Файл: Основы бортовых вычислительных машин.pdf

220
Разрешающая способность ЦАП определяется как величина, обратная максимальному количеству градаций выходного сигнала.
Так, например, если разрешающая способность ЦАП составляет 10
-5
, то это означает, что максимальное число градаций выходного сигнала равно 10 5
. Иногда разрешающую способность ЦАП оценивают вы- ходным напряжением при изменении входного кода на единицу младшего разряда, т. е. шагом квантования. Очевидно, что чем боль- ше разрядность ЦАП, тем выше его разрешающая способность.
Погрешность преобразования ЦАП принято делить на диффе- ренциальную и погрешность нелинейности. С ростом кода на входе
ЦАП растет и выходное напряжение, однако при увеличении напря- жения могут быть отклонения от линейной зависимости. Погрешно- стью нелинейности называют максимальное отклонение выходного напряжения от идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.
Дифференциальной погрешностью называют максимальное от- клонение от линейности для двух смежных значений входного кода.
Напряжение смещения нуля определяется выходным напряже- нием при входном коде, соответствующем нулевому значению.
Время установления
уст
t
— это интервал времени от подачи входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы, определяемые погрешностью.
Максимальная частота преобразования — наибольшая частота дискретизации, при которой все параметры ЦАП соответствуют за- данным значениям.
По совокупности параметров ЦАП принято делить на три груп- пы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. Быст- родействующие ЦАП имеют время установления меньше 100 нс. К прецизионным относят ЦАП, имеющие погрешность нелинейности менее 0,1%.
Существует несколько схем, являющихся базой для построения многих разновидностей ЦАП соответствующего класса. Для форми- рования соответствующих уровней выходного напряжения (или тока) к выходу ЦАП подключается необходимое количество опорных сиг- налов
п
Е
Е
Е
,
2 1
(или токов
п
I
I
I
,
2 1
), либо устанавливают соответ- ствующее дискретное значение коэффициента деления
п
K
K
K
,
2 1
На рисунке 5.28 приведена схема ЦАП с суммированием токов.
В этой схеме используются п опорных источников тока
п
I
I
I
,
2 1

221
Входной код
п
b
b
b
,
2 1
управляет ключами
п
S
S
S
,
2 1
, которые или подключают источники тока к нагрузке, или замыкают их накоротко.
При, этом если
i
b = 0, то соответствующий источник закорочен и в работе схемы не участвует. Если же
i
b = 1, то соответствующий ис- точник тока подключен к нагрузке. Результирующий ток равен сумме токов опорных источников, для которых
i
b = l. Напряжение на выхо- де будет равно результирующему току
∑
I
умноженному на сопро- тивление
н
R , т. е.
н
вых
R
I
U
∑
=
(5.5)
Так, например, если входной код является двоичным, то резуль- тирующий ток определяется выражением:
N
I
b
b
b
I
I
n
n
n
0 0
2 2
1 1
0
)
2 2
2
(
=
+
+
+
=
−
−
∑
, (5.6) где n — число двоичных разрядов входного тока, N — n-разрядное цифровое слово.
Рисунок 5.28 - Упрощенная схема ЦАП с суммированием токов
Упрощенная схема ЦАП со сложением напряжений приведена на рисунке 5.29. В этой схеме используется п опорных источников напряжения
п
Е
Е
Е
,
2 1
. Входной код управляет ключами
п
S
S
S
,
2 1
, которые или подключают соответствующие источники опорного на- пряжения к нагрузке, или отключают их. Так же, как и для схемы с суммированием токов, при
i
b = 1 соответствующий источник напря-

222 жения включен, а при
i
b =0 — выключен. Результирующее напряже- ние на выходе равно сумме напряжений включенных опорных источ- ников.
Так, например, для входного двоичного кода выходное напря- жение определяется по формуле
N
U
b
b
b
U
U
U
n
n
n
вых
0 0
2 2
1 1
0
)
2 2
2
(
=
+
+
+
=
=
−
−
∑
. (5.7)
Упрощенная схема ЦАП с делением опорного напряжения Е
0
приведена на рисунке 5.30. В этой схеме имеется один источник опорного напряжения и набор калиброванных сопротивлений
п
R
R
R
,
2 1
, с помощью которых напряжение опорного источника мо- жет быть разделено до значения, соответствующего входному коду.
Выходное напряжение для схемы, приведенной на рис. 8, опре- деляется формулой
н
н
вых
R
R
R
Е
U
+
=
∑
0
, (5.8) где
∑
R
— результирующее сопротивление устанавливаемое при по- мощи ключей
п
S
S
S
,
2 1
которые управляются входным кодом.
Рисунок 5.29 - Упрощенная схема ЦАП с суммированием напряжений
При
н
R = 0 эта схема превращается в управляемый источник то- ка, т. е. работает так же, как схема со сложением токов. Практически выполнить
н
R = 0 можно при помощи операционного усилителя с па- раллельной обратной связью.
Практическая схема ЦАП со сложением токов обычно выполня-

223 ется на различных резистивных матрацах и одном источнике опорно- го напряжения. На рисунок 5.31 приведена схема ЦАП с суммирова- нием токов, в котором использован один источник опорного напря- жения Е
0
, и резистивная матрица типа R—2R,
Рисунок 5.30 - Упрощенная схема ЦАП с делением напряжения изображенная на рисунке 5.31, б. Особенность этой резистивной мат- рицы заключается в том, что при любом положении ключей
п
S
S
S
,
2 1
входное сопротивление матрицы всегда равно R, а следовательно, ток, втекающий в матрицу, равен
R
E
I
/
0 0
=
. Далее он последова- тельно делится в узлах А, В, С по двоичному закону. Двоичный закон распределения токов в ветвях резистивной матрицы соблюдается при условии равенства нулю сопротивления нагрузки. Так как нагрузкой резистивной матрицы является операционный усилитель ОУ, охва- ченный отрицательной обратной связью через сопротивление R
OC
, то его входное сопротивление равно нулю с достаточно высокой точно- стью.
Напряжение на выходе операционного усилителя определяется выражением
,
2
)
2 2
2
(
2 0
0 2
2 1
1 0
N
R
R
Е
b
b
b
R
R
Е
U
n
ос
n
n
n
n
ос
вых
=
+
+
+
=
−
−
(5.9) где
i
b = 1, если ключ
i
S , находится в положении, при котором ток протекает на инвертирующий вход ОУ, и
i
b = 0, если ключ
i
S , нахо- дится в положении, при котором ток протекает в общий вывод, п — число разрядов преобразователя.

224
Рисунок 5.31 - Схема ЦАП со сложением токов на резистивной мат- рице типа R—2R (а) и структура резистивной матрицы (б)
Максимальное значение выходного напряжения (т. е. напряжение в конечной точке диапазона) имеет место при всех
i
b = 1 и определя- ется по формуле:
,
)
2 1
(
0 0
max
h
R
R
Е
R
R
Е
U
ос
n
ос
вых
−
=
−
=
−
(5.10) где
h
— шаг квантования, т. е. приращение выходного напряжения при изменении входного кода на единицу младшего разряда:
2 0
R
R
Е
h
n
ос
=
Как следует из формулы (5.9), выходное напряжение ЦАП зави- сит не только от входного кода N, но и от напряжения Е
0
опорного источника. Если допустить, что напряжение Е
0
меняется, то выходное напряжение ЦАП будет пропорционально произведению двух вели- чин: входного кода и напряжения, поданного на вход опорного сиг- нала. В связи с этим такие ЦАП обычно называют перемножающими.

225
В интегральных микросхемах перемножающих ЦАП источник опор- ного напряжения отсутствует, но имеется вход для его подключения.
Интегральные микросхемы АЦП имеют буквенное обозначение
ПВ, например К572 ПВ2 – АЦП двойного интегрирования с выходом на семисегментный светодиодный индикатор. Микросхемы ЦАП обо- значаются буквами ПА, например К572 ПА2А – двенадцатиразряд- ный ЦАП.
5.3.5 Микропроцессорные средства информационного обмена
В состав МПК К580 входят интегральные микросхемы, обеспе- чивающие организацию информационного обмена между МП и внешними устройствами в различных режимах. Их основной особен- ностью является возможность программной настройки микросхемы на конкретные условия информационного обмена. К числу наиболее употребляемых схем относятся параллельный периферийный адаптер
К580ИК55, программируемый контроллер прерываний К580ВН59 и контроллер прямого доступа к памяти К580ИК57.
Принципы построения микропроцессорных средств информаци- онного обмена и порядок их программной настройки рассмотрим на примере БИС параллельного периферийного адаптера (ППА)
К580ИК55.
Этот адаптер имеет 24 линии ввода-вывода, которые сгруппиро- ваны в три восьмиразрядных канала (порта) А, В и С, причем канал С разделен на две части: младшие его разряды РСЗ-РСО составляют подканал С1, а старшие разряды РС7-РС4 – подканал С2. Программи- рование адаптера осуществляется с помощью управляющих слов, по- ступающих из процессора в специальный регистр ППА и задающих функциональное назначение каналов и их отдельных линий. С помо- щью программирования можно получить около ста различных кон- фигураций этой БИС, что позволяет обслуживать почти любое ВУ без дополнительной внешней логики.
Структурная схема ППА (рисунок 5.32) содержит следующие уз- лы: восьмиразрядный буфер данных (БД), имеющий три устойчивых состояния и обеспечивающий двунаправленную связь внутренней шины ППА с шиной данных микропроцессорного вычислительного устройства (МПВУ); три восьмиразрядных буфера каналов А, В и С, обозначенных БКА, БКВ и БКС1 БКС2; устройство управления запи-

226 сью и чтением (УУ Зп/Чт), которое управляет всеми внутренними пе- ресылками данных, управляющих слов и слов состояния ППА; два устройства управления УУАС1 и УУВС2, связанные соответственно с каналами А и С1 и с каналами В и С2.
Рисунок 5.32
Выводы БИС ППА имеют следующее назначение.
ЧТ – вход для передачи сигнала считывания информации (байта данных или слова состояния) из ППА в процессор, поскольку опера- ция считывания осуществляется с помощью команды ввода IN, то на вход ЧТ через элемент «И» подаются от микропроцессора сигналы
ВВОД и ПРИЕМ, которые перекрываются во времени.
ЗП – вход для подачи сигнала занесения информации (байта дан- ных или управляющего слова) из процессора в ППА. Поскольку эта операция осуществляется с помощью команды вывода OUT, то на вход ЗП подаются через элемент «И» сигналы процессора ВЫВОД и
ВЫДАЧА.
ВК – вход для подачи сигнала разрешения работы ППА. На этом входе, как и на предыдущих двух, активным является нулевой уро- вень сигнала, если же ВК = 1, то буфер данных БД устанавливается в высокоимпедансное состояние. К входу ВК подключается одна из свободных линий шины адреса ША, выделенная для адресации дан- ного ППА, либо один из выходов дешифратора адреса.

227
А1 , А0 – адресные входы, определяющие канал ППА, к которому производится обращение. Код 00 соответствует каналу А, 01 – каналу
В, 10 – каналу С, 11 – управляющему регистру, в которой заносится управляющее слово при программировании ППА.
СБРОС – вход для подачи сигнала начальной установки ППА, этот вход подключается к системной шине сброса МПВУ.
При подаче сигнала СБРОС все каналы установлены в начальное состояние (т.е. 24 выходные линии находятся в высокоимпедансном состоянии). Перед началом выполнения операций ввода-вывода дан- ных через ППА необходимо осуществить его программирование. С этой целью в ППА засылается управляющее слово, которое устанав- ливает требуемый режим работы адаптера.
Имеются три основных режима работы ППА: режим 0 – простой ввод-вывод; режим 1 – стробируемый ввод-вывод; режим 2 – двуна- правленная магистраль. В режиме 0 могут работать все три канала, в режиме 1 – каналы А и В, в режиме 2 – только канал А.
При программировании ППА используются два формата управ- ляющего слова; первый предназначен для задания режима работы и направления включения каналов; второй – для установки или сброса произвольного разряда канала С. Признак формата содержится в раз- ряде Д7 управляющего слова: 1 соответствует формату 1, а 0 – фор- мату 2. Остальные разряды управляющего слова в первом формате имеют следующее назначение (рисунок 5.33): Д0, Д1, Д3, Д4 – на- правление включения каналов С2, В, С1 и А соответственно (1 озна- чает включение канала на ввод, а 0 – на вывод); Д2 – выбор режима работы группы каналов В и С2 (0 – режим «0», 1 – режим «1»); Д6, Д5
– выбор режима группы каналов А и С1 (00 – режим «0», 01 – режим
«1», 10 или 11 – режим «2»).
При каждом изменении режима работы, т.е. при поступлении но- вого управляющего слова первого формата, все выходные регистры, а также триггеры состояния ППА сбрасываются. Режимы работы кана- лов А и В задаются независимо и они определяют режим работы подканалов С1 и С2. При работе каналов А и В в режиме 0 оба подка- нала С1 и С2 составляют отдельный восьмиразрядный канал, рабо- тающий в режиме 0. Если каналы А и В работают в режиме 1, или ка- нал А работает в режиме 2, то линии канала С используются для об- мена управляющими сигналами с ВУ и распределяются между кана- лами А и В.

228
Рисунок 5.33 - Формат 1 управляющего слова
Разряды управляющего слова во втором формате имеют следую- щее назначение: Д0 – установка (Д0 = 1) или сброс (Д0 = 0) разряда канала С; Д3, Д2, Д1 – двоичный код номера разряда; Д6, Д5, Д4 – не используются.
Второй формат используется, например, для формирования за- просов прерывания при работе ППА в режимах 1 и 2. Питание БИС
К580ИК55 осуществляется от источника +5 В при токе потребления
40
=
n
I
мА.

229
Глава 6. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ БОРТОВЫХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН
6.1 Основное содержание и этапы эксплуатации БВМ
Методы контроля работоспособности БВМ тесно связаны с экс- плуатацией ее как объекта обслуживания. От того, насколько рацио- нально они выбраны, будет зависеть эффективность эксплуатацион- ного обслуживания БВМ.
Под эксплуатацией БВМ будем понимать комплекс организаци- онных и технических мероприятий, направленных на поддержание
БВМ в исправном состоянии и готовности к работе.
Организация эксплуатации современных бортовых ЦВМ вклю- чает в себя: обучение и постоянную проверку знаний техническим со- ставом вверенной ему техники; учет работы БВМ и ведение техниче- ской документации; проведение регулярного контроля правильности функционирования БВМ и системы в целом; проведение ремонта
БВМ.
Бортовая цифровая вычислительная машина должна содержать- ся в состоянии постоянной готовности к работе, ответственность за поддержание которой несут инженерно-технический состав и летные экипажи.
Из перечисленных основных положений эксплуатации БВМ сле- дует, что высококачественную эксплуатацию БВМ можно достигнуть при хорошо организованном контроле правильности функционирова- ния отдельных устройств и БВМ в целом. При выборе методов кон- троля основное внимание должно быть обращено на способность ме- тода контроля к обнаружению ошибок, а также на объем аппаратуры и время, затрачиваемое на контроль.
Методы контроля, используемые в БВМ, можно разделить на программные и схемные (аппаратные).
6.2 Программные методы контроля работоспособности БВМ
Программные методы контроля правильности вычислений предназначены для проверки правильности реализации вычислитель- ного процесса в различных режимах работы БВМ и правильности функционирования всех устройств БВМ.

230
Программные методы контроля основаны на включении в про- граммное обеспечение БВМ специальных контролирующих программ и дополнительных соотношений в общий алгоритм. Программные методы делятся на программно-логический и тестовый контроль.
Программно-логический контроль основан на использовании информационной избыточности и предназначен для проверки пра- вильности реализации вычислительного процесса. Информационная избыточность обеспечивается за счет включения в общий алгоритм дополнительных соотношений, позволяющих обнаруживать и ис- правлять ошибки, возникающие при вычислениях.
Наиболее широко применяются следующие способы программ- но-логического контроля: двойного просчета со сравнением результа- тов; контрольных соотношений; «усеченного» алгоритма; логическо- го анализа результатов решения; подстановки.
Способ двойного просчета со сравнением результатов. Этот спо- соб является наиболее распространенным. Основное его достоинство
– простота реализации. Сущность его заключается в том, что вся ра- бочая программа разбивается на отдельные части и после выполнения какого-либо этапа вычислений производится контрольное суммиро- вание всех команд, промежуточных и конечных результатов контро- лируемого этапа. Контрольная сумма запоминается и выполняется повторное вычисление этого этапа с последующим контрольным суммированием. Обе контрольные суммы сравниваются. При сравне- нии выполняется следующий этап вычислений. В случае не сравнения производится третий просчет данного этапа. При совпадении третьей контрольной суммы с одной из предыдущих выполняется следующий этап вычислений. В противном случае подается сигнал экипажу о сбоях в машине. Этот способ имеет следующие недостатки: он увели- чивает время реализации алгоритма, что допустимо лишь при нали- чии избыточного быстродействия БВМ и позволяет обнаруживать и устранять лишь случайные ошибки, вызванные сбоями в машине.
При организации контроля способом двойного просчета необхо- димо правильно произвести разбиение алгоритма на контролируемые этапы. В качестве основного критерия при разбиении следует принять обеспечение требуемой вероятности обнаружения ошибки при мини- мальной затрате времени на контроль. Исследования показали, что существует оптимальное число контролируемых участков алгоритма, при котором время, расходуемое на контроль, минимально.