Аналоговая схемотехника

На рис. изображена ПЛМ 556РТ1, имеющая n=16, m=48, k=8. Вход FE используется для программирования ПЛМ. Вход СЕ кроме функции выключения (при СЕ=1 на всех выходах устанавливается 1) используется при программировании. Микросхемы ПЛМ могут соединяться друг с другом для увеличения количества входов или выходов.

Недостатком ПЛМ является невозможность реализации любой функции 16 переменных.

В ПЛМ на основе элементов И и ИЛИ можно создать триггеры, что позволит создавать асинхронные автоматы. Имеются ПЛМ, в которых триггеры создаются на этапе изготовления.

Развитие систем логических матриц приводит к замене прожигаемых перемычек связями на основе электронных элементов, например транзисторов с плавающим затвором. Работы привели к созданию микросхем с программируемой логикой. Большое количество фирм занимаются подобными проектами. ПЛИС можно перепрограммировать; сделать это можно не снимая микросхемы с печатной платы, на которой она установлена. Сложность задач, решаемых подобными микросхемами, такова, что на одном кристалле создаются мощные системы, способные управлять сложной техникой. Недаром такие системы называют «Системой на кристалле». Примером таких систем, разработанных в Беларуси, является оптико-механическое оборудование, поставляемое объединением Планар. Применение ПЛИС в настоящее время определяется двумя направлениями. 1 С помощью ПЛИС можно проверить техническое решение той или иной задачи, даже если не предполагается применение ПЛИС. 2 Создание оборудования небольшой серийности с принятием решений непосредственно на отлаживаемом образце.

ПЛИС содержат стандартные функциональные блоки электроники, которые, как и в ПЛМ, связаны между собой ключами (или другими элементами, например, перемычками). Количество ключей определяет сложность ПЛИС: чем больше ключей, тем большее количество взаимосвязей между элементами можно организовать. В имеющихся ПЛИС количество ключей достигает нескольких миллионов. Программируется ПЛИС с помощью компьютера. ПЛИС могут быть с однократным программированием и репрограммируемые. Стирание может быть ультрафиолетовым (типа EPROM) и электрическим (ЕЕPROM). Запись информации обычно проводится напряжениями, большими рабочих. Имеются микросхемы, в которых запись осуществляется рабочими напряжениями с большой длительностью. Число циклов репрограммирования очень велико: 10⁵…10⁶.

ПЛИС, благодаря регулярной структуре, выпускается с уровнем интеграции, близким к максимальному. После программирования уровень интеграции понижается, однако остается высоким. В связи с этим становится важной задача отвода выделяемого тепла, т.е. понижения потребляемой мощности. Понижение питающего напряжения кроме снижения потребляемой мощности повышает быстродействие ИМС. Современные ПЛИС, вместо стандартного в электронике напряжения 5В могут питаться напряжениями 3,3В, 2,5В, 1,7В, 1,5В, 1,2В и даже менее. В связи с тем, что ПЛИС стыкуются с элементами, работающими с разными напряжениями питания, внутри кристалла с помощью встроенных микросхем создаются разные напряжения и разные элементы ПЛИС питаются разными напряжениями.

Высокая эффективность ПЛИС стимулирует не только их широкое применение, но и постоянный рост уровня производства, а также увеличение научных исследований по их архитектуре, схемотехнике, алгоритмам работы и другим направлениям.

2.8 Микроконтроллеры

В предыдущих разделах рассматривалась возможность создания устройств на основе логических элементов. Даже управляющие системы, построенные на одном кристалле (ПЛИС и другие), используют традиционный подход к решению задачи с помощью известных логических элементов. Использование микроконтроллеров позволяет решать те же задачи управления методами вычислительной техники.

Микроконтроллеры это микропроцессоры, предназначенные для управления. Слово «микро» осталось в названии по традиции с тех пор, когда существовали просто контроллеры и появились микроконтроллеры. Так как микроконтроллеры предназначены для управления, то и от универсальных ЭВМ в них остается то, что необходимо для управления. Современные микроконтроллеры размещаются на одном кристалле.

Микроконтроллеры реализуют сравнительно несложные алгоритмы. Поэтому они нуждаются в сравнительно малом объеме памяти как для хранения программ, так и для хранения промежуточных данных. Набор внешних устройств значительно уже, чем в универсальных микропроцессорах, притом они проще.

Первые восьмиразрядные микроконтроллеры были выпущены в 1976 г фирмой Intel. В настоящее время выпускаются 8-, 16-, 32-разрядные микроконтроллеры с объемом памяти программ до десятков Кбайт и набором таких средств, как параллельные и последовательные порты ввода/вывода, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, различные модуляторы для управления приводами и другими устройствами и т.д. В настоящее время микроконтроллеры все чаще применяют в составе программируемой логики «система на кристалле».

На рынке микроконтроллеров с большим отрывом от остальных лидируют восьмиразрядные микроконтроллеры (около половины используемых). Основными производителями микроконтроллеров являются фирма Intel (семейство 8051), фирма Atmel (семейство AVR) и фирма Mikrochip (семейство PIC). В связи с широким использованием микроконтроллеров разработчики внедряют в их схемы передовые решения, возникающие в микропроцессорной технике. Поэтому функциональные возможности микроконтроллеров постоянно улучшаются.

Обмен информацией производится через порты. которые могут быть как одно, так и многоразрядными. Каждый разряд передается по своей линии. Каждая из линий порта программируется по направлению передачи как входная или выходная с помощью управляющего слова, загружаемого в специальный регистр направления передачи.

Во многих микроконтроллерах имеется последовательный интерфейс, который используется для программирования микроконтроллера в последовательном режиме, для обмена данными между контроллером и периферийным устройством или между двумя контроллерами. В этих операциях принимает участие блок преобразования параллельной информации в последовательную и наоборот.

Многие микроконтроллеры имеют порт аналоговой информации, позволяющий производить сравнение и измерение аналоговых величин, определять их длительность и проч.

Почти все команды микроконтроллеров выполняются за один такт машинного времени, что способствует повышению производительности микроконтроллера. Для этого аппаратная часть выполнена так, что пока осуществляется основная часть команды, производится выборка и декодирование следующей. Сравнение микроконтроллеров с микропроцессорами показывает, что их команды имеют большое сходство. Микроконтроллеры обладают большими удобствами в осуществлении логических операций, но меньшими в вычислительных операциях.

Микроконтроллеры имеют развитую систему прерываний, что обеспечивает достаточно гибкое управление оборудованием.

Программирование микроконтроллеров можно производить двумя путями: параллельно и последовательно. При программировании в энергонезависимую память микроконтроллера в машинных кодах записывается программа. Параллельное программирование требует специальных программаторов и использования, как правило, высокого напряжения. При программировании по последовательному каналу не требуется высокого напряжения, программирование можно осуществлять непосредственно в системе. Такое программирование можно использовать для модернизации программ непосредственно пользователями.

2.9 Сравнение вариантов создания систем с помощью различных элементов

Одно и то же устройство может быть реализовано на различных технических средствах--от логических схем до микроконтроллеров или систем на одном или нескольких кристаллах. Варианты разработок различаются техническими и эксплуатационными характеристиками: размерами, быстродействием, надежностью, возможностями использования и т.д. и т.п. Для относительно простых проектов используются логические микросхемы. Созданное на их основе устройство может быть запущено в серию и будет функционировать до тех пор, пока это необходимо. В его состав могут входить однократно программируемая логика или даже простые микроконтроллеры с однократно записанной программой. Если возникает необходимость изменения порядка функционирования устройства, приходится разработать новый проект, в котором выполнятся новые условия. Такие устройства имеют приемлемую цену, соответствующую проекту.

На стадии разработки эффективны микросхемы, содержимое которых может быть перепрограммировано. Перепрограммирование (репрограммирование) позволяет легко и быстро вносить в проект изменения, позволяющие его улучшить или исправить ошибки. Микроконтроллеры и программируемые интегральные микросхемы позволяют достаточно эффективно выполнить это мероприятие. Останется ли вариант с репрограммированной микросхемой конечным вариантом, зависит от объема его производства. Если изделие имеет высокий спрос, то в соответствии с репрограммированной микросхемой возможно выполнить его в виде заказной микросхемы. В этом случае исключаются расположенные на микросхеме средства программирования, упрощаются связи, а значит, уменьшается площадь кристалла, увеличивается его быстродействие и т.д. Но изготовление заказной микросхемы требует достаточно высоких затрат, что должно быть компенсировано объемом производства.

В процессе эксплуатации изделия могут возникнуть проблемы, связанные с необходимостью изменить работу системы вследствие полученного опыта или других причин. Кроме того, при длительной эксплуатации может уменьшиться серийность и изготовление заказных микросхем, стоимость которых зависит от величины серии, станет нерентабельным. В этом случае, может возникнуть возможность снова перейти на программируемую логику, которая может оказаться дешевле. Таким образом, выбор средств реализации проекта зависит от ситуации.

Вопрос о применении программируемых структур или микроконтроллеров также решается по-разному. Микроконтроллер является стандартным изделием. Поэтому стоимость его относительно невелика. Все изменения управляемой системы сводятся к изменению программного обеспечения. ПЛИС при необходимости изменения управляющей системы также перепрограммируется. Перепрограммирование как ПЛИС, так и микроконтроллера может осуществляться без извлечения микросхем с печатной платы. Поэтому в большинстве случаев вопрос решается компетентностью разработчиков: одни хорошо владеют программированием ПЛИС, другие -микроконтроллеров. ПЛИС программируется в языке, близком к языку схемотехники. Поэтому они понятнее специалисту электроники. Микроконтроллеры требуют владения языками (языком) программирования. Могут ускользнуть некоторые тонкости схемы (например, задержки срабатывания элементов, влияние связей, сопротивления межсоединений и т.д.). Микроконтроллеры обладают определенной универсальностью, например, есть возможность работать с аналоговыми и цифровыми элементами. На ПЛИС необходимо программировать соответствующие структуры. Ко многим микроконтроллерам имеются прикладные программы работы с определенными устройствами, например, микроконтроллер в качестве вольтметра, частотомера, измерителя мощности, тока и т.д. Это значительно упрощает работу с ними.

Литература

1 У. Титце и К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М. 1982

2 П. Хоровиц и У. Хилл. Искусство схемотехники. 2 тома. М. 1993

3 Г.И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств. Издательский дом «Додэка ХХ1», 2005

Размещено на Allbest.ru