Проектирование системы измерения электрических параметров каналов звуковой частоты

Пояснительная записка страниц 23 рисунков, 37 таблиц, 23 источника, приложение листов. Ключевые слова: ЦИФРОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ, ЦИФРО-АНАЛОГОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ, АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ, ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ, ЦИФРОВОЙ ПРОЦЕССОР ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ, ИНТЕРФЕЙС

RS232. Целью данной работы является проектирование системы измерения электрических параметров каналов звуковой частоты. Система позволяет осуществлять: генерацию одно- или многочастотного сигнала в диапазоне частот 20Гц – 20кГц с шагом изменения частоты 1Гц и амплитудой до 2В, измерение уровня сигнала частотой 1020Гц в диапазоне уровней от –30дБ до +16дБ с погрешностью 0,1дБ (уровень отсчитывается относительно 0,775В), измерение частоты монотонального сигнала в диапазоне от 20Гц до 20кГц с погрешностью 1Гц.

СОДЕРЖАНИЕ Перечень сокращений Введение 1 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 1.1 Принципы построения цифровых генераторов звуковых частот 1.2 Разработка структурной схемы измерителя 1.3 Разработка электрической принципиальной схемы процессорного блока 3.1 Разработка состава схемы процессорного блока 3.2 Выбор микропроцессора 3.3 Выбор ПЗУ и ОЗУ 3.4 Выбор дешифратора, счетчика и инвертора 1.3.5

Выбор генератора тактовой частоты 3.6 Выбор микросхемы сброса 3.7 Выбор микросхемы УСАПП 3.8 Выбор преобразователя уровней 3.9 Описание электрической принципиальной схемы процессорного блока 1.4 Разработка электрической принципиальной схемы блока формирования и управления 4.1 Разработка состава блока формирования и управления 1.4.2

Выбор ЦАП 4.3 Выбор АЦП 4.4 Выбор аттенюирующего ЦАП 4.5 Выбор регистра 4.6 Выбор операционного усилителя 4.7 Выбор реле 4.8 Расчет параметров элементов ФНЧ, предназначенного для сглаживания внеполосного шума ЦАП 4.9 Описание электрической принципиальной схемы блока формирования и управления 1.5 Разработка алгоритма работы измерителя 1.6 Расчет мощности потребляемой устройством 1.7

Расчет надежности измерителя 2 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 2.1 Патентный поиск 2.2 Разработка технического задания 2.3 Разработка конструкции блока 2.4 Выбор и обоснование технологии печатной платы, класса точности, габаритных размеров, материала, толщины и шага координатной сетки 2.5 Размещение и трассировка печатной платы 2.6 Расчет проводящего рисунка 2.7

Расчет проводников по постоянному току 2.8 Расчет проводников по переменному току 2.9 Расчет теплового режима 2.10 Расчет защиты от механических воздействий 2.11 Расчет на действие удара 2.12 Оценка уровня качества 12.1 Оценка уровня технологичности конструкции блока 12.2 Расчет уровня качества 2.13 Разработка технологического процесса сборки блока 3

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 3.1 Выбор и обоснование базового варианта 3.2 Расчет себестоимости блока измерителя 3.3 Расчет годовых эксплуатационных затрат 3.4 Расчет годового экономического эффекта 4 РАЗДЕЛ ОХРАНЫ ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 4.1 Анализ и нормирование опасных и вредных производственных факторов 4.2 Разработка рекомендаций, мероприятий, устройств и систем безопасности жизнедеятельности 4.2.1

Мероприятия по обеспечению безопасности и безвредности объекта проектирования 2.2 Организация рабочего места 2.3 Расчет защитного заземления 4.3 Обеспечение экологической безопасности 3.1 Защита атмосферы 3.2 Защита гидросферы 4.4 Пожарная безопасность 4.1 Пожароопасность на предприятии 4.2 Мероприятия при пожарной профилактике, средства защиты и тушения пожаров 4.4.3

Выбор первичных средств пожаротушения 4.4 Расчет противопожарного водоснабжения 4.5 Мероприятия по обеспечению продолжения производства в чрезвычайных ситуациях 5 Заключение Список литературы Приложение Перечень сокращений ЦПОС – цифровой процессор обработки сигналов АЦП – аналого-цифровой преобразователь ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь ФНЧ – фильтр низких частот

ИНИ – измеритель нелинейных искажений ИМС – интегральная микросхема ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ОЗУ – оперативное запоминающее устройство ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика УСАПП – универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик ЭВМ – электронно-вычислительная машина КМОП – комплиментарный металл окисел полупроводник

ЦОС – цифровая обработка сигналов БПФ – быстрое преобразование Фурье OSI – Open System Interconnect (эталонная модель взаимосвязи открытых систем) ТТЛШ – транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки ЗУ – запоминающее устройство ВВЕДЕНИЕ К началу двадцать первого века во всем мире построено и эксплуатируется огромное количество проводных линий связи, обеспечивающих передачу сигналов звуковой

частоты. Особенно много линий связи используется в развитых странах (в США и Западной Европе), так как там в последнее время очень бурно развиваются информационные технологии, которые позволяют повысить удобство, обеспечить автоматизацию различных сфер деятельности современного человека. В настоящее время для высокоскоростной связи применяются оптоволоконные кабели, но для их введения в эксплуатацию требуются большие финансовые вложения.

В тоже время исторически первыми линиями связи были проводные линии связи звуковой частоты, и к настоящему моменту их проложено и эксплуатируется достаточно много. Целесообразно полностью использовать их возможности. Для качественной и надежной передачи по таким линиям связи сигналов звуковой частоты необходимо знать и периодически проверять параметры данных каналов связи.

Каналы связи, не обладающие параметрами, заданными в ГОСТ 11515-91, ГОСТ 21655-87, приказом МС РФ №43 от 15.04.96 г. и Рекомендациями МСЭ-Т J.21, J.23, G.712, G713 не обеспечивают требуемого качества передачи сигналов и не допускаются к эксплуатации. Проверки каналов связи на соответствие заданным параметрам проводятся периодически, поскольку с течением времени линии связи стареют, меняют свои параметры и в итоге выходят

из строя. Поскольку номенклатура измеряемых показателей, при проверке качества линий связи, довольно велика, в данном дипломном проекте разрабатывается устройство, позволяющее измерять среднеквадратический уровень сигнала с частотой 1020 Гц, коэффициент гармоник и частоту тонального сигнала звуковой частоты, поданного на вход анализатора. До настоящего времени для измерения практически каждой характеристики канала связи приходилось пользоваться отдельным прибором.

В ГОСТе указывался порядок проведения измерений и название прибора, выпускаемого советской промышленностью и предназначенного для выполнения данного вида измерений. Другими словами, что бы измерить коэффициент гармоник нужен был ИНИ( Измеритель нелинейных искажений), для измерения частоты сигнала применялись частотомеры, уровень сигнала измерялся вольтметром. Необходимость использования большого количества тяжелых и громоздких

приборов, отсутствие автоматизации проведения измерений создает значительные неудобства оператору. Элементная база, производимая в Америке и Европе, за последнее время значительно улучшила свои характеристики и одновременно стала достаточно дешевой и доступной даже для россиян. Значительные успехи западных компаний по производству быстродействующих и многоразрядных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей с хорошими характеристиками, производство быстродействующих цифровых

сигнальных процессоров, предназначенных для работы в реальном масштабе времени, позволили создавать малогабаритные, экономичные и достаточно дешевые устройства различного назначения. Поэтому появилась возможность совместить в одном небольшом корпусе все приборы, необходимые для тестирования проводных каналов связи. Дипломный проект посвящается разработке именно такого устройства. 1 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 1.1 Принципы построения цифровых генераторов звуковых частот

В современной радиоэлектронной промышленности очень часто используются различного рода генераторы. Раньше, до широкого распространения и удешевления цифровой элементной базы, использовались в основном аналоговые устройства. Задачей генератора является преобразование энергии источника питания в энергию электрических колебаний необходимой формы и частоты. Для построения генераторов используются усилители с положительной обратной связью.

Для превращения усилителя в генератор необходимо выполнение условий баланса фаз и баланса амплитуд, иными словами необходимо чтобы обратная связь была положительной, а усиление достаточным для компенсации потерь в цепи обратной связи. Стабильность генератора – это его способность генерировать заданную частоту без дрейфа. Дрейф генератора определяется стабильностью его компонентов. Физические и электрические параметры компонентов изменяются в зависимости от температуры, давления,

влажности и питающих напряжений. Кроме того, на частоту генерируемого сигнала влияет разброс параметров элементов, входящих в схему. В настоящее время в связи с развитием цифровой и микропроцессорной техники, увеличением степени интеграции микросхем, имеется возможность генерации сигналов практически любой формы. Схемы применения цифро-аналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код - аналог. Пользуясь их свойствами можно определять произведения двух или более сигналов, строить

делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы. Большое внимание уделяется решению задачи синтеза синусоидальных колебаний с частотами, задаваемыми с высокой точностью[4]. Возможны три цифровых метода получения синусоидальных колебаний: 1.Метод с использованием таблицы 2.Метод рекурсивных вычислений 3.Метод, сочетающий использование таблицы

и рекурсивные вычисления. Обобщенная структурная схема первого метода показана на рисунке 1.1.1 Рисунок 1.1.1 Количество разрядов адресного регистра обращения к таблице синусов может превышать величину log2M (здесь М – размер таблицы синусов), которая необходима для вызова любого отсчета таблицы. Дело в том, что наименьшее приращение адреса определяет минимально возможное значение синтезируемой частоты. Например, таблица синусов может содержать

М = 1024 отсчета, тогда как регистр адреса может иметь 20 разрядов. Это означает, что если приращение адреса равно единице, то 1024 раза подряд будет выбираться один и тот же отсчет синуса, после чего произойдет переход к следующему отсчету и т. д. При таких малых приращениях адреса получаемая цифровая синусоида будет очень неточной, а возникающие при этом искажения в спектре трудно устранить с помощь фильтра нижних частот.

Описанная ситуация представлена на рисунке 1.1.2 Рисунок 1.1.2 Для получения идеальной синусоиды необходимо, чтобы спектр искажений, обусловленных цифровым методом формирования синусоиды, располагался выше частоты среза аналогового фильтра нижних частот. Вместо выбора отсчетов синусоиды из таблицы их можно рассчитывать с помощью простой рекурсивной формулы. Действительно, пусть x(n) – комплексная экспонента вида exp(2pkn/NT).

Тогда устройство, работающее согласно формуле X(n)= exp[(j2pk/NT)x(n-1)], будет генерировать требуемую комплексную экспоненту, причем ее действительная часть будет косинусоидой, а мнимая – синусоидой частоты F= k/NT. При таком подходе, если не принимать во внимание эффекты квантования, можно получить идеальную цифровую синусоиду без обращения к таблице. Система (рисунок 1.1.3) начинает работу при поступлении внешнего единичного импульса. Изменение частоты достигается путем изменения значения к в показателе

степени коэффициента умножителя, причем предусматривается также восстановление фазы при приходе внешнего импульса или использование последнего выходного отсчета в качестве нового начального условия [4]. Рисунок 1.1.3 К настоящему времени синтезаторы частот рассматриваемого типа еще не построены, поскольку существует опасение, что в такой системе будут накапливаться нежелательные шумы квантования. С другой стороны, из теории предельных циклов следует, что устойчивые колебания всегда будут иметь

место. Однако неясно, будут ли они пригодны для получения чисто синусоидальных аналоговых колебаний. Еще одной причиной, препятствовавшей созданию устройства рассматриваемого типа, является неравномерность сетки часто, связанная с квантованием коэффициентов. Третий способ получается сочетанием первых двух. Он заключается в использовании и вычислений и таблицы синусов. В техническом задании указано, что кроме гармонического сигнала, проектируемое устройство должно

формировать меандр и пилообразный сигнал. Формирование пилообразного сигнала и меандра с различной скважностью проще всего реализовать вычислением отсчетов по соответствующим формулам. Для пилообразного сигнала: y(n)= kd, k= ( n mod N), d – константа Mod – операция взятия остатка от деления нацело. На рисунке 1.1.4 показан пилообразный сигнал, сформированный по этой формуле. Рисунок 1.1.4 Меандр формируется по формуле: y(n)= d, при (n mod (N+M)) <

N y(n)= 0, при других n Вид получаемого сигнала показан на рисунке 1.1.5 Рисунок 1.1.5 Принимая во внимание все выше сказанное, было принято решение для получения точного гармонического сигнала формировать отсчеты с помощью вычислений, причем чтобы исключить накопление шумов квантования вычисления производятся с помощью прямой формулы (y(n)= Acos(2&#960;fnT), где f – частота, Т – интервал дискретизации), а не рекурсивной.

Вычисления отсчетов в реальном масштабе времени (т.е. одновременно с генерацией сигнала) требуют достаточно быстродействующего, а, следовательно, и дорогого, микропроцессора. Поэтому принято решение перед началом генерации вычислять массив отсчетов подлежащего генерации сигнала и записывать его в оперативное запоминающее устройство. Требования к системе позволяют применить данный способ формирования сигнала.

Размер массива рассчитывается таким образом, чтобы в него укладывалось не менее одного периода, подлежащего генерации сигнала. Генерация сигнала производится периодическим повторением вычисленного фрагмента. Оценим необходимый размер буфера для массива отсчетов, подлежащего генерации сигнала. Из курса теории сигналов, известно, что импульсный периодический сигнал имеет дискретный спектр. Спектр периодического сигнала представлен на рисунке 1.1.6.

Рисунок 1.1.6 Тп – период повторения сигнала F – частота основного тона равная 1/ Тп Спектр периодического сигнала содержит только гармоники с частотой кратной частоте основного тона. Частота основного тона обратнопропорциональна периоду сигнала. Согласно техническому заданию шаг изменения частоты 1 Гц. Периодический сигнал обладающий этим свойством должен иметь период повторения равным одной секунде.

Размер массива отсчетов, подлежащего генерации сигнала, связан с периодом дискретизации. Частота дискретизации является количеством отсчетов необходимых для генерации единицы времени сигнала (одной секунды). В подобных системах частота дискретизации выбирается по теореме Котельникова (Частота дискретизации должна быть больше чем удвоенная верхняя частота дискретизируемого сигнала). Стандартная частота дискретизации 48 кГц полностью удовлетворяет условиям теоремы

Котельникова. Таким образом, для генерации сигнала необходим буфер содержащий не менее 48000 отсчетов сигнала (48000*16 бит= 93,75кБайт). Подлежащий генерации сигнал изначально является последовательностью дискретных отсчетов в двоичном коде. Разрядность двоичного кода и частота дискретизации определяет точность представления аналогового сигнала. Данная последовательность двоичных отсчетов с частотой дискретизации поступает на цифроаналоговый преобразователь, который каждый период частоты дискретизации выдает напряжение,

пропорциональное поступившему на его вход двоичному числу. Максимально возможное напряжение, которое может быть получено на выходе цифроаналогового преобразователя определяется опорным напряжением, поданным на него, и ограничивается только паспортными характеристиками. Таким образом, на выходе цифроаналогового преобразователя получается сигнал ступенчатой формы, для сглаживания которого применяют фильтры низкой частоты.

На рисунке 1.1.7 слева изображено напряжение на выходе ЦАП а справа – напряжение с выхода ЦАП прошедшее через ФНЧ. Рисунок 1.1.7 где U – напряжение t - время Данный фильтр должен пропускать без ослабления сигналы звуковой частоты с 20 до 20000 Гц и ослаблять высокочастотный шум, вносимый цифро-аналоговым преобразователем. Обычно используют фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя различных порядков.

Частоту среза данных фильтров при расчете берут большей, чем 20кГц, так как на частоте среза фильтра мощность сигнала ослабляется в 2 раза, а нам необходимо пропустить сигналы звуковой частоты без ослабления. Фильтр Баттерворта имеет плавно спадающую к верхним частотам АЧХ, крутизна, которой увеличивается при увеличении порядка фильтра. Фильтр Чебышева имеет равновеликие пульсации либо в полосе пропускания, либо в полосе затухания, величина

которых зависит от порядка фильтра. Вид фильтра выбирают исходя из конкретных требований к изделию и применяемых технических решений. После фильтра получается плавно изменяющееся напряжение звуковой частоты. Достижения цифровой техники позволяют в настоящее время всего на нескольких микросхемах построить высококачественный, дешевый и надежный генератор, обладающий широкими возможностями формирования сигналов. 1.2 Разработка структурной схемы измерителя Исходя из требований технического задания, в состав изделия

входят следующие устройства: - персональный компьютер; - интерфейс RS232; - микропроцессор; - блоки памяти; - АЦП и ЦАП; - источники питания. Для удобного управления ходом измерений и отображения результатов измерений в удобном для пользователя виде, а также для проведения вычислений на компьютер необходимо установить соответствующее, специально написанное для этих целей, программное обеспечение.

Для связи персонального компьютера с блоком измерителя необходим интерфейс RS232. Через этот интерфейс будет осуществляться передача команд от ПЭВМ (Персональная электронно-вычислительная машина) к блоку измерителя и получение ответов и выборки сигнала от блока. Таким образом, осуществляется управление процессом измерений. Для управления блоком измерителя и формирования сигналов, подлежащих генерации, в двоичном виде необходим

микропроцессор. Микропроцессор будет функционировать в соответствии с программой записанной в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Для хранения данных в процессе работы микропроцессору необходимо оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Для приема данных из интерфейса RS232 и передачи данных через данный интерфейс необходимо устройство сопряжения интерфейса RS232 и микропроцессора. Данное устройство должно состоять из преобразователя стандартных уровней сигналов

интерфейса RS232 (-12В и +12В) в уровни ТТЛ (Транзисторно-транзисторная логика) (0В и +5В). Далее последовательный код, используемый интерфейсом RS232, должен быть преобразован в параллельный для возможности передачи полученных через интерфейс RS232 байт по шине данных в микропроцессор и наоборот. Для формирования аналогового сигнала из дискретного двоичного сигнала, сформированного процессором,

используется цифроаналоговый преобразователь. Для получения двоичной выборки аналогового сигнала используется аналого-цифровой преобразователь. Для управления амплитудой генерируемого сигнала и затухания входного сигнала, а также подключения (отключения) выхода генератора к входу анализатора используется устройство коммутации и аттенюации. Периодически подключая выход генератора измерителя к входу анализатора, осуществляется проверка работоспособности изделия. Для коммутации используются реле.

Управление реле осуществляется уровнями ТТЛ, поступающими с регистра управления, которые служат для запоминания состояния измерителя. В качестве аттенюаторов используются ЦАПы (Цифро-аналоговый преобразователь). Данный ЦАП упрощенно можно представить в виде двух прецизионных резисторов R1 и R2, причем R2 перестраивается входным цифровым сигналом, поступающим на ЦАП, с высокой точностью. Если включить данные два резистора вместе с внешним операционным усилителем,

как показано на рисунке 1.2.1, то получается схема с управляемым цифровым сигналом усилением, где коэффициент усиления равен отношению величин сопротивлений R1 и R2, которое в свою очередь определяется управляющим цифровым сигналом, поступающим на ЦАП. Рисунок 1.2.1 Управляя затуханием (усилением) входного сигнала с помощью ЦАП, добиваемся такого размаха сигнала, который обеспечивал бы максимальное использование динамического

диапазона АЦП (Аналого-цифровой преобразователь), включенного сразу после устройства коммутации и аттенюации. Максимальное использование динамического диапазона позволяет получить наилучшую точность определения амплитуды входного сигнала. Для функционирования всех элементов данного устройства необходим источник питания. Поскольку данное устройство будет эксплуатироваться в помещениях, а основным источником питания в помещениях является электрическая сеть с переменным напряжением 220В 50Гц, блок питания данного устройства

должен обеспечивать преобразование данного напряжения. В проектируемом устройстве для питания большинства микросхем необходимо постоянное напряжение 5В. В схеме присутствуют операционные усилители, для питания которых используется разно полярное напряжение. Для обеспечения необходимого динамического диапазона генерируемых и анализируемых сигналов напряжение питания операционных усилителей должно быть +15В и –15В.

Таким образом для функционирования проектируемого устройства необходим блок питания, преобразующий переменное напряжение 220В 50Гц в постоянное напряжение +5В, +15В и –15В. Структурная схема измерителя показана на рисунке 1.2.2 Рисунок 1.2.2 1.3 Разработка электрической принципиальной схемы процессорного блока 1.3.1 Разработка состава схемы процессорного блока Микропроцессорный блок осуществляет управление измерителем

в целом и обменом данными с ПЭВМ. Поэтому в состав схемы микропроцессорного блока входит, прежде всего, ЦПОС (Цифровой процессор обработки сигналов). Для обеспечения сброса микропроцессора, необходимо на вывод RST микропроцессора подать нулевой сигнал в течение 10 тактов. Это можно осуществить с помощью специальной микросхемы сброса. Значит, в состав схемы проектируемого устройства надо включить одну такую микросхему.

Для тактирования микропроцессора будем использовать генератор тактовой частоты. Для хранения программы микропроцессора нужна микросхема ПЗУ. Для хранения команд полученных от ПЭВМ и формирования ответов необходима микросхема ОЗУ. Для преобразования уровней сигналов RS232 (+12В 12В) в уровни ТТЛ (0 +5В) с которыми работают цифровые микросхемы измерителя, необходима микросхема преобразователя

уровней. После выполнения преобразования уровней, необходимо последовательный код интерфейса RS232 преобразовать в параллельный, для возможности передачи по шинам данных процессора и микросхем памяти. Данное преобразование осуществляет микросхема универсального синхронно-асинхронного приемо-передатчика (УСАПП). Тактовая частота работы УСАПП определяется кварцем. Поскольку микросхемы ПЗУ, ОЗУ и УСАПП находятся в одном адресном пространстве, для выбора определенной

микросхемы, работающей в данный момент на шину данных, используются сигналы выбора микросхемы (CS – chip select). Эти сигналы формируются тремя старшими адресами шины адреса микропроцессора с помощью дешифратора. Три комбинации сигнала шины адреса преобразуются в шесть сигналов выбора микросхемы. Для подачи питания на измеритель используется разъем. Так как питающее напряжение измерителя +5В, +15В и -15В, разъем нужен на четыре контакта.

Для тактирования ЦАП и АЦП необходима частота 12.5МГц, получаемая делением частоты тактового генератора микропроцессора 50МГц на 4 с помощью четырехразрядного счетчика. 1.3.2 Выбор микропроцессора Главным компонентом процессорного блока является микропроцессор. В настоящее время выпускается большое количество микропроцессоров с различными характеристиками. В основном микропроцессоры производятся за рубежом.

В системах цифровой обработки сигналов и управления в реальном масштабе времени применяют специализированные цифровые процессоры обработки сигналов . Реальный масштаб времени подразумевает, что время обработки очередной выборки сигнала меньше периода получения выборок. Современные цифровые процессоры обработки сигналов являются сложными устройствами с большими возможностями. Фирмы-производители ЦПОС выпускают большое количество самых разнообразных процессоров с различными

характеристиками. ЦПОС используются в самых различных областях, начиная с применений в устройствах радиолокации и заканчивая бытовыми приборами. Естественно, не существует идеального процессора для всех областей применений. Для каждой из них при реализации различных алгоритмов ЦОС оказываются важными те или иные характеристики процессоров. Рассмотрим характеристики ЦПОС, которые важны при выборе процессора для конкретной разработки и обычно

приводятся в различных таблицах для сравнения. Тип арифметики. Форма представления данных с плавающей или с фиксированной точкой. Процессоры с фиксированной точкой (ФТ) и плавающей точкой (ПТ) отличаются способностью обрабатывать сигналы и данные, использующие соответствующие формы представления. При этом следует иметь в виду, что все процессоры с

ПТ имеют набор команд для обработки данных как с ФТ. Так и с ПТ, т. е. Являются в этом смысле универсальными. С другой стороны, в процессорах с ФТ всегда можно организовать обработку данных с ПТ, но программным образом. Соответствующие программы преобразования и обработки данных требуют достаточно много времени для выполнения. Основные преимущества процессоров с

ПТ: - при использовании 32 разрядов и ПТ существенно повышается точность внутреннего представления данных; - существенно расширяется возможный динамический диапазон сигналов и данных; - при использовании процессоров с ПТ снимается проблема масштабирования данных с целью избежать переполнения при выполнении различных операций. Достоинства процессоров с ПТ приводят к тому, что при их использовании построение системы ЦОС становится более легким и быстрым. Разрядность данных.

Все обычные ЦПОС с плавающей точкой используют слово данных длиной в 32 бита. Для ЦПОС с фиксированной точкой обычный размер слова данных = 16 битов. ЦПОС фирмы Motorola применяет слово данных в 24 бита. Большинство процессоров допускают обработку с двойной точностью. Быстродействие. Одним из самых важных параметров с точки зрения конкретных применений является быстродействие

процессора. Для характеристики быстродействия используют различные параметры, однако все они определяют только конкретные стороны проблемы. Реальнее характеризует быстродействие системы время решения различных реальных задач и тестов. Тактовая частота работы процессора и связанное с ней время командного цикла. Как правило, при описаниях процессоров обычно указывается внешняя тактовая частота, подаваемая на процессор. Она может отличаться от внутренней частоты работы из-за наличия системы деления или умножения частоты.

Для последних процессоров, в которых внешняя частота может изменяться в широких пределах, чаще указывают внутреннюю частоту работы процессора. Время командного цикла связано с внутренней частотой работы процессора. Так как отдельная операция в процессоре может выполняться как за несколько циклов, так и за один, время командного цикла является самой неоднозначной характеристикой быстродействия процессора. К тому же, в некоторых процессорах используется параллельное выполнение команд и параллельная работа

нескольких операционных модулей. Поэтому время цикла полностью не характеризует реально выполняемую процессором работу. Количество миллионов команд, выполняемых за секунду MIPS (Million instructions per second). В ЦПОС используются различные команды, в том числе комбинированные, в соответствии с которыми одновременно выполняется несколько операций. Кроме того, существуют процессоры с несколькими АЛУ (Арифметико-логическое устройство) в которых применяются

длинные команды, а так же процессоры с архитектурой VLIW (Very large instruction word). Таким образом одной команде в разных процессорах соответствует различная выполняемая работа. Поэтому характеристика MIPS неоднозначно определяет быстродействие процессора. Количество миллионов операций за секунду MOPS (Millions operations per second). Эта характеристика более однозначно, по сравнению с другими, характеризует быстродействие, т. к. учитывает

выполнение параллельных команд и одновременную работу нескольких операционных модулей. Однако нет стандартного определения операции. Иногда к выполняемым операциям относят и выборки команд, и запись в память полученных результатов. Количество миллионов операций с плавающей точкой за секунду VFLOPS (Millions of floating-point operations per second). Эта характеристика используется в процессорах с плавающей точкой.

К ней относится все сказанное относительно MOPS. Количество операций MAC в единицу времени. Возможный путь определения производительности состоит в выборе единой простой операции для целей сравнения. Для прикладных программ ЦОС естественным является выбор операции умножения-накопления MAC, которая является основной для алгоритмов ЦОС.

Объем и разновидности внутренней памяти (ROM, OTP ROM, RAM, Flash, кэш). Эти характеристики определяют многие параметры и возможности разрабатываемой системы. Наличие памяти типа ROM (ПЗУ, программируемого при изготовлении процессора) позволяет заказывать ЦПОС с записанной программой работы системы. Такой вариант использования ЦПОС экономически оправдан при крупносерийном производстве.

Память типа OTP ROM (One time programmable ROM, однократно программируемое ПЗУ) позволяет моделировать и тестировать систему при отработке программного обеспечения, а также изготавливать единичные и мелкосерийные образцы. Память типа Flash позволяет неоднократно перезаписывать программу и данные в процессоре, в том числе и на рабочем месте, т. е. Непосредственно на изготовленной плате системы. Объем и разновидности памяти типа

RAM определяют возможности построения системы без использования внешней памяти, как для хранения данных, так и загружаемой программы. Объем адресного пространства памяти определяется разрядностью шины адреса и характеризует возможный общий объем памяти, используемой в системе. Количество и разновидности портов последовательного ввода информации определяют возможности системы с точки зрения связи с различными внешними устройствами.

Внутренние периферийные устройства. Используемые в ЦПОС периферийные устройства можно условно разделить на устройства общего применения (типа таймеров) и проблемно-ориентированные устройства (кодеки, компрессоры, сопроцессоры и т. д.). Последние облегчают построение специализированных цифровых систем. Наличие и количество каналов DMA (Direct Memory Access).

Прямой доступ к памяти позволяет общаться с внешними устройствами, в том числе записывать отсчеты входного сигнала (выводить полученные отсчеты выходного сигнала) без использования ресурсов и затрат времени ЦПОС. Это очень эффективная особенность, облегчающая построение высокопроизводительных систем. Напряжение питания и потребляемый ток. Характеристики процессора, особенно важные при построении переносимых систем с батарейным питанием. С этими характеристиками связан такой показатель, как потребляемая мощность.

Следует отметить, что потребляемая мощность существенно зависит от выполняемой программы и как правило, не приводится. Многие производители предлагают низковольтовые (3,2 В, 2,5 В или 1,8 В) версии процессоров, которые потребляют гораздо меньше мощности, чем пятивольтовые эквиваленты при той же производительности. Процессор может работать в различных режимах, в том числе в режиме ожидания (Idle), при нахождении в котором ряд внутренних модулей отключается и не потребляет

энергии. Поэтому потребляемый ток иногда приводят для различных режимов работы. Многие современные процессоры с пониженным напряжением питания используют различное напряжение для ядра процессора и периферийных устройств. Некоторые ЦПОС позволяют программно отключать неиспользуемые периферийные устройства. Комбинированные относительные показатели типа «мощность-ток-быстродействие».

Естественным свойством любых электронных устройств, в том числе и ЦПОС, является повышение потребления мощности при увеличении быстродействия. Поэтому многие фирмы в качестве показателя эффективности процессора используют удельные относительные показатели потребления энергии или тока, отнесенные к некоторой единице быстродействия, например показатель ma/MIPS. Иногда в такие удельные показатели включают и стоимость процессора.

Наличие различных средств и информационных ресурсов сопровождения разработки. Виды сопровождения разработки цифровой системы на конкретном процессоре могут быть самые разнообразные( наличие и состав пакетов программного обеспечения разработки, наличие и состав средств отладки систем, наличие и доступность документации, информационная поддержка, существование библиотек стандартных программ и математических функций, наличие совместимых с процессором устройств преобразования данных

АЦП, ЦАП). Выбор процессора для конкретной разработки целиком определяется назначением разрабатываемой системы. В процессе поиска микропроцессоров были найдены следующие виды ЦПОС, представленные в таблице 1.3.2.1 Таблица 1.3.2.1 Тип ЦПОС Фирма изготовитель Время командного цикла, нс Представление чисел, разрядность Внешняя память Технология

Потребляемая мощность, Вт ADSP2102 Analog Device 80 ФЗ, 16 бит 16К*16 КМОП 1 DSP32C AT&T ME 80 ПЗ, 24 бит 16М*8 КМОП 1,9 HD61810 Hitachi 250 ПЗ, 16 бит 64К КМОП 0,25 DSP56001 Motorola 97,5 ПЗ, 24 бит 128К*24 КМОП 0,45 PD77C20 NEC 250 ФЗ, 16 бит - КМОП - TMS32010 Texas

Instruments 200 ФЗ, 16 бит 4К*16 КМОП 1 TMS320C31 Texas Instruments 50 ПЗ, 32 бит 16М КМОП 0,85 Из данной таблицы следует, что наиболее предпочтительным для использования является процессор TMS320C31, поскольку он обладает достаточно высоким быстродействием, относительно малой потребляемой мощностью, широким адресным пространством внешней памяти и удобной для программирования архитектурой с ПЗ и 32 разрядными данными.

Кроме того, процессоры серии TMS320C3x хорошо известны, в том числе, на российском рынке. Учитывая огромный накопившийся для этого процессора объем программного обеспечения, разработчики фирмы Texas Instruments воспроизвели это семейство на современной технологии (0,18 мкм вместо 0,65мкм), существенно улучшив его качественные показатели и одновременно снизив цену [3]. Таким образом, выбираю микропроцессор TMS320C31. 1.3.3

Выбор ПЗУ и ОЗУ По функциональному назначению и областям применения запоминающие устройства (ЗУ) подразделяются на оперативные с произвольной выборкой информации (ОЗУ), применяющиеся, например, в основной памяти вычислительных машин, и постоянные ЗУ с программированием на стадии изготовления (ПЗУ) или пользователем (ППЗУ), предназначенные для хранения программ или для блоков микропрограммного управления вычислительных машин, генераторов символов, таблиц. Разновидностью

ППЗУ являются ЗУ с перепрограммированием - так называемые репрограммируемые ЗУ (РПЗУ), применяемые для отладки программ, когда необходима многократная смена информации. ОЗУ бывают статического и динамического типов. В динамических ЗУ информация хранится в виде электрического заряда на МОП-конденсаторе. Вследствие утечки накопленного заряда требуется его регенерация.

Необходимость использования дополнительных схем регенерации и иногда трех источников питания с различным напряжением является недостатком схем данного типа. Однако благодаря большей степени интеграции и низкой стоимости ЗУ этого класса широко применяются в основной памяти вычислительных машин, в периферийных и буферных устройствах . В отличие от ОЗУ динамического типа в запоминающей ячейке статических

ОЗУ используются потенциальные триггеры. Поэтому для этих ОЗУ в регенерации необходимости нет. Для их работы, как правило, необходим только один источник питания. Основным параметром для выбора микросхемы ПЗУ и ОЗУ является объем ее памяти. Поскольку программа, по которой работает микропроцессор, имеет объем 28К байт, микросхема памяти ПЗУ должна быть объемом 256М бит. В настоящее время микросхемы

ПЗУ и ОЗУ производит большое количество фирм (AMD, Atmel, Microchip и т.д), причем параметры у них примерно одинаковые. В нашей стране основным критерием выбора микросхем является цена и наличие в продаже данного вида микросхем. В ходе поисков были найдены следующие микросхему ПЗУ, представленные в таблице 1.3.3.1. Таблица 1.3.3.1 Название Производитель Объем 27С512

Microchip 64Kx8 M27C64A STMicroelectronics 8Kx8 M27C516 STMicroelectronics 32Kx16 AM27C4096 AMD 256Kx16 AM27C256 AMD 32KX8 Поэтому в качестве ПЗУ выбираю микросхему AM27C256-200DC, которая имеет наиболее подходящие для проектируемой системы характеристики. Поскольку микропроцессор TMS320C31 является 32 разрядным, для эффективной работа нужна микросхема

ОЗУ с 32 разрядным словом данных. Поскольку статические ОЗУ стоят гораздо дороже динамических и, как правило, имеют небольшой объем памяти, для проектируемой системы целесообразно использовать ОЗУ динамического типа. Оценим необходимый объем ОЗУ. Как было показано выше в разделе 1.1, для генерации сигнала необходим буфер объемом 93,75Кбайт. Кроме того, проектируемая система должна позволять определять частоту сигнала,

подаваемого на ее вход, с погрешностью не более одного герца. Определение частоты сигнала будет осуществляться применением алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) к массиву оцифрованных отсчетов сигнала. После применения БПФ, частота наибольшего по значению отсчета сигнала и будет считаться частотой входного сигнала. Из курса теории сигналов известно, что продискретизированный с частотой

Fд сигнал, а именно такой сигнал мы получаем с выхода АЦП, имеет периодический спектр с периодом равным частоте дискретизации. Применив БПФ к массиву N отсчетов сигнала, полученных с АЦП, получаем один период спектра сигнала (рисунок 1.3.3.1). Рисунок 1.3.3.1 В полученном спектре сигнала содержится

N гармоник. Гармоники отстоят друг от друга на расстоянии Fд/N. Кроме того для эффективного использования алгоритма БПФ необходима выборка сигнала с размером кратным степени двойки. Поскольку частота дискретизации выбрана 48000 Гц и точность определения частоты должна быть 1 Гц, размер выборки сигнала должен быть не менее 48000 отсчетов.

Ближайшим к данному числу число, являющееся степенью двойки, равно 65536. У выборки сигнала размером 65536 отсчетов соседние гармоники в спектре отстоят на расстоянии 48000:65536=0,732 Гц, что удовлетворяет техническому заданию. Требуемый размер буфера для хранения этих данных равен 65536*16= 128 Кбайт. Таким образом для работы данной системы необходим объем памяти не менее 128+93.75= 222.75Кбайт. При проектировании микропроцессорных систем рекомендуется выбирать объем памяти примерно в 2 раза больше

необходимого, поэтому выбираю с запасом микросхему памяти объемом 512Кбайт. В ходе поисков были найдены следующие микросхемы, представленные в таблице 1.3.3.2 Таблица 1.3.3.2 Название Производитель Объем Питание AS7C256 Alliance 32Kx8 5V / 3.3V CY62256 Cypress 32Kx8 5V K6T1008C2E Samsung 128Kx8 5V UT62256 UTRON 32Kx8 5V

AS7S128K32 Alliance 128Kx32 5V Наиболее подходящей является микросхема SRAM фирмы Alliance AS7S128K32. 1.3.4 Выбор дешифратора, счетчика и инвертора Микропроцессор, являющийся основным элементом устройства, оперирует с сигналами ТТЛ уровня, поэтому дешифратор, счетчик и инвертор должны быть микросхемами ТТЛ. На сегодняшний день микросхемы ТТЛ практически полностью вытеснены микросхемами

ТТЛШ, имеющие во внутренней структуре переходы с барьерами Шоттки. Данные микросхемы обладают более высоким быстродействием. Данные микросхемы производятся той же фирмой Texas Instruments, что производит и микропроцессор TMS320C31, серия SN74LSxxxx. Микросхемы изготавливаются по усовершенствованной эпитаксиально-планарной технологии с диодами

Шоттки и оксидной изоляцией, одно- и двухуровневой металлизированной разводкой на основе PtSi-TiW-AlSi. В качестве инвертора выбираю микросхему 74LS04. Дешифратор нужен из 3 на 8. В этой серии имеет 2 вида дешифраторов 3 на 8: SN74LS138J(N) и SN74S138J(N). Но SN74LS138J(N) имеет мощность потребления меньше чем SN74S138J(N). Поэтому выбираю микросхему SN74LS138J(N).

Четырех разрядный счетчик предназначен для деления тактовой частоты 50МГц на четыре для тактирования АЦП и ЦАП. Двоичным 4х разрядным счетчиком, удовлетворяющим требованиям по частоте, является микросхема SN74S161J(N). 1.3.5 Выбор генератора тактовой частоты Генератор служит для выработки тактовой частоты работы микропроцессора. С помощью элементов ТТЛ (буферных, И, ИЛИ) можно проектировать автогенераторы, у которых выходная частота

колебаний превышает 30 МГц. Чтобы автогенератор быстро возбуждался и работал устойчиво во всем диапазоне внешних воздействий, лежащая в его основе усилительная линейка должна быть неинвертирующей с большим коэффициентом усиления, который по возможности следует стабилизировать. Простейший автогенератор получается из двух инверторов, но при этом значение коэффициента усиления невелико. Удобнее включить три или четыре элемент из микросхемы.

На рисунке 1.3.5.1 показана схема автогенератора, в которой положительная обратная связь через конденсатор охватывает два элемента DD1.1 и DD1.2, причем DD1.1 выведен в линейный, усилительный режим с помощью резистора отрицательной обратной связи R1. Элемент DD1.3 применяется здесь как буферный, чтобы уменьшить влияния нагрузки на частоту автогенератора. Частота генерации равна одной трети произведения величин сопротивления и емкости.

Рисунок 1.3.5.1 Данная схема требует наличия дополнительных навесных элементов, обладает низкой надежностью, кроме того, из-за разбросов параметров сопротивления и емкости требуется их подбор. Поэтому для тактирования работы микропроцессора принято решение взять высокостабильный генератор тактовой часты QO105BIC 50MHz. 1.3.6 Выбор микросхемы сброса Микросхемы супервизоров микропроцессоров/микроконтроллеров и других цифровых систем выполняют взросшее

за последнее время количество функций. Кроме формирования сигнала сброса при подаче, пропадании и кратковременном снижении напряжения питания, организации бездребезгового ручного запуска сигнала сброса, микросхемы супервизоров организуют переключение критичных элементов системы на резервное питание, ведут мониторинг напряжения батарей. Они оснащаются встроенными сторожевыми таймерами и ключами подключения к резервному питанию. Для надежного запуска микропроцессора после подачи напряжения питания и блокировки работы микропроцессора

при понижении напряжения питания в схеме применена микросхема супервизора напряжения питания, удерживающая на своем выходе уровень логического нуля при напряжении питания меньшем определенного порога и недостаточном для функционирования микропроцессора. В процессе поиска было найдено достаточно большое количество данных микросхем, производимых различными фирмами (Mitsumi PST529D; Dallas Semiconductor DS1233-15; Analog Devices

ADM705, Maxim MAX705 (супервизор питания с Watch Dog) и т. д.). Выбираю микросхему ADM705AN поскольку она наиболее часто встречалась в каталогах фирм, торгующих электронными компонентами. 1.3.7 Выбор микросхемы УСАПП Микросхемы УСАПП в настоящее время производится многими фирмами и имеют практически одинаковые показатели качества. Поскольку большинство элементов, используемых в схеме является продукцией фирмы

Texas Instruments, чтобы проще было оформлять заказ, я решил взять микросхему УСАПП производства этой же фирмы TL16C550CFN. 1.3.8 Выбор преобразователя уровней В процессе поисков были найдены следующие микросхемы преобразователей уровня, представленные в таблице 1.3.8.1. Таблица 1.3.8.1 Название Производитель Максимальная скорость передачи, кбит/сек

Потребляемый ток, мА ST232 ST-Microelectronics 200 10 ST232A ST-Microelectronics 400 4 MAX3250 Maxim 250 20 SP3222 Sipex 235 4 AD242 Analog Device 120 2 Поскольку использование скоростей интерфейса RS232 больших чем 115200 бит в секунду не планируется, так как это максимально возможная скорость устанавливаемая на ПЭВМ, в проектируемой системе будет использована микросхема преобразователя уровней фирмы

Analog Device AD242. 1.3.9 Описание электрической принципиальной схемы процессорного блока Через разъем X1 в схему блока измерителя подается напряжение питания, питающее микросхемы и операционные усилители. Генератор DD2 предназначен для тактирования микропроцессора частотой 50МГц. Счетчик DD4 предназначен для деления опорной частоты на 4 для формирования сигнала тактирования ЦАП и АЦП. Микросхема DD1 предназначена для формирования сигнала сброса микропроцессора.

Микросхема декодера DD7 предназначена для формирования из 3х линий старших адресов A19, A20, A21 сигналов выбора микросхемы памяти, УСАПП, записи в регистр, записи кода усиления в логарифмические ЦАП. Разъем X2 используется для подключения провода интерфейса RS232. С разъема сигнал поступает на преобразователь уровней DD10 для преобразования уровней интерфейса RS232 (+12В 12В) в уровни

ТТЛ (0В +5В). После преобразования уровня напряжений сигал поступает на микросхему УСАПП DD9. УСАПП осуществляет преобразование последовательного кода интерфейса RS232 в параллельный код. При поступлении на УСАПП очередного байта от ПЭВМ данная микросхема вырабатывает сигнал прерывания. На процессоре входы прерываний являются инверсными поэтому сигнал прерывания от

УСАПП подключается к входу прерываний процессора через инвертор DD5. Для тактирования УСАПП используется кварцевый резонатор ZQ1 включенный вместе с конденсаторами С1 и С2. Микропроцессор DD3 является ядром системы. Он работает по программе записанной в ПЗУ DD6. Для хранения промежуточных данных и т.п. используется микросхема

ОЗУ DD8. 1.4 Разработка электрической принципиальной схемы блока формирования и управления 1.4.1 Разработка состава блока формирования и управления Блок формирования и управления предназначен для генерации заданного сигнала, оцифровки входного сигнала и коммутации входных и выходных цепей. Для формирования аналогового сигнала из двоичного кода используется ЦАП. Для регулировки амплитуды входного и выходного сигнала также используется

ЦАП, но другого типа. Затухание (усиление) входного сигнала, которого зависит от двоичного кода, поданного на входы данных этого ЦАП. Для преобразования аналогового сигнала в двоичный код и передачи его в микропроцессор используется АЦП. Для коммутации входных и выходных цепей используются реле. Управление реле осуществляет регистр, в который записывается текущее состояние блока измерителя. Также для работы схемы используются операционные усилители.

1.4.2 Выбор ЦАП В процессе поисков были обнаружены следующие цифро-аналоговые преобразователи, представленные в таблице 1.4.2.1.