скачать рефераты

скачать рефераты

 
 
скачать рефераты скачать рефераты

Меню

Проектирование цифрового корректирующего фильтра скачать рефераты

Проектирование цифрового корректирующего фильтра

1

Содержание

1. Ведение

2. Анализ задачи и ее формализация

3. Разработка и обоснование структурной схемы устройства

4. Разработка и обоснование общего алгоритма функционирования устройства и его описание

5. Разработка программы

6. Оценка быстродействия устройства

7. Отладка разработанной программы. Результаты отладки

8. Составление принципиальной схемы устройства и ее описание

9. Заключение

10. Список использованных источников

11. Приложение

Описание структурной схемы микросхемы КА1603РЕ1

Описание структурной схемы микросхемы КР537РУ17

Триггер К555ТМ2

Регистр К1533ИР23

Микросхема К1108ПВ1

1. Введение.

В радиотехнике, наряду с методами аналоговой обработки сигналов, широкое распространение получили методы и устройства цифровой обработки сигналов, реализованные на основе микропроцессоров (МП). Применение МП в радиотехнических системах (РТС) существенно улучшает их технико-экономические показатели (потребление энергии, габариты, стоимость и т.д.), открывает широкие возможности реализации сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС).

Применение МП целесообразно в тех случаях, когда реализация определенных функций РТС с использованием «жесткой логики» требует большого количества микросхем .

Микропроцессоры находят применение при решении широкого круга радиотехнических задач, таких как построение радиотехнических измерителей координат, сглаживающих и экстраполирующих фильтров устройств вторичной обработки сигналов, специализированных вычислительных устройств бортовых навигационных комплексов, устройств кодирования и декодирования сигналов, весовой обработки пачечных сигналов в радиолокации, различного рода измерительных устройств и т.п.

При создании радиоэлектронной аппаратуры используются три основных подхода реализации цифровых устройств: аппаратный, программный и аппаратно- программный. При аппаратном получают цифровые устройства с традиционной «жесткой'' логикой, что обеспечивает наибольшее быстродействие устройств, но требует трудоемкой разработки индивидуальной структуры цифрового устройства - спецпроцессора.

При программном подходе цифровое устройство реализуется в виде программы для готовой универсальной ЭВМ, в качестве которой можно использовать микроЭВМ, предназначенную для встраивания непосредственно в разрабатываемые блоки. Аппаратно-программный подход предполагает разработку как программных, так и аппаратных средств. К ним относятся цифровые устройства, реализованные как автоматы с микропрограммным управлением и хранимой в ПЗУ программой, а также цифровые устройства, построенные на основе микропроцессора. Аппаратно-программный подход при использовании современных интегральных схем позволяет в наибольшей степени учесть особенности решаемых задач.

Выбор варианта построения цифрового устройства в каждом конкретном случае осуществляется с учетом всех требований технического задания. Применение «жесткой” логики оправдано в двух основных случаях I) при необходимости получения предельно бысокого быстродействия; 2) при построении относительно несложных устройств на интегральных схемах малой и средней степени интеграции.

Если же от устройства требуется гибкость, т.е. способность изменения функций программным путем в процессе работы или расширения круга решаемых задач, тогда становится целесообразным использование микропроцессоров (МП), Применение оправдано при построении устройств большой сложности, если быстродействие МП оказывается достаточным. Ограничения, связанные с недостаточным быстродействием МП, можно преодолеть построением многопроцессорных устройств или выполнением части функций с помощью специально разработанных аппаратных средств, работающих совместно с МП.

Наибольшая экономичность цифрового устройства по объему оборудования и другим эксплуатационным параметрам, а также наименьшая трудоемкость проектирования достигаются при использовании однокристальных МП.

2. Анализ задачи и ее формализация.

Согласно техническому заданию разностное уравнение имеет вид:

Для упрощения программы и сокращения числа выполняемых машинных циклов, т.е. для повышения быстродействия, упростим данное выражение и представим его в следующем виде:

Согласно данному уравнению изобразим структурную схему проектируемого устройства:

1

где Тз- время задержки, равное интервалу дискретизации.

По заданию проектируемое устройство, т.е. корректирующий фильтр, должно быть реализовано на базе комплекта БИС серии КП580.

Помимо МП ВМ80А, для построения законченного модуля ЦП необходимы:

- генератор тактовых импульсов КР580ГФ24, который вырабатывает тактовые импульсы, импульс сброса и обеспечивает синхронизацию всего устройства в целом.

- системный контроллер и формирователь шины КР580ВК28/38, который обеспечивает работу с памятью и портами, а так же аппаратно формирует команду векторного прерывания RST7.

- буферные регистры КП580ИП82/ИП83

Преобразование входного аналогового сигнала в цифровой код осуществляется с использованием АЦП К1108ПВ1. Поскольку диапазон входного сигнала оказывается не согласованным с рабочим диапазоном используемого АЦП, на входе устройства придется поставить масштабирующий усилитель.

Данные из АЦП выходят в виде 8 разрядного прямого кода. В ЦП они обрабатываются в форме 16 разрядного дополнительного кода, поэтому переполнения не происходит.

Перевод прямого кода в дополнительный реализуем программно.

Из формул видно что, для формирования выходного отчёта необходимо использовать текущее значение входного отчёта и его предыдущие значения. Для хранения входных, выходных, предыдущих значений отсчетов и промежуточных результатов вычисления необходимо выделить область памяти в ОЗУ, поскольку реализовать в полном объеме функции проектируемого устройства с использованием программно доступных регистров МП не возможно.

Обработка отсчетов производится программой, хранящейся в ПЗУ. К моменту прихода следующего отсчета устройство должно закончить обработку предыдущего и находиться в состоянии готовности. Для реализации данного условия необходимо чтобы частота дискретизации была меньше времени обработки одного отсчета.

Для передачи данных внешнему устройству потребуется порт вывода, в качестве которого может служить регистр с параллельной загрузкой. Согласование рабочего кода МП, т.е. параллельного дополнительного кода, с требуемым выходным кодом представления данных реализуем программно.

Процедура вывода данных выполняется независимо от состояния внешнего устройства. Такой вид обмена называется прямым или безусловным. Процедура вывода инициируется и выполняется непосредственно программой, реализуемой ЦП. Программно- управляемый обмен не является единственным типом обмена. Но судя по аппаратным затратам, это наиболее эффективный тип обмена.

3. Разработка и обоснование структурной схемы устройства

Набор КП580 определяет типовой состав аппаратных средств, образующих структуру вычислительного ядра системы. В его состав входят МП, ОЗУ, ПЗУ, схемы формирования сигналов синхронизации, микросхемы формирования сигналов управления системой. Полная структурная схема МП- устройства получается при объединении структуры вычислительного ядра и дополнительных аппаратных узлов.

Аппаратный состав фильтра в целом уже определен в п.2, незатронутым остается масштабирующий усилитель. Также следует произвести согласование адресов ОЗУ, ПЗУ, портов ввода-вывода с адресами МП.

Вспомогательные схемы целесообразно выполнять с наименьшими аппаратными затратами, т.е. следует стремиться к сокращению количества микросхем.

По заданию следует использовать микросхему 10-разрядного быстродействующего функционально законченного АЦП последовательного приближения К1108ПВ1, предназначенную для преобразования аналогового сигнала в двоичный параллельный цифровой код. Микросхемы серии К1108 изготовляются по биполярной технологии, в том числе с применением кремниевых структур с диэлектрической изоляцией, СВЧ транзисторов, элементов ЭСЛ. В состав функциональной схемы преобразователя входят ИОН, ГТИ, выходной регистр с тремя логическими состояниями и функцией хранения информации в течение одного цикла преобразования ВРг РПП, ЦАП, многовходовый КН с входным резисторным вычитающим устройством, дешифратором уровней тока и др. .

Микросхема рассчитана на преобразование однополярного входного напряжения в диапазоне от О до З В, подаваемого на вход через внешний ОУ или УВХ при максимальной частоте преобразования 1,1 МГц для 10-разрядного ре жима и 1,33 МГц для 8-разрядного режима.

В качестве масштабирующего усилителя возьмём операционный усилитель, обладающий низким коэффициентом шума и имеющий хорошие энергетические показатели.

Для согласования диапазона входного сигнала и рабочего диапазона АЦП добавим к нему цепь обратной связи . Также на вход ОУ придется подать дополнительное опорное напряжение для смещения сигнала. Схема инвертирующего включения ОУ представлена на рис.1. Для упрощения расчетов зададим

Поскольку:

· диапазон изменения входного сигнала - (-4.5 … 4.5) В.

· рабочий диапазон АЦП - (0 … 3) В.

Напряжение смещения будет равно -4.5 В. Коэффициент передачи петли обратной связи будет равным:

Коэффициент усиления будет равен:

Т.о. если задать один из резисторов, можно легко вычислить величину двух других.

Рис.1

Использовать дополнительные регистры для хранения данных, выдаваемых АЦП, ненужно, поскольку заданный АЦП имеет внутренний трёхстабильный регистр. Однако для корректной подачи сигнала прерывания, свидетельствующего об обновлении данных на выходе АЦП, на вход МП и сброса этого сигнала нам потребуется обычный D-триггер, на тактовый вход которого подается сигнал готовности данных с выхода АЦП. Триггер должен переключаться в единичное состояние по заднему фронту тактового импульса, т.е. при изменении уровня L-H. Во время поступления сигнала чтения из порта, данные из внутреннего регистра АЦП поступают на шину данных ЦП. Одновременно с этим сбрасывается сигнал прерывания, путем установки триггера в нулевое состояние. Во время обработки ЦП очередного отсчета АЦП должно находиться в 3 состоянии, т.е. не нагружать шину данных ЦП, для чего на вход АЦП должен быть подать сигнал высокого уровня.

Для согласованной работы ОЗУ, ПЗУ и ЦП выберем микросхемы памяти, которые имеют несколько разрешающих входов и поддерживают трёхстабильное состояние. Для нашего случая наиболее подходящими являются микросхемы:

· RAM- K537РУ17, имеющая организацию 8192 слов 8 разрядов, а также необходимые нам входы:

- выбор микросхемы

- разрешение по выходу

· ROM- К1603РЕ1. Организация- 2048 слов 8 разрядов.

Дополнительные входы:

- выбор микросхемы

- сигнал разрешения выхода

Таблицы истинности обеих микросхем и их более подробное описание приведены в приложении.

В связи с тем, что обе микросхемы памяти выполнены по КМОП технологии, можно отказаться от использования буферных регистров КП580ИП82/ИП83 в ЦП, поскольку нагрузочной способности шин адреса (ША) и данных МП вполне достаточно для обеспечения нормальной работы устройства в целом.

Выбор ОЗУ или ПЗУ при поступлении сигнала чтения памяти от ЦП удобней всего осуществить, используя 11-ю линию А11 ША (см. рис.2). При этом обращение к ПЗУ происходит при подаче процессором сигнала чтения памяти и наличия на ША адреса ячейки в диапазоне . В остальных случаях ПЗУ находиться в 3 состоянии.

Для обращения к ОЗУ ЦП должен сформировать сигнал читать (или записать) и на ША выставить адрес ячейки ОЗУ в диапазоне . В остальных случаях ОЗУ также находиться в 3 состоянии.

Для обмена данными с внешним устройством организуем порт вывода, представляющий собой обычный 8- разрядный регистр с защелкой. Сигналом готовности данных внешнему устройству может служить сигнал вывода в порт ЦП.

Анализируя всё выше перечисленное можно составить общую структурную схему устройства.

1

Рис.2

4. Разработка и обоснование общего алгоритма функционирования устройства и его описание.

При включении питания или перезагрузке цифровое устройство должно автоматически настроиться на работу. Для этого аппаратно реализуется схема запуска, которая обнуляет программный счетчик при запуске устройства или при кратковременном сбое питания. Кроме этого необходимо программно настроить порты ввода- вывода, установить маски прерываний (данная функция не поддерживается МП ВМ80А), организовать стек для хранения данных во время выполнения подпрограмм. Этими задачами занимается программа инициализации.

Вторым этапом работы обобщённого алгоритма является основная программа- алгоритм фильтрации.

Обобщённый алгоритм функционирования устройства представлен на рис.3

Данные в аккумулятор загружаются из порта ввода по приходу сигнала прерывания RST 7. Работать с прерываниями намного выгоднее, чем реализация постоянного опроса порта о факте наличия данных, поскольку при этом снижаются аппаратные затраты и повышается быстродействие устройства. С учетом этого укрупненный алгоритм функционирования основной программы изображён на рис.4

Аппаратно- реализуемые операции Програмно- реализуемые операции

1

Рис.3

После загрузки данных выполняется основная программа, реализующая алгоритм фильтрации согласно заданному линейно разностному уравнению:

Анализируя данное уравнение можно отметить следующее:

· в связи с наличием отрицательных единичных коэффициентов организуем подпрограмму инвертирования знака числа.

процедуру деления на 4 проще всего будет выполнить путём двух последовательных арифметических сдвигов вправо. Арифметический сдвиг выгоднее заменить логическим, поскольку при этом сокращается время выполнения программы. На точность вычислений данный переход не повлияет, поскольку перед выводом данных мы переходим к однобайтовой форме представления чисел.

· поскольку при вычислении очередного значения Y(n) используются четыре предыдущих значения входных отсчетов, выгоднее всего использовать подпрограмму формирования очереди, т.е. сдвига поступающих отсчетов, вызываться, которая будет непосредственно после вывода данных в порт.

· В связи с тем, что используемый нами АЦП выдает данные в прямом коде, после операции ввода необходимо перевести код АЦП в код МП, т.е.в дополнительный код.

· Т.к. по заданию выходные данные требуется представить в обратном параллельном коде, перед выводом данных в порт переведем их из дополнительного в обратный код.

С учетом особенностей используемого МП следует обратить внимание на то что:

· Для повышения точности вычислений, перейдем от однобайтового представления числа к двухбайтовому. Данный переход сделаем сразу после ввода данный из порта.

· Перед выводом данных придется обратно перейти к однобайтовому представлению чисел, т.е. масштабировать полученный результат.

Алгоритм работы программной части синтезируемого устройства изображен на рис.5

Страницы: 1, 2