регистра порта и передается в микроЭВМ. Если кодвводится без изменений, предварительно, еще до ввода, в регистре порта долженбыть записан единичный код маски. Записанный в режиме вывода код регистра портаможет программно модифицироваться. Порт Р2 используется также для подключениярасширителя ввода/вывода и выдачи четырех старших разрядов программногосчетчика РС{11: 8 }.
ПортBUS реализует двунаправленный канал передачи данных. Он передает восемь младшихразрядов кода адреса команд РС{1: 0} или кода адреса данных ADRD {7: 0} приработе с внешней программной памятью или памятью данных и байт данных D{1: 0}при работе с внешней памятью или схемами расширения (интерфейсные БИС серииК580). По завершению передачи данных порт переходит в третье состояние.
Блокоперативных регистров включает в себя ОЗУ, таймер-счетчик, регистр состоянияпрограммы, схему прерывания и регистр дополнительных флажков. Оперативноезапоминающее устройство имеет объем либо в 64 байта (BE 35/48), либо 128 байт(BE 39/49). Назначение отдельных ячеек ОЗУ изображено на рис. 24
/>

Ячейкис адресами 0 + 7 и 24 + 31 образуют два банка регистров общего назначения.Выбор банка осуществляется по состоянию триггера номера банка RBF, а регистравнутри банка — по трехбитному коду адреса регистра в банке N{2:0} (режим прямойрегистровой адресации).
Клюбой ячейке ОЗУ (в том числе и ячейкам банка регистров) можно обратиться по ихполному адресу в режиме косвенной регистровой адресации по содержимомурегистров R0 или R1 выбранного банка регистров.
 Вотличие от МП580, в котором стековая память располагается вне микропроцессора иимеет, практически, неограниченный объем (до 64 Кбайт), стек КР816 содержитвсего 16 ячеек и обеспечивает запись восьми двухбайтных слов, необходимых длявозврата на основную программу после завершения подпрограммы или обработкипрерывания. Каждое слово содержит значение адреса возврата PC(11:0} и старшуютетраду слова состояния программы PSW. Напомним, что в МП580 PSWхарактеризовало состояние аккумулятора и регистра флажков (PSW = F.A). К1816биты PSW имеют другой смысл: PSW{2:0} (SP{2:0} — указатель стека (адресаотсчитываются от нижней границы стека для двух соседних ячеек (см. рис. 2.2));PSW{3} = 1 — разряд забит единицей; PSW{4} = RBF — номер банка регистров;PSW{5} = FO — флаг пользователя. PSW{6} = AC(adjust carry) — дополнительныйфлаг переноса; PSW{7} = C – флаг переноса.
Словосостояния программы хранится в регистре состояния программы и изменяется либо впроцессе выполнения команд программы, либо при возврате на основную программу(только старшая тетрада PSW). Флажки пользователя (Fl, RBF, CNTF, INTF) непоместившиеся в регистре PSW, фиксируются триггерами регистра дополнительныхфлажков. Восьмиразрядный таймер-счетчик считает поступающие из вне через Т1сигналы и генерирует временные задержки без отвлечения АЛУ от выполненияосновной программы. Переключение режимов таймера осуществляется программно.Содержимое счетчика считывается или загружается с помощью аккумулятора. Приинкрементном переполнении счетчика (FF -> 00) устанавливается флагпереполнения TF и счет продолжается. Переполнение, если есть на то разрешение,вызывает прерывание программы, которое обслуживается подпрограммой прерыванияпо адресу 07H. В режиме генерации временных задержек счетчик запитывается отделителя основной тактовой частоты Fbq на 480. При Fbq =6 МГц квант задержки составляет 80 мкс. Задержки более 80x256=20480 мксформируются программными средствами. Одноуровневая схема прерыванийобеспечивает приоритет прерывания (внешнее прерывание INT — старший, флагтаймера TF — младший) и программное маскирование прерываний. МикроЭВМ КР1816работает аналогично МП580. Инициализация работы КР1816 происходит при подачеимпульса SR длительностью порядка 50 мкс. При этом осуществляются следующиедействия:
·          программныйсчетчик сбрасывается в О (PC = 0);
·          указательстека сбрасывается в О (SP = 0);
·          выбираетсянулевой банк регистров (RBF = 0);
·          выбираетсянулевой банк программной памяти (MBF = 0);
·          блокируетсявнешнее прерывание (INTF=0);
·          портыР1 и Р2 устанавливаются в режим приема;
·          останавливаетсятаймер/счетчик;
·          сбрасываютсяфлаги F0 и F1.
 Выполнениепрограммы начинается с команды нулевого адреса. Каждая команда занимает отодного до двух байт программной памяти и выполняется внутри цикла команды. Этотцикл делится на машинные циклы (цикл обращения к памяти/цикл генерации ALE),длительность которых составляет 15 периодов сигнала синхронизации Tbq.Это соотношение помогает подсчитывать время выполнения программы и формироватькалиброванные временные задержки.
 Программавыполняется до тех пор, пока не будут сформированы коды всех управляющихсигналов. После этого микроЭВМ переходит в режим ожидания, выход из которогопроисходит только в случае либо повторной инициализации программы, либодействия одного из внешних или внутренних сигналов прерывания. При входе впрограмму по вектору внешнего прерывания управление передается команде поадресу ООЗН, а по вектору прерывания по таймеру — команде по адресу 007Н.

5.Цифровые измерительные приборы (ЦИП). Структурная схема. Основныехарактеристики.
 
Цифровымизмерительным прибором (ЦИП) называется средство измерения, автоматическивырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которогопредставлены в цифровой форме.
По виду измеряемыхвеличин цифровые измерительные приборы подразделяются на:
-        вольтметрыи амперметры постоянного и переменного тока (напряжения);
-  омметры и мостыпостоянного и переменного тока;
-  комбинированные приборы;
-  измерители частоты,интервалов времени и фазового сдвига;
-  специализированные ЦИП,предназначенные для определения времени срабатывания различных элементов и т.д.
Диапазонизмеряемых посредством ЦИП величин обычно весьма широкий и разбивается на рядподдиапазонов. Выбор нужного поддиапазона в процессе измерения производитсявручную или автоматически. Измерение на выбранном поддиапазоне всегдаосуществляется автоматически.
Основнымиклассификационными признаками ЦИП принято считать вид измеряемой величины и способпреобразования, определяющие такие важные характеристики, как точность ибыстродействие. По виду входных физических величин ЦИП объединяют в следующиеосновные группы приборов для измерения:
-  постоянного и переменноготока (напряжения);
-  параметров R, L иС электрических цепей;
-        временньгхпараметров (частоты, периода, временного интервала, фазы).
РазновидностямиЦИП, входящих в упомянутые группы, являются средства измерений смикропроцессорами, виртуальные приборы на основе компьютеров и цифровыеосциллографы.
Наиболее важнымитехническими характеристиками ЦИП, определяющими возможность их использованиядля конкретной измерительной задачи, являются: пределы измерения, цена деления,входное сопротивление, быстродействие, точность, помехоустойчивость инадежность. Цену деления шкалы ЦИП можно определить по формуле.
 
 z = xmax/10m(22)
где Xmax —максимальное значение предела измерения; т — число разрядов десятичногоцифрового отсчета.
Для каждогопредела измерения цена деления постоянна и определяет максимально возможнуюразрешающую способность для данного типа ЦИП.
Разрешающаяспособность ЦИП — это изменение цифрового отсчета на единицу первого(младшего) разряда. Иногда под разрешающей способностью понимают значение ценыделения младшего (для многопредельных приборов) предела ЦИП.
Быстродействиеопределяетсямаксимальным интервалом времени необходимым для выполнения одного полного циклаизмерения (для, ЦИП это время измерения и время индикации) или преобразования(для, АЦП) входной величины. Для ЦИП с равномерной временной дискретизациейэтот интервал измерения определяется шагом дискретизации ∆t, а,быстродействие — количеством измерений (преобразований) в 1 с, т.е, значением1/(∆t).
ПомехоустойчивостьЦИП — способность сохранять необходимую точность измерения при наличии различныхвозмущающих воздействий (помех). Устранить влияние помех, появляющихся вместе ссигналом на входных зажимах ЦИП, полностью нельзя. Поэтому помехоустойчивостьчисленно характеризуется степенью подавления помех на входе ЦИП. Оценкупомехоустойчивости ЦИП обычно вычисляют по отношению к аддитивным, т.е.суммирующимся с полезным сигналом помехам..
Итак, ЦИПнаиболее полно удовлетворяют основным требованиям предъявляемым в настоящеевремя к измерительной аппаратуре, — высокая точность и быстродействие,автоматизация процессов измерения и обработки информации. Обобщеннаяструктурная схема ЦИП показана на рис.25/> />
Рис.25.Обобщенная структурная схема ЦИП
В цифровомприборе измеряемая величина х подается на входное устройство (ВУ), предназначенноедля выделения ее из помех и масштабного преобразования. Аналого- цифровойпреобразователь (АЦП) преобразует величину х' в код N, которыйподается на цифровое отсчетное устройство (ЦОУ), где индицируется в видеряда цифр. Цифровые коды могут выводиться и во внешние устройства, например вкомпьютер для дальнейшей обработки или хранения. Управляет работой ЦИП устройствоуправления: (УУ) путем выработки и подачи определенной последовательности командныхсигналов во все функциональные узлы прибора.
По способупреобразования входного сигнала ЦИП условно делятся на приборы прямого иуравновешивающего преобразования. В ЦИП прямого преобразованияотсутствует цепь общей отрицательной обратной связи (т.е. связь выхода свходом). Они облагают повышенным быстродействием, но прецизионные измерениявозможны только лишь при высокой точности всех измерительных преобразователей,поэтому применяются редко. ЦИП уравновешивающего преобразования охвачен цепьюобщей обратной связи. Цепь отрицательной обратной связи представляет собой посуществу цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) выходного дискретного сигнала вкомпенсирующую величину хкодной физической природы сизмеряемой величиной x(t).
ПогрешностьЦИП уравновешивающего преобразования, охваченных отрицательной обратной связью,практически не зависит от погрешностей преобразователей цепи прямогопреобразования, а определяется в основном параметрами ЦАП. Поэтому в схемах ЦАПобязательно применяются элементы достаточно высокой точности и стабильности.
По характеруизменения во времени компенсирующей величины хкЦИП делят наприборы развертывающего и следящего уравновешивания. Примером ЦИПпервого типа являются приборы, в которых значение компенсирующей величины хкв каждом цикле измерения возрастает от нуля ступенями, равными шагуквантования А (рис. 26, а).
Приидентичности величин хк = х процесс уравновешиванияпрекращается и фиксируется результат измерения, равный числу ступенейквантования компенсирующей величины. Отсчет показаний обычно производится вконце цикла изменения величины хк. При этом возникает динамическаяпогрешность ∆д, обусловленная изменением измеряемой величины x(t)за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчета.
/> />
Рис.26.Временные диаграммы к схемам ЦИП уравновешивающего типа: а)- развертывающего;б)- следящего
В приборахследящего уравновешивания (рис.26, 6) уровень компенсирующей величины невозвращается к нулю после достижения равенства с измеряемой величиной, аостается постоянным. При изменении х величина хксоответственно отрабатывает (отслеживает) это изменение так, чтобы разность х- хкне превышала значения шага квантования. Отсчет производитсяили в момент уравновешивания, или по внешним командам. Следящее уравновешиваниесложнее в технической реализации, но при прочих равных условиях обеспечиваетменьшую динамическую погрешность, которая не превышает шага квантования.
По виду выходногодискретного сигнала ЦИП и АЦП делятся на приборы с двоичной, десятичной идвоично-десятичной формами представления информации. Двоичная форма являетсясамо экономичной и используется в основном для представления информации всистемных АЦП.

6.Цифровые измерительные преобразователи
 
6.1 Мостыпостоянного и переменного тока
 
Преобразователисопротивления, индуктивные и емкостные преобразователи. Преобразователисопротивления, индуктивные и емкостные преобразователи широко применяются приизмерении различных неэлектрических величин. Кроме того, измерение параметровлинейных, электрических цепей необходимо в радиотехнике при наладке и ремонтеаппаратуры и контроле радиодеталей.
Врадиоэлектронике и устройствах телекоммуникационных систем используются дваосновных метода преобразования линейных параметров цепей: прямой и уравновешивающий.
Цифровойизмерительный прибор прямого преобразования представляет сочетание аналоговогопреобразователя какого-либо параметра элемента в активную величину исоответствующего цифрового прибора для ее измерения. Их классификацияпроизводится в зависимости от вида промежуточного преобразования.
Цифровыеизмерительные приборы уравновешивающего преобразования представляют собойцифровые мосты постоянного (для измерения R) или переменного (дляизмерения R, L и С) тока. Одним из самых простых методов измеренияR, L, С является преобразование их в напряжение. Исследуемыйдвухполюсник включают в измерительную цепь, питание которой осуществляется отисточника образцового тока или напряжения. Второй способ цифрового измерения R,L, С параметров основан на предварительном преобразовании их значений вчастоту гармонического сигнала. В этом случае исследуемый элемент включается вчастотно-зависимую цепь, определяющую частоту колебаний генератора (источника).
В практикеизмерений R, L, С широкое распространение получили методыразвертывающего преобразования. Они основаны на формировании определеннойразвертывающей функции, аналитическое выражение которой включает в себяизмеряемый параметр, и в фиксации моментов времени, когда она достигает заранеезаданных значений. Измеренный интервал времени оказывается функциональносвязанным с преобразуемым параметром. Данные преобразователи отличаются высокойточностью, быстродействием, линейностью функции преобразования, удобным дляпреобразования в цифровой код видом выходного сигнала (частота/, период Т иливременной интервал At). Рассматриваемый метод применяется обычно всочетании с предварительным преобразованием параметров R, L или С внапряжение. В этом случае развертывающая функция также представляет собойнапряжение.
Структурнаясхема простейшего преобразователя параметров R, L, С в периодмеандрового сигнала показана на рис. 27., а.
 /> />
Рис.27.Измерительный преобразователь параметров R,L,C в период:
а)-структурная схема; б)- временные диаграммы
 
Измерительнаяцепь (ИЦ) интегрирующего типа с постоянной времени tx = R0CX(или RxCо, или Lx/Rо))питается напряжением с выхода операционногоусилителя (ОУ), являющегося компаратором (устройством сравнения). Порог егосрабатывания задается резистивным делителем Rtи R2 (коэффициентомпередачи цепи положительной обратной связи). Временные диаграммы работыпреобразователя параметров приведены на рис 27.б.
При подаче свыхода ОУ на ИЦ в момент времени t0напряжения U0 происходитего интегрирование измерительной цепью. Развертывающая функция на инвертирующемвходе ОУ имеет следующий вид:
/>

                                                                                                                                                     (23)
гдеβ = R2/(R{+ R2) — коэффициент передачи цепи положительной обратной связи.
Придостижении этой функцией порогового значения +βUo в момент времени t1,срабатывает компаратор на ОУ, изменяя на выходе знак напряжения U0на противоположный. Интервал времени интегрирования
/>(24)
На следующеминтервале времени Т2 = t2 — t{происходитформирование развертывающей функции с противоположным знаком производной.Очевидно, что при равенстве положительного и отрицательного пороговсрабатывания |+β Uo| = |-β Uo| интервалы T1, и Т2равны. При этом период меандрового напряжения на выходе ОУ определяется выражением.(25)
/>

Результатизмерения периода Тхпропорционален значению определяемогопараметра Rx(или Сх, или Lx).
Цифровыеизмерительные приборы, построенные по методу развертывающего преобразования,получили широкое распространение при измерении параметров электрических цепей;их погрешность измерения составляет 0,005...0,1%.
Наряду сметодами преобразования в практике используются также методы уравновешивающегопреобразования Rx, Схи Lx—параметров.; Сравнение измеряемой величины с образцовой чаще всего осуществлявется путем уравновешивания мостовой измерительной цепи, в одно из плеч которойвключается исследуемый двухполюсник. В смежное плечо моста включаетсяобразцовый элемент, представляющий собой набор квантованных образцовых мер,соответствующих весовым коэффициентам разрядов используемого цифрового кода.Изменением параметров образцового двухполюсника добиваются равенства нулюнапряжения в измерительной диагонали. Уравновешивание моста может быть какследящим, так и развертывающим.
Достоинствамитаких ЦИП являются высокая точность и широкий динамический диапазон. К ихнедостаткам относится низкое быстродействие, обусловленное необходимостьюприменения контактных ключей для формирования с высокой точностью параметров образцовогодвухполюсника.
На рис.28показана структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающеготипа для измерения активного сопротивления резистора или другого элемента соммическими потерями.
Измеряемыйрезистор Rх образцовые резисторы R1, и R2ипреобразователь кода в сопротивление (ПКС) образуют мост, которыйпитается источником постоянного напряжения (ИП). Разбаланс моста фиксируется устройствомсравнения (УС). Устройство управления (УУ) анализирует выходнойсигнал УС и в зависимости от его знака увеличивает или уменьшает; цифровой код N,выдаваемый на ПКС. Уравновешивание производится до тех пор, пока напряжениев выходной диагонали моста не станет меньше порога чувствительности УС. Приэтом измеряемое сопротивление

/>
  (25)
где КПКС= Rпкс /N— коэффициент преобразования ПКС; Rпкс — сопротивление ПКС.
Как следуетиз формулы (25), результат измерения (он фиксируется цифровым отсчетнымустройством — ЦОУ) не зависит от напряжения питания моста.
Изменениепределов измерения происходит путем изменения отношения сопротивленийрезисторов R1и R2цепиположительной обратной связи. Точность измерения определяется стабильностьюсопротивления образцовых резисторов R1и R2и точностью ПКС.
Цифровыемосты постоянного тока обеспечивают погрешность измерения около 0,01% и широкоиспользуются для точного измерения активного сопротивления./> />
Более сложнымиявляются мосты переменного тока, предназначенные для измерений комплексногосопротивления, индуктивности и емкости при определенной фиксированной частоте(обычно 1 кГц). Эти мосты выполняют уравновешивание по двум параметрам, т.е.производят раздельное и независимое уравновешивание двух составляющихкомплексного сопротивления Zx.
Рис.28.Структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа

6.2Мостыпостоянного и переменного тока
 
Для измеренийразличных величин находят применение измерительные приборы – мосты икомпенсаторы, которые строятся на основе метода сравнения с мерой.
Мосты широкоиспользуются для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности иугла потерь. На основе мостовых схем выпускают приборы для измерениянеэлектрических величин (температуры, перемещений и др.) и различные устройстваавтоматики. Широкое применение мостов объясняется возможностью измеренияразличных величин.
В зависимостиот характера сопротивлений плеч, образующих мост, и рода тока, питающего мост,выделяют мосты постоянного и переменного тока. В зависимости от вида схемы(числа плеч) мосты постоянного тока бывают четырехплечие (одинарные) ишестиплечие (двойные). Мосты выпускаются с ручным и автоматическимуравновешиванием.
Для измеренийнапряжений и ЭДС постоянного и переменного тока применяют компенсаторыпостоянного и переменного тока. Они также применяются для измерения другихвеличин при использовании измерительных преобразователей и косвенного способаизмерений. Компенсаторы дают возможность получать результаты с высокойточностью, они обладают высокой чувствительностью. Приборостроительнаяпромышленность выпускает компенсаторы, как с ручным, так и с автоматическимуравновешиванием.
Измерениепараметров на переменном токе. Основными методами измерения параметров R, L,С на переменном токе являются мостовые и резонансные. Мостовые методыизмерения являются более точными, но могут использоваться только в ограниченнойполосе частот. Существует несколько разновидностей мостовых схем:четырехплечие, шестиплечие (двойные), уравновешенные, неуравновешенные ипроцентные. Управление этими мостами может быть как ручным, так иавтоматическим. Наибольшее распространение получили схемы четырехплечихуравновешенных мостов. Обобщенная структурная схема такого моста показа-па нарис.29, а.
Сопротивлениячетерехплечего моста в общем случае носят комплексный характер:
/>

                                                                                                (26)
Условияравновесия такого моста будут определяться двумя уравнениями:
/>

                                                                               (27)
                                                                               (28)
Длявыполнения этих условий необходимо наличие в плечах моста двух элементов срегулируемыми параметров. Этими параметрами наиболее удобно сделать активныесопротивления. В качестве элемента, обеспечивающего необходимый фазовый сдвиг,используется эталонный конденсатор емкостью С0с малыми потерями.
Упрощеннаяструктурная схема четырехплечего уравновешенного моста для измерений активныхсопротивлений представлена на рис.29, б. Магнитоэлектрический,электронный или цифровой нуль-индикатор (НИ) включается в диагональ моста, токв которой в момент измерения должен быть установлен равным нулю. Согласноусловию (27) равновесия моста необходимо, чтобы выполнялось равенство RхR4=R2R3, откуданеизвестное сопротивление можно выразить следующей формулой:
/>

                                                 (29)

Длядостижения равновесия моста достаточно иметь один регулируемый параметр(резистор R4), как показано на рис.29, б.
 /> />
Рис.29.Структурная схема четырехплечего моста.
Пределыизмеряемых сопротивлений для подобных мостов составляют от 10 -2 до10 7 Ом. Погрешности измерения — от сотых долей процента донескольких процентов в зависимости от диапазона измерения. Наименьшиепогрешности лежат в диапазоне от 100 Ом до 100 кОм. При малых измеряемыхсопротивлениях вклад в погрешность измерения вносят сопротивления соединительныхпроводов, при больших — сопротивления утечки.
Представленнаяна рис.29, б схема может быть создана в цифровом варианте. Для этогорегулируемый резистор изготавливается в виде набора ряда сопротивлений,выполненных в соответствии с двоично-десятичным кодом. Сопротивления поочередновключаются в плечо измерительного моста до тех пор, пока схема неуравновесится. Положение ключей характеризует собой код измеряемой величины,поступающий затем в цифровое отсчетное устройство.
 

6.3 Измерениеиндуктивности, добротности, емкости и тангенса угла потерь
Наиболеераспространенные схемы мостов на переменном токе, измеренияиндуктивности и добротности катушек представлены рис.30. В них используютсяисточники гармонического тока с амплитудой напряжения U и угловойчастотой ω. Эти четырехплечие мостысоответствуют наилучшей сходимости (уравновешивания). Эквивалентные схемызамещения для катушек индуктивности с потерями могут быть последовательными илипараллельными в зависимости от потерь отображенных активным сопротивлением./> />
Рис.30. Схемымостов для измерения индуктивностей и их добротностей с образцовыми элементами:а – катушкой; б – конденсатором
 
Условиеравновесия для схемы рис.30, а имеет вид
/>

                                                                                  (30)
где Lxи Rx— измеряемые индуктивность и сопротивление омическихпотерь в катушке; LQи R0— образцовыеиндуктивности и сопротивление.
Приравнявотдельно действительные и мнимые члены формулы (30), получим:

LX=L0R2/Ri;RX=R0R2/Rh                                 (31)
Посколькуизготовление высокодобротных образцовых катушек вызывает определенныетрудности, часто в качестве образцовой меры в мостах переменного токаприменяется конденсатор (рис.30, б). Для этой схемы
/>

                                                                          (32)
Приравняв отдельнов данном уравнении вещественную и мнимую части, получим следующие формулы дляопределения параметров катушки индуктивности:
 
Lx=C0R2R3;Rx=R2R3/R0.                                  (33)
Добротностькатушки
/>                                                                         (34)
Для измеренияемкости и тангенса угла потерь конденсаторов с малыми потерями применяютмостовую схему, представленную на рис.31, а (последовательное соединениеэлементов Схи Rx), а с большими потерями — на рис.31, б (параллельное соединение элементов Схи Rx).
Условиеравновесия для схемы рис.31, а имеет вид

/>

/>
Рис.31. Схемымостов для измерения емкости и угла потерь конденсаторов:
а – смалыми потерями; б – с большими потерями.
 
Разделивздесь вещественную и мнимую части, получим следующие формулы для определенияпараметров конденсатора:
 
Cx=C3R4 /R2, Rx=R3R2/R4.                              (35)
Тангенс углапотерь конденсатора
/>                                                                         (36)
Для моста спараллельным соединением Схи Rx(рис. 31,б) условие равновесия имеет вид
/>

                                                                                            (37)
откуда
/>                                                                                                   (38)                        
Тангенс углапотерь конденсатора при параллельной схеме замещения:

/>

Посколькуусловия уравновешивания моста зависят от частоты, мостовые схемы измеренияпредназначены для работы на одной из определенных частот, например: 50, 100,1000, 10 000, 100 000 Гц.
Уравновешиваниесхем достигается поочередным регулированием переменных образцовых сопротивленийили емкостей. Эта процедура называется шагами, а количество шагов определяетсходимость моста. Мост с хорошей сходимостью имеет не более пяти шагов.Уравновешенные мосты переменного тока обеспечивают погрешность измерения 0,5 до5%.
 
6.4 Резонансныеметоды измерения параметров цепей
Прирезонансных методах измерений используются физические явления в колебательныхконтурах и генераторах. Соответственно методы подразделяются на контурные игенераторные. Генераторные методы в настоящее время находят, в силу разныхпричин, ограниченное применение. Наиболее универсальным прибором для измеренияпараметров цепей является куметр (от латинской буквы Q —характеристики добротности катушки индуктивности), в котором основнаяизмерительная цепь — последовательный колебательный контур.
Упрощеннаяструктурная схема куметра представлена на рис.32. Источником синусоидальныхсигналов, подаваемых на последовательный резонансный контур, является генератортока, нагруженный на малое активное сопротивление R0≤ 0,05Ом. Частота выходных колебаний генератора может изменяться в широких пределах.Уровень входного сигнала необходимо поддерживать постоянным (по вольтметру VI).
/> />
Рис.32.Упрощенная структурная схема куметра
При измерениииндуктивности катушку подключают к зажимам 1—2. В этом случаерезонансный контур будет образован катушкой измеряемой индуктивности Lxс активными потерями RLи межвитковой емкостью еепроводов СL,а также перестраиваемой эталонной емкостью Сэ.Резонанс в контуре на заданной частоте достигается изменением величины емкостиСэ, эталонного конденсатора. Состояние резонанса контураопределяется по вольтметру V2, отградуированному в значениях добротностиQ. Если измерения емкости Сэ произвести на двух резонансныхчастотах, то их можно вычислить по следующим уравнениям:
/>

                                                                                         (40)
                                                                                         (41)
где Сэ1,и Сэ2 — известные эталонные емкости при резонансных частотах ƒp1 и ƒР2 соответственно.
Пустьсоотношение частот ƒp1 = KƒР2, где К — коэффициент — вещественное число.Тогда совместное решение уравнений (40), (41) дает возможность вычислить ранеенеизвестные величины параметров L и CL:

/>                                                                                              (42)
                                                                                              (43)
С помощьюкуметра можно также определять неизвестные параметры R, С, tgδc,подключая измеряемые резистор или конденсатор к зажимам 3 — 4.
Погрешностиизмерения параметров L, С, tgδc, R куметром лежатв пределах 1...5% в зависимости от используемой схемы.
Причинамипоявления этих погрешностей могут являться: нестабильность генератора, наличиев контуре постороннего сопротивления R0, неточность шкалы конденсатораэталонной емкости Сэ, погрешности измерительных приборов VI, VI,погрешность считывания показаний.

7. Методдискретного счета с мостами переменного тока
 
В методеиспользуется апериодический процесс, возникающий при подключении заряженногоконденсатора или катушки индуктивности с протекающим в ней током к образцовомурезистору. В первом случае при измерении сопротивления разряд образцовогоконденсатора проходит через измеряемый резистор. Структурная схема измерителяемкости, реализующая метод дискретного счета, показана на рис.33.
/>

Рис.33.Структурная схема измерителя емкости с мостом переменного тока, реализующаяметод дискретного счета
Передизмерением емкости ключ Кл устанавливается в положении 1 иконденсатор Схзаряжается через ограничительный резистор Rддо значения стабилизированного источника напряжения Е.
/>В момент начала измерения t1(рис.34.а) управляющее устройство импульсом управления переключаеттриггер из состояния 0 в состояние 1, очищает предыдущие показания счетчикаимпульсов и переводит ключ Кл в положение 2. Конденсатор Сдначинает разряжаться через образцовый резистор Rобр по экспоненциальному закону(рис.34, б), который аналитически описывается выражением
В моментвремени t1единичный импульс Uтс выходатриггера открывает схему совпадения и счетчик начинает счет тактовых импульсовгенератора, следующих с некоторой частотой ƒ.
Напряжение Uсподается на один из входов устройства сравнения, ко второму входу которогоподводиться напряжение с резистора R2 состоящего из резисторов R1 и R2.Это напряжение определяется выражением:
 
UR= ER2/ (R, + R2). (45)
СопротивленияR1 иR2выбирают так, чтобы при разрядеконденсатора уменьшающееся напряжение
напряжениюпри разряде UR. В момент t2, когдасравниваются эти напряжения, на выходе устройства сравнения возникает импульс Uус,переключающий триггер в исходное состояние, при котором задним фронтом егоимпульса UTзакрывается схема совпадения, и счетчикпрекращает счет тактовых импульсов (рис.34, б… д).
 /> />
Рис.34.Временные диаграммы к схеме рис.33: а- импульсы управления; б- процессразряда конденсатора; в- сигнал на выходе УС; г- сигнал триггера; д- импульсына входе счетчика.
 
Поскольку приt — t2напряжения Uc= URиτ = t2 — tuто
/>                                                                       (46)

                                                                                 (47)
/>

Итак,напряжение UR, снимаемое с делителя R1, R2,должно иметь определенное значение, что достигается подбором сопротивленийего резисторов.
Припоступлении на счетчик N импульсов
 
 N=fτ,(48)
гдеƒ—частота следования счетных импульсов.
Так какτ = RобрCx, то при фиксированных значенияхчастоты ƒи сопротивления Ro6p
/>                                                                         (49)
гдекоэффициент К1=ƒRo6p.
Согласно(49), величина измеряемой емкости прямо пропорциональна числу импульсов N, поступившихна счетчик.
Наличиеобразцового конденсатора Со6р позволяет аналогичным образом измеритьсопротивление резистора:
 
 Rx= N/(ƒCo5p)= N/K2,                                     (50)
гдекоэффициент К2 = ƒСобр.
Методдискретного счета, использующий мосты переменного тока, широко применяется присоздании цифровых измерителей емкостей и сопротивлений. К достоинствам методаследует отнести, прежде всего, достаточно высокую точность измерений.
Погрешностьизмерений цифровым методом составляет 0,1...0,2% и зависит в основном отнестабильности сопротивлений резисторов RобР, R1, R2или конденсатора Собр, нестабильности частоты генератора счетных импульсов,а также неточности срабатывания устройства сравнения.
 

8.Цифровые автоматические приборы с микропроцессором. Цифровые мультиметры
 
Цифровыеавтоматические приборы с микропроцессором
При созданиицифровых автоматических приборов для измерения сопротивления, индуктивности иемкости широко используются методы, связанные с преобразованием измеряемогопараметра в напряжение или ток, частоту или интервал времени, а также методы наоснове мостовых и компенсационных схем./> />
Наибольшеераспространение получили цифровые автоматические приборы с микропроцессором,выполненные по схемам с использованием уравновешенных мостов. Уравновешиваниеосуществляется автоматическим регулированием двух органов моста (для каждого изизмеряемых параметров). Упрощенная структурная схема цифрового автоматическогоизмерителя комплексного сопротивления с микропроцессором приведена на рис. 35.
 
Рис.35.Упрощенная схема цифрового автоматического измерителя комплексногосопротивления с микропроцессором
 
В основеданного измерения параметров цепей цифровым прибором лежит мостовой метод сфазочувствительными детекторами уравновешивания. Питание мостовой схемыосуществляется от генератора переменного напряжения (на рисунке для упрощенияне показан).
Микропроцессорсовстроенным тактовым генератором определенной частоты выполняет всефункции управления измерительным процессом. Напряжение разбаланса моста Upчерез усилитель сигнала разбаланса поступает на входы фазовых детекторовактивной АС и реактивной PC составляющих. Опорные напряжения фазовыхдетекторов UопАС и UonPc снимаются с мостовойсхемы. Напряжение разбаланса с фазовых детекторов подается на реверсивныесчетчики, управляющие состоянием органов уравновешивания мостовой схемы, ина микропроцессор, задающий сигналами UACи UPCскорость счета соответствующих реверсивных счетчиков.
Направлениесчета реверсивных счетчиков определяется знаком напряжения разбаланса фазовыхдетекторов, скорость счета — значением этого напряжения. Изменение состояниясчетчика, вызванное приходом на мост каждого тактового импульса Uvтактового генератора, приводит к изменению значения регулирующего параметрана одну единицу младшего разряда. Опорные напряжения фазовых детектороввыбираются такими, что сигналы, вырабатываемые ими, определяются отклонениеморгана управления от состояния равновесия: сигнал одного детектора отклонениемпо активной составляющей АС, сигнал другого — по реактивной составляющей PC.Управление мостом осуществляется сигналом Uтмикропроцессора.
По мереприближения к состоянию баланса моста напряжение разбаланса уменьшается,вследствие чего замедляется скорость его уравновешивания. При достижениисостояния равновесия мостовой схемы дискретное уравновешивание прекращается, ирезультаты измерения поступают на цифровые отсчетные устройства (ЦОУ).
Микропроцессоросуществляет самокалибровку прибора перед началом измерений, а также учитываетвлияние внешних условий на точность измерений.

Цифровыемультиметры./> />
Включение в структурнуюсхему цифрового вольтметра микропроцессора и дополнительных преобразователейпозволяет превратить его в универсальный измерительный прибор — мультиметр.Цифровые мультиметры измеряют постоянное и переменное напряжение, силу тока,сопротивления резисторов, частоту электрических колебаний и т.д. При совместномиспользовании с осциллографом мультиметры позволяют измерять временныеинтервалы (период, длительность импульсов и т.д.). Наличие в схеме вольтметрамикропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекцию погрешностей,автокалибровку и диагностику отказов.
Рис.36.Современный цифровой вольтметр с микропроцессором
 
На рис.36 вкачестве примера показан современный цифровой вольтметр с микропроцессором.Основными устройствами вольтметра являются микропроцессор, АЦП, блокинормализации сигналов и управления.
Блокнормализации сигналов с помощью соответствующих преобразователей приводитвходные измеряемые параметры (напряжения переменного и постоянного тока,сопротивления постоянному току и пр.) к унифицированному сигналу (и=), которыйподается на вход АЦП. Последний действует обычно по методу двойногоинтегрирования. Блок управления обеспечивает выбор режима работы для заданноговида измерений, управление АЦП, дисплеем. Кроме того, он создает нужнуюконфигурацию системы измерения.
Основой блокауправления является микропроцессор, который связан с другими узлами через сдвигающиерегистры. Управление микропроцессором осуществляется с помощью клавиатуры,расположенной на панели управления или через стандартный интерфейс(блок сопряжения; стык) подключаемого канала связи. Программа работымикропроцессора хранится в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) иобеспечивается с помощью оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).
Для измеренийиспользуются встроенные высокостабильные и прецизионные резистивные делителиопорного напряжения, дифференциальный усилитель (ДУ) и ряд внешнихэлементов (аттенюатор и устройство выбора режима, блок опорного напряжения иоп).Все импульсные и цифровые устройства синхронизируются сигналами генераторатактовых импульсов.