Электронные системы ядерных и физических установок. Лабораторный практикум

УДК 621.38:621.039.5(075.8)
ББК 31.4я73
 
Э45

А в т о р ы : М.В. Комар, В.В. Шляхтин, В.Е. Ямный, В.П. Яновский

Р е ц е н з е н т ы : кафедра электроники УО «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (заведующий кафедрой 
доцент, кандидат технических наук С.В. Дробот); главный научный сотрудник лаборатории моделирования процессов переноса загрязнений в объектах 
окружающей среды Объединенного института энергетических и ядерных исследований «Сосны» доктор технических наук, профессор, член-кор респондент НАН Беларуси Г.А. Шароваров

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или 
любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства

 
Электронные системы ядерных и физических устаЭ45 новок. Лабораторный практикум : учеб. пособие / М. В. Ко- 
 
мар [и др.]. – Минск : Выш. шк., 2013. – 320 с.: ил.
ISBN 978-985-06-2315-7.

Лабораторный практикум является составной частью лекционных 
курсов «Основы радиоэлектроники», «Основы аналого-цифровой техники», «Электроника физических установок», «Элементы систем 
управления и защиты ядерных реакторов», «Архитектура однокристальных микроЭВМ».
Включает несколько циклов лабораторных работ, связанных с 
изучением цифровой электроники, проектированием программируемых логических интегральных схем, электроники обработки сигналов 
пер вичных преобразователей ядерных энергетических установок и 
современных микроконтроллеров.
Для студентов учреждений высшего образования по специальности «Физика (ядерные физика и технологии)».

УДК 621.38:621.039.5(075.8)
ББК 31.4я73

ISBN 978-985-06-2315-7 
© Оформление. УП «Издательство 
 
“Вышэйшая школа”», 2013

Ïðåäèñëîâèå

В связи со строительством АЭС в некоторых вузах Беларуси начата подготовка студентов по программе ядерной энергетики. Ядерный реактор является сложным техническим объектом, безопасная эксплуатация которого обеспечивается автоматизированными системами управления, сбора и обработки 
физической информации. Руководящий, оперативный и инженерно-технический персонал АЭС должен обладать не только 
обширными знаниями в области теории и физики ядерных реакторов, но и пониманием особенностей функционирования 
различных электронных устройств и систем автоматики, обеспечивающих технологический процесс безопасного управления. Исключить или хотя бы минимизировать ошибки управления, главным образом в нештатных ситуациях, возможно 
путем качественной подготовки будущих специалистов.
Преподавателям вузов необходимо постоянно совершенствовать методики проведения занятий, одной из составляющих которых является лабораторный практикум. Практикум 
играет важную роль в формировании знаний и навыков студентов. Новые сложные приборы и оборудование требуют 
подготовки специалистов, способных грамотно эксплуатировать эти приборы и участвовать в их разработке. 
Предлагаемые лабораторные работы для изучения электроники разработаны на кафедре ядерной физики и являются составной частью лекционных курсов «Основы радиоэлектроники», «Электроника физических установок», «Элементы систем 
управления и защиты ядерных энергетических установок», «Архитектура однокристальных микроЭВМ». Для проведения практических занятий создан модульный лабораторный комплекс, 
позволяющий на единой элементной базе выполнить на современном уровне циклы лабораторных работ по изучению цифровой электроники, интерфейсов связи с ЭВМ, аналого-цифровых 
и цифро-аналоговых преобразователей, микроконтроллеров. 
Данное учебное пособие включает несколько циклов лабораторных работ, связанных с изучением основных разделов 
современной электроники. Практические работы выполняются и с использованием компьютерной программы моделирования электронных устройств MicroСap, и на разработанном на 
кафедре универсальном электронном лабораторном стенде.

Содержание первого цикла «Цифровая электроника» составляют четыре лабораторные работы, связанные с изучением автоматизированной интегрированной среды проектирования цифровых устройств MAX+PlusII на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Студенты выполняют задания по проектированию комбинационных и 
последовательностных электронных схем.
Во втором цикле «Электроника обработки сигналов первичных преобразователей ядерно-энергетических установок» представлены семь лабораторных работ по изучению электронных 
схем, предназначенных для обработки сигналов первичных преобразователей физических установок. Содержание этих работ 
составляют усилители, генераторы, электрические фильтры, источники питания, устройства запоминания максимального значения сигнала, АЦП, ЦАП и современные интерфейсы.
Третий цикл «Микроконтроллеры в системах контроля и 
управления» включает также семь лабораторных работ, в которых изучаются инструментальные средства разработки и отладки программного обеспечения однокристальных микроЭВМ, архитектура, способы адресации и система команд микроконтроллера семейства MCS51, алгоритмы формирования 
временных интервалов, технология программирования последовательного порта микроконтроллера для взаимодействия 
с внешними устройствами и обмена данными с персональным 
компьютером, подсистема ввода/вывода данных. 
Все лабораторные работы содержат необходимые сведения 
из теории, задания и методические указания к выполнению, 
вопросы и задания для самопроверки, список литературы. Выполнение практических заданий в дополнение к соответствующим лекционным курсам позволит студентам более глубоко 
понять логику и особенности функционирования различных 
электронных систем и устройств и подготовит их к успешной 
предстоящей профессиональной работе в области ядерных 
технологий.
Авторы

Ñïèñîê îñíîâíûõ ñîêðàùåíèé

Ðóññêàÿ íîòàöèÿ

АЛУ
АЦП
АЭС
Вв/Выв
ВПД
ВПП
ВУ
ЗУ
ИК
ИС
ИОН
КС
ЛЭ
МК
МЦ
ОЗУ
ОУ
ПЛИС
РОН
РПД
РПП
РСФ
СК
ССИ
ТКН
ТКС
Т/Сч
УАПП
УВв
УВыв
УГО
УЗМЗ
ФНЧ
ЦАП
ЦП
ША
ШД
ШИМ
ШУ
ЭВМ
ЯЭУ

–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–

арифметико-логическое устройство
аналого-цифровой преобразователь
атомная электростанция
ввод/вывод
внешняя память данных
внешняя память программ
внешнее устройство
запоминающее устройство
измерительный канал
интегральная схема
источник опорного напряжения
комбинационная схема
логический элемент
микроконтроллер
машинный цикл
оперативное запоминающее устройство
операционный усилитель
программируемая логическая интегральная схема
регистр общего назначения
резидентная память данных
резидентная память программы
регистр специальных функций
счетчик команд
семисегментный светодиодный индикатор
температурный коэффициент напряжения
температурный коэффициент сопротивления
таймер/счетчик
универсальный асинхронный приемопередатчик
устройство ввода
устройство вывода
условное графическое обозначение
устройство запоминания максимального значения
фильтр нижних частот
цифро-аналоговый преобразователь
центральный процессор
шина адреса
шина данных
широтно-импульсная модуляция
шина управления
электронная вычислительная машина
ядерно-энергетическая установка

Àíãëèéñêàÿ íîòàöèÿ

А
АС
Ack
ad
ad 11
ad 16
ADC
add
Addrstr
ads
ALE

ANSI
ASCII

Ask
ASM51
B
<В2>
<В3>
bit
Busy
byte
C
СLK
CONVST
СR
CS
C T
/
 
CTS
#d8
#d16
DAC
Data
Data [0 : 7]
Datastr
DС
DD
dest
DIN
DPL

DPH

–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–

–
–

–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–

–

аккумулятор
флаг вспомогательного переноса (Auxiliary Carry fl ag)
сигнал подтверждения приема 
прямой 8-битовый адрес байта РПД (0–127) или РСФ
прямой 11-битовый адрес передачи управления
прямой 16-битовый адрес передачи управления
аналого-цифровой преобразователь
прямой 8-битовый адрес назначения
строб адреса
прямой 8-битовый адрес источника
управляющий сигнал строба адреса внешней памяти 
(Address Latch Enable)
Американский национальный институт стандартов 
Американский стандартный код для обмена информацией (American Standard Code for Information Interchange)
запрос
язык ассемблер МК семейства MCS51
регистр АЛУ микроконтроллера
второй байт кода команды
третий байт кода команды
прямой адрес бита РПД или РСФ
занято
однобайтовый операнд
флаг основного переноса
сигнал тактовой (битовой) синхронизации
сигнал начала преобразования
регистр управления
выборка кристалла (Chip Select)
бит выбора режима работы таймера/счетчика 
готовность передачи
8-битовый непосредственный операнд (константа)
16-битовый непосредственный операнд (константа)
цифро-аналоговый преобразователь
данные
двунаправленная шина адреса/данных
строб данных
дешифратор
цифровая интегральная схема
приемник
немецкий институт по стандартизации
младший байт регистра-указателя данных (Data Pointer 
Low)
старший байт регистра-указателя данных (Data Pointer 
High)

DPTR
DSR
DTR
EA  

ЕРР
ЕСР
fГТИ
FS
GATE
IE

IEEE 1284

INIT
INT
INTR
IP

IT

LD
LPT
MCS 51
MISO

MOSI
OV
Р
РС
PCON

PLD

PROG
PSEN
PSW
Р0
Р1
Р2
Р3
R0
R1
R2
rel

–
–
–
–

–
–
–
–
–
–

–

–
–
–
–

–

–
–
–
–

–
–
–
–
–

–

–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–

регистр-указатель данных (Data Pointer) 
готовность к передаче данных
готовность к приему данных
управляющий сигнал отключения резидентной памяти 
программ
усовершенствованный параллельный порт
порт с расширенными возможностями
частота генератора тактовых импульсов
импульс кадровой синхронизации
бит управления Т/Сч (Gating Control bit in TMOD)
регистр разрешения прерываний (Interrupt Enable 
register)
стандарт, в котором определены физические характеристики параллельных портов
инициализация
запрос прерывания (Interrupt)
прерывание от ВУ
регистр приоритетов прерываний (Interrupt Priority 
control register)
бит выбора типа прерываний (Interrupt Type control bit 
in TCON)
загрузка
параллельный интерфейс
семейство микроконтроллеров
вход ведущего, выход ведомого (Master Input Slave 
Output)
выход ведущего, вход ведомого (Master Output Slave In)
флаг переполнения
флаг четности (паритета)
счетчик команд
регистр управления потреблением (Power Control 
register)
программируемое логическое устройство (Programmable Logic Device)
управляющий сигнал для программирования РПП
управляющий сигнал разрешения ВПП
регистр слова состояния (Program Status Word)
порт 0
порт 1
порт 2
порт 3
нулевой регистр текущего банка РОН
первый регистр текущего банка РОН
второй регистр текущего банка РОН
8-битовый относительный адрес передачи управления 
(–127 ... +128) 

Reset
RG
RD

REN

RS1, RS0
RB8
RI

RST
RхD
Ri
Rn
S
SBUF
SCLK
SCON
SDATA
SDI
Select
SFR

SP
SPI
src
SS
sss
ТВ8

TCON

T0, T1
TF
TH
TI
TL
TMOD
TR
TRACK/
HOLD
TRI
TхD
UART

–
–
–
–

–

–
–
–

–
–

–
–
–
–
–
–
–
–
–

–
–
–
–
–
–

–

–
–
–
–
–
–
–
–

–
–
–

сброс
регистр
1) сигнал чтения внешней памяти данных; 2) выходной сигнал микропроцессора, указывающий на то, что 
шина данных находится в режиме приема
бит разрешения приема в УАПП (Receiver Enable 
control bit in SCON)
флаги указателя банка регистров общего назначения
девятый (bit 8) принятый бит (Receive Bit 8 in SCON)
флаг прерываний приемника (Received Interrupt fl ag in 
SCON)
сигнал установки в исходное состояние (Reset)
вход приемника
обобщенное имя регистра косвенного адреса (R0 или R1)
обобщенное имя РОН (n = 0–7)
флаг знака
буфер приемника, буфер передатчика УАПП
тактовые сигналы (сигналы синхронизации)
регистр управления УАПП
вывод данных АЦП
вход данных ЦАП с последовательным интерфейсом
выбор
регистр специальных функций (Special Function Register)
регистр-указатель стека (Stack Pointer)
последовательный интерфейс
иcточник
сигнал выбора ведомого
адрес регистра-источника
девятый (bit 8) передаваемый бит (Transmit Bit 8 in 
SCON)
регистр управления/состояния таймера/счетчика (Timer/
counter Control/status register) 
вход таймера/счетчика 0 и вход таймера/счетчика 1
флаг переполнения таймера/счетчика
старший байт таймера/счетчика
флаг прерываний передатчика УАПП
младший байт таймера/счетчика
регистр режимов работы таймеров/счетчиков
бит включения/выключения таймера/счетчика
устройство выборки/хранения

логический элемент с тремя состояниями выхода
выход передатчика
полнодуплексный асинхронный приемопередатчик

USB
Wait
WDT
WR
Write

–
–
–
–
–

универсальная последовательная шина
сигнал квитирования
сторожевой таймер
сигнал записи
сигнал записи параллельного порта ЭВМ

Ñïåöèàëüíûå ñèìâîëû

#
@
(х)
((Ri))

←
↔
˄, ˅, ⊕

Н

–
–
–
–

–
–
–

–

префикс непосредственного операнда
префикс косвенной адресации
содержимое регистра или прямо адресуемого байта
содержимое ячейки РПД, адресуемой содержимым регистра Ri (i = 0, 1)
оператор присваивания (замещения)
оператор взаимного обмена
операторы логических операций: И (конъюнкция), 
ИЛИ (дизъюнкция), ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
суффикс шестнадцатеричного кода

ÖÈÔÐÎÂÀß ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ

В настоящее время в системах автоматики обеспечения 
безопасности и управления ядерными энергетическими 
установками все шире используются цифровые схемы, которые позволяют повысить точность определения параметров 
процессов, происходящих в ядерных реакторах, скорость и 
достоверность получения необходимой информации. Переход на цифровые системы управления дает возможность облегчить и обезопасить труд операторов атомных электростанций.
Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) 
являются новыми элементами цифровой электроники, позволяющими увеличить степень интеграции схем, упростить механизм создания электронных компонентов, оперативно изменить алгоритмы работы отдельных блоков, унифицировать 
электрические схемы узлов. Все эти положительные качества 
ПЛИС способствуют широкому внедрению таких схем в блоки и узлы атомных электростанций.
При подготовке специалистов в области ядерной энергетики необходимо изучать вопросы построения, синтеза и исследования параметров цифровых схем. Осуществить это можно 
с помощью программируемых интегральных схем, для проектирования и исследования которых разработаны методические указания к лабораторным работам по цифровой электронике. Первая лабораторная работа посвящена программному 
продукту фирмы Altera, который позволяет упростить и ускорить процесс изучения цифровых устройств; вторая – логическим элементам цифровой электроники; третья – изучению 
проектирования комбинационных схем; четвертая лабораторная работа – изучению проектирования последовательностных цифровых схем.
Выполнение всего цикла лабораторных работ по цифровой 
электронике будет способствовать приобретению новых знаний в области цифровых схем, поможет разобраться в автоматизированных системах управления технологическими процессами ядерных энергетических установок.