Разработка цифрового фазового корректора

Министерство образования и науки РФ

Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине

"Цифровые устройства и микропроцессоры"

Студент Тришин С.В.

Группа 114 специальность 2007

2004

Содержание

 

1. Постановка задачи (введение)

2. Формализация задачи

3. Разработка и описание общего алгоритма функционирования устройства

4. Обоснование аппаратной части устройства

5. Разработка и отладка программы на языке команд микропроцессора

6. Составление и описание электрической принципиальной схемы устройства

7. Расчёт быстродействия устройства

8. Расчёт АЧХ и ФЧХ устройства для заданных и реальных значений коэффициентов. Оценка устойчивости устройства

9. Заключение

10. Список использованных источников

1. Постановка задачи (введение)

 

Цифровая обработка сигналов , т.е. обработка сигналов с помощью средств электронной вычислительной техники ,стала известна около 35 лет назад. Электронные вычислительные машины тогда были дороги и несовершенны и поэтому их применяли лишь в сложных радиокомплексах , например, при расчете координат и траекторий объектов в радионавигационных системах слежения за космическими объектами , при расчете координат цели в радиолокационных станциях.

В последующие годы благодаря широкому применению транзисторов а затем и развитию микроэлектроники ЭВМ стали совершеннее, дешевле, а главное, компактнее. Появилась возможность использования вычислительной техники в сравнительно простой аппаратуре, например, в специальных радиоприемниках, системах фазовой подстройки частоты, системах телеметрии и т.д. С помощью цифровых устройств можно реализовать очень сложные алгоритмы обработки сигналов, которые трудно, а часто даже невозможно реализовать, используя обычную аналоговую технику. Алгоритм обработки сигналов можно изменять в зависимости от характера входного сигнала. Следовательно, легко построить самонастраивающуюся (адаптивную) систему. Цифровые фильтры могут анализировать параметры сигнала и принимать те или иные решения , например, вырабатывать управляющие команды. С помощью цифровых методов можно реализовать любой алгоритм обработки сигнала , который может быть описан совокупностью арифметических и логических операций. Точность обработки сигнала цифровыми фильтрами определяется точностью выполняемых расчетов. Она может быть несоизмерима выше точности обработки сигнала в аналоговых фильтрах. Одним из источников погрешности аналоговых фильтров является нестабильность их параметров , вызываемая колебаниями температуры , старением , дрейфом нуля , изменением питающих напряжений и т.д. В цифровых фильтрах эти неприятные эффекты отсутствуют. При разработке цифровых фильтров не возникает задача согласования нагрузок. Недостатком цифровых фильтров является их большая сложность по сравнению с аналоговыми , более высокая стоимость и не очень высокое быстродействие. В последние годы в связи с появлением микропроцессоров цифровая обработка сигналов получила еще более широкое распространение. Для цифровых фильтров стало возможным построение разнообразных частотных характеристик , путем их аналитической задачи. При этом реализуемы и фильтры традиционных типов: нижних частот, верхних частот, полосовые и режекторные.

В данном курсовом проекте необходимо реализовать цифровой фазовый корректор, основой которого служит однокристальный микропроцессор К1821ВМ85 (ВМ85). Данный МП является усовершенствованной версией МП КР580ВМ80 (ВМ80). МП ВМ85 более экономичный (технология КМОП), использует только один источник питания (+5 В), имеет мультиплексированную шину адреса/данных, расширенные возможности обработки прерываний. На примере данного МП легко построить дешевые и компактные устройствам , в ряду которых фазовый корректор с требуемыми характеристиками.

Обработка должна происходить в реальном масштабе времени. При проектировании следует придерживаться двух критериев: минимальная аппаратная конфигурация устройства и минимальное время операций обработки сигнала (вычисления). При определенных условиях эти критерии противоречат друг другу.

2,.Формализация задачи

 

Минимальная конфигурация МП-системы на основе набора К1821 (К1821ВМ85, КР1821РФ55,КР1821РУ55 ) , совместно с ЦАП 572ПА1 и вспомогательными элементами определяет функциональную схему фазового корректора, которая представлена на рис.1.

Рис. 1. Функциональная схема проектируемого фильтра

Входное напряжение в виде кода поступает в порт PA БИС РУ55. Частота дискретизации =8.0кГц формируется аппаратным таймером РУ55 , в котором частота переполнения  в режиме 3 , равна . При использовании в качестве входных импульсов таймера тактовых импульсов CLK МП - системы (=1.5МГц) исходное состояние таймера равно:

16-разрядный двоичный код содержит два бита (T15 и T14) задающих режим работы таймера. Для третьего режима работы необходимо в эти биты записать единицы.

Получаем код:

Байты  и  загружаются при инициализации системы (фильтра).

Необходимость хранения данных вытекает из вида разностного уравнения. Уравнение использует входную выборку отсчетов () и выходную (). Все выборки должны быть доступны для вычислений , а следовательно, должны храниться в памяти МП - системы. Требуется также вычислить четыре текущих произведения () и сохранить их в памяти. После вычисления выходного  и записи в ОЗУ , перед приемом нового входного отсчета , необходимо сдвинуть отсчеты всех выборок в памяти , (n-1) - й отсчет на место (n-2)-ого , а n -й на место (n-1)-ого. В результате вычисления разностного уравнения , можно получить результат , выходящий за пределы (-1,+1). Для исключения переполнения разрядной сетки введем масштабирование (ослабление) входных отсчетов путем их умножения на коэффициент масштабирования k_М < 1, при котором вычисление разностного уравнения никогда не дает недопустимого результата.

Реальные значения коэффициентов разностного уравнения и коэффициента  отличается от заданных , вследствие ограничения длины разрядной сетки:

По этой причине форма и параметры реальных частотных характеристик фильтра (АЧХ, ФЧХ) отличаются от расчетных. Могут также нарушаться условия устойчивости фильтра.

Алгоритм умножения на коэффициент (на константу без знака) целесообразно реализовать программным способом на основе алгоритма умножения вручную: арифметические сдвиги множимого вправо, соответствующие позициям единиц множителя, и накопление суммы частичных произведений. Разряды множимого, выходящие в результате сдвига за границу разрядной сетки, теряются.

Если затраты времени на вычисление произведений программным способом не допускают обработку сигнала в реальном времени, для вычисления произведений следует использовать БИС аппаратных перемножителей, которые вычисляют произведение за один машинный такт.

Согласование кода МП и кода ЦАП необходимо , так как по заданию входной код – дополнительный, Вычисленный отсчет  , перед выводом на ЦАП суммируется с константой .

Вывод данных на ЦАП целесообразно осуществлять через порт PA (РФ55) , этот порт имеет выходной буферный регистр , в котором отсчет  хранится в течение всего интервала дискретизации(ЦАП не имеет входного буфера). Напряжение на выходе ЦАП на интервале дискретизации остается постоянным. Исходное состояние аппаратной части и программы фильтра устанавливается при включении питания по сигналу аппаратного узла сброса. При этом:

q  программный счетчик (ВМ85) принимает нулевое значение;

q  сбрасывается флаг разрешения прерываний (ВМ85);

q  все линии портов PA и PB (РФ55) настраиваются на ввод;

q  порты PA , PB , PC (РУ55) настраиваются на ввод данных в режиме простого обмена данными;

q  таймер (РУ55) останавливается;

q  содержимое ячеек ОЗУ и буферных регистров портов (РУ55) сохраняется.

Из этого следует, что переходу фильтра в рабочий режим должна предшествовать его настройка (инициализация) на обеспечение принятого принципа функционирования, выбранных режимов работы узлов, заданных рабочих характеристик.

Для настройки портов ОЗУ (РУ55) нужно задать значение управляющего слова.

Формат управляющего слова:

Биты РА и РВ управляющего слова задают направление передачи данных через порты РА и РВ ( 0 – ввод, 1 – вывод).

Биты РС2 и РС1 определяют вариант использования порта С в соответствии с таблицей:

Здесь и ранее использованы следующие обозначения:

INTR A (B) – запрос прерывания по порту РА (РВ); BF A (B) – буфер порта РА (РВ) полон ( занят); STB A (B) – управляющий сигнал записи, соответствующий порту РА (РВ).

Биты IEA, IEB управляющего слова разрешают (IE = 1) или запрещают выработку сигналов прерывания INTR.

Биты ТМ2, ТМ1 содержат код (ТМ2 ТМ1) команды управления таймером. Описание команд приведено в таблице.

Я выбрал следующее значение управляющего слова:

Таким образом я настроил ОЗУ (РУ55) следующим образом:

Таймер настроен на 3 – ий режим работы (ТМ1 = 1; ТМ2 = 1); Линии порта С используются в соответствии с выше приведённой таблицей при РС2 = 0 и РС1 = 0; Порт В настроен на вывод данных ( РВ = 1); Порт А настроен на вывод данных по сигналу готовности и квитирования ( РА = 1). При настройке режимов прерывания необходимо разрешить прерывание МП типа RST 6,5 по вводу  По команде SIM обеспечивается установка нового состояния маски в соответствии с содержимым аккумулятора:

A7	A6	A5	A4	A3	A2	A1	A0
SOD	SDEN	-	R 7,5	MSEN	M 7,5	M 6,5	M 5,5

А0 – А2 – соответственно маски RST 5.5, RST 6.5, RST 7.5;

А3 – разрешение установки маски; А4 – сброс триггера приема запроса RST 7.5; А5 – не используется; А6 – разрешение вывода данных; А7 – бит данных для вывода через SOD.

Установка маски запрещает соответствующее прерывание. Смена маски в соответствии с А0 – А2 выполняется только при разрешении ее установки (А3 = 1). В противном случае функция установки маски подавляется. Для маски прерывания RST 6.5 содержимое аккумулятора будет следующим ( Dh ):

A7 = 0; A6 = 0; A5 = 0; A4 = 0; A3 = 1; A2 = 1; A1 = 0; A0 = 1.