Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по курсу «Информационно - измерительные комплексы»

для студентов специальности 6.051001

«Метрология и информационно-измерительные технологии»

дневной и заочной форм обучения

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета,

протокол № 2 от 21.06.07

Харьков НТУ «ХПИ» 2007

Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу «Інформаційно-вимірювальні комплекси» для студентів спеціальності 6.051001 «Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології» денної та заочної форми навчання / Уклад. С.І. Кондрашов, Л.В. Константинова, В.М. Балєв, І.В. Григоренко - Харків: НТУ «ХПІ», 2007 - 62с. Рос. мовою

Укладачі:С.І. Кондрашов,

Л.В. Константинова,

В.М. Балєв,

І.В. Григоренко

Рецензент В.К. Гусельніков

Кафедра «Інформаційно-вимірювальні технології і системи»

ВСТУПЛЕНИЕ

Главным критерием качества работы информационно-измерительных комплексов (ИИК) служит их способность передавать и достоверно преобразовывать максимальное количество информации. В связи с этим важную роль играет разработка методов анализа, синтеза, оптимизации и поверки таких комплексов.

Настоящие методические указания содержат описание пяти лабораторных работ, в которых рассматриваются принципы построения ИИК на базе средств микропроцессорной техники МикроДат и исследуются их основные метрологические характеристики. Первая лабораторная работа посвящена изучению аппаратных и программных средств МикроДат и принципам организации обмена информации между агрегатными модулями через интерфейс ИК-1. Во второй и третьей лабораторных работах исследуются погрешности элементов ввода и вывода аналоговых сигналов микропроцессорного комплекса. В четвёртой лабораторной работе изучаются способы программной реализации псевдослучайных чисел с заданным законом распределения. Пятая работа посвящена исследованию погрешностей и поверке измерительного канала микропроцессорного комплекса.

Темы лабораторных работ представляют интерес для будущей практической деятельности выпускников и соответствуют программе курса «Информационно-измерительные комплексы» для студентов специальности «Метрология и измерительная техника».

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Цель работы - изучить аппаратные и программные средства МикроДАТ и принципы организации обмена информацией между агрегатными модулями через интерфейс ИК-1.

Опыт 1. Изучение рабочего места студента - оператора

Рабочее место построено на основе выпускаемого промышленностью комплекса технических средств локальных информационно-управляющих комплексов, использующих торговую марку МикроДАТ (микропроцессорные средства диспетчеризации, автоматизации и телемеханики). МикроДАТ представляет собой агрегатный комплекс в составе Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), предназначенный для реализации нижнего уровня автоматизированных систем управления установками, агрегатами и технологическими процессами в металлургии, нефтехимии, на транспорте и др. Средства МикроДАТ можно использовать в качестве активного устройства связи с объектом и оперативным персоналом управляющих вычислительных комплексов (УВК), реализованных на базе персональных и других ЭВМ. микропроцессорный агрегатный модуль псевдослучайный

В локальных АСУТП средства МикроДАТ предназначены:

для сбора, первичной обработки технологической информации и централизованного контроля за ходом процесса и состоянием объекта;

непосредственного цифрового регулирования технологических параметров (или цифровой коррекции установок локальных регуляторов);

программно - логического управления;

ручного ввода и отображения технологической информации;

передачи данных между территориально распределенными и удаленными локальными подсистемами.

В иерархических системах средства МикроДАТ обеспечивают автономное решение указанных выше задач и осуществляют подготовку информации для вышестоящих уровней управления, обмен информацией между территориально распределенными и удаленными подсистемами, а также организацию исполнения полученных директив с верхних уровней иерархической системы.

Аппаратная часть МикроДАТ включает:

основные агрегатные модули, образующие элементную базу АСУ ТП;

компоновочные изделия, образующие конструктивную базу (каркасы, стойки и др.), стендовое и сервисное оборудование;

изделия вспомогательного назначения (источники электропитания, вентиляторы, коммутаторы и др.).

Типовая структура ИИК на базе средств МикроДАТ приведена на рис. 1.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок - 1.1 Типовая структура ИИК на базе средств МикроДАТ

Стол студента - оператора представляет собой рабочее место по изучению программных и аппаратных средств микропроцессорной техники и систем на ее базе. В компоновочном каркасе стола собрана микроЭВМ, выполненная на базе микропроцессорного комплекта К580.

Стол студента - оператора позволяет:

исследовать технические характеристики аппаратных средств;

осуществлять подготовку исходных текстов программ;

транслировать исходные тексты программ;

включать в программу пользователя программы, реализующие часто встречающиеся математические операции и функции;

осуществлять ввод - вывод информации с перфоленты, фотосчитывателя, устройства печати, знакосинтезирующего устройства и других средств ввода - вывода;

работать в диалоговом режиме с видеотерминальным устройством.

Агрегатные модули МикроДАТ располагаются в двух компоновочных каркасах. Каждый каркас может содержать до 23 агрегатных модуля. Каркас имеет внутриблочную интерфейсную магистраль. Подключение агрегатных модулей к интерфейсной магистрали осуществляется через разъем, розетка которого жестко закреплена на задней стенке каркаса. Рабочее место представляет собой двухпроцессорную ЭВМ, так как в каждом каркасе располагается процессор.

Первый каркас и агрегатные модули, которые он содержит, предназначены для подключения видеотерминала и символьной клавиатуры. Управление вводом информации с клавиатуры и выводом ее на экран осуществляется с помощью программы "Консоль". Связь между каркасами осуществляется через контроллер связи по межблочному интерфейсу.

Второй каркас содержит набор агрегатных модулей, необходимых для построения ИИК: процессор, управляющий работой всех агрегатных модулей и осуществляющий обработку информации; элементы оперативной памяти для хранения программ функционирования ИИК, данных и констант; элементы перепрограммируемой памяти для хранения программ Монитор и Бейсик; элементы ввода - вывода перфолент для ввода - вывода программ и данных. К первому каркасу подключена панель контроля и отладки, необходимая для запуска программ, чтения и записи информации в оперативную память.

Опыт 2. Изучение программных средств системы МикроДАТ

Микропроцессорная система, состоящая из микропроцессора, модулей памяти, интерфейса, устройств ввода - вывода и источников питания, представляет собой аппаратуру для обработки информации или, как принято говорить в вычислительной технике, аппаратную часть системы обработки данных. Для осуществления требуемой обработки необходимо иметь указания, как это выполнить. Такие указания содержатся в наборе программ, представляющих программную часть системы обработки.

Организованный набор программ различного назначения, обеспечивающих функционирование микропроцессорной системы, автоматизацию программирования и решение задачи, называют программным или математическим обеспечением систем. В настоящее время различают системное программное обеспечение, не зависящее от конкретного применения, поставляемое производителем систем, и специальное программное обеспечение пользователя, разрабатываемое для решения определенных задач. Это две части единого программного обеспечения. Для выполнения трансляции исходной программы в объектную, получения рабочей программы и ввода ее в микропроцессорную систему используют как резидентное, так и кроссовое программное обеспечение.

Программа Монитор. Управление функционированием микроЭВМ при трансляции, проверке, корректировке и вводе прикладных программ пользователя проводят с помощью резидентной программы - Монитора. Программа Монитор записана в элементе перепрограммируемой памяти КС54.34. Монитор - командоуправляемый операционный супервизор. С помощью директив Монитора пользователь имеет возможность управлять вводом-выводом, памятью, внутренними регистрами микропроцессора, запускать программы.

Директивы Монитора задают с клавиатуры. Монитор занимает около 2 килобайт памяти, начиная с адреса Е000Н. Пусковой адрес Монитора Е000Н, запуск осуществляется с панели контроля и отладки. Для запуска необходимо последовательно нажать клавиши РАБ\ОСТ, ПУСК, ВНА, отжать клавишу РАБ\ОСТ, и нажать клавишу ПРД. При этом на экране высвечивается сообщение о готовности программы Монитор принимать директивы. Задание адресов и данных при работе с Монитором осуществляют в шестнадцатеричной системе счисления. В дальнейшем для указания систем счисления будем использовать латинские буквы, записанные после числа: H - шестнадцатеричная; D - десятичная; В - двоичная.

Соответствие цифр шестнадцатеричной системы числам десятичной системы приведено в табл. 1.

Таблица 1.1 - Соответствие десятичной и шестнадцатеричной систем счисления

10-я система	16-я система	10-я система	16-я система	10-я система	16-я система	10-я система	16-я система
0D	0H	4D	4H	8D	8H	12D	CH
1D	1H	5D	5H	9D	9H	13D	DH
2D	2H	6D	6H	10D	AH	14D	EH
3D	3H	7D	7H	11D	BH	15D	FH

Программа Бейсик. Исходной называется программа работы микропроцессорной системы, написанная на языке ассемблера или языке более высокого уровня. С помощью транслятора исходная программа преобразуется в объектную программу, представленную в кодах. Трансляция с языка ассемблера осуществляется с помощью программы ассемблера, а трансляция программы, написанной на языке высокого уровня, в объектную выполняется посредством программы-компилятора.

Программа Бейсик записана в элементе перепрограммируемой памяти КС54.34. Эта программа предназначена для написания, редактирования, трансляции и выполнения программ, написанных на языке высокого уровня Бейсик. Программа Бейсик занимает около 6 килобайт и располагается, начиная с адреса 8000Н.

Запуск программы Бейсик осуществляется с клавиатуры после запуска программы Монитор. Для запуска программы используется директива Монитора G. Таким образом, для запуска необходимо на клавиатуре набрать директиву G8000 и нажать клавишу ВК.

Основные директивы языка Бейсик приведены в табл. 1.2, операторы - в табл. 1.3, функции - в табл. 1.4.

Таблица 1.2 - Директивы алгоритмического языка Бейсик

№ п\п	Директива	Описание
1	NEW	Стереть программу и очистить переменные
2	RUN n	Выполнить программу со строки n
3	LIST	Воспроизвести текст программы
4	CONT	Продолжить выполнение программы
5	CSAVE	Вывести программу на перфоленту
6	START	Ввести программу с перфоленты

Таблица 1.3 - Операторы алгоритмического языка Бейсик

№	Оператор	Описание
1	REM	Напечатать комментарий в тексте программы
2	FOR I=A TO B	Создать цикл с параметром I, нижней границей параметра А, верхней границей параметра В
3	IF M THEN h	Если логическое выражение М истинно, перейти к выполнению строки h, если ложно, то выполнять следующую строку
4	INPUT A,…,B	Ввести данные А,…, В с терминала
5	PRINT X,…,Y	Вывести на печать значения переменных X,…,Y
6	GO TO h	Перейти к выполнению строки h
7	GOSUB h	Выполнить подпрограмму, начиная со строки h
8	RETURN	Возвратить управление оператору, следующему за последним GOSUB
9	STOP	Остановить выполнение программы
10	END	Закончить программу
11	OUT X, Y	Записать байт Y в порт вывода Х
12	DIM Р(N)	Резервирование памяти для массива переменных P объемом N

Таблица 1.4 - Функции алгоритмического языка Бейсик

№ п\п	Функция	Описание
1	SQR(X)	Вычислить корень квадратный из Х
2	COS(X)	Вычислить косинус (в радианах) Х
3	SIN(X)	Вычислить синус Х
4	LOG(X)	Вычислить натуральный логарифм Х
5	ABS(X)	Вычислить абсолютное значение Х
6	RND(X)	Генерировать случайное число между нулем и единицей, распределенное по равномерному закону
7	INP(X)	Прочитать байт из порта Х
8	TAN(X)	Вычислить тангенс Х
9	EXP(X)	Вычислить ех
10	ATN(X)	Вычислить арктангенс (в радианах) Х
11	TAB(X)	Поместить курсор в позицию Х на устройстве вывода

Задание адресов и данных в операторах и функциях языка Бейсик выполняются в десятичной системе.

Порядок выполнения опыта

Включить питание рабочего места.

Запустить программу Монитор последовательным нажатием клавиш , , , , , предварительно установить пусковой адрес Монитора на панели контроля и отладки.

Загрузить и запустить с клавиатуры программу Бейсик директивой G8000.

Составить и записать в оперативную память программу расчёта оценки математического ожидания выборочного ряда случайных чисел с использованием операторов: ввода исходных данных INPUT, описания массива DIM, цикла FOR, вывода на экран PRINT. Исходные данные задаёт преподаватель.

Запустить программу на выполнение.

Опыт 3. Изучение интерфейса ИК 1

В широком смысле под интерфейсом понимают совокупность правил обмена информацией и технических средств, реализующих этот обмен. Все интерфейсы можно разделить на два класса: внутренние и внешние по отношению к данной системе. Внутренние интерфейсы должны обеспечивать совместное функционирование изделий, относящихся к одной системе. Внешние - сопряжение между собой различных систем.

По способу передачи информации интерфейсы разделяют на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В последовательном интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии.

Конфигурация подключения элементов к интерфейсу определяет его топологию. В настоящее время различают четыре основных вида топологии: звездообразную (радиальную), магистральную, кольцевую, и древовидную. В соответствии с типовыми структурами для МикроДАТ регламентирован магистральный интерфейс ИК 1 - внутриблочный и межблочный (параллельный) и последовательный межблочный (межкомплексный) интерфейс.

В любой операции обмена участвуют два элемента, соотносящиеся как управляющий и исполнительный. Для внутриблочного интерфейса ИК1 в МикроДАТ регламентированы следующие режимы: обмен данными между контроллером и одним из исполнительных элементов; прерывание работы контроллера инициативным исполнительным элементом; передача контроллером своих управляющих функций одному из элементов, запросивших доступ к магистрали.

В ИК 1 предусмотрены 4 группы сигналов: адресные - 16 линий, информационные 8 линий, управляющие - 5 линий, вспомогательные - 23 линии.

Адресные сигналы А0…А15 предназначены для выбора исполнительного элемента. Адресные сигналы образуют адресное слово, формат которого при обращении к элементам памяти - 16 разрядов двоичного кода (адресуются 65536 ячеек памяти), а при обращении к элементам ввода-вывода - 8 разрядов двоичного кода А0…А7.

Кодирование адреса осуществляется на платах функциональных элементов установкой перемычек на адресной колодке.

По восьмиразрядной шине данных Д0…Д7 происходит обмен байтами информации между элементами системы. Указанное число разрядов определяется разрядностью используемого микропроцессора К580ИК80.

Для управления обменом предусмотрены сигналы: ЧТН, ПРМ, ЗАП, ВДЧ. Они показывают класс адресованного исполнительного элемента и направление передачи данных. Сигналы ЧТН, ПРМ означают, что информация принимается, ЗАП, ВДЧ - выдается контроллером.

При обмене информацией контроллера с приемником контроллер устанавливает на шинах сигналы адреса и данных. Приемник распознает свой адрес и подготавливает внутренние цепи к приему информации. Затем контроллер устанавливает управляющий сигнал ЗАП или ВДЧ, по которому приемник принимает данные. После чего приемник выставляет сигнал ОТВ, который распознается контроллером. Последний снимает сигнал ЗАП или ВДЧ, а затем сигналы адреса и данных.

Одними из основных элементов, с которыми производится обмен информацией, являются элементы ввода и вывода аналоговых сигналов (АЦП и ЦАП).

Важную часть аналого-цифрового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь АЦП с приемниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к приемнику выходного кода, например, микропроцессору. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования АЦП.

В МикроДАТ применяется способ связи АЦП с процессором, при котором АЦП является для процессора как бы одной из ячеек памяти. При этом АЦП имеет необходимое число адресных входов, дешифратор адреса и подключается непосредственно к адресной шине и шине данных процессора. Для этого он обязательно должен иметь выходные каскады с тремя состояниями.

Другое требование совместной работы АЦП с микропроцессором, называемое программным сопряжением, является общим для любых систем, в которые входят ЭВМ и АЦП. Имеется несколько способов программного сопряжения АЦП с процессорами. Рассмотрим основные.

Проверка сигнала преобразования. Этот способ состоит в том, что команда начала преобразования "Пуск" периодически подается на АЦП от таймера. Процессор находится в цикле ожидания от АЦП сигнала окончания преобразования "Готов", после которого он выходит из цикла, считывает данные с АЦП и в соответствии с ними приступает либо к следующему преобразованию, либо к выполнению основной программы, а затем вновь входит в цикл ожидания. Здесь АЦП выступает в роли ведущего устройства (master), а процессор - ведомого (slave). Этот способ почти не требует дополнительной аппаратуры, но пригоден только в системах, где процессор не слишком загружен, т.е. длительность обработки данных от АЦП меньше времени преобразования АЦП. Указанный способ позволяет максимально использовать производительность АЦП.

Если длительность обработки данных от АЦП составляет заметно больше времени преобразования АЦП, можно использовать вариант этого способа, отличающийся тем, что сигнал "Пуск" поступает от процессора. Процессор выполняет основную программу обработки данных, а затем считывает данные с АЦП и вновь запускает его. В этом случае процессор выступает в роли ведущего устройства, а АЦП - ведомого.

Простое прерывание. Выдав команду "Пуск", процессор продолжает работу по основной программе. После окончания преобразования формируется сигнал прерывания, который прерывает в процессоре вычисления и включает процедуру поиска периферийного прибора, пославшего сигнал прерывания. Эта процедура состоит в переборе всех периферийных устройств до тех пор, пока не будет найден нужный. Преимущество этого способа по сравнению с предыдущим проявляется в большем числе преобразований за одно и то же время, если используемый АЦП работает медленно. Если же АЦП быстродействующий, то этот способ работы может оказаться даже медленнее предыдущего, так как на обработку прерывания требуется значительное время.

Векторное прерывание. Этот способ отличается от предыдущего тем, что вместе с сигналом прерывания посылается и адрес программы обращения к данному АЦП. Следовательно, не нужно перебирать все периферийные приборы.

Прямой доступ к памяти. Здесь также используется прерывание, но в отличие от предыдущих двух способов, управление по системе прерывания передается на специальный интерфейс, который и производит перезапись данных преобразования в память, минуя регистры процессора. Это позволяет сократить длительность прерывания до одного такта. Номера ячеек памяти хранятся в адресном регистре интерфейса. Для этой цели выпускаются интегральные микросхемы контроллеров прямого доступа к памяти.

Для обеспечения связи многоразрядных (N>8) АЦП с 8-разрядным микропроцессором реализована побайтовая выдача выходного слова.

Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму кривой сигнала на выходе ЦАП. Так, неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя (для преобразователей код в мгновенное значение напряжения) приводит к появлению узких выбросов (иголок) в выходном сигнале при смене кода.

ЦАП, входящий в состав микропроцессорной системы и получающий входной код от шины данных, должен быть снабжен устройствами, позволяющими принимать входное слово от шины данных, коммутировать в соответствии с этим словом ключи ЦАП и хранить его до получения другого слова. Для управления процессом загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответствующие управляющие входы и схему управления. Для подключения многоразрядных ЦАП к восьмиразрядному микропроцессору предусмотрено наличие двух параллельных загрузочных регистров для приема младшего байта входного слова и старшего байта. Пересылка байтов входного слова в загрузочные регистры может происходить в любой последовательности.

Порядок выполнения опыта

Подключить кабель ПЛ/FS к неинтерфейсным входам элемента КС 34.11.

Используя оператор языка Бейсик OUT, включить двигатель КС 34.11, адрес которого FFH.

С помощью того же оператора OUT вывести на перфоленту числа 1-FH путём последовательной их передачи от контроллера элементу с адресом FCH.

Вставить перфоленту в фотосчитыватель, включить его.

Используя функцию языка Бейсик INP, произвести ввод информации (передачу информации от источника к контроллеру из порта FDH) и индикации её на TV экране.

Повторить пункт 5 шестнадцать раз.

Оформление отчёта

В отчёте привести схему рис. 1.1., текст программы опыта 2, перфоленту с информацией (опыт 3).

Контрольные вопросы

Назначение и область применения агрегатного комплекса КТС ЛИУС - 2.

Состав аппаратных средств КТС ЛИУС - 2.

Состав программных средств места студента - оператора.

Программа Монитор. Её назначение.

Программа запуска монитора.

Программа Бейсик и программа её запуска.

Основные директивы, операторы и функции языка Бейсик.

Процедура ввода информации.

Процедура вывода информации.

Классификация интерфейсов. Особенность интерфейса ИК 1.

Способы программного сопряжения АЦП и ЦАП с процессором.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ВВОДА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

Цель работы - изучение состава, назначения, принципа действия и основных технических характеристик элементов ввода аналоговых сигналов напряжения постоянного тока МикроДАТ; приобретение навыков в организации работы элементов ввода аналоговых сигналов; экспериментальное исследование погрешностей элементов ввода аналоговых сигналов.

Опыт 1. Изучение состава, назначения и технических характеристик элементов ввода сигналов напряжения постоянного тока

Элементы ввода аналоговых сигналов постоянного тока предназначены для преобразования двухполярных сигналов напряжения постоянного тока в нормальный двоичный код. С этой целью в составе технических средств МикроДАТ применяются несколько типов функциональных элементов, среди них - КС31.04 и КС 31.07.

В табл. 2.1 приведены основные технические характеристики этих аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Принцип организации обмена информацией функциональных элементов следующий. При совпадении кода на адресных шинах А7..А2 и кода настройки схемы совпадения элемента формируется разрешающий сигнал для схемы интерфейсных связей. Рассматриваемые АЦП преобразуют неинтерфейсный входной сигнал постоянного напряжения, поступающий на входы АС1..АС0, в нормальный двоичный код, выдаваемый по внутриблочному интерфейсу на шины Д7..Д0. Сигналы ПРМ означают, что информация принимается (ВДЧ - выдается) контроллером, управляющим обменом данными с АЦП. Сигнал ОТВ означает, что информация установлена на выводах Д7..Д0 адресованного элемента.

Таблица 2.1 - Технические характеристики элементов ввода сигналов напряжения постоянного тока

Основные характеристики	Шифр элемента
	КС31.04	КС31.07
Тип АЦП	Поразрядного уравновешивания	Двойного интегрирования
Входные сигналы: по интерфейсу ИК 1 неинтерфейсные АС1..АС0 аналоговый, напряжение постоянного тока, В	А7..А0, ПРМ, ВДЧ, ТКТ, УСТ - 10 ..+ 10	А7..А0, ПРМ, ВДЧ, ТКТ, УСТ - 10 ..+ 10
Выходные сигналы по интерфейсу ИК 1	Д7..Д0, ОТВ, ЗПР7 - ЗПР1	Д7..Д0, ОТВ, ЗПР7 - ЗПР1
Соответствие десятичного выходного кода элемента входному сигналу напряжения постоянного тока - Uвх	шаг квантования	шаг квантования
Класс точности	0.3/0.2	0.1/0.1
Разрядность АЦП, бит	10	12
Максимальное время преобразования	100 мкс	40 мс
Коэффициент подавления помехи общего вида, дБ	Не менее 60	Не менее 100
Напряжение питания, В	+ 5 ± 0.25; + 24 ± 1.2; - 24 ± 1.2	+ 5 ± 0.25; + 24 ± 1.2; - 24 ± 1.2
Потребляемый ток, А	1.0; 0.1; 0.1	0.9; 0.05; 0.05
Габаритные размеры, мм	255х185х120	255х185х120
Масса не более, кг	0.4	0.4

Опыт 2. Изучение принципа действия и организация работы элемента ввода сигналов постоянного тока КС31.04

Элемент КС31.04 представляет собой одноканальный АЦП разомкнутого типа, работающий по методу поразрядного уравновешивания. На рис. 2.1 приведена функциональная схема элемента.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема элемента КС31.04

Схема приводится в исходное состояние по сигналу ВДЧ. При наличии условия А0 = 1, А1 = 0 схема интерфейсных сигналов (СИС) вырабатывает сигнал установки буферного регистра (БР) в исходное состояние. При этом БР вырабатывает сигнал, разрешающий запись входного сигнала в запоминающее устройство аналогового сигнала (ЗУАС). Работу БР синхронизирует последовательность импульсов частотой 125 кГц, образуемая путем деления частоты делителем (ДЧ). Через 8 мкс после окончания действия сигнала ВДЧ ЗУАС запоминает входное напряжение в течение 8 мкс и переходит в режим хранения величины выходного сигнала. Таким образом, за 16 мкс входное напряжение запоминается в ЗУАС.

В течение следующих 10 тактов опорной частоты 125 кГц происходит преобразование напряжения ЗУАС в код по методу пораз-рядного уравновешивания. Для первого приближения старший значащий разряд тактового распределителя (ТР) переходит в состояние логического "0" (9 разряд), а остальные разряды - в состояние логической "1".

Таким образом, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), входящий в состав АЦП, вырабатывает испытательное напряжение, равное половине максимального преобразуемого напряжения, которое сравнивается с напряжением ЗУАС компаратором (К). Выходной сигнал компаратора сбрасывает или добавляет значение кода на входе ТР, изменяя сигнал ЦАП. С выхода Д0 регистра ТР информация в последовательном двоичном коде поступает в БР и записывается в его разряды Q9...Q0. После заполнения всех 10 - ти разрядов регистра БР на выходе СС появляется сигнал логического "0", означающий, что завершен цикл последовательного приближения. Считывание информации с выходного регистра (ВР) осуществляется по сигналу ПРМ при наличии условий А0 = 1, А1 = 0 - для младших 8 разрядов и А0 = 0, А1 = 1 - для старших 2 разрядов. Схема сравнения (СС) определяет соответствие кода адреса элемента на шинах адреса А2...А7.

Для выполнения работы на рабочих местах собрана схема, представленная на рис 2.2, состоящая из источника сигнала напряжения постоянного тока, в качестве которого используется ЦАП, коммутатора и исследуемого АЦП.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок 2.2 - Схема для исследования погрешностей АЦП

В таблице 2.2 приведены операции, выполняемые с АЦП КС31.04.

Таблица 2.2 - Описание операций, выполняемых с элементом КС31.04

Наименование операции	Адрес	Данные
Запуск КС31.04 на преобразование	Аэ + 1	0 - 7 бит = 0
Чтение состояния КС31.04	Аэ	0 - й бит = 1 - готов 0 - й бит = 0 - не готов
Считывание 1 - го байта	Аэ + 1	0 - 7 бит - младший байт результата
Считывание 2 - го байта	Аэ + 2	0 - 1 бит - старший байт результата

Примечание: Аэ - адрес элемента КС31.04.

Порядок выполнения опыта

Включить стол.

Запустить программу Монитор последовательным нажатием клавиш на панели контроля и отладки: РАБ\ОСТ Ї, ПУСК Ї, ВНА Ї, РАБ\ОСТ ­, ПРД Ї.

Загрузить и запустить Бейсик директивой G8000.

Измеряемое напряжение Uвх должно подаваться на контакты 69 и 71 разъема элемента КС31.04, для чего необходимо замкнуть первый канал коммутатора командой OUT Аком + 1, 0, и подать указанное преподава-телем напряжение. Здесь Аком - адрес коммутатора.

Произвести запуск КС31.04, используя оператор OUT Аэ + 1, 0.

Проверить готовность данных АЦП, используя функцию INP (Аэ).

Произвести чтение младшего и старшего байтов, используя функцию INP (Аэ + 1), INP (Аэ + 2), и занести их в табл. 2.3.

Рассчитать значение входного напряжения в вольтах, соответствующее выходному коду КС31.04.

Пример расчета напряжения для элемента КС31.04. Пусть в результате считывания информации на выходе АЦП в десятичном коде получено: старший байт - 1, младший байт - 128, что соответствует выходному двоичному коду 01 10000000. Определим соответствующий ему выходной десятичный код . Тогда, воспользовавшись формулой преобразования элемента КС31.04 (см. табл. 2.1), определим входное напряжение:

В.

Повторить пп.4-8 для других входных напряжений.

Рассчитать значения погрешностей преобразования D в заданных точках шкалы АЦП.

Результаты расчетов занести в табл. 2.3.

Таблица 2.3 - Результаты исследований погрешностей элементов ввода аналоговых сигналов

Тип АЦП	Напряжение на входе АЦП Uвх, В	Выходные коды	Расчетное значение напряжения U*вх, В	Погрешность преобразования D,--В D--= U*вх - Uвх
		Старший байт	Младший байт

Опыт 3. Изучение принципа действия и организация работы элемента ввода сигналов постоянного тока КС31.07

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок 2.3 - Функциональная схема элемента КС31.07

Элемент КС31.07 представляет собой одноканальный АЦП разомкнутого типа, работающий по методу "двойного интегрирования" с дополнительным аналоговым усреднением и автоматической коррекцией дрейфа нуля. На рис. 2.3 приведена функциональная схема элемента.

Схема совпадения определяет код адреса элемента на шинах адреса А2..А7. Схема приема управляющих интерфейсных сигналов СИС управляет работой элемента.

При обращении к элементу он приводится в исходное состояние сигналом установки УСТ и формируется сигнал ответа ОТВ. Разрешается прохождение тактирующего сигнала (ТКТ) (частота 1 МГц) на вход двоичного счетчика импульсов (СчИ), устанавливается режим автоматической коррекции нуля интегратора и компаратора. Через интервал времени 1.536 мс элемент переходит в режим преобразования входного сигнала в двоичный код. При этом входной сигнал подключается через аналоговые ключи АК1 и АК2 и сопротивление R46 на вход интегратора. Через интервал времени, равный 10 мс, включается аналоговый ключ К, и входной сигнал оказывается подключенным на вход интегратора через параллельно включенные резисторы R46, R47, при этом постоянная времени интегрирования уменьшается вдвое.

Через 20 мс после начала интегрирования аналоговые ключи АК1 и АК2 отключаются, и через аналоговые ключи АК3 и АК4 на вход интегратора через параллельно соединенные резисторы R46, R47 подается опорное напряжение с полярностью, обратной входному сигналу.

В этот же момент времени по состоянию компаратора (КМП) определяется знак входного сигнала, который запоминается в триггере знака (ТгЗн). Интегрирование опорного напряжения осуществляется до момента срабатывания компаратора, которое происходит при напряжении на выходе интегратора, равном нулю. После этого элемент переходит в режим автокоррекции нуля интегратора и компаратора.

Срабатывание триггера компаратора (ТгК) прекращает подачу импульсов тактирующего сигнала на СчИ. Через элементы приема и выдачи информации (ПВИ) результат преобразования выдается на шины данных Д0..Д7. Положительному входному сигналу соответствует цифровой символ "0", отрицательному - "1", записанный в ТгЗн.

В таблице 2.4 приведены операции, выполняемые с АЦП КС31.07.

Таблица 2.4 - Описание операций, выполняемых с элементом КС31.07

Наименование операции	Адрес	Данные
Запуск КС31.07 на преобразование	Аэ + 1	0 - 7 бит = 0
Чтение состояния КС31.07	Аэ	0-й бит = 1 - готов 0-й бит = 0 - не готов
Считывание 1-го байта	Аэ + 1	0 - 7 бит - младший байт результата
Считывание 2-го байта	Аэ + 2	0 - 2 бит - старший байт результата 3-й бит - знак "0" - знак "+" "1" - знак "-"

Порядок выполнения опыта

Подключить элемент ввода сигналов напряжения постоянного тока КС31.07.

Выполнить для элемента КС31.07 пп.4-10 опыта 2.

Заполнить табл. 2.3.

Пример расчета напряжения для элемента КС31.07. На выходе АЦП считано в десятичном коде: старший байт - 9, младший байт - 128, что соответствует выходному двоичному коду 1001 10000000. Старший

(3-й бит) в старшем байте определяет знак измеряемого напряжения (1 - соответствует минусу) и не является значащим. Тогда выходной десятичный код для рассматриваемого примера . Воспользовавшись формулой преобразования для элемента КС31.07

(см.табл. 2.1) определим входное напряжение U_вх В. С учетом ранее определенного знака окончательно получим

U_вх В.

Содержание отчета

Схемы элементов КС31.04 и КС31.07.

Таблица 2.3 с измерениями, произведенными во 2 и 3 опытах.

Управляющие команды.

Краткие выводы.

Перечень приборов, используемых в работе.

Контрольные вопросы

Объяснить принцип преобразования постоянного напряжения в код, используемый в элементе КС31.04.

Объяснить принцип преобразования постоянного напряжения в код, используемый в элементе КС31.07.

Основные характеристики элементов КС31.04 и КС31.07.

Основные источники погрешностей элементов КС31.04 и КС31.07.

Как произвести запуск элементов КС31.04 и КС31.07 на преобразование?

Как определить готовность элементов КС31.04 и КС31.07 к выдаче результата и считать результат преобразования?

Чем определяется быстродействие функциональных элементов КС31.04 и КС31.07?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫВОДА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

Цель работы - изучение состава, назначения, принципа действия и основных технических характеристик элементов вывода аналоговых сигналов постоянного тока МикроДАТ; приобретение навыков в организации работы элементов вывода аналоговых сигналов; экспериментальное исследование погрешностей элементов вывода аналоговых сигналов.

Опыт 1. Изучение состава, назначения, принципа действия и технических характеристик элементов вывода сигналов постоянного тока

В составе МикроДАТ имеется несколько элементов вывода сигналов постоянного тока (напряжения): КС32.04, КС32.05, КС32.06. Эти элементы предназначены для приема по шинам интерфейсной магистрали и хранения двоичного кода и его преобразования в унифицированный непрерывный сигнал тока или напряжения. Принцип работы перечисленных элементов одинаков и основан на промежуточном преобразовании кода в широтно-импульсно модулированный сигнал с последующим выделением постоянной составляющей посредством низкочастотной фильтрации. Принцип работы одного канала элементов вывода сигналов постоянного тока (напряжения) иллюстрирует рис. 3.1.

Если код на адресных шинах А0..А7 соответствует "НАСТРОЙКЕ" дешифратора адреса (ДА), то по сигналу ВДЧ разрешается прием данных с шин Д0..Д7 через шинный формирователь (ШФ) в регистр RG. Младшие разряды адреса (А0, А1) определяют номер байта данных (для элементов имеющих более 8 разрядов, т.е. КС32.05, КС32.06) и адрес регистра (номер канала), в который эти данные принимаются. Старшие разряды адреса (А7..А2) определяют адрес элемента в целом, независимо от канала. Промежуточное преобразование принятого в регистр RG кода в широтно-импульсно модулированный сигнал осуществляется с помощью эталонного счетчика СТ1 (общий для всех каналов) и рабочего счетчика СТ2 (для каждого канала индивидуальный).

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок 3.1 - Схема одного канала элементов вывода сигналов постоянного тока

На оба счетчика подаются импульсы генератора G, причем каждым импульсом переполнения счетчика СТ1 разрешается перезапись преобразуемого кода из регистра RG в счетчик СТ2. Таким образом, коэффициент пересчета СТ2 определяется преобразуемым кодом, поэтому импульсы переполнения счетчиков сдвинуты во времени на величину, пропорциональную преобразуемому коду. Эти импульсы подаются через устройство гальванической развязки (УГР) на входы триггера (Т), выходной сигнал которого в силу отмеченных обстоятельств является широтно-импульсно модулированным с коэффициентом заполнения K=N/N₀, где N - преобразуемый код, N₀ - емкость эталонного счетчика.

Фильтр нижних частот (ФНЧ) выделяет постоянную составляющую сигнала триггера и обеспечивает ее изменение от преобразуемого кода в унифицированных диапазонах по току и напряжению. Основные технические характеристики элементов вывода сигналов постоянного тока (напряжения) приведены в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 - Технические характеристики элементов вывода аналоговых сигналов

Характеристика	Элемент
	КС32.04	КС32.05	КС32.06
Количество каналов	4	2	2
Число разрядов преобразуемого кода	8	12	12
Параметры выходных сигналов: постоянное напряжение, В (при сопротивлении нагрузки не менее 2 кОм)	- 10...+ 10 0...+ 10 0... - 10	10...+ 10 0...+ 10 0... - 10	10...+ 10 0...+ 10 0... - 10
постоянный ток, мА (при сопротивлении нагрузки не более 2,5 кОм)	- 5 ... + 5 0 ... + 5 0 ... - 5	-5 ... +5 0 ... +5 0 ... -5	-5 ... + 5 0 ... + 5 0 ... - 5
напряжение питания, В	5 ± 0.25 12 ± 0.6	5 ± 0.25 12 ± 0.6	5 ± 0.25 12 ± 0.6
потребляемый ток, А	1,5; 0,2	1,0; 0,2	1,0; 0,2

Опыт 2. Исследование элемента вывода аналоговых сигналов КС32.05

В данном опыте организуется работа системы, включающей цифро-аналоговый преобразователь ЦАП (КС32.05) и АЦП (КС31.07). Соответствующая схема интерфейсных связей для такой системы приведена на рис. 3.2.

Таблица 3.2 - Операции, выполняемые с элементами вывода аналоговых сигналов

Наименование операции	Адрес	Данные
Ввод кода 1-го байта	Аэ + 2m-2	0 .. 7 бит - младшие разряды кода
Ввод кода 2-го байта	Аэ + 2m-1	0 .. 3 бит - старшие разряды кода

Примечание: Аэ - адрес элемента КС32.05; m - номер канала вывода.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок 3.2 - Схема интерфейсных связей для исследования элемента КС32.05

Расчетное значение выходного напряжения элементов КС32.05 и КС32.06 определяется по формуле преобразования:

где і - номер разряда преобразуемого кода, а_і - соответствующий символ (0 или 1) в і-м разряде.

Пример. Рассчитаем выходное напряжение КС32.05, если на его вход подаются следующие коды данных: старший байт Дст = 14, младший байт Дмл = 216. Это соответствует входному двоичному коду 1110 11011000. Для преобразования полученного двоичного кода в десятичный воспользуемся формулой N = Дст · 256 + Дмл, тогда N = 4 · 256 + 216 = 3800.

Таким образом, расчетное значение выходного напряжения

Порядок выполнения опыта

1. Включить стол.

2. Запустить программу Монитор последовательным нажатием клавиш на панели контроля и отладки: РАБ\ОСТ Ї, ПУСКЇ, ВНАЇ, РАБ\ОСТ­,--ПРДЇ.

3. Загрузить и запустить Бейсик директивой G8000.

4. Соединить контакты 3, 4 КС32.05 (выход первого канала ЦАП) соответственно с контактами 69 и 71 элемента КС31.07 (вход АЦП) через коммутатор КС31.06, воспользовавшись командой OUT Аком+1, 0, где Аком - адрес коммутатора.

5. Рассчитать и подать с клавиатуры на первый канал КС32.05 коды установки напряжения, заданного преподавателем, с использованием команд OUT Аэ + 1, Дст и OUT Аэ, Дмл (см. табл. 3.2).

Пример. При определении десятичных кодов данных старшего Дст и младшего Дмл байтов, устанавливаемых на входе элементов вывода аналоговых сигналов, следует учитывать, что младший байт всегда содержит 8 бит, а старший - оставшееся количество бит. В 12-ти битном входном коде элемента КС32.05 старший байт находится слева, а младший - справа. Например, задано расчетное значение выходного напряжения U = 2,5 В. Из формулы преобразования элементов вывода аналоговых сигналов определяем входной десятичный код . Соответствующий ему двоичный код . Следовательно, коды данных для элемента КС32.05, соответствующие заданному напряжению, будут иметь вид: Дст = 10, Дмл = 0.

6. Запустить с клавиатуры элемент КС31.07 для преобразования выходного напряжения элемента КС32.05 в код, произвести считывание результатов преобразования и вывод их на экран монитора.

7. Результаты измерений и расчетов занести в табл. 3.3 и определить абсолютную погрешность преобразования элемента КС32.05.

Таблица 3.3 - Результаты исследования погрешностей элементов ввода аналоговых сигналов

Тип эле- мента	Код, подаваемый на элемент	Напряжение на выходе элемента (расчетное значение) U0, В	Измеренное напряжение U, В	Значение погрешности преобразования D, В D--= U- U0
	Старший байт	Младший байт

Опыт 3 Исследование элемента вывода аналоговых сигналов КС32.06

Исследование погрешностей элемента вывода сигналов постоянного напряжения КС32.06 выполняется по методу образцового прибора. При этом на вход ЦАП КС32.06 подаётся кодовый сигнал с панели контроля и отладки. Выходное напряжение КС 32.06 измеряется эталонным цифровым вольтметром Щ1516, точность которого на порядок выше точности КС 32.06. Погрешностью образцового прибора в этих условиях можно пренебречь, а абсолютная погрешность результата преобразования КС 32.06 определяется разностью измеренного значения выходного напряжения КС 32.06 цифровым вольтметром U и расчётного значения напряжения U₀ на входе ЦАП КС 32.06. Соответствующая схема интерфейсных связей представлена на рис. 3.3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок 3.3 - Схема интерфейсных связей для исследования элемента КС32.06

Порядок выполнения опыта

1. Собрать схему (см. рис 3.3). Цифровой вольтметр подключить к контактам 3, 4 КС32.06 (выход первого канала ЦАП).

2. Прогреть элемент КС32.06 и цифровой вольтметр в течение 20 мин.

3. Рассчитать и подать на вход элемента КС32.06 код, соответствующий заданному преподавателем напряжению.

Пример. При расчете кодов данных следует учесть, что в 12-ти битном входном коде элемента КС32.06 4-х разрядный старший байт находится справа, а 8-ми разрядный младший байт - слева. Пусть расчетное значение выходного напряжения U = 2.5 В и соответствующий ему входной десятичный код N = 2560. После преобразования его в двоичный код получим . Следовательно, коды данных для элемента КС32.06, соответствующие заданному напряжению, будут иметь вид: Дст = 0, Дмл = 160.

4. Измерить выходное напряжения КС32.06 цифровым вольтметром.

5. Выполнить измерения для всех заданных преподавателем значений напряжений и занести в табл. 3.3 соответствующие им значения входных кодов и показания цифрового вольтметра.

6. Определить абсолютную погрешность преобразования элемента КС32.06 в заданных точках шкалы.

Содержание отчета

1. Схемы рисунков 3.1, 3.2, 3.3.

2. Таблица 3.3 с результатами расчетов и измерений, произведенных во 2 и 3 опытах.

3. Управляющие команды.

4. Краткие выводы.

5. Перечень приборов, используемых в работе.

Контрольные вопросы

1. Какой принцип преобразования кода в постоянное напряжение (ток) используется в элементах КС32.04, КС32.05, КС32.06?

2. Чем отличаются друг от друга элементы КС32.04, КС32.05, КС32.06?

3. Как организуется поверка элементов вывода аналоговых сигналов?

4. Каковы основные источники погрешностей элементов вывода аналоговых сигналов?

5. Назовите и поясните сущность способов преобразования кода в напряжение (ток).

6. Чем ограничен частотный диапазон выводимых из микропроцессорной системы периодических напряжений?

7. Какими факторами ограничено быстродействие элементов КС32.04, КС32.05, КС32.06?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРОВ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОЭВМ

Цель работы - изучение основных законов распределения случайных величин, их композиций, методов программной реализации генераторов псевдослучайных чисел с равномерным, трапецеидальным, треугольным и нормальным законами распределения и исследование их основных числовых характеристик.

Опыт 1 Генерирование псевдослучайных чисел, распределенных по равномерному закону

При проведении статистического моделирования с помощью средств вычислительной техники и при реализации некоторых вычислительных алгоритмов возникает необходимость в получении случайных величин (чисел), распределенных по заданному закону, с заданными числовыми характеристиками.

Случайные величины будут распределены по равномерному закону на интервале {А…В}, если все возможные значения их лежат в пределах этого интервала, и все значения случайной величины одинаково вероятны (имеют одну и ту же плотность вероятности f(x)):

Интегральная функция распределения вероятности в этом случае имеет вид:

На рис. 4.1 приведен график f(x), а на рис. 4.2 - график функции F(x). Одномерная функция плотности распределения вероятности f(x) характеризуется теоретическими характеристиками (параметрами) распределения - математическим ожиданием M_x и дисперсией случайной величины .

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок 4.1 - График функции плотности вероятности f(x)

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок 4.2 - График функции распределения F(x)

В ходе эксперимента всегда получают ограниченный ряд наблюдений х₁, х₂, …., х_n случайной величины Х. В этом случае можно говорить лишь о выборочных статистических оценках теоретических характеристик распределения f(x).

Оценкой математического ожидания M_x эмпирического распределения является среднее значение:

.

Выборочное среднеквадратическое отклонение (СКО) S дает несмещенную оценку параметра распределения :

.

Основные теоретические числовые характеристики случайной величины X, подчиненной равномерной плотности на участке {А…B}, определяют по формулам.

В силу симметричности равномерного распределения его асимметрия равна нулю.

Для одномерного эмпирического распределения произвольным мо-ментом порядка k называется сумма k - x степеней отклонения результатов наблюдения от произвольного числа С, деленная на объем выборки n:

Здесь k может принимать значения натурального ряда чисел (k=1,2,3...). Если С = 0, то момент называют начальным. Начальным моментом первого порядка является выборочное среднее . Действительно, можно определить и по формуле

При С=, момент называется центральным. Все нечетные централь-ные моменты для симметричных распределений равны нулю, например:

Второй центральный момент

представляет собой дисперсию S² эмпирического распределения. Несмещенную оценку для дисперсии теоретического распределения можно определить по формуле

На практике чаще всего используют моменты третьего и четвертого порядка

, .

Для равномерного закона распределения:

Некоторое представление о близости эмпирического распределения к нормальному может дать анализ коэффициентов асимметрии и эксцесса, которые можно определяются как

, .

Для симметричных распределений и g₁=0. Для нормального распределения

.

Для удобства сравнения эмпирического распределения и нормального в качестве коэффициента эксцесса принимают величину

и тогда для нормального распределения:

Несмещенные оценки коэффициентов асимметрии и эксцесса, определяемые по ограниченной выборке значений объёмом n, рассчитывают по формулам:

.

При генерации...