Разработка цифрового фильтра

Министерство образования и науки РФ РГРТА ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине:

«ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ»

Студент Агарков Д.Н.

Группа 215 Специальность 2015

2005

Содержание

Ведение

1.  Формализация задачи

2.  Разработка общего алгоритма функционирования устройства

3.  Обоснование аппаратной части устройства

5. Разработка и отладка рабочей программы на языке команд микропроцессора

6. Составление и описание электрической принципиальной схемы устройства

7. Расчет быстродействия устройства

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

Заключение

Список использованных источников

Введение

В наши дни, развитие цифровых устройств происходит гигантскими шагами. Очевидно и преимущество применения цифровой обработки сигнала наряду с аналоговым: улучшается помехозащищенность канала связи, бесконечные возможности кодирования информации. Применение микропроцессоров в радиотехнических системах существенно улучшает их массогабаритные, технические и экономические показатели, открывает широкие возможности реализации сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов.

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 и в других устройствах. В данном курсовом проекте микропроцессор используется для построения цифрового фильтра.

Цифровой фильтр обладает рядом существенных преимуществ. Сюда относятся, например, высокая стабильность параметров, возможность получать самые разнообразные формы АЧХ и ФЧХ. Цифровые фильтры не требуют настройки и легко реализуются на ЭВМ программными методами.

В данном курсовом проекте фильтр должен быть выполнен на основе набора К1821 при использовании ЦАП К572ПА1. Набор К1821 состоит из микросхем: К1821ВМ85 - микропроцессор, КР1821РФ55 – ПЗУ (емкость – 2 Кб; два 8-разрядных порта ввода-вывода), КР1821РУ55 – ОЗУ (емкость –256 байт; два 8-разрядных и один 6-разрядный порты ввода-вывода, встроенный счетчик-таймер).

Входной сигнал цифровой, выходной аналоговый, преобразование из цифрового сигнала в аналоговый сигнал осуществляется при помощи ЦАП на микросхеме К572ПА1.

После прихода сигнала с периферийного устройства (ПУ) на порт ввода в дополнительном цифровом коде на ПУ выдаётся сигнал квитирования. Частота дискретизации F_Д = 5.5 кГц, разрядность входного сигнала 8. Обработка должна происходить в реальном масштабе времени.

Проектируемое устройство и его базовая конфигурация должны содержать минимальные аппаратные и программные средства, достаточные для выполнения поставленной выше задачи обработки.

1. Формализация задачи

Минимальная конфигурация МП-системы на основе набора К1821 (К1821ВМ85, КР1821РФ55,КР1821РУ55 ), совместно с ЦАП К572ПА1 и вспомогательными элементами определяет функциональную схему полосового фильтра, которая представлена на рис.1.

МП - система ЦАП

(ВМ 85, РФ 55, РУ 55) 572ПА1

Rос

Uвх

Uвых

Uоп

Рис.1. Функциональная схема проектируемого фильтра

Входное напряжение в виде кода поступает в порт PA БИС РУ55. Частота дискретизации =5.5 кГц формируется аппаратным таймером РУ55, в котором частота переполнения  в режиме 3, равна . При использовании в качестве входных импульсов таймера тактовых импульсов CLK МП - системы (=3 МГц) исходное состояние таймера равно:

N_{ТАЙМЕРА} = F_{CLK МП}/F_Д = 545₍₁₀₎ = 00 0010 0010 0001 ₍₂₎

При дополнении 14-разрядного двоичного кода N_{ТАЙМЕРА} двумя битами 1 1, задающими третий режим работы таймера, получаем байты :

N_ст=11000010₍₂₎=С2h

N_мл=00100001₍₂₎=21h

Байты  и  загружаются при инициализации системы (фильтра).

Необходимость хранения данных вытекает из вида разностного уравнения. Уравнение использует входную выборку отсчетов (x_n, x_n-1, x_n-2) и выходную выборку (y_n, y_n-2 ). Все выборки должны быть доступны для вычислений, а следовательно, должны храниться в памяти МП - системы. Требуется также вычислить три текущих произведения (p_1n=0.091x_n-1 ; p_2n=0.13x_n-2 ;

p_3n=0.98y_n-2)и сохранить их в памяти. Следовательно, 8 ячеек ОЗУ (РУ55) при составлении программы необходимо определить для хранения данных в текущем цикле обработки входного сигнала. 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 входных отсчетов, путем умножения на коэффициент масштабирования < 1, при котором вычисление разностного уравнения никогда не дает недопустимого результата. Коэффициент  получим, предположив, что отсчеты в разностном уравнении принимают максимальные значения (- 1, + 1) и такие знаки, при которых слагаемые разностного уравнения складываются по модулю, то есть складываются по модулю коэффициенты.

y_{n max}=1+0.091+0.13+0.98=2.201

K_M=1ày_{n max}=0.454

Реальные значения коэффициентов разностного уравнения и коэффициента  отличаются 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.

a=0.091₍₁₀₎ ≈ 0.0001011₍₂₎=0.086₍₁₀₎

b=0.130₍₁₀₎ ≈ 0.0010000₍₂₎=0.125₍₁₀₎

c=0.980₍₁₀₎ ≈ 0.1111100₍₂₎=0.977₍₁₀₎

K_M=0.454₍₁₀₎ ≈ 0.0111010₍₂₎=0.453₍₁₀₎

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.

Согласование кода МП и кода ЦАП необходимо, так как по заданию входной код – дополнительный, Вычисленный отсчет , перед выводом на ЦАП суммируется с константой 10000000₍₂₎. 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.

Опорное напряжение для ЦАП U_ОП в схеме четырехквадрантного умножения определяет диапазон изменения напряжения на выходе фильтра U_ВЫХ. Задание на КП требует обеспечить изменение выходного напряжения в диапазоне – 1… + 1 В. Поэтому примем U_ОП = - 1 В.

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.