Разработка автоматической системы измерения параметровтестовых элементов.

   Министерство образования и науки Российской Федерации
   Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
    высшего образования
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
   Кафедра физической электроники (ФЭ)
К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ 
Заведующий кафедрой ФЭ
доцент кафедры ФЭ к.т.н.
			Ю.В. Сахаров
«	»			2018г.

   Разработка автоматической системы измерения параметровтестовых элементов имс
Бакалаврская работа по направлению 280301
«Нанотехнологии и микросистемная техника»


                                                  Студент гр.324
                                                  ___________Д.Д.Фролов
                                                  «__»__________2018 г.
                                                  
                                                  Руководитель
                                                  Инженер - конструктор 
                                                  1-й категории
                                                  ___________ М.М. Едгулов
                                                  «__»__________2018 г.
                                                  
                                                  
Томск 2018
Реферат
Дипломная работа, 47 с., 25 рис., 12 табл., 11 источников, 1 прилож. 
МИКРОКОНТРОЛЛЕРНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ, ТЕСТОВАЯ СХЕМА, ТЕСТОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ИЗМЕРЕНИЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ.
Объектом исследования являются микроконтроллерная система измерения параметров тестовых элементов интегральных схем.
Цель работы – разработка автоматическую систему измерения и контроля параметров тестовых элементов микросхем.
В процессе работы проводился выбор элементной базы системы, разработка принципиальной схемы, расчет временных характеристик измерения и погрешности измерения.
Аbstract
Graduate work, 47 page, 25 drawing, 12 tables, 11 a source, 1 attachment.
MICROCONTROLLER SYSTEM OF MEASUREMENT, TEST SCHEME, TEST ELEMENTS, MEASUREMENT, ELECTRICAL PARAMETERS.
The object of the study is a microcontroller system for measuring the parameters of test elements of integrated circuits.
The purpose of the work is the development of an automatic system for measuring and controlling the parameters of test elements of microcircuits.
In the process of work, the choice of the elemental base of the system, the development of a schematic diagram, the calculation of the temporal characteristics of the measurement and the measurement error were made


Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра физической электроники (ФЭ)


ЗАДАНИЕ
на выпускную квалификационную работу
СтудентуФролову Даниле Дмитриевичу						
Группа  324 факультет электронной техники						
1. Тема индивидуального задания: «Разработка микроконтроллерной системы измерения параметров тестовых элементов ИМС»
2. Перечень вопросов подлежащих разработке:
Разработка системы автоматизации измерения и коммутации внешних соединений тестовых элементов ИМС, расчет точности измерения, выбор дисплей для вывода информации, расчет быстродействия системы иобеспечение универсальности (возможность измерения большого числа соединений тестовых элементов без изменения принципиальной электрической схемы и присвоение функции измерения параметров при смене полярности)

Руководитель инженер-конструктор 1-й категории «» 	М.М. Едгулов

Задание принял к исполнению: 		 «	» 		2017г.



Томск 2018
Оглавление
Реферат	2
Аbstract	2
Введение	6
1	Методы контроля параметров изготавливаемых изделий микроэлектроники	7
1.1	Использование тестовых структур при оценке параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем	8
1.2	Примеры структур тестовых схем	9
1.3	Назначение разрабатываемой системы	12
2	Анализ методов и средств измерений RLC	13
2.1	Основные параметры элементов RLC	13
3	Метод преобразования сопротивления в напряжение	17
4	Разработка схемы измерителя	21
4.1	Структурно функциональная схема измерителя	21
4.2	Логическиедешифраторы	25
4.3	Методы наращивания дешифраторов	26
4.4	Выбор микроконтроллера	28
4.5	Выбор тактового генератора	31
4.6	Выбор дешифратора	32
4.7	Выбор коммутирующего реле	33
4.8	Примеры подключения нагрузки к микроконтроллеру	35
4.9	Выбор транзистора	37
4.10	Выбор жидкокристаллического дисплея	38
5	Расчет количества электронных компонентов и задействованных входов/выходов МК PIC16F877	40
6	Расчет времени коммутации внешних соединений	42
7	Погрешность измерения	43
8	Разработка блок-схемы алгоритма программного кода.	44
Заключение	45
Список использованных источников	46
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Принципиальная электрическая схема измерителя параметров тестовых элементов ИМС	47


Введение
На производстве, при изготовлении интегральных схем решающим является процесс контроля параметров и качества изготавливаемых изделий. Высокий уровень контроля изготавливаемых интегральных схем обеспечивает приемлемый процент годных продуктов производства. Контроль изготовления микросхем зависит в основном от качественного уровня реализации процесса производства, заключающегося в измерении параметров изделий и визуальной проверки основных операций производства. В качестве методов исследования контроля параметров используют визуальный контроль, операционный контроль и исследование тестовых элементов микросхем. Одним из основных методов является последний. Чаще всего тестовые схемы представляют собой совокупность тестовых элементов на подложке с большим количеством выводов. Наличие десятков, а то и сотен элементов, ставит вопрос о качестве и скорости измерения параметров тестовых схем. Для решения этой проблемы используют приборы способные измерять большое количество элементов в автоматическом режиме.
В данной работе поставлена задача по конструированию прибора для измерения параметров тестовых элементов ИМС в автоматическом режиме, при помощи элементов микроэлектронной техники, в частности рассмотрены наиболеепопулярные комбинационные ИМС средней степениинтеграции,такие как дешифраторы, используемые для реализации измерения со сменой полярности.
В основе работы прибора лежит использование микроконтроллера, необходимого для последовательного измеренияпараметров тестовых элементов ИМСи коммутации многихконтактов элементов цепей. Так же проведена работа по составлению блок-схемы алгоритма программного кода, необходимого для последовательного обращения к коммутационному узлу через микроконтроллер. Составлена эквивалентная электрическая схема микроконтроллерной системы из наиболее подходящих электронных компонентов.


Методы контроля параметров изготавливаемых изделий микроэлектроники
На производстве, при изготовлении интегральных схем решающим является процесс контроля параметров и качества изготавливаемых изделий. Высокий уровень контроля изготавливаемых интегральных схем обеспечивает приемлемый процент годных продуктов производства. Контроль изготовления микросхем зависит в основном от качественного уровня реализации процесса производства, заключающийся в измерении параметров изделий и визуальной проверки основных операций производства. На данный момент при контроле производства ИМС используют несколько методов технологического контроля, таких как:
-Операционный контроль 
- Визуальный контроль 
- Использование тестовых элементов.
Операционный контроль производится после технологических операций эпитаксии, диффузии, имплантации и подобных. Метод контроля схож при производстве дискретных приборов. В измеряемые параметры входит: толщина пленки, глубина залегания примеси и образования p-nперехода, поверхностная концентрация примеси и другие параметры, производимые на специализированных контрольных образцах, помещаемых с обрабатываемыми пластинами на одну операцию.
      Визуальный контроль играет одну из основных ролейпри производстве ИМС. Он включает в себя анализ схем под оптическим микроскопом и использованием различных средств визуализации – наблюдениятермографии и др.
      И наконец, один из преобладающих методов контроля ИМС на различных технологических этапах – это применение тестовых структур. Рассмотрим более подробно данный метод.
Использование тестовых структур при оценке параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем
Контроль технологического процесса при изготовлении изделий микроэлектроники широко использует тестовые схемы, состоящие из тестовых структур.
Тестовая схема (ТС) является совокупностью тестовых структур, наличие которых обеспечивает получение параметров погрешностей формирования геометрических размеров, физических характеристик, характеристик дефектности с заданной точностью при определенной погрешности измерения, а набор элементов с точностью отражает структуру реального изделия, изготавливаемого по общему технологическому процессу[4].
Статистические методы операционного контроля процесса изготовления элемента обеспечивают получение таких технологических параметров, как точность и стабильность характеристик, необходимых для оценки статистически значимой информацииИсходя из этого методы, обеспечивающие получение необходимой информации, должны соответствовать высокому уровню производительности измерения и обработки результатов. Подобным требованиям вполне отвечает метод статистического анализа технологического процесса, в основе которого лежитприменение тестовых схем. Тестовые схемы состоят из комплекса элементов, расположенных вне состава рабочих изделий и предназначенных для получения информации об их параметрах, необходимых для обеспечения расчета характеристик качества производственного процесса и критериев годности рабочих элементов, расположенных на той же подложке. Таким образом, специализированная конструкция и определенный набор элементов, составляющих тестовую схему, позволяет использовать ее в качестве средства получения необходимой информации [4]. Широкое применение тестовые схемы (ТС) получили, как источники информации о качестве изготовления изделий микроэлектроники обусловленного групповой обработкой изделий на большинстве операций технологического процесса. Как следствиеимеет местовысоко коррелированная погрешность геометрических размеров на элементах тестовых схем и элементах реальных схем, изготовляемых в одном технологическом цикле (в партии на подложке или в групповой партии). Высокая коррелированность погрешностей формирования геометрических размеров и дефектности при одновременном изготовлении тестовых схем и реальных изделий позволила использовать тестовые схемы для получения информации о свойствах технологического процесса и одновременно о качестве изготавливаемых изделий. Вследствие того что тестовая схема изготавливаетсяс целью получения информации и имеет унифицированную для данного конструкторско-технологического варианта конструкцию, то процесс измерения и обработки параметров производят с применением автоматизированных систем.
Измерение параметров подвергается определенным требованиям, предъявляемых к измерителю, во-первых измерение электрических параметров тестовых элементов проводятся в автоматическом режиме, а так же в составе измерителя необходимо наличие ЭВМ (электронно-вычислительная машина), которая управляет процессом измерения и проводит обработку результатов измерения по заданной программе [4].
Примеры структур тестовых схем
К конструкции ТС предъявляют ряд требований, основными из которых являются:
- Одинаковая степень интеграции и плотность упаковки тестовой схемы и изготовляемого изделия.
- Технологические процессы изготовления тестовых схем и основного изделия проходят идентично.
- Возможность реализации процессов контроля физических и технологических паромеров в ручном и автоматическом режиме.
Конструкция тестовой схемы представляет собой набор тестовых элементов определенного количества и номинала, необходимого для получения достаточного количества информации о параметрах исследуемых структур (в основномэлектрофизическим методами). Данную информацию используют для качественного изготовления ИМС.
В пример приведена крестообразная тестовая схема (рис.1.1), применяемая для контроля качества и правильности процесса формирования легированных слоев. Как видно на рисунке обозначен рисунок легированного слоя, параметры которого тестируются через металлизированные токовые (I_1;I_2) и потенциальные(U_1;U_2) контактные площадки, соединенные с легированным слоем через окна в диэлектрическом оксидном слое кремния

Рисунок 1.1 Крестообразная тестовая структура 
О качестве легированного слоя судят по уровню поверхностного сопротивления, определяемого из выражения
Качество легированного слоя проверяется через значение поверхностного сопротивления структуры по формуле 1.1
R_p=(??U)/(ln2?I)					(1.1)
, где I- ток, протекающий через токовые контакты; U- падение напряжения, измеряемое с помощью потенциальных контактов. 
Крестообразные структуры обладают определенными преимуществами такими как: нечувствительность результатов измерения к изменению параметров фотошаблона и искажению геометрии структуры при фотолитографии 
Так же можно привести пример ТС представленный на рис. 1.2. Данная структура называется трехдорожечная, которая применяется для оценки качества межэлементных соединений. Она выполнена исходя из минимизации ширины дорожеки разной их длины.

Рисунок 1.2 Трехдорожечная структура тестовой схемы
На данном рисунке 1 – токоведущая дорожка, 2 – контактная площадка. Для оценки качества и надежности пересечений элементов коммутации служит тестовая схема (рис. 1.3), содержащая около 3000 пересечений. Обозначения в схеме аналогичны обозначениям рис. 1.2.

Рисунок 1.3 Тестовая структура для оценки надежности и качества пересечений элементов коммутации
Назначение разрабатываемой системы
По техническому заданию необходимо разработать автоматическую систему измерения параметров тестовых элементов интегральных микросхем.
В настоящий момент производство микросхем имеет большое распространение, поэтому появляется необходимость контроля качества изобретаемых изделий. Так как изделия имеют различный уровень качества при производстве, из-за внутренней структуры используемых материалов, обладающих своими дефектами. Поэтому появляется необходимость проводить исследования контроля большого количества элементов микросхем на подложке. Исследовать элементы в ручном режиме затрачивает большое количество времени, которое напрямую зависит на производительность всего предприятия. Для решения этой проблемы используют системы автоматического анализа элементов микросхем.
В данной работе поставлена задача, разработать систему измерения и коммутации внешних соединений микросхемы, состоящей из тестовых элементов. Так же необходимо присвоить возможность проведения измерения с различной полярностью. Таким образом, появляется возможность проверять на работоспособность интегральные микросхемы с определенным уровнем универсальности функционала тестирования. Одними из основных параметров измеряемых системой будут RLC параметры, которые будут использованы для математического расчета необходимых параметров контроля качества.
Анализ методов и средств измеренийRLC
В разделе рассмотрены основные методы измерений и понятия, связанные c ними. В данной работе прибор должен иметь возможность измерять параметры тестовых структур резисторов, конденсаторов, диодов и индуктивностей. Для этого разберем RLC параметры элементов.
Основные параметры элементов RLC
Электрические схемы включают в себя компоненты ссосредоточенными постоянными – катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы (RLC-элементы). Катушки индуктивности, резисторы и конденсаторы являются двухполюсниками. Если у элемента более двух выводов, к примеру, три, четыре и более, то их описывают схемами замещения, состоящие из двухполюсников, то есть элементов с двумя выводами. При работе с гармоническими сигналами свойства двухполюсных элементов обычно описывают с помощью полного комплексного сопротивления Z, которое имеет размерность в Ом. Измерители комплексного сопротивления еще называют «измерители импеданса» [1]. Комплексное сопротивление равно (2.1) отношению комплексных амплитуд напряжения и тока на элементе. Z разделяется на активное сопротивление R и реактивное сопротивление X.
Z=U/I=R+jX					(2.1)
В полярных координатах полное сопротивление обычно выражают через модуль и фазовый угол (2.2):
Z=|Z|?e^j?					(2.2)
         
,где модуль |Z| равен (2.3):
Z=?(R^2+X^2 )					(2.3)
угол? равен (2.4):
?=arctg(X/R)					(2.4)
Активное сопротивление R будет равно (2.5):
R=|Z|?cos?(?)					 (2.5)
,а реактивное сопротивление X (2.6):
X=|Z|?sin?(?)					 (2.6)
В ряде случаев, вместо вычисления импеданса, будет удобнее вычислять полную комплексную проводимость Y, которая так же еще называется адмиттансом [1]. Адмиттанс имеет размерность – Сименс (См) и является величиной, обратной полному сопротивлению (2.7):
Y=G+jB=I/U=Z^(-1)				(2.7)
Для терминов «импеданс» и «адмиттанс» в измерительной практике часто используют термин «иммитанс»
Элемент измеряемой электрической цепи представляют в виде последовательной или параллельной схем замещения, изображенных на рисунке 2.1.
                            
Рисунок 2.1 – Последовательная и параллельная схемы замещения
«При последовательной схеме элемент характеризуют активным R и реактивным X сопротивлениями, а при параллельной схеме – активной G и реактивной B проводимостями».Выбор схемы замещения зависит от способа представления данных и метода измерения.
Рассмотрим последовательную RL-цепь, изображенную на рисунке 2.2.

                           Рисунок 2.2 – Последовательная RL цепь
Поскольку элементы соединены последовательно [1], комплексное сопротивление Z будет равно (2.8):
Z=R+jX_L					(2.8)
где реактивное сопротивление индуктивности XL равно (2.9):
X_L=?L						(2.9)
где L – индуктивность катушки, а ? – круговая частота (рад/сек), равная (2.10):
?=2?f						(2.10)
, где f – частота сигнала (Гц). 
Полное сопротивление RL цепи по формуле (2.3) равно модулю комплексного сопротивления Z (2.11):
Z=?(R^2+?^2 L^2 )				(2.11)
, а аргумент ? будет равен (2.12):
?=arctg(?L/R)					(2.12)
Рассмотрим последовательную RC цепь, изображенную на рисунке 2.3.

                          Рисунок 2.3 – Последовательная RC цепь
Поскольку элементы соединены последовательно, комплексное сопротивление Z будет равно (2.13):
Z=R-jX_c					(2.13)
где реактивное сопротивление индуктивности XС равно (2.14):
X_c=1/?C						(2.14)
, где С – емкость конденсатора (Ф), а ? – круговая частота (рад/сек), равная (2.15):
?=2?f						 (2.15)
, где f – частота сигнала (Гц). 
Полное сопротивление RС цепи по формуле (2.3) равно модулю комплексного сопротивления Z (2.16):
|Z|=?(R^2+1/(?^2 C^2 ))					(2.16)
а аргумент ? будет равен (2.17):
?=arctg(-1/?CR)=-arctg(1/?CR)			(2.17)
Формулы (2.9) и (2.14) определяют значение реактивных сопротивлений для идеальных емкостей и индуктивностей. Реально каждая ёмкость имеет свое внутреннее конечное сопротивление между пластинами, которое приводит к внутренним утечкам тока. Это сопротивление зависит от частоты. Очевидно, что чем меньше это сопротивление, тем лучше ёмкость. Аналогично и для индуктивности, любая индуктивность имеет активное сопротивление витков, магнитный поток рассеивания и другие параметры, влияющие на отклонение идеальной индуктивности от реальной. Для оценки степени внутренних потерь в емкостях и индуктивностях вводят параметр тангенс угла потерь. Для последовательной схемы замещения тангенс угла потерь определяется следующим образом (2.18):
Q_C=1/tg?=(|X_S |)/R_S =1/(2?fCR_s )				(2.18)
, где QC – тангенс угла потерь в конденсаторе, а тангенс угла потерь в катушке индуктивности QL равен (2.19):
Q_L=1/tg?=(|X_S |)/R_S =2?fCL/R_s 				(2.19)
Для параллельной схемы замещения формула вычисления тангенса угла потерь конденсатора будет иметь вид (2.20):
Q_C=1/tg?=(|R_P |)/(|X_P |)=2?fCR_P				(2.20)
, а для параллельной схемы замещения формула вычисления тангенса угла потерь, катушки индуктивности будет иметь следующий вид (2.21):
Q_L=1/tg?=(|R_P |)/(|X_P |)=(|R_P |)/2?fL					(2.21)
Еще одним параметром, определяющим потери в реактивных элементах, является добротность D. Добротность является величиной обратной тангенсу угла потерь (2.22):
D=1/Q						(2.22)
Обычно в измерительной практике принято считать, что потери в емкости оценивают по тангенсу угла потерь, а в индуктивности по величине добротности, хотя, на самом деле, эти величины являются обратными друг другу и для емкости возможно понятие добротность, так же как и для индуктивности возможно понятие тангенса угла потерь.
Метод преобразования сопротивления в напряжение
Логометрический способ аналогово-цифрового преобразования сопротивления
Рассмотрены возможности логометрического метода измерения сопротивления, широко распространенного в системах контроля сопротивления. Включение в токовую цепь дополнительногоэталонного резистора позволяет измерять приращение сопротивлениядатчиков, что позволяет более эффективно использовать разрешающуюспособность аналого-цифрового преобразователя. Включение в единуютоковую цепь нескольких датчиков упрощает коммутацию измерительнойсистемы и облегчает учет влияния сопротивления соединительных проводов. Показано, чтоуказанный принцип распространяется и для измеренияпараметров емкостных и индуктивных датчиков.
Кпараметрическим относят датчики,которые изменяют свои параметры(сопротивление, емкость, индуктивность и т. д.)в соответствии с изменениемсвойств контролируемых объектов. К такимдатчикам относят, например, резистивныедатчики температуры, давления, перемещения, емкостные датчики ускорения и др. Аналого-цифровое преобразование сигналов с резистивных датчиков осуществляетсясхемой, которая фактически стала стандартной (рис. 3 а). Последовательное включение датчика и эталонного резистора, с которого снимается опорное напряжение АЦПU_ref, обеспечивает логометрический способпреобразования, при котором результат преобразования N пропорционален частномуот деления U_in, /U_ref, (3.1):
N=k?U_in/U_ref =k?I?R^Д/((I?R_ref ) )=k?R^Д/R_ref 			(3.1)
, где k = k_ус/(2^n–1);n — эффективная разрешающая способность АЦП; k_ус— коэффициент усиления встроенного или внешнегоусилителя.

Рисунок 3.1 Логометрические схемы измерения сопротивления резистивного датчика: а) с источником тока; б) с источником напряжения
Выражение 3.1 показывает, что метод позволяет устранить влияние нестабильноститока I на точность преобразования.
Логометрический метод позволяет такжеустранить нелинейность преобразования,присущую схемам с включением резистивного датчика в плечо делителя напряжения,если напряжение со второго плеча использовать для формирования U_ref(рис. 3.1б).Отсутствие источника тока при этом можетв ряде случаев упростить схему. В принципеее можно рассматривать как частный случайсхемы с источником тока I =U_cc/(R_д+R_ref) и,соответственно, будет справедливо выражение (3.1), подтверждающее линейную зависимость результата преобразования безвлияния нестабильности источника питания. Естественно, что напряжение Urefв этомслучае зависит от сопротивления датчика:U_ref= U_cc?R_ref/(R_д+R_ref).Для обеспечения гарантированной разработчиком эффективной разрешающей способности АЦП необходимо, чтобы во всем диапазоне измененияRД напряжение U_refне выходило за допустимые пределы.
Следует также учитывать влияние синфазной составляющей, присутствующей на входах АЦП. Эту составляющую можно устранить, если выбранный тип АЦП позволяетпоменять местами резисторы R_ди R_ref.В подавляющем большинстве случаев информацию о контролируемом параметредает не абсолютное значение сопротивлениядатчика, а его приращение. При этом из-за неполного использования диапазона преобразования АЦП снижается его эффективнаяразрешающая способность в пределах информационного участка. Используемый в этомслучае мост Уитстона можно также включитьв логометрическую схему преобразования(рис. 3.2) и устранить тем самым влияние нестабильности тока возбуждения моста.

Рисунок 3.2Логометрическая схема измерения приращения сопротивления резистивного датчика с мостом Уитстона,включенного в токовую цепь
Включение измерительного моста в токовую цепь в два раза увеличивает его чувствительность и во столько же раз уменьшаетпогрешность нелинейности по сравнениюс возбуждением от источника э. д. с.
Напряжение U_abна измерительной диагонали моста определяется выражением (3.2):
U_ad=I?R/4?[?R/((R+?R/4))]					(3.2)
Относительная погрешность нелинейности рассматриваемой мостовой схемы (3.3):
?_(U_ab )=?R/4R=?_R/4						 (3.3)
, где ?R— относительное изменение сопротивления датчика.
Для тензометрических датчиков изменение сопротивления тензодатчика (?R) происходит в пределах единиц процента, чтопозволяет с достаточно высокой точностьюиспользовать линейную зависимость (3.4):
U_ad=I??R/4					(3.4)
Для термодатчиков величина ?Rможет лежать в пределах от десятков до сотен процентов и, соответственно, погрешность нелинейности достигать десятков процентов.
Поскольку результат аналого-цифровогопреобразования в дальнейшем подвергаетсяобработке процессорным ядром, линеаризацию можно произвести программнымисредствами. В то же время известны различные методы аппаратной линеаризациивыражения (3.2). Схема с автобалансировкоймоста (рис 3.3) [4] обеспечивает линейное преобразование (3.5):
U_out=U_B??R/2R=U_B??_R/2				(3.5)
Схема не предусматривает возможностииспользования логометрического преобразования, следовательно, предъявляет жесткиетребования к стабильности источника напряжения возбуждения.

Рисунок 3.3Схема измерения относительного приращениясопротивления датчика с автобалансировкой моста
В эквивалентной эклектической схеме предпочтительней использовать схему 3.1-б с источником напряжения.
Разработка схемы измерителя
В этом разделе рассмотрены вопросы проектирования принципиальной электрической схемы, и выбор элементной базы.
Структурно функциональная схема измерителя
Принципиальная электрическая схема измерителя должна быть сформирована, исходя из представленной на рисунке 4.1 структурно функциональной схемы. В данной схеме представлены структурно функциональные блоки, которые будут описаны с точки зрения выбора элементной базы.

Рисунок 4.1 Структурно функциональная схема разрабатываемой системы измерения
Одним из основных функциональных блоков в схеме является коммутационный узел, который реализует подачу управляющего сигнала с микроконтроллера на замыкающие реле. Так как необходима универсальность в количестве измеряемых параметров цепей, то зададимся пределом, измеряемых электрических элементов, равным пятидесяти.
Исходя из заданного предела, можно судить о том, что подача управляющего сигнала напрямую через микроконтроллер будет затруднительна и потребует множество портов ввода/вывода. Для решения этой проблемы можно применить комбинационныеИМСсреднейстепениинтеграции, призванные для реализации подачи управляющего сигнала с использованием минимума портов ввода/вывода микроконтроллера (МК).
Внастоящейработеприменены наиболее популярныекомбинационныеИМСсреднейстепениинтеграции, такие как дешифраторы и микроконтроллеры. Особое вниманиеуделеновопросамихфункционирования,каскадирования иприменения,атакжеметодампроектированиясхем,позволяющих реализоватьфункциилогическихпеременных.
Такие схемы, включающие в себя от 101 до 1000 элементов, стали называть средними интегральными схемами (СИС).СИС, имея высокую степень интеграции, позволяет получить малые габариты, уменьшить количество кристаллов при малой потребляемой мощности.
Припроектированиицифровыхсистемсиспользованием СИСразработчиквсостояниинетолькореализоватьпоставленную переднимзадачу,ноидостигнутьсокращениячислакомпонентови площадипечатныхплат,приэкономиипотребляемоймощности, временипроектированияидоводкиконструкциипосравнениюс традиционнымиметодамипроектированиянамалыхинтегральных схемах
ВнастоящеевремяиспользованиеСИСоцениваютнетолько поотношениюкМИС,ноипоотношениюксхемам,построеннымна микро программируемыхнаборахлогическихмикросхем.
В данный момент СИСприменяютв следующихслучаях:
-когдапривлекаетпреимуществоСИС,заключающеесяв благоприятном сочетании в широком диапазоне частотно-мощностныххарактеристик;
- при разработках, когда невыгодно использовать микропроцессоры;
-вмикропроцессорныхсистемах,гдеСИСобеспечивает дешифрациюадреса,состояния,выборадатчиковспомощью мультиплексоров, мультиплексирование адреса данных, преобразованиекодови другиеподобныефункции.
СИСпредставляютсобойфункциональныеузлы,каждыйиз которыхимеетсвоеусловноеграфическоеобозначение(УГО), согласованноесвходнымиивыходнымихарактеристиками.УГО СИСсогласноГОСТуимеетформупрямоугольника(рис.4.2),который может содержать основное и два дополнительных поля, расположенных слеваисправаотосновного.Допускается дополнительныеполяразделятьгоризонтальнымилиниямина зоны.

Рисунок 4.2Условно-графическое обозначение СИС: 1 – обозначение функции схемы; 2 – метки; 3 - линии входов и выходов; 4 – основное поле; 5 – дополнительное поле
Из всех СИС используемых в микроэлектронике, нам пригодится элементпроизводящий дешифрацию входного кода для поочерёдной подачи сигнала на коммутирующее реле. 
Дешифрация - это процесс преобразования какого-либо параллельного двоичного кода в другой цифровой код. Фундаментальным узлом, реализующим этот процесс, является дешифратор. В зависимости от вида выходного кода все дешифраторы можно разделить на логические и дисплейные. Логические дешифраторы представляют собой комбинационные СИС, управляемые входным двоичным кодом, согласно которому выбирается и приводится в активное состояние конкретный выход. Дисплейные дешифраторы формируют цифровые коды, удобные для приведения в действие цифровых дисплеев.
В данной работе более целесообразными являются логические дешифраторы, так как с их помощью можно с определенной последовательностью подавать сигнал с микроконтроллера на замыкающее реле.
Логическиедешифраторы
Современныелогическиедешифраторы(рис.4.3)имеют адресныевходыА0,А1,А2,разрешающиевходыE0	иE1	и информационныевыходы0…7.
Логическиедешифраторыпреобразуютвходнойдвоичный код,поданный на адресные входы, в напряжение лог.“0” (рис.3.1,а)илилог.“1”(рис.3.1,б)наодномизинформационных выходов.

Рисунок 4.3 Условно графическое обозначение (УГО) дешифратора с уровнями активного сигнала на выходе.лог. 0(а) и лог. 1(б)
Десятичный номер активизированного выхода при этом соответствует двоичному эквиваленту входного кода (табл. 4.1, рис. 4.3,а). На остальных выходах дешифратора при этом устанавливается уровень лог. “1” (рис. 4.3,а) или уровень лог. “0” (рис. 4.3,б). Таким образом, входной двоичный код адресует соответствующий выход, поэтому эти входы дешифратора и называют адресными. Большинство дешифраторов имеют один или несколько входов стробирования (разрешения): E0и E1. При разрешающей комбинации (E0 =1,E1 = 0для рис. 1.1) функционирование дешифратора разрешено. При прочих комбинациях Е0 и Е1 независимо от состояния адресных входов на всех выходах дешифратора формируются сигналы лог. “1” (рис. 4.3,а) или лог. “0” (рис. 4.3,б).
У дешифраторов,неимеющихвходовстробирования,в любоймоментвремениодинизинформационныхвыходов активизирован.Наличиеодногоиболеевходовстробирования существенно расширяет возможности использования дешифраторов.
Таблица 4.1.Таблица истинности логического дешифратора.
Входы
Выходы
Разрешения
Адресные
Информационные
 E1
E0

A1
A0
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
Прочие комбинации
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
1
Методы наращивания дешифраторов
ИМСдешифраторовимеютограниченноечислоадресных входовиинформационныхвыходов.Увеличениеихвозможнопутем наращивания(каскадирования),котороеможноосуществлятьдвумя способами: объединением нескольких дешифраторов в пирамидальную схему (рис. 4.4), или последовательным соединениемразрешающихвходовчерезвнешниелогические элементыили непосредственнодруг с другом (рис. 4.5). 

Рисунок4.4Пирамидальная схема наращивания дешифратора 6?64(6 адресных входов и 64 информационных входов)

     
Рисунок 4.5 Последовательное соединение дешифратора 5?32 на базе ИМС К555 ИД7 (на вход Е1 схемы ДД1 постоянно подан сигнал лог. “1”)
Для реализации подачи управляющего сигнала наиболее подходит метод пирамидального наращивания, где вместо дешифратора DD1 можно использовать сам микроконтроллер.
Выбор микроконтроллера
Микроконтроллер- это целая микропроцессорная система в одной микросхеме (на одном кристалле). Одна микросхема содержит в себе процессор, память, порты ввода/вывода и некоторые дополнительные устройства: таймеры, устройства прерывания, компараторы и др.
Использование одной микросхемы вместо системного блока, как в случае персонального компьютера, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров, а также многократно повышает надёжность.
Основной характеристикой микроконтроллеров является разрядность арифметико-логического устройства. По этому признаку они делятся на 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные. Производительность микроконтроллера измеряют в MIPS (MillionInstruсtionsperSecond — миллион инструкций в секунду).
Условно микроконтроллеры можно разделить на простейшие, встраиваемы и универсальные. Простейшие микроконтроллеры используются в тех случаях, когда не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. Встраиваемые в приборы и аппаратуру микроконтроллеры запрограммированы на реализацию узкоспециализированных задач (например, простейшие устройства - клавишные переключатели, индикаторы). Универсальные микроконтроллеры ориентированы на решение многочисленных задач в системах управления, регулирования и контроля.
В данной работе необходимости в универсальных микроконтроллерах нет, поэтому используем один из простейших микроконтроллеров, вид и структура, которого представлены на рисунке 4.6 и 4.7
Из условия задания необходимо при помощи микроконтроллера измерять сопротивление многих каналов электрических цепей, имеющих свои определенные параметры. Так же необходимо присвоить прибору функцию переключения полярности, для возможности определения, на каком либо канале наличия электронных узлов работающих только в определенной полярности.
Разработку проекта следует начинать с использования мощного микроконтроллера с большим объемом памяти и наличием множества периферийных устройств. Это объясняется тем, что на различных стадиях разработки могут понадобиться дополнительные периферийные устройства, таймеры или другой объем памяти.
Выбор микроконтроллера сделаем в пользу достаточно большого количества входов/выходов (битов), так как по заданию необходимо иметь возможность измерят параметры многих элементов, то  зададимся числом контактов равнымпятидесяти. Исходя из заданного числа контактов, выбирается микроконтроллер марки PIC16F877 с 33-мя возможност.......................