Diody półprzewodnikowe:

Zasada budowy:

a-dioda warstwowa

b-ostrzowa;c-symb.graf.

1-półprzew. Typu N; 2-półprzew. Typu P; 3-obudowa hermetyczna; 4-elektroda metalowa; 5-doprowadzenie; 6- płytka półprzewodnikowa; 7-ostrze.

Diody ostrzowe mają małą obciążalność prądową i napięciową, ale mogą pracować przy wielkich częstotliwościach (do kilkudziesięciu GHz) ze względu na ich małą pojemność między elektrodową. Złącze PN w diodach ostrzowych powstaje na granicy zetknięcia germanu typu N lub krzemu typu P z ostrzem metalowym. Ostrze jest zwykle wykonane z wolframu lub złota. Diody prostownicze dużej mocy mają obudowę metalową. Katoda jest zwykle połączona z obudową. Obudowa diod dużej mocy jest przystosowana do przykręcenia diody do radiatora (chłodnicy), natomiast anoda jest wyprowadzona grubym, giętkim przewodem.

Charakterystyka statyczna diody półprzewodnikowej

W kierunku przewodzenia, przy małym napięciu U dioda półprzewodnikowa przewodzi

słabo. Dopiero po przekroczeniu tzw. napięcia progowego (dla germanu wynosi ono ok. 0,2V, a dla krzemu ok. 0,7 V) prąd przewodzenia zwiększa się bardzo szybko.
W kierunku zaporowym przez diodę płynie bardzo mały prąd wsteczny o wartości kilku mikroamperów. Przy dużym napięciu wstecznym (tzw. napięciu granicznym) Uzg rozpoczyna się szybkie narastanie prądu I przy prawie stałym napięciu na diodzie. Prąd diody jest wówczas ograniczany przez rezystancję R. Napięcie graniczne ma wartość zależną od konstrukcji złącza PN (ma wartość kilkanaście do kilkuset woltów). Przy napięciu wstecznym wyższym od granicznego prędkość nośników ładunku elektrycznego jest tak duża, że podczas zderzeń tych nośników z atomami siatki krystalicznej następuje jonizacja atomów. W wyniku jonizacji powstają dodatkowe elektrony swobodne i prąd wsteczny gwałtownie zwiększa się przy prawie starym napięciu wstecznym. Tę właściwość złącza PN wykorzystano w diodach Zenera. Są one diodami krzemowymi i stosuje się je w układach stabilizacji napięcia. Stabilizują one napięcie prądu stałego przy dużych zmianach prądu płynącego przez nie. Diody Zenera (stabilizatory) produkowane w Polsce stabilizują napięcie w granicach 3.l...38 V przy dopuszczalnym prądzie przewodzenia 20 mA...3 A (zależnie od typu diody). Najważniejszymi parametrami diod półprzewodnikowych są:
1) dopuszczalne napięcie wsteczne,
2) dopuszczalny prąd przewodzenia,
3) prąd wsteczny,
4) pojemność diody,
Pierwsze dwa parametry określają granice napięcia i prądu, których nie wolno przekraczać pod groźbą zniszczenia diody. Dopuszczalne napięcie wsteczne przyjmuje się jako 80% wartości napięcia granicznego. Dopuszczalne napięcie wsteczne i dopuszczalny prąd wsteczny zależą od konstrukcji i technologii wykonania diody. Parametry te określają również moc prądu zmiennego, który dioda może przełączać. Biorąc pod uwagę fakt, że dioda jest elementem prostującym, oczekujemy by jej prąd wsteczny był jak najmniejszy. Zatem wartość prądu wstecznego decyduje o jakości diody. Prąd wsteczny diod półprzewodnikowych silnie zależy od temperatury. W temperaturze pokojowej prąd wsteczny diod krzemowych jest kilkadziesiąt razy mniejszy od prądu wstecznego diod germanowych podobnej konstrukcji. Pojemność diody jest bardzo ważnym parametrem przy wielkich częstotliwościach

Diody stabilizacyjne

Diody stabilizacyjne pracują w zakresie rewersyjnym charakterystyki napięciowo-prądowej w warunkach odwracalnego przebicia elektrycznego złącza p⁺- n⁺ o mechanizmie Zenera lub/i lawinowym.W takim bardzo cienkim złączu powstają warunki ostrego i wyraźnego przebicia wyrażającego się nagłym i znacznym wzrostem prądu przy stosunkowo niskich napięciach. Diody stabilizacyjne są wykonywane zwykle z krzemu, które są bardziej stabilne i odporne na przebicie cieplne niż diody germanowe.

Wpływ temperatury otoczenia na stabilizowaną wartość napięcia U_Z jest określany temperaturowym współczynnikiem napięcia Zenera. Jest on zależny od napięcia stabilizowanego. Jest ujemny dla diod o U_Z < 5 V, a dodatni dla diod o U_Z < 6 V. Diody stabilizujące napięcia rzędu 5...6 V mają współczynnik ten w przybliżeniu równy zeru. W praktyce - pozwala nam przewidzieć zachowanie diody przy zmianie temperatury (wzrost, czy spadek napięcia stabilizowanego oraz wartość zmiany)

Współczynnik stabilizacji. Wyraża on stosunek względnych zmian prądu płynącego przez diodę do wywołanych przez nie względnych zmian spadku napięcia na diodzie.

Tranzystor jest wzmacniaczem prądu bazy - mały prąd bazy powoduje przepływ dużego prądu kolektora, małe zmiany prądu bazy powodują duże zmiany prądu kolektora.

Składa się on z dwu złącz PN połączonych szeregowo - stąd nazwa tych tranzystorów - bipolarne (dwupolowe). Złącza są umieszczone w obudowie hermetycznej z trzema wyprowadzeniami poszczególnych warstw półprzewodnika. Skrajne warstwy półprzewodnika nazywamy emiterem i kolektorem, a środkową bazą. W zależności od typu półprzewodnika (N czy P) tworzącego bazę rozróżniamy tranzystory typu NPN lub PNP. Sposób polaryzacji w kierunku przewodzenia tych dwóch typów tranzystorów jest odmienny. Tranzystor typu NPN musi być spolaryzowany tak, by kolektor miał duży potencjał dodatni względem emitera (w zależności od wykonania tranzystora do 15 V lub do 150 V), a baza - mały potencjał dodatni względem emitera (kilkaset miliwoltów).

Tranzystor polowy złączowy

Tranzystor polowy złączowy, określany też skrótem FET (field effect transistor) stanowi płytka półprzewodnika, w której zostały wyt­worzone trzy warstwy: warstwa środkowa o określonym typie przewod­nictwa (może być typu p albo typu n) oraz dwie warstwy zewnętrzne o typie prze­wod­nictwa przeciwnym w stosunku do typu przewodnictwa warstwy środkowej.

Warstwa środkowa nazywa się kanałem. Na obu końcach tej wars­twy znajdują się doprowadzenia, dzięki którym można przepuszczać prąd elektryczny przez kanał. Warstwy zewnętrzne (na rys. 3 są to warstwy ty­pu p) także posiadają doprowadzenia elektryczne. Doprowadzenia warstw zewnętrznych są ze sobą połączone. Ich wspólne wyprowadzenie jest nazywane bramką i oznaczane jest literą G

TRANZYSTOR POLOWY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ

Uproszczoną strukturę tranzystora MOSFET z kanałem typu n przedstawiono na rysunku poniżej. Metalowa bramka połączona jest z izolacyjną warstwą tlenku, który z kolei sąsiaduje z materiałem podłoża

Uproszczona struktura tranzystora MOSFET z kanałem typu n

Elektrody źródła S i drenu D doprowadzone są do obszarów typu n w głębi płytki. Żadna kombinacja napięć doprowadzonych do końcówek S i D nie powoduje przepływu prądu między elektrodami, gdyż co najmniej jedno złącze p-n (podłoże-źródło, podłoże-dren) będzie spolaryzowane zaporowo. Transmisja prądu zatem może się odbywać tylko przy udziale bramki G, która oddziałuje polem elektrycznym poprzez warstwę izolatora.

Ze względu na typ przewodnictwa kanału wyróżnia się tranzystory polowe z izolowaną bramką z kanałem typu n i p. Natomiast ze względu na różnice w sposobie uzyskiwania właściwości sterujących kanału wyróżnia się:

- tranzystory normalnie wyłączone (ang. normally off) inaczej z kanałem wzbogacanym,

- tranzystory normalnie włączone (ang. normally on) inaczej z kanałem zubożanym.

Charakterystyki przejściowe dla czterech rodzajów tranzystorów MOS:

Przykładowa charakterystyka wyjściowa tranzystora MOSFET z kanałem typu n

WZMACNIACZ OPERACYJNY

Wzmacniacze operacyjne stanowią największą grupę analogowych układów scalonych. Charakteryzują się następującymi właściwościami

• bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym (powyżej 10000 V/V czyli 80dB),

• wzmacniają prąd stały,

• odwracają fazę sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału podawanego na wejściu odwracające (oznaczenie „ - „) lub zachowują zgodność w fazie jeżeli sygnał wejściowy jest podawany na wejście nieodwracające (oznaczenie „ + „),

• dużą rezystancję wejściową (MΩ),

• małą rezystancję wyjściową (Ω).

Podział wzmacniaczy ze względu na przeznaczenie

• ogólnego przeznaczenia,

• szerokopasmowe,

• stosowane w urządzeniach dokładnych, gdzie wymagana jest duża rezystancja wejściowa, mały współczynnik cieplny i małe szumy,

do zastosowań specjalnych

Parametry wzmacniacza operacyjnego idealnego

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien wykazywać następujące właściwości:

• nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (K → ∞);

• nieskończenie szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości;

• nieskończenie dużą impedancję wejściową (między wejściami oraz między wejściami a masą);

• impedancję wyjściową równą zeru;

• napięcie wyjściowe równe zeru przy sterowaniu sygnałem nieróżnicowym (wspólnym);

• wzmocnienie idealne różnicowe, a więc nieskończenie duże tłumienie sygnału nieróżnicowego;

• niezależność parametrów od temperatury.

Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych.

Stosowane są głównie w:

1. układach analogowych, gdzie wykonują operacje: dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia, całkowania i różniczkowania,

2. wzmacniaczach logarytmicznych,

3. generatorach sygnałów: prostokątnych, trójkątnych i sinusoidalnych,

4. filtrach,

5. detektorach liniowych i detektorach wartości szczytowej,

6. układach próbkujących z pamięcią.

Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych

1. Wzmacniacz odwracający fazę sygnału wejściowego,

2. Wzmacniacz nieodwracający,

3. Wzmacniacz sumujący i odejmujący,

4. Wzmacniacz całkujący,

5. Wzmacniacz różniczkujący,

6. Wtórnik napięciowy,

7. Komparator napięć

Schemat wzmacniacza odwracającego

Jeżeli rezystory te będą miały jednakową rezystancję, to otrzymuje się inwerter (wzmocnienie równe - 1).

Schemat wzmacniacza nieodwracającego.

WTÓRNIK NAPIĘCIOWY

Wtórnik napięciowy uzyskuje się we wzmacniaczu nieodwracającym przy zastosowaniu rezystora o nieskończonej wartości. Wartość rezystancji R powinna być równa wartości rezystancji źródła sygnału wejściowego. Taki układ charakteryzuje się bardzo dużą rezystancją wejściową i małą rezystancją wyjściową.

WZMACNIACZ ODEJMUJĄCY

Wzmacniacz odejmujący jest często zwany również różnicowym.

Realizuje on odejmowanie napięć wejściowych w odpowiednim stosunku zależnym od wartości rezystorów znajdujących się w układzie.

Rezystancja wejściowa dla wejścia odwracającego, przy U₂ = 0 jest równa R₁ + R₃, a dla wejścia nieodwracającego R₂ + R₄. Kompensacje błędu spowodowanego wejściowymi prądami polaryzującymi uzyskuje się w wyniku zastosowania rezystorów spełniających warunek R₁ || R₃ = R₂ || R₄.

WZMACNIACZ SUMUJĄCY

Za pomocą tego wzmacniacza łatwo można zrealizować dodawanie

WZMACNIACZ CAŁKUJĄCY - INTEGRATOR

Integrator otrzymuje się poprzez włączenie kondensatora C w obwód sprzężenia zwrotnego.

Zastosowanie układów całkujących.

Układy całkujące stosujemy przede wszystkim:

• w generatorach, do kształtowania przebiegu liniowego, trójkątnego i piłokształtnego,

• w filtrach,

• w układach wyznaczania wartości średniej.

WZMACNIACZ RÓŻNICZKUJĄCY

Wzmacniacz różniczkujący uzyskuje się przez zastąpienie rezystora, włączonego na wejściu odwracającego wzmacniacza operacyjnego, kondensatorem C

Jest to zależność napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego w funkcji czasu.

Wzmacniacz różniczkujący ma wiele wad m.in. jest wrażliwy na szumy sygnału o wielkiej częstotliwości oraz skłonności do oscylacji.

PRZERZUTNIK SCHMITTA

Wzmacniacze operacyjne mogą być wykorzystywane do budowy układów przerzutnikowych. Przekształcenie wzmacniacza na przerzutnik bistabilny polega na wprowadzeniu pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego

PRZEKSZTAŁTNIKI ENERGOELEKTRONICZNE:

Jednym z najważniejszych przyrządów póprzewodnikowych w dziedzinie elementów przełączających średnich i dużych jest tyrystor

Tyrystory czterowarstowe są przyrządami o działaniu jednokierunkowym, natomiast tyrystory o strukturze pięciowarstwowej (traki) są przyrządami półprzewodnikowymi o działaniu dwukierunkowym (o symetrycznej charakterystyce prądowo-napięciowej).

Tyrystor zwany także sterowaną diodą krzemową, składa się z czterech warstw półprzewodnika PNPN. Trzy końcówki są dołączone do trzech warstw półprzewodnika: anoda A do skrajnej warstwy P1, katoda K do skrajnej warstwy N2 oraz trzecia końcówka zwana bramką G do wewnętrznej warstwy P2.

Taka struktura czterowarstwowa może być uważana za połączenie dwóch tranzystorów NPN i PNP

Napięcie zewnętrzne U_AK, przykładane między anodę i katodę polaryzuje złącza emiter-baza (P1N1) i baza-kolektor (N1P2)tranzystora T1 w przeciwnych kierunkach.
Gdy anoda ma potencjał ujemny względem katody, to złącze P1N1 jest spolaryzowane wstecznie, a złącze N1P2 w kierunku przewodzenia.
W kierunku wstecznym jest spolaryzowane również złącze P2N2. W obwodzie anoda-katoda płynie niewielki prąd wsteczny rzędu mikroamperów. W miarę zwiększania napięcia U_AK, przy pewnej jego wartości następuje przebicie złącza P1N1, a następnie P2N2. Ten stan pracy nazywamy stanem wstecznym lub zaworowym, tyrystor w tym stanie zachowuje się jak dioda spolaryzowana wstecznie.
    Przy polaryzacji anody napięciem dodatnim względem katody są możliwe dwa stany: blokowania lub przewodzenia. Jeżeli napięcie U_GK jest mniejsze niż napięcie progowe złącza baza-emiter tranzystora T2 (P2N2), to złącze to również nie przewodzi. W obwodzie anoda-katoda płynie prąd o wartości zbliżonej do wartości prądu wstecznego. Stan ten nazywa się stanem blokowania.

Charakterystyką główną tyrystora jest zależność prądu anodowego od napięcia anoda-katoda I_A=f(U_AK). Parametrem tej charakterystyki jest natężenie prądu bramki I_G. W zakresie małych prądów kolektora tranzystora współczynniki wzmocnienia prądowego są małe. Napięcie U_BO nazywa się napięciem przełączania, a odpowiadający mu prąd I_BO-prąd przełączania, natomiast prąd I_HS - prąd załączania. Proces przełączania może być zainicjowany np. gwałtownym wzrostem napięcia anoda-katoda, wzrostem temperatury, oświetleniem struktury tyrystora itp. Najczęściej jednak w praktyce jest on wywołany przepływem prądu bramki I_G (wyzwalanie bramkowe). Proces odwrotny-wyłączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu przewodzenia w stan blokowania lub wsteczny, wymaga zmniejszenia prądu anodowego tyrystora do wartości tak zwanego prądu podtrzymania I_H (rys.) albo zmiany polaryzacji napięcia anoda-katoda. W praktyce wykorzystuje się na ogół ten drugi sposób.

Wyzwalanie tyrystora - to spowodowanie przełą­czenia tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia. Czynnikiem powodującym wy­zwolenie najczęściej jest odpowiedni sygnał elektryczny doprowadzony do obwodu sterującego bramki. Przy braku sygnału sterującego może na­stępować niepożądane wyzwolenie, jeśli napięcie anodowe w stanie blokowania:

1. przewyższa napięcie przełączania

2. nie przewyższa napięcie przełączania, ale jest doprowadzone w czasie, gdy temperatura struktury krzemowej jest wyższa od dopuszczal­nej;

3. narasta ze stromością większą od kry­tycznej.

Oprócz tego, czynnikiem powodującym wyzwo­lenie może być promieniowanie padające na strukturę krzemową przez specjalne okno w obudowie (fototyrystor). Sygnał wyzwalający doprowadzony do obwo­du sterującego powinien mieć odpowiedni po­ziom wynikający z charakterystyk bramkowych tyrystora.

Układy wyzwalania tyrystorów, ze względu na relacje cza­sowe między napięciem zasilającym regulator a czasem prze­wodzenia tyrystora, można podzielić na układy wyzwalania fazowego i grupowego

Metody sterowania zaworami przekształtnika prądu stałego na prąd stały.

Przekształtnik jak sama nazwa wskazuje służy do przekształcania, przetwarzania prądu stałego na prąd stały lecz o innej wartości średniej napięcia.
Stałe napięcie wejściowe przekształcane jest na ciąg impulsów prostokątnych
o stałej amplitudzie.

Regulacji napięcia wyjściowego możemy dokonywać w następujące sposoby:

-Przez zmianę częstotliwości przy stałym czasie trwania każdego pojedynczego impulsu

- Przez zmianę czasu trwania impulsów i stałej częstotliwości
(modulacja szerokości impulsu - MSI, lub regulacja współczynnika wypełnienia

- Szerokości impulsów t_z są niezmienne, zaś zmienia się odstęp między nimi,
tj. czas przerw (wyłączenia) t_w

_-- Zmieniana szerokość impulsu t_Z i przerwy t_W

Mogą też być różne kombinacje tych metod, ale w praktyce do regulacji prędkości obrotowej silnika prądu stałego najczęściej korzysta się z metody drugiej,
czyli regulacji impulsowej z bezpośrednim wymuszeniem prądu twornika, za pomocą tzw. regulatora PWM.

Konfiguracja układu regulatora PWM

Układ analogowego modulatora szerokości impulsu składa się z generatora drgań piłokształtnych i komparatora. Częstotliwość przebiegu piłokształtnego, równa częstotliwości łączeń f_S, jest tu wielkością niezależną o wartości w granicach od kilku herców do kilkudziesięciu kHz.

Porównanie wytwarzanego przez generator przebiegu piłokształtnego z sygnałem sterującym doprowadzonym z wyjścia regulatora lub z zadajnika prowadzi do uzyskania na wyjściu komparatora przebiegu o kształcie impulsów prostokątnych i nastawianym współczynniku wypełnienia (stosunku czasu załączenia sterowanego tranzystora do okresu powtarzania).

system mikroprocesorowy

Typowy system mikroprocesorowy, czy to realizowany przy użyciu mikroprocesora, czy mikrokontrolera, zawiera (rys. 3.1) [9]:

- centralną jednostkę procesora (CPU),

- pamięć programu (ROM),

- pamięć danych (RAM)

- porty wejścia/wyjścia (I/O).

Centralna jednostka procesora (CPU)

CPU jest mózgiem każdego systemu mikroprocesorowego, ponieważ koordynuje ono działanie wszystkich pozostałych układów, a ponadto wykonuje wszystkie operacje (obliczenia) arytmetyczne i logiczne. Ponadto, podczas wykonywania instrukcji, CPU adresuje pamięć i układy wejścia/wyjścia, oraz odpowiada na zewnętrzne sygnały sterujące. Wewnątrz CPU znajdują się, odpowiednio ze sobą połączone:

- rejestry,

- jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU),

- układy sterujące (np. dekoder instrukcji),

- układ obsługi przerwań.

Rejestry stanowią rodzaj pamięci do chwilowego przechowywania różnego rodzaju informacji. Niektóre z rejestrów, jak np. licznik rozkazów pełnią specjalne funkcje. Inne, jak np. akumulator, mają bardziej ogólne zastosowanie.

Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU), jak sama nazwa wskazuje, służy do wykonywania obliczeń arytmetycznych i operacji logicznych. Operacje te są zwykle wykonywane na liczbach dwójkowych. Niektóre mikrokontrolery i mikroprocesory umożliwiają wykonywanie operacji także na liczbach dziesiętnych. Jednostka ALU zawiera sumator, który umożliwia dodanie zawartości dwóch rejestrów. Układ ALU zawiera również specjalne bity tzw. wskaźników, które służą do sygnalizowania określonych stanów, powstałych w wyniku wykony­wania operacji arytmetycznych i lo­gi­cznych. Stan tych wskaźników może być testowany programowo, a wykrycie określonego stanu wybranych wskaźników może być wykorzystane do spowodowania skoku w inne miejsce wykonywanego programu.

Układy sterujące, w oparciu o sygnał zegarowy (taktujący), generują odpo­wiednie sygnały sterujące pobieraniem kodu instrukcji z pamięci programu, dekodowaniem kodu operacji, oraz wysyłają do innych wewnętrznych i zewnętrznych układów sygnały niezbędne do wykonania przez CPU kolejnych operacji. Układy sterujące są również odpowiedzialne za obsługę specjalnych sygnałów zewnętrznych - np. przerwań.

Stosowanie przerwań umożliwia maksymalne wykorzystanie możliwości przetwarzania danych, jakie daje mikrokontroler. Dość często system mikroprocesorowy współpracuje z urządzeniami stosunkowo wolnymi - jak np. drukarki, wyświetlacze, pamięci dyskowe. W takich sytuacjach zamiast wytracać czas, oczekując na gotowość urządzenia zewnętrznego do wykonania następnej operacji (np. prze­słania danych), mikrokontroler może wykonywać inne operacje, a do obsługi danego urządzenia przejść w chwili zgłoszenia przez to urządzenie przerwania sygnalizu­jącego gotowość do dalszej wymiany informacji. Przerwania są również przydatne do obsługi nieregularnych zdarzeń i sytuacji awaryjnych sygnalizowanych z zewnątrz - np. przekroczenia dopuszczalnej wartości ciśnienia płynu, sygnalizowanego przez czujnik pomiarowy. Procedura obsługi takiego przerwania powinna być napisana w taki sposób, by jej wykonanie spowodowało odpowiednią reakcję na sygnalizowane zdarzenie - w podanym przykładzie np. wysłanie sygnału powodującego przym­knięcie odpowiedniego zawora.

Mikrokontroler może współpracować z kilkoma urządzeniami zgłaszającymi przerwania. W takim przypadku każdemu z przerwań przypisany jest inny priorytet. Dzięki temu, przy jednoczesnym zgłoszeniu kilku przerwań, w pierwszej kolejności zostanie wykonana procedura obsługi przerwania o najwyższym priorytecie, czyli przerwania uznanego za najważniejsze.

Pamięć

Do działania mikrokontrolera niezbędny jest odpowiedni program. Pamięć programu musi się zatem znaleźć w proje­ktowanym systemie i musi być ona gotowa do odczytu już w chwili załączania zasilania w układzie. Z tego względu pamięć programu wykonywana jest najczęściej jako pamięć nieulotna typu:

ROM - programowana maską w fazie produkcji,

PROM - programowana jednorazowo przez użytkownika,

EPROM, EEPROM - przystosowane do wielokrotnego programowania przez użytkownika.

Do przechowywania wyników wykonywanych operacji i innych danych wykorzysty­wanych przez CPU, konieczne jest zastosowanie pamięci RAM, której zawartość może być zarówno odczytywana, jak i mody­fi­kowana przez CPU.

Porty wejścia/wyjścia

Porty wejścia/wyjścia są dla mikrokontrolera mostami łączącymi mikrokontroler ze światem zewnętrznym. Porty wejściowe umożliwiają odczytywanie informacji z takich źródeł jak przełączniki i czujniki sygnalizujące zdarzenia zewnętrzne. Porty wyjściowe wykorzysty­wane są do przesyłania informacji do urządzeń zewnętrznych, takich jak diody LED, przekaźniki, silniki, czy nawet inne mikro­kontrolery.

. Procesor - CPU

Mikroprocesor jako jednostka centralna (ang. Central Processing Unit - CPU) wraz z zestawem układów dodatkowych tworzą system mikroprocesorowy zwany również mikrokomputerem [2].

Ośmiobitowa jednostka centralna może wykonywać 111 rozkazów (49 jedno-, 45 dwu- i 17 trzybajtowych) umożliwiających łatwą i efektywną realizację wszelkiego rodzaju algorytmów sterowania (również wymagających złożonych obliczeń) [2, 7]. Lista rozkazów zawiera m.in. rozkazy arytmetyczne (w tym mnożenie i dzielenie) i logiczne, rozkazy dotyczące operacji logicznych na bitach (procesor boolowski) oraz rozbudowane grupy rozkazów skoków warunkowych i wejścia-wyjścia. Prawie wszystkie rozkazy wykonują się w czasie jednego lub dwóch cykli maszynowych. Wyjątek stanowi tu mnożenie i dzielenie, wymagające czterech cykli.

Każdy rejestr stanowi komórkę pamięci, w której może być przechowywane jedno słowo maszynowe. W czasie pracy procesora rejestry są używane do chwilowe­go przechowywania danych i wyników wykonywanych operacji. Przetwarzanie da­nych zapisanych w rejestrach wewnętrznych procesora lub komórkach pamięci jest realizowane przez arytmometr ALU. Zespół rejestrów i arytmometrów tworzy tzw. układ operacyjny procesora.

Przepływ danych i wyników między rejestrami, pamięcią i arytmometrami jest sterowany przez układ sterujący, który decyduje o tym, jakie operacje i na jakich danych maję być wykonane. Układ sterujący jest odpowiedzialny za pobieranie kolejnych roz­kazów programu z pamięci, interpretowanie treści pobranych rozkazów i ich wykonanie w układzie operacyjnym. Działanie procesora jest cykliczne i w kolejnych cyklach pracy (cyklach rozkazowych) z komórki pamięci są pobierane kolejne rozkazy programu. Po­brany rozkaz jest przesyłany do układu sterującego, który rozpoznaje typ rozkazu i ustala rodzaj operacji, która ma być wykonana i identyfikuje argumenty operacji. Następnie steruje pobraniem odpowiednich danych i wykonaniem operacji w układzie operacyj­nym. Dane stanowiące argumenty operacji są pobierane z rejestrów procesora lub z ko­mórki pamięci. Pobranie danych z rejestrów (a nie z pamięci) pozwala na szybsze wy­konanie operacji. Liczba rejestrów uniwersalnych procesora jest zwykle ograniczona.

Zarówno rozkazy, jak i dane są zapisywane w identycznej postaci słów zerojedynko­wych. O tym, jak procesor zidentyfikuje słowo pobrane z pamięci decyduje miejsce, do którego słowo to zostanie przesłane wewnątrz procesora. Słowa przesłane do układu sterującego są traktowane jako rozkazy, słowa przesłane do układu operacyjnego są przetwarzane jako dane. Słowem nazywa się wektor informacji cyfrowej, który może mikroprocesor wymienić z pamięcią w wyniku jednej operacji czytania lub zapisu. Dłu­gość słowa (liczba bitów) mikroprocesora jest jednym z jego najważniejszych parame­trów. Determinuje ona w decydującym stopniu jego efektywność (moc obliczeniową). Liczba bitów w słowie mikroprocesora jest równa liczbie linii jego magistrali danych. Z reguły nie jest ona równa liczbie linii jego wewnętrznej magistrali.

W różnych mikroprocesorach stosuje się różną długość słowa; zwykle jednak jest to wielokrotność 8 bitów (8 bitów = 1 bajt).

Układ sterowania wysyła również sygnały sterujące do elementów zewnętrz­nych (pamięci i układów wejścia-wyjścia) określające rodzaj operacji jaką mają one wykonać. Sygnały sterujące są ge­nerowane w rytmie narzuconym przez częstotliwość podstawowego zegara taktujące­go. Mikroprocesor zawiera pewną liczbę rejestrów niedostępnych programowo dla użytkownika i wykorzystywanych tylko przez układ sterowania. Z punktu widzenia użytkownika istotne są tylko te rejestry mikroprocesora, których zawartość może być przez niego odczytana lub zmieniona (za pomocą odpowiednich rozkazów) i które może on wykorzystywać do pamiętania wyników operacji lub sterowania programem.

Pamięć - ROM, RAM

Zadaniem pamięci jest przechowywanie informacji [10]. W elektronice cyfrowej informacją będzie stan napięcia określający stan logiczny. Układy cyfrowe przetwarzają i przechowują (pamiętają) informacje w postaci binarnej (0 - 1). Informacje przetwa­rzane muszą być wcześniej zapamiętane.

Istotnym zagadnieniem dotyczącym pamięci jest możliwość zapisania informacji w określonym miejscu jak i jej pobranie. Wymaga to uporządkowania rozmieszczenia komórek i realizacji tzw. adresowania, czyli wskazywania komórki do zapisu lub odczytu informacji. Pierwszym kryterium podziału pamięci jest sposób wprowadzania i wyprowadzania danych. Może być on szeregowy lub równoległy. Z tym wiążą się różne struktury pamięci: szeregowa i matrycowa. Struktura szeregowa występuje w rejestrze przesuwnym. Zasadniczym blokiem pamięci matrycowej (rys. 3.5a) jest matryca pamięci zawierająca uporządkowane komórki pamięci. Komórki te rozmieszczone są na płaszczyźnie np. układu scalonego i ich położenie można określić za pomocą współrzędnych X i Y (rys. 3.5b). Adres komórki składa się więc z dwóch części. Dane są wprowadzane lub wyprowadzane z pamięci przez układ we/wy.

Pamięć systemu mikroprocesorowego można również podzielić ze względu na moż­liwość wielokrotnego zapisu informacji do pamięci na dwie odrębne części: pamięć zapisywalną i pamięć stałą. Każda z tych części składa się z pamięciowych układów scalonych, połączonych w sposób zależny od ich organizacji wewnętrznej. Na rysunku 3.6 pokazano podział funkcjonalny pamięci półprzewo­dni­kowych.

W zależności od typu, mikrokontroler może być wyposażony w kilka rodzajów wbudowanej pamięci wewnętrznej [3]. Ze względu na technologię wykonania pamięci te dzieli się na sześć podstawowych odmian.

Pamięć RAM (ang. random access memory) może być zarówno odczytywana, jak i zapisywana przez CPU. Zawartość pamięci jest podtrzymywana tak długo, jak długo jest włączone zasilanie układu. Rozróżnia się statyczne i dynami­czne pamięci RAM. Pa­mięci dynamiczne zachowują swoją zawartość tylko wtedy, gdy jest ona cyklicznie od­świeżana (czas rzędu milisekund). Pamięci statyczne nie wymagają odświeżania i zapewniają krótszy czas dostępu. Pamięci dynamiczne są łatwiejsze do scalenia, dlatego pamięci RAM o dużych pojemno­ściach wykonuje się zwykle jako dynamiczne, natomiast mniejsze pamięci realizuje się jako statyczne.

Do pamięci RAM doprowadzany jest adres, sygnały sterujące CE, R/W (zapis W lub odczyt R) oraz dane (rys. 3.7) [10]. Adres, podawany liniami adresowymi

Pamięć ROM (ang. read-only memory) może być tylko odczytywana [3]. Zawartość pamięci jest określona na stałe podczas procesu produkcji. Pamięci tego typu są używane jako wewnętrzna pamięć programu do przechowywania kodu firmowego oprogramowa­nia dostarczanego wraz z mikrokontrolerem (ang. firmware).

Pamięć EPROM (ang. erasable programmable ROM) służy do przechowywania programów i danych użytkownika (rys. 3.9). Zawartość pamięci może być zmieniana przez skaso­wanie poprzedniej zawartości i wpisanie nowej. Operacja ta wymaga zwykle wyjęcia układu z podstawki. Kasowanie przeprowadza się naświetlając pamięć promieniami ul­trafioletowymi, natomiast programowanie odbywa się

w sterowanym przez komputer programatorze, przy użyciu napięcia o wartości równej kilkanaście woltów. Liczba cykli kasowania-programowania jest ograniczona. Podobnie jak pamięć ROM, pamięć EPROM jest nieulotna, to znaczy po wyłączeniu zasilania zachowuje swoją zawartość.

Pamięć jednokrotnie programowalna OTP (ang. one time programmable) ma bu­dowę identyczną jak EPROM, ale proces programowania można wykonać tylko jeden raz. W odróżnieniu od pamięci EPROM, których obudowy są wyposażone w okno z kwarcu umożliwiające kasowanie w ultrafiolecie, pamięci OTP nie mają takiego okien­ka, nie mogą być więc kasowane. Ściślej biorąc, zawartość zaprogramowanej pamięci OTP można modyfikować, ale tylko przez zmianę jedynek na zera. Zaprogramowane wcześniej zera nie mogą być już przeprogramowane na jedynki.

Pamięć EEPROM (ang. electrically erasable PROM) może być przeprogramowana elektrycznie, bez potrzeby kasowania ultrafioletem. Jest pamięcią nieulotną, stosowaną do przechowywania programów i danych. Wadą pamięci tego typu jest długi czas zapisu wynoszący zwykle od kilkuset nanosekund do około 1 milisekundy. Liczba cykli zapisu-kasowania jest ograniczona i wynosi typowo 10 000.

Pamięć błyskowa FLASH łączy w sobie pozytywne cechy pamięci EPROM - szybkie programowanie i EEPROM - elektryczne kasowanie [6]. Zapewnia również zwykle większą liczbę cykli zapisu-kasowania. Jest stosowana jako pamięć wewnętrzna lub zewnętrzna w nowocze­snych mikrokontro­lerach. Ważną zaletą pamięci błyskowej jest możliwość szybkiego kasowania wybranych sektorów pamięci lub całej jej zawartości.

Architektura podsystemu pamięci ma duży wpływ na projektowanie i programowanie systemów cyfrowych z mikrokontrolerami [3]. Ze względu na to, że część pamięci mieści się wewnątrz scalonego układu mikrokontrolera, a część jest dołączana z zewnątrz, budo­wa i działanie tego podsystemu jest na ogół bardziej skomplikowane niż w przypadku konwencjonalnych systemów mikroprocesorowych.

Bloki timerów

- liczników umieszczo­ne wewnątrz struktury procesorów '51 są jednymi z najbardziej użytecznych ukła­dów jakie możemy wykorzystywać [5]. Umożliwiają one dokonywanie wszelkich operacji rozgrywających się w czasie rzeczywistym, budowanie zega­rów, timerów, stoperów oraz innych ukła­dów, których działanie uzależnione jest od upływu czasu. Jednocześnie, obsługa ti­merów sprawia zwykle wiele problemów początkującym programistom.

Układ czasowo-licznikowy (ang. timer-counter) mikrokompu­tera 8051 zawiera dwa 16-bitowe (2x8bitów) liczniki: Timer0 i Timer1 [7].

Mogą one zliczać impulsy zewnętrzne, doprowadzone do wejść, odpowiednio, T0 (P3.4) lub T1 (P3.5), spełniając w ten sposób funkcję licznika (ang. event counter).

Mogą też zliczać wewnętrzne impulsy zegarowe, w celu odmierza­nia opóźnień czy generowania przerwań zegarowych o zadanej częstotli­wości. W tym przypadku spełniają funkcję czasomierza (ang. timer) - (zliczanie cykli maszynowych mikrokon­trolera).

Przy pracy w trybie czasomierza inkrementacja licznika następuje w każdym kolejnym cyklu maszynowym, a zatem maksymalna częstotliwość zliczania jest równa 1/12 częstotliwości zegarowej mikrokontrolera [9].

W przypadku wykorzysty­wania układu w trybie licznika, jego zawartość jest zwiększana w odpowiedzi na opadające zbocze sygnału wejściowego. Detekcja zbocza odbywa się jednak synchronicznie z cyklem pracy mikrokontrolera - przez testowanie stanu odpowiedniej linii wejściowej w każdym kolejnym cyklu maszynowym. Jeśli testowanie wykazuje stan wysoki linii w jednym cyklu maszynowym oraz stan niski linii w następnym cyklu maszynowym, zawartość licznika jest zwięk­szana. Tak więc, aby zagwarantować wykrycie wszystkich impulsów, każdy (zarówno niski jak i wysoki) stan testowanej linii wejściowej musi trwać co najmniej jeden pełny cykl maszynowy. Skutkiem tego maksymalna częstotliwość pracy układu w trybie licznika jest ograniczona do 1/24 częstotliwości zegarowej mikrokontrolera.

Układ wejścia

Jednym z istotniejszych parametrów mikrokontrolerów jednoukładowych, który często decyduje o wyborze układu jest liczba i możliwości wykorzystania linii wejść/wyjść mikrokontrolera [9]. W celu uelastycznienia struktury mikrokontrolera, a tym samym poszerzenia możliwości jego zastosowań, przy jednoczesnym zachowaniu małych rozmiarów układu, znaczna część linii wejść/wyjść mikrokontrolerów może zwykle pełnić różne funkcje. W przypadku mikrokontrolerów rodziny 51 większości linii wejść/wyjść przypisane są dwie lub trzy alternatywne funkcje. Z reguły, oprócz funkcji zwykłego wejścia/wyjścia cyfrowego, linia może być wejściem lub wyjściem sygnałów strobujących, impulsowych, analogowych, adresu, danych itp. Rodzaj funkcji pełnionej przez daną linię prawie zawsze może być ustalany programowo. Linie pełniące zbliżone funkcje zebrane są w grupy określane mianem portów.

Jeśli linia pracuje jako wyjście cyfrowe, zapis jedynki logicznej do przerzutnika powoduje odcięcie tranzystora i pojawienie się na wyprowadzeniu zewnętrznym mikrokontrolera stanu wysokiego, na skutek działania rezystora podciągającego przyłączonego do dodatniego napięcia zasilania mikrokontrolera. Zapis zera do przerzutnika powoduje wejście tranzystora w przewodzenie i wymu­szenie na wyprowadzeniu zewnętrznym mikrokontrolera stanu niskiego. Aby uniknąć zapamiętywania stanu wyjść w pamięci RAM, co mogłoby być nieodzowne, gdyby informacja o stanie wyjść miała być wykorzystywana w przyszłości, układ wyjściowy został wyposażony w bufor trójstanowy umożliwiający odczyt zawartości przerzutnika.

W przypadku, gdy linia ma pracować jako wejście cyfrowe, wpisanie jedynki do przerzutnika powoduje, że jedynym obciążeniem wyprowadzenia mikrokontrolera staje się rezystor podciągający. Rezystancja tego rezystora wynosi kilkadziesiąt (50-100) kiloomów, co dla układów cyfrowych jest obciążeniem minimalnym. Stan wejścia jest odczytywany przy wykorzystaniu drugiego bufora trójstanowego.

Budowa wewnętrzna portów

Porty, oprócz standardowych funkcji wejścia-wyjścia nie realizują żadnych dodatkowych funkcji. W takim układzie sygnał wyj­ściowy rejestru portu steruje bezpośrednio tranzystorem wyjściowym, wymuszając odpowiedni stan na końcówce układu. Schemat standardowych portów wejścia-wyjścia

. Do odczytywania danych z rejestru wyjściowego portu służą rozkazy, których wykonanie powoduje odczytanie, modyfikację i ponowne zapisanie danych do portu.

Elementem wspólnym w strukturze każdego z portów jest przerzutnik typu D, będący elementem rejestru danego portu. Sterowanie portami odbywa się w podo­bny sposób, jak jest w przy­padku pozostałych rejestrów mikro­kontrolera. Rejestry portów należą do grupy rejestrów adresowanych bitowo i bajtowo. Dzięki temu możliwe jest ustawianie każdego bitu rejestru danego portu (lub odczytanie stanu dowolnego bitu rejestru portu) niezależnie, wykorzystując rozkazy operacji na bi­tach.

Dane przesyłane do portu zapisywane są w buforowym rejestrze wyjścio­wym. Stan tego rejestru nie zmienia się aż do ponownego wpisania nowych war­tości.

Odczytywanie danej z portu odbywa się przez bufory, przy czym dana może zostać odczytana albo z rejestru portu, albo bezpośrednio z końcówki portu: zależy to od użytego rozkazu

Rodzaje przetworników

Układy przetwarzające przebieg jednej wielkości sygnału (wejściowego) na drugą wielkość (wyjściową) nazywamy przetwornikami. Najważniejszymi przetwornikami stosowanymi w systemach mikroprocesorowych są:

• komparatory napięć

• przetworniki analogowo-cyfrowe A/C

• przetworniki cyfrowo-analogowe C/A

Komparator napięć

W systemach mikroprocesorowych, zwłaszcza pełniących funkcję sterow­ników przemysłowych, zachodzi często potrzeba zastosowania komparatorów analo­gowych. Wśród układów rodziny 51 są takie, które posiadają komparatory analo­gowe zintegrowane ze strukturą samego mikrokontrolera. Bardzo często kompara­tory wykorzystywane są do monitorowania napięcia zasilającego [9].

Komparatory mogą generować przerwania (powodujące np. wyjście mikro­kontrolera ze stanu uśpienia). W tym celu wyjścia komparatorów muszą być wyko­rzystane do sterowania wejść przechwytujących układu PCA. Jeśli komparator steruje przechwytującym wejściem układu PCA, ale jego wyjście nie jest dołączone do wyprowadzenia mikrokontrolera, to wyprowadzenie to może być wykorzystane jako linia wejść/wyjść cyfrowych ogólnego zastosowania. Jeśli wyjście komparatora jest dołączone do wyprowadzenia mikrokontrolera, to rezystory podciągające na tym wyprowadzeniu są odłączane i stopień końcowy danej linii pracuje wówczas w konfiguracji otwarty dren.

Przetworniki analogowo-cyfrowe

Przetworniki analogowo-cyfrowe stosowane w mikrokontrolerach wykorzystują najczę­ściej dwie spośród wielu znanych metod przetwarzania napięcia na odpowiadającą mu miarę liczbową [3]:

1) metodę sukcesywnej aproksymacji SAR (ang. successive approximation),

2) metodę jednozboczowego ładowania pojemności SS (ang. single-slope A/D).

Częściej stosowana jest metoda SAR, która nie wymaga dołączania do mikrokon­trolera zewnętrznych elementów dyskretnych i jest łatwiejsza przy programowaniu ob­sługi przetwornika. Zaletą metody SAR jest ponadto stosunkowo krótki czas konwersji, równy zwykle od 10 do 16 cykli zegara w przypadku konwerterów 8-bitowych

METODY KONWERSJI ANALOGOWO-CYFROWEJ

Przetwornik SAR składa się z układu próbkująco-pamiętającego (ang. sample-and-hold), komparatora, rejestru aproksymacyjnego i układu sterowania realizującego algo­rytm SAR (rys. 3.23). W rzeczywistych układach stosuje się zazwyczaj kilka (bądź nawet kilkanaście) kanałów przetwarzania A/C, multiplekser kanałów, źródło napięcia odniesienia i niekiedy oddzielny układ zasilania części analogowej w celu wyeliminowa­nia zakłóceń.

Cykl konwersji w układzie SAR zaczyna się od pobrania próbki mierzonego napię­cia wejściowego i zapamiętania jej w pojemności C. Rejestr aproksymacyjny jest zazwy­czaj inicjowany w taki sposób, że ma ustawiony najbardziej znaczący bit, a pozostałe bity wyzerowane. Zawartość rejestru reprezentuje zatem napięcie równe połowie maksymal­nego napięcia (zakresu pomiarowego).

Przetworniki cyfrowo-analogowe typu PWM

Niektóre z mikrokontrolerów wyposażone są w jedno lub dwa wyjścia typu PWM o progra­mowanej częstotliwości powtarzania i wypełnienia generowanych przebiegów (szerokości wytwarzanych impulsów).

Realizacja przetwornika cyfrowo-analogowego w oparciu o wyjście typu PWM polega na przepuszczeniu generowanego przebiegu przez filtr dolnoprzepustowy RC o stałej czasowej dużo mniejszej od okresu powtarzania impulsów (rys. 3.26). W ten sposób na wyjściu filtru uzyskuje się napięcie proporcjonalne do wypełnienia wytwarzanego przebiegu

Zegar systemowy - cykl rozkazowy

Wszystkie mikrokontrolery rodziny 51 posiadają wbudowany generator sygnału zegarowego, który może być wykorzystany jako źródło sygnału taktującego mikrokontroler. W tym celu do wyprowadzeń XTAL1 i XTAL2 mikrokontrolera wystarczy podłączyć rezonator kwarcowy lub ceramiczny oraz dwa kondensatory (rys. 3.27). Wartość pojemności kondensatorów jest niekrytyczna - zwykle stosuje się wartości rzędu 20-40 pF. Omawiany układ generatora sygnału zegarowego powoduje wzbudzenie rezonatora na jego podstawowej częstotliwości rezonansu

Inicjowanie systemu - RESET

Wszystkie mikrokontrolery rodziny 51 posiadają specjalne wyprowadzenie służące do zerowania mikrokontrolera. Zerowanie polega na wykonaniu przez mikro­kontroler szeregu operacji, wskutek których znaczna część wewnętrznych rejestrów przybiera standardowe wartości. Dzięki temu początkowe warunki pracy mikro­kontrolera po jego wyzerowaniu są zawsze jednakowe.

Operacja zerowania trwa dwa cykle maszynowe i jest wykonywana w odpo­wiedzi na aktywny sygnał zerowania na wyprowadzeniu RESET (oznaczanym też czasami symbolem RST).

Po włączeniu zasilania zawartość zarówno wewnętrznej pamięci RAM, jak i rejestrów mikrokontrolera jest nieokreślona [9]. Z tego względu zerowanie mikro­kontrolera po włączeniu napięcia zasilania jest warunkiem koniecznym prawidłowej pracy mikrokontrolera. W przypadku mikrokontrolerów rodziny 51 realizacja automatycznego zerowania mikrokontrolera w wyniku załączenia napięcia zasilania jest niezwykle prosta i polega na podłączeniu kondensatora na wyprowadzenie RESET

---