Полтавський Військовий ІнститутЗв’язку
Кафедрасхемотехніки радіоелектронних систем
.
ОБЧИСЛЮВАЛЬНА ТЕХНІКА ТА МІКРОПРОЦЕСОРИ
напрямпідготовки 0924 «Телекомунікації»
МПС цифрового оброблення сигналів.
Полтава– 2006
Навчальналітература.
1. Мюллер,Скотт. Модернізація і ремонт ПК, 16-е изд.: – М.: Издательский дом «Вильямс»,2006. с. 677 – 723.
ЗМІСТЛЕКЦІЇ ТА МЕТОДИКА ЇЇ ВИКЛАДЕННЯ
1. Загальні поняття про МПС ЦОС
Алгоритми ЦОС використовуються для виконання таких операцій, якфільтрація, формування сигналів, виділення сигналів на фоні перешкод,розпізнавання образів і багатьох інших. Раніше ці задачі вирішувалисятрадиційними методами аналогового оброблення сигналів, але дані методи маютьбагато недоліків, а саме: невисоку точність перетворень, нестабільністьхарактеристик, низьку надійність, і інші. Використання методів ЦОС дозволяєдосягнути якісного поліпшення характеристик реалізованої апаратури.
Сучасні системи ЦОС будуються на основі процесорів цифрових сигналів(ПЦС).
Сигнальнимимікропроцесорами (СМП) або процесорами цифрових сигналів називаютьспеціалізовані процесори, призначені для виконання алгоритмів цифрової обробкисигналів (ЦОС) у реальному масштабі часу.
Стандартна схема МПС ЦОС зображена на рис.1.
/>
Рис. 1. Схема МПС ЦОС
Аналоговий сигнал X(t) перетворюється вцифрову форму в аналого-цифровому перетворювачі (АЦП) і, у виглядіпослідовності багаторозрядних двійкових слів X(kt), надходить у СМП. СМП виконує перетворення вхідної послідовності увихідну Y(kt)відповідно до визначеного алгоритму ЦОС.
Вихіднапослідовність двійкових слів Y(k) надходить на вхід цифроаналоговогоперетворювача (ЦАП), де формується вихідний аналоговий сигнал Y(t). Fgтут – сигнал опорної частоти, яка є частотою дискретизації АЦП та тактовоючастотою СМП одночасно.
У процесі аналого-цифровогоперетворення можна виділити три етапи: дискретизацію за часом, квантування зарівнем і кодування. Розглянемо сутність цих процесів. При цьому будемо вважати,що в цифрову форму перетвориться сигнал, поданий у формі змінної напруги (див.рис.2).
/>/>/>
Uc />101 101 101 011 010 010 010 011 100 101
д)
Рис.2. Перетворення аналогового сигналу у цифровий
Хай сигнал Uc,що підлягає перетворенню має вигляд, показаний на рис.2а.
Дискретизаціяза часомполягає в тому, що перетворений сигнал Uc подається не безперервноїпослідовністю своїх значень, а лише окремими вибірками, відліками Uд,узятими через однакові проміжки часу Тд, називані інтервалами часовоїдискретизації (див. рис.2в).
Очевидно, що чимменше інтервал дискретизації Тд (чим вище частота дискретизації Fд,тим більше відліків буде узято за одиницю часу), тим точніше дискретний сигналбуде відтворювати вхідний аналоговий. Зі збільшенням же Тд ступіньспотворень перетвореного сигналу зростає.
Для точного відтворення характерузміни безперервного сигналу його дискретними вибірками необхідно виконати умоватеореми дискретизації (теореми Котельникова):
/> або />,
де Fmax–складова у спектрі безперервного сигналу, що має найбільшу частоту.
Тобто,частота дискретизації (проходження вибірок сигналу) повинна перевищувати (чи,як мінімум, дорівнювати) подвоєну максимальну частоту спектра сигналу, що перетворюєтьсяв цифровий вигляд.
Квантуванняза рівнем полягає в наступному. Створюється(наприклад, за допомогою набору компараторів) сітка так званих рівнівквантування (див. рис.2с), строго фіксованих і зсунутихвідносно один одного на величину D, що назівають кроком квантування. Далі отримані в результатідискретизації значення відліків вхідної напруги Uд замінюються найближчими до них рівнями із сітки, що, зрозуміло, породжуєпомилки квантування сигналу. Помилка квантування значень сигналу /> (шум квантування) виявляється в межах:
/>.
Отже, зі збільшенням числа рівнів квантування в заданому діапазонізначень напруги, тобто зі зменшенням кроку квантування D, шум квантування зменшується.
Кодування полягає у заміні рівнів квантування, що є вибірками перетвореногосигналу на їхні порядкові номери (див. рис.2с), подані у двійковому коді. Отримана послідовність двійкових чисел(див. рис.2д), є результатом перетворенняаналогового сигналу на цифровий. Зрозуміло, що збільшення числа рівнівквантування з метою зменшення шумів квантування приводить до необхідностізбільшення розрядності двійкового коду, який відображує відліки цифровогосигналу.
2. Аналого-цифровіперетворювачі.
Основнимихарактеристиками АЦП є:
· точність;
· роздільназдатність, що визначається розрядністю АЦП і максимальним діапазоном вхідноїаналогової напруги;
· швидкодія,що характеризується часом перетворення, тобто інтервалом часу від моменту змінисигналу на вході до появи на виході сталого коду.
По своїй структурі (способу побудови) АЦП поділяються на два типи: іззастосуванням ЦАП і без них.
2.1. АЦП із проміжним перетворенням напруги в часовийінтервал.
Схема АЦП із проміжним перетворенням вхідної напруги в часовий інтервалподана на рис.3, а тимчасові діаграми, що пояснюють його роботу – на рис.4.Відповідні один одному діаграми на рис.4 і точки схеми на рис.3 позначеніоднаковими цифрами.
До складу перетворювача входять: ГЛЗН – генератор напруги, що лінійнозмінюється; ГІП – генератор імпульсної послідовності; К1 і К2 – компаратори,лічильник, JK-тригер, кон’юнктор.
Компаратор є, по суті, диференціальним підсилювачем, але з обмеженоювихідною напругою. Він порівнює наявні на двох його входах напруги. Узалежності від того, яка з них більша, на виході компаратора одержуємо чипозитивну, чи негативну напругу Us. Слід зазначити,що Us лише по своєму знаку, але не заабсолютним значенням залежить від різниці напруг на входах. Це абсолютнезначення залишається постійним незалежно від того, яку різницю напруг –позитивну чи негативну маємо на входах компаратора. Тому +Us може бути використане в якості логічної 1, а Us – у якості логічного 0.
Робочий цикл перетворювача може бути описаний у такий спосіб. Черговийтактовий імпульс, що надходить на вхід ТИ (діаграма 1), встановлює в нульовийстан лічильник і одночасно запускає ГЛЗН (діаграма 2).
/>
Рис. 3. АЦП з перетворенням напруги на часовийінтервал.
/>/>
Рис. 4. Часові діаграми, що пояснюють роботу АЦП.
Вихідна напруга ГЛЗН надходить на входи компараторів К1 і К2, на іншівходи яких подаються відповідно вхідна та нульова напруги. У момент часу, щоколи напруга, що лінійно змінюється, зростаючи, проходить нульове значення,компаратор К2 видає імпульс (діаграма 3). JK-тригер переднім фронтом цьогоімпульсу встановлюється в одиничний стан. При досягненні напругою ГЛІНзначення, рівного величині вхідної напруги, імпульс видає компаратор К1(діаграма 4), повертаючи тригер у нульовий стан.
Очевидно, що час Т, протягом якого тригер знаходиться в одиничномустані (діаграма 5) прямо пропорційний величині вхідної напруги. Протягом цьогоінтервалу імпульси з ГІП (діаграма 6) через кон’юнктор надходять на вхідлічильника (діаграма 7). Таким чином, число що встановлюється протягом робочогоциклу у лічильнику пропорційне значенню вхідної напруги.
З надходженням чергового тактового імпульсу робочий цикл повторюється.
2.2 Схеми АЦП з застосуванням ЦАП
Наявність у схемі АЦП ГЛЗН може бути джерелом значної амплітудноїпохибки перетворення через нелінійність характеристики генератора. Цей недолікусувається в схемах АЦП, що не містять у своєму складі ГЛЗН. Широко поширені,наприклад, перетворювачі, побудовані за схемою зі зворотним зв'язком, щовключає в себе ЦАП.
АЦП зі зворотним зв'язком
/>
Рис. 5. Схема АЦП зі зворотним зв'язком.
Як і в попередній схемі, на початку робочого циклу перетворювачачерговий тактовий імпульс, що надходить на вхід ТИ, встановлює в нульовий станлічильник. На виході ЦАП, код, записаний у лічильнику, перетворюється у нульовунапругу Uзс=0. При наявності навході схеми Uвх>Uзс компаратор К подає на вхід елемента ТА рівень логічної одиниці. Прицьому імпульси ГІП проходять на вхід лічильника. Кожен імпульс, що надійшов навхід лічильника, збільшує на одиницю записане до нього число і збільшує напругуна виході ЦАП на одну «елементарнусходинку». Таким чином, Uзс росте посхідчастому законі.
У момент часу, коли Uзс досягає рівня, щоперевищує Uвх, компаратор видає навиході рівень логічного 0, імпульси ГІП перестають потрапляти на вхідлічильника. Записане на цей моменту часу у лічильнику число буде пропорційнимнапрузі Uвх.
АЦП стежачого типу
Обидві розглянуті схеми АЦП працюють у циклічному режимі. У них коженчерговий тактовий імпульс установлює перетворювач у вихідний стан, після чогопочинається процес перетворення. Очевидно, що швидкодія таких перетворювачівобмежена, головним чином, швидкодією лічильника, що у кожнім циклі починає своюроботу з нульового стану.
На практиці часто використовується нециклічний перетворювач, структурнасхема якого показана на рис.6.
/>
Рис. 6. Схема АЦП стежачого типу
Ця схема відрізняється від попередньої тем, що в ній використовуєтьсяреверсивний лічильник, керований сигналами з виходу компаратора. При Uвх>Uзс лічильник встановлюєтьсяв режим прямого рахування, імпульси що надходять на його вхід з ГІП послідовнозбільшують записане у ньому число. Напруга Uзс зростає доти, доки не досягне рівня напруги Uвх. При Uвх
Таким чином, усі зміни вхідної напруги Uвх у часі відслідковуютьсянапругою Uзс на виході ЦАП.
Числа, пропорційні значенням Uвх,як і в попередньо розглянутих схемах, знімаються з виходу лічильника.
3. Цифро-аналогові перетворювачі.
Цифро-аналоговіперетворювачі (ЦАП) – це пристрої, що перетворюють цифровий код у миттєвезначення аналогового сигналу. ЦАП будуються за принципом додавання напруг чи струмів,пропорційних ваговим коефіцієнтам двійкового коду.
Розглянемопринцип побудови ЦАП з додаванням напруг.
Найбільш простасхема ЦАП являє собою вагову резистивну матрицю (Рис.7), на входи якоїнадходять розряди двійкового кодового слова, наприклад, з виходів паралельногорегістра. У такому перетворювачі сума струмів ∑In, що протікаютьчерез загальний резистор R0, пропорційна ваговим коефіцієнтамдвійкових розрядів, а вихідна напруга (при R0)
Uвых= ∑In0
/>пропорційнадвійковому числу.
/>Щоб збільшити розрядністьперетворюваного двійкового числа, варто підключити резистори 16R0,32R0 і т.д. Найбільші вимоги пред'являються до точностірезисторів старших розрядів, оскільки розкид струмів у них не повиннийперевищувати струму молодшого розряду.
Головнимнедоліком ЦАП із ваговими резистивними матрицями є саме те, що в матриціпотрібно використовувати велика кількість високоточних резисторів різнихноміналів. Виготовлення таких матриць в інтегральному виконанні з необхідноюточністю параметрів викликає певні труднощі.
Для подоланняцього недоліку використовують окремі вагові матриці для молодших, середніх істарших розрядів двійкового коду з додатковим (пропорційним) розподіломвихідних напруг матриць не старших розрядів — так називані резистивні матрицітипу R-2R. У них використовуються резистори усього лише двох номіналів,такі матриці набагато простіше у виготовленні.
Схеми ЦАП зпідсумовуванням струмів на резистивних матрицях відрізняються від розглянутихсхем тим, що замість джерел стабільних напруг у них використовуються джереластабільних струмів.
Замість регістра в схемах ЦАПможе бути використаний двійковий лічильник прямого рахування. Якщо подати навхід цього лічильника послідовність імпульсів, то з приходом кожного черговогоімпульсу число в лічильнику буде збільшуватися на одиницю і напруга на виходіЦАП буде зростати на квант, що відповідає одиниці молодшого розряду лічильника.Таким чином, напруга на виході ЦАП буде мати східчасту форму, як показано нарис.8.
/>Післянадходження 2n-1 імпульсів, де n – число станівлічильника, усі розряди лічильника будуть містити 1, на виході ЦАП утворитьсямаксимальна вихідна напруга Uвыхmax, далі черговим імпульсомлічильник буде скинутий у нульовий стан, нульовим стане і вихідна напруга навиході ЦАП. Після цього лічильник починає знов рахувати імпульси і на виходіЦАП знову формується напруга східчастої форми. Очевидно, що робота такої схемиЦАП носить циклічний характер. Така схема ЦАП може бути використана, наприклад,у зворотному зв'язку АЦП зі зворотним зв'язком.
/>Якщо в схемі ЦАПвикористовувати реверсивний лічильник, то він стане нециклічним перетворювачем.Така схема ЦАП може бути використана в схемі АЦП
стежачого типу.
Загальне графічне позначенняЦАП (варіанти показані на рис.9) указує характер перетворення: В чи #–двійковий код, А чи ^ – аналогова інформація.
По такому ж принципіформуються й умовні графічні позначення АЦП.
/>
Рис.9. Умовне графічні позначення ЦАП (варіанти).
В И С Н О В О К
Сучасні системи ЦОС будуються на основі процесорів цифрових сигналів(ПЦС). Сигнальними мікропроцесорами (СМП) або процесорами цифрових сигналівназивають спеціалізовані процесори, призначені для виконання алгоритмівцифрової обробки сигналів (ЦОС) у реальному масштабі часу.
У процесі аналого-цифрового перетворенняможна виділити три етапи: дискретизацію за часом, квантування за рівнем ікодування. При виконанні дискретизації необхідно забезпечити виконання теореми дискретизації.
Робота великої частини розповсюджених схем АЦП заснована на принципіперетворення рівня вхідної напруги в пропорційне йому кількість імпульсів щонадходять до лічильника.
Найпростіші ЦАП будуються за принципом додавання напруг чи струмів,пропорційних ваговим коефіцієнтам двійкового коду на основі резистивних матриц.Для збільшення вихідного сигналу в схемах ЦАП використовують операційніпідсилювачі з негативним зворотним зв'язком.