рует успешное создание прибора. Построение цифрового вольтметра требует правильного выбора АЦП, служащего основным измерительным преобразователем, рационального выбора микропроцессора, осуществления их сопряжения, определения необходимых характеристик остальных модулей микропроцессорной системы, разработки программного обеспечения.

Учитывая роль АЦП в цифровом вольтметре, представляется полезным напомнить типы АЦП. Наиболее распространена классификация АЦП, признаком которой служит характер процедуры приближения цифрового кода, получаемого в результате дискретизации времени и квантования уровня, к преобразуемому сигналу. Соответственно этой процедуре АЦП делят на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

К последовательным АЦП относятся:

1. Аналого-цифровой преобразователь со ступенчато-нарастающим образцовым напряжением. Это напряжение сравнивается с преобразуемым напряжением. В процессе нарастания образцового напряжения подсчитывается число ступенек строго определенной высоты. Счет прекращается в момент равенства образцового напряжения преобразуемому. Фиксируемое в этот момент число ступенек представляет числовой эквивалент значения преобразуемого напряжения.

2. Время-импульсный АЦП (с однократным интегрированием), преобразующий напряжение в отрезок периодической последовательности импульсов (с промежуточным преобразованием напряжение- интервал времени), число которых пропорционально измеряемому значению напряжения. Преобразование напряжения в интервал времени осуществляется путем сравнения этого напряжения с образцовым линейно-изменяющимся напряжением, вырабатываемым интегратором.

3. Аналого-цифровой преобразователь с двухтактным (двухкратным) интегрированием. В течение первого такта длительностью Ti ко входу интегратора приложено преобразуемое (измеряемое) напряжение постоянного тока и выходное напряжение интегратора растет по линейному закону (крутизна этого напряжения пропорциональна f/изм). По окончании такта в момент ti = Ti преобразуемое напряжение снимается со входа интегратора, и он подключается к источнику образцового напряжения полярности, противоположной полярности преобразуемого напряжения. Начинается второй такт интегрирования, во время которого выходное напряжение интегратора линейно падает и в момент ti становится равно нулю. Интервал At = t2-ti заполняется счетными импульсами, число т которых пропорционально значению f/изм напряжения.

4. Интегрирующий АЦП, осуществляющий преобразование напряжение в периодическую последовательность импульсов, частота следования которых пропорциональна значению преобразуемого напряжения.

5. Аналого-цифровой преобразователь поразрядного уравновешивания, работающий по принципу сравнения преобразуемого напряжения с рядом образцовых напряжений, значения которых различаются по определенному закону, например по закону последовательного расположения разрядов двоичного кода. Число, соответствующее набору значений образцовых напряжений, которым компенсируется преобразуемое (измеряемое) значение, представляет это значение в закодированной форме, т. е. в виде числового эквивалента.

Параллельные АЦП или АЦП, работающие по методу считывания, выполняют операцию квантования напряжения сигнала по многим уровням параллельно путем сравнения его с набором пороговых уровней.

Последовательно-параллельные 2га-разрядные АЦП представляют собой сочетание двух параллельных га-разрядных АЦП, га-разрядного ЦАП и схемы вычитания. В этой системе цифры старших разрядов формируемого кода получаются на выходе первого параллельного АЦП, а цифры младших разрядов - на выходе второго параллельного АЦП из разности входного напряжения и выходного напряжения ЦАП, на вход которого подается число, образованное старшими разрядами первого АЦП.

5.2. СОПРЯЖЕНИЕ АЦП С МИКРОПРОЦЕССОРОМ

Касаясь данной темы, прежде всего необходимо отметить, что задача совместимости АцП с микропроцессором и работы АЦП в составе микропроцессорной системы представляет собой конкретную задачу совместимости модулей, которые должны функционировать в единой системе. Эта проблема была освещена в гл. 3, где отмечалось, что при организации модулей в измерительную систему необходимо осуществить пять видов совместимости; информационную, конструктивную, энергетическую, метрологическую и эксплуатационную.

Не имея воможности детализировать все виды совместимости для системы АЦП-микропроцессор, кратко остановимся на первом виде совместимости, играющем основополагающую роль.

Информационная совместимость предполагает удовлетворение определенных требований к уровням напряжения логической единицы и логического нуля выходного двоичного АЦП и к управляющим сигналам, а также выполнения протоколов, регламентирующих временные соотношения сигналов.

При транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ) построения БИС логической единице выходного сигнала АЦП должен соответствовать высокий уровень напряжения, равный или больший 2,4 В (при определенном значении тока), а логическому нулю - низкий уровень напряжения, равный или меньший 0,4 В (при конкретном значении тока).

Большая часть 8-разрядных АЦП непосредственно совместима со многими универсальными микропроцессорами. С увеличе-

Цифровой ), сигнал (двоичный код)

Рис. 5.2

нием числа разрядов АЦП (10,

12, 16) задача сопряжения уСЛОЖ- Аналоговый

няется. Однако в принципе воз----

можна совместная работа этих сигнал АЦП с 8-разрядными микропроцессорами.

Продолжительность формирования на выходе АЦП устойчивого слова, соответствующего значению преобразуемого аналогового сигнала, определяется интервалом времени между сигналами запуска АЦП и окончания преобразования, которые на рис. 5.2 названы сигналами НАЧАЛО и КОНЕЦ соответственно (сказанное относится к тактируемым, управляемым АЦП). Иногда этот интервал задается стробирующим импульсом, подаваемым на АЦП. При выполнении протоколов сопряжения, регламентирующих временные соотношения сигналов, время установления выходного кода АЦП на шине данных микропроцессора остается меньше продолжительности обращения к памяти микропроцессорной системы. Следует иметь в виду, что не все протоколы сопряжения единообразны. Например некоторые АЦП запускаются с помощью сигнала выбора модуля памяти (см. рис. 1.8) -сигнала, получаемого в результате дешифрирования адреса. При этом возможны непредвиденные запуски АЦП ложными сигналами - выбросами напряжения, возникающими в дешифраторе. Во избежание этого рекомендуется использовать два стандартных сигнала: сигнал, подаваемый на схему выбора модуля, и стробирующий импульс записи (подводимый ко входу 1 блока управления на рис. 1.8) [43].

Вообще сопряжение АЦП с микропроцессором получается относительно простым, если работа АЦП определяется сигналами, имеющимися на шине управления микропроцессорной системы. Возможны два варианта организации сопряжения АЦП с микропроцессорной системой. При первом варианте микропроцессор воспринимает АЦП, как одну из ячеек памяти системы: число, образующееся на выходе АЦП, направляется по адресу, расположенному в поле адресов памяти. Второй вариант осуществим тогда, когда в системе предусмотрен интерфейс ввода-вывода. Если в ней имеется свободный порт ввода-вывода, то выходы АЦП соединяются со входами порта, управляемого соответствующими командами. Иногда при осуществлении сопряжения требуются схемы для распознавания сигналов в шине управления микропроцессора и дешифрирования адреса порта [30].

На рис. 5.3 изображена одна из возможных схем сопряжения 8-разрядного АЦП и 8-разрядного микропроцессора. В этой схеме содержатся два порта. Первый из них используется полностью и служит для ввода числа, образующегося на выходе АЦП, т. е. данных, в микропроцессорную систему. Второй порт предназнача-

АЦП

Начало

Буферный регистр

Выход

Рис. 5.3

Порт 1

К шине данных

Порт 2

ется для управляющих сигналов и используется частично - по одному разряду со стороны входа и со стороны выхода.

Работа схемы заключается в следующем. По команде микропроцессора на выходной линии порта 2 появляется единичный сигнал, который определяет начало аналого-цифрового преобразования. Затем производится обращение к входной стороне порта 2. Появление на входной линии единичного сигнала означает конец аналого-цифрового преобразования. Этот сигнал разрешает передачу результата преобразования из буферного регистра через порт / на шину данных.

Возможна также схема сопряжения, позволяющая применить только один порт. Но поскольку шина данных - двунаправленная шина, то схема должна содержать трехрежимный буферный регистр (могущий принимать три состояния), с помощью которого осуществляется управление направлением передачи.

5.3. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР

Общая характеристика. Цифровые вольтметры, выполняемые на основе микропроцессорной системы, измеряют напряжение постоянного тока и напряжение переменного тока (часто также сопротивление резистора). Они представляют собой многопредельные приборы с автоматическим и ручным переключением полярности и диапазонов измерений, проводят статистическую обработку результатов наблюдений, выполняют ряд специфических подпрограмм, существенно расширяющих возможности прибора, осуществляет автокалибровку. Эти приборы отличаются высокими метрологическими характеристиками. Так, например, относительная погрешность одного из вольтметров постоянного тока при диапазоне измерений 10 мВ (чувствительность 100 нВ) не превышает 0,001%, а относительная погрешность измерения среднеквадратического значения напряжения переменного тока синусоидальной формы при диапазоне измерений 100 мВ (чувствительность 1 мкВ) не превышает 0,03% в полосе частот 50 Гц... 10 кГц и остается менее 0,1% в полосе частот 40 Гц ... 100 кГц. Следует заметить, что точность измерения среднеквадратического значения напряжения переменного тока зависит от того, каким способом получают это значение: в результате преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока с помощью спе-

©ход

Входной блок

Печатающее! j устройство I

Рис. 5.4

циального измерительного преобразователя или путем непосредст* венного вычисления микропроцессором по совокупности чисел, со* ответствующих мгновенным значениям измеряемого напряжения.

Структурная схема. Если в упрощенной схеме вольтметра, приведенной на рис. 5.1, развернуть структуру микропроцессорной системы согласно рис. 1.7 и дополнить эту схему специфическими для измерительного прибора блоками ввода и вывода, то получится с(т?руктурная схема микропроцессорного цифрового вольтметра. Она показана на рис. 5.4.

Микропроцессор организует процедуру измерений, управляет работой всех узлов, производит арифметические и логические операции с данными, поступающими из АЦП через интерфейс ввода на шину данных. Программа работы микропроцессора, со-4-54 97,

ставленная изготовителем цифрового вольтметра, хранится в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) и не разрушается при отключении питания. В ПЗУ содержатся также некоторые константы, используемые при выполнении различных подпрограмм, и числа, необходимые для автокалибровки. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для временного хранения данных наблюдений и промежуточных результатов. Связь микропроцессора с остальными модулями, точнее взаимодействие всех модулей системы, осуществляется через три шины: данных, адреса и управления (в общем плане работа микропроцессорной системы описана в § 1.6 и 1.7). АЦП и клавиатура подключаются к шинам через интерфейс ввода, а цифровой дисплей, печатающее устройство, блок автокалибровки и схема автоматического переключения диапазона измерений (она находится во входном блоке и на рис. 5.4 не показана) - посредством интерфейса вывода. Наличие интерфейсной карты (ИКАР) дает возможность соединить рольтметр с системным интерфейсом, перевести в режим внешнего управления контроллером, включить в автоматическую измерительную систему.

Рассмотрим кратко основные узлы программируемого цифрового вольтметра и взаимодействие с ними микропроцессора.

Аналого-цифровой преобразователь. В цифровых вольтметрах, выполняемых на основе микропроцессорной системы, вообще говоря, могут быть применены АЦП различных типов. Как показал анализ, в вольтметрах, непосредственно измеряющих напряжение постоянного тока, наиболее распространены АЦП с двойным (двухтактным) интегрированием. В последнее время все шире используются время-импульсные преобразователи с однократным интегрированием (см. § 5.4). Для вольтметров, у которых среднеквадратическое значение напряжения переменного тока вычисляет микропроцессор, характерны АЦЦ поразрядного уравновешивания, а при высоких частотах измеряемого напряжения - АЦП параллельного типа (известен, например, 8-разрядный монолитный АЦП, позволяющий осуществлять дискретизацию аналогового сигнала с частотой до 75 МГц).

Выходной сигнал АЦП представлен в параллельном двоичном ходе. У АЦП с двойным интегрированием или время-импульсного АЦП счетные импульсы, образующиеся на выходе (их число пропорционально значению преобразуемого напряжения в момент запуска АЦП), направляются в счетчик, с которого зафиксированное в нем число снимается в параллельном коде и подается в порт интерфейса ввода.

Обращение к данному порту интерфейса ввода происходит по сигналу с выхода микропроцессора при наличии сигнала на определенной линии шины адреса, соединенной с соответствующим ей (данному разряду) портом. Второй сигнал указывает адрес порта. Это достигается с помощью дешифратора адреса, выполненного в виде набора двухвходовых логических элементов И. У каждого элемента один вход подключен к линии определенного

разряда шины адреса, а второй вход - к соответствующему выходу регистра состояний (INP для интерфейса ввода, OUT для интерфейса вывода). Выход конкретного логического элемента И соединен с соответствующим ему портом.

В случае применения АЦП с двойным интегрированием микро-процессор управляет продолжительностью интегрирования. Ее определяет пользователь вольтметра нажатием клавиши, задающей число индицируемых дисплеем разрядов. Микропроцессор переходит в режим прерывания (его продолжительность фиксирована, например, 100 мкс), опрашивает клавиатуру и выводит данные на дисплей, после чего цикл работы микропроцессора возоб новляется.

Клавиатура. Помимо АЦП к устройству ввода относится кла виатура, представляющая собой совокупность органов управления - клавиш, расположенных на передней панели прибора. Как уже отмечалось в гл. 2, чем выше интеллектуальный уровень прибора, тем проще его эксплуатация. В микропроцессорных цифровых вольтметрах применяются усовершенствованные схемы и конструкции клавиатуры, позволяющие обходиться малым числом органов управления и получать четкую информацию о выполняемой прибором функции.

Клавиши управляются ключами специальной конструкций, осуществляющими замыкание и размыкание цепей. Общепринятое выражение нажатие клавиши в данном случае следует понимать фигурально. В действительности для выполнения прибором функции, определяемой конкретной клавишей, достаточно прикос новения к ней. При этом разомкнутый ключ замыкается на малый интервал времени и снова размыкается, клавиша возвращается в исходное состояние. Для того чтобы пользователь вольтметра мог получить информацию о выполняемой им функции, каждая клавиша снабжена индикатором - светодиодом, который светится по еле нажатия клавиши.

Клавиши сгруппированы в логические блоки, обозначенные надписями ВИД ИЗМЕРЕНИЯ, РЕЖИМ РАБОТЫ, ДИАПАЗОН и т. д. В некоторых приборах используются надписи-гравировки трех цветов, что позволяет уменьшить число клавиш и упрощает управление прибором.

Многие цифровые вольтметры рассчитаны на осуществление нескольких программ. У них имеется общая клавиша ПРОГРАММА, после нажатия которой работают надписи определенного цвета, в том числе цифры от О до 9, отмечающие ряд клавиш. Каждая цифра соответствует номеру варианта программы.

Клавиатура обслуживается микропроцессором в режиме прерывания. Микропроцессор выполняет операции опроса, подавления переходных колебательных процессов и дешифрации. Рассмотрим обслуживание клавиатуры, содержащей 18 клавиш. Ее электрическая схема представляет три горизонтальные линии и шесть вертикальных. У каждого пересечения линий помещен ключ,

4* 99

контакты которого при нажатии клавиши замыкаются на малый интервал времени. Вследствие этого данная вертикальная линия соединяется с оответствующей горизонтальной линией. На вертикальные линии последовательно с определенной частотой подаются импульсы. В течение интервала прерывания микропроцессор, располагающий информацией, на какой, из вертикальных линий в данный момент имеется импульс, опрашивает три горизонтальных линии. Если при опросе нажата, например, клавиша, соединяющая пятую вертикальную линию со второй горизонтальной, и в момент опроса на пятую вертикальную линию подан импульс, то на второй горизонтальной линии, пока замкнут ключ, будет логический нуль. Таким образом, микропроцессор определяет, какая клавиша была нажата, направляет эту информацию (в числовой форме) в ОЗУ и выдает команду подсвета светодиода, соответствующего данной клавише. Опрос клавиатуры проводится микропроцессором примерно 100 раз в секунду в продолжительность опроса составляет около 100 мкс. Естественно, что время, затрачиваемое пользователем на нажатие клавиши и на переход ОТ одной клавиши к другой, намного больше. Поэтому ситуация, при которой микропроцессор пропустит нажатую клавишу, исключена. Если по ошибке нажаты одновременно две клавиши, определяющие два взаимоисключающих вида или режима измерений, то микропроцессор, обнаружив такое положение, не посылает информации в ОЗУ и не выдает команды подсвета клавишного индикатора.

Дисплей. Для отображения результатов наблюдений, результатов измерений, получаемых в итоге статистической обработки данных наблюдений, и другой информации служит цифровой дисплей. Поскольку цифровые вольтметры - приборы высокой точности, выполняющие измерения в широком диапазоне, то для них характерны многоразрядные цифровые дисплеи. К таким приборам можно отнести 3 /а-разрядный (полной шкале соответствует 1999) или 672-разрядный (полная шкала - число 1 499 999) вольтметры.

Прежде чем рассматривать особенности дисплеев и обслуживание их микропроцессором, полезно ответить на вопросы: Что означает выражение 3 Va разряда? , Как понимать 1/2 разряда?

Разрядность цифрового вольтметра - количество десятичных разрядов, которые индицируются цифрами от О до 9. Например, прибор с тремя разрядами может давать такие максимальные показания при различных пределах измерений: 999; 99,9; 9,99; 0,999 В. Цифровой вольтметр, позволяющий индицировать дополнительно еще один разряд, но неполностью, называют прибором с расширенным диапазоном показаний или соответственно 3 /г, 4 Vs, 5 V2, 6 /а-разрядным вольтметром. Например, если максимальное показание вольтметра не 0,999, а 1,999 В, то это уже 3 /г-разрядный вольтметр (при максимальном показании 9,999 В, т. е. полном четвертом разряде, был бы 4-разрядный вольтметр). Итак, у дисплея и'/г-разрядного цифрового вольтметра п млад-

ших полных разрядов, в которых цифры могут изменяться от О до 9, и один (старший) неполный разряд.

Дисплей цифрового вольтметра взаимодействует с клавиатурой. Он отображает не только цифры, но и единицы измерения, знаки (+ или -), слова или буквы, которые несут существенную для пользователя прибора информацию. Если предусмотрено несколько вариантов используемых программ, то при нажатии клавиши, определяющей конкретный вариант, соответствующие сведения можно прочесть на дисплее. При вводе констант они индицируются дисплеем, что позволяет контролировать правильность их ввода,

У многих цифровых вольтметров дисплей содержит набор се-мисегментных индикаторов, отображающих цифры, и индикатор, изображающий перемещающуюся точку (светящуюся), которая выполняет роль плавающей запятой. В состав семисегментного индикатора входят светодиоды, резисторные сборки и регистры. Сегменты, из которых состоит цифра, управляются выходными сигналами буферного регистра, входы которого подключены к шине данных микропроцессорной системы. Все операции преобразования информации в семисегментный код, определения положения запятой и другие осуществляются программным путем.

Для дисплеев современных цифровых приборов характерно отсуствие мелькания цифр, так как в каждый момент времени индицируется только одна цифра. Это достигается поочередным сканированием (опросом) семисегментных индикаторов с помощью распределителя импульсов. Полный цикл дисплея синхронизирован с прерыванием микропроцессора. Последний, получая запрос на прерывание, уже располагает информацией о том, какой индикатор дисплея должен быть выбран, т. е. подключен. При погашенном дисплее с шины данных поступают сигналы на семь сегментов выбранного индикатора, и появляется свечение определяемой им цифры. Вывод числа на дисплей и опрос клавиатуры занимают не более 100 мкс, отводимых на прерывание микропроцессора. После этого микропроцессор возвращается к выполнению основной программы. Индикатор светится до очередного прерывания (примерно через 1мс ), после которого будет включен следующий индикатор. В результате осуществления такой процедуры последовательно светятся цифры всех разрядов дисплея, причем цикл сканирования всех индикаторов длится около 10 мс. Следовательно, цифра данного разряда через 10 мс снова будет светиться. Подобные чередования гашения и свечения человеческий глаз не фиксирует, и поэтому, число, отображаемое дисплеем, представляется наблюдателю светящимся непрерывно, без мельканий. Такая система индикации хорошо сочетается с возможностями микропроцессора и особенностями его работы, удобна для пользователя и весьма экономична.

Блок автокалибровки. Цель калибровки любого вольтметра заключается в том, чтобы добиться однозначного и точного соответствия между показанием прибора и значением напряжения, по-

даваемого на вход вольтметра от специального источника - калибратора, служащего образцовой мерой. При наличии систематических погрешностей, вносимых узлами прибора, соответствие нарушается и для его восстановления пользователь проводит требуемые регулировочные операции (вручную). Одна из задач калибровки- устранение смещения нуля.

Принципы автокалибровки, позволяющие автоматически исключать систематические погрешности, обусловленные изменением параметров внутренних цепей цифрового вольтметра, уже были освещены в § 2.2. Здесь следует подчеркнуть, что последова-вательностью операций автокалибровки и ее периодичностью уп-равляет микропроцессор, проводящий также вычисления, связанные с калибровкой. Интервалы времени, через которые выполняется автокалибровка, определяются программой, хранимой в памяти. Предусматривается возможность отмены автокалибровки или задания момента ее начала командами внешнего управления, а также действием пользователя вольтметра (с помощью специальных клавиш).

Для осуществления автокалибровки в схеме вольтметра имеется блок, подключенный к микропроцессорной системе через интерфейс вывода и управляющий входным блоком. Внутри блока автокалибровки содержится образцовый ЦАП.

Одна из функций автокалибровки - коррекция смещения нуля. По команде микропроцессора вход усилителя, находящегося во входном блоке, отключается от источника измеряемого напряжения и соединяется с корпусом прибора. При этом значение входного напряжения равно нулю. Если имеет место смещение нуля, то оно измеряется вольтметром. Результат измерения запоминается в ОЗУ и впоследствии используется для коррекции данных, получаемых в процессе измерения, когда вход вольтметра вновь подключен к источнику измеряемого напряжения.

Другая функция автокалибровки заключается в уточнении масштабных коэффициентов, зависящих от характеристик внутренних цепей вольтметра. К таким цепям относятся находящиеся во входном блоке аттенатор, усилители, измерительный преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. В энергонезависимой памяти (представляющей собой ОЗУ, питаемое при выключенном приборе от литиевого элемента, обладающего сравнительно большой энергоемкостью) хранятся в виде констант точные значения коэффициентов передачи тракта прохождения сигнала от входных зажимов до АЦП. Значения констант различны для каждого диапазона и вида измерений. Реальные масштабные коэффициенты определяются с помощью образцового напряжения, подаваемого на входые зажимы вольтметра. При калибровке вольтметров постоянного тока такое напряжение образуется на выходе ЦАП, когда на его вход поступает по команде микропроцессора хранимое в памяти число, задающее определенное значение образцового напряжения.

Остановимся еще на одной функции автокалибровки, характер-