Введение
Современная бытоваярадиоэлектронная аппаратура (БРЭА), без преувеличения, преобразила жизнь людей.Постоянный напряженный поиск ученых и инженеров позволяет готовить производствовсе новых, еще более совершенных изделий БРЭА.
Объемы, число фирм,занятых производством БРЭА, в странах мира постоянно растут. Идут процессыспециализации, национальной и межнациональной кооперации, развиваетсямеждународное техническое сотрудничество. Вместе с тем, как в любой другойобласти, нарастают тенденции соперничества, борьбы, конкуренции за новые рынкисбыта. Успех приходит тогда, когда наиболее полно учитывается вся совокупностьновых возможностей, правильно определяются запросы и нужды потребителя,обеспечиваются высокие параметры аппаратуры, качество и приемлемые цены. Вбытовой электронике сейчас нет авторитетов, нет систем и моделей, которые моглибы обеспечить безоблачные горизонты их производства, и сбыта на много летвперед.
И все же сейчас в этойобласти обозначались и интенсивно развиваются несколько основополагающихтенденций, без понимания и учета которых трудно определить перспективные путиисследований, разработок и производства БРЭА. К таким тенденциям, в первуюочередь, следует отнести неуклонное движение к интеграции устройств для приема,обработки, хранения и воспроизведения звуковой информации.
Другой тенденцией, тесносвязанной с предыдущей, следует считать все более широкое и разнообразноеиспользование в бытовой электронной аппаратуре элементов вычислительной техникии автоматики, микропроцессорных устройств, встроенных ЭВМ и персональныхкомпьютеров, позволяющих дополнить прием, запись и воспроизведениеаудиоинформации.
Третья тенденция, вомногом являющаяся технической основой для первых двух, — это переход отаналоговых методов представления и обработки информации к цифровым. Эта тенденцияявляется общей для всей радиоэлектронной техники и базируется нафундаментальных принципах информатики.
Переход к цифровой обработке ихранению информации обоснован различием аналогового и цифрового сигнала.Аналоговый, или непрерывный, сигнал может принимать любое значение в пределахдинамического диапазона системы звуковоспроизведения. Такой сигнал являетсяаналогом некоторого физического процесса. Это может быть, например, напряжениена выходе микрофона, изменяющееся пропорционально изменению звукового давления,воздействующего на его вход.
В процессе передачи отмикрофона к слушателю сигнал претерпевает многочисленные преобразования:многократная перезапись и монтаж мастер-ленты, запись на диск-оригинал иликомпакт-кассету, передача программы с помощью радиовещательного передатчика,тиражирование пластинок и т.д. К исходному сигналу при этом неизбежнодобавляются посторонние воздействия, искажающие его форму: шумы усилительныхустройств и носителя записи, помехи эфира, нелинейные искажения, помехи в видефона, “рокота” и т.д. Неравномерность перемещения носителя записи, отличиескорости при записи и воспроизведении приводят к временным искажениям сигнала.Поскольку исходная форма аналогового сигнала заранее не известна, то все этиискажения устранить практически невозможно.
Иначе дело обстоит сцифровыми, или дискретными, сигналами. В отличие от аналоговых дискретныесигналы принимают лишь строго определенные значения.
Аналоговой звукозаписиприсущи следующие недостатки: недостаточный динамический диапазон, особенно вобласти верхних звуковых частот, повышенные (по современным понятиям) нелинейныеискажения, детонация и модуляционные шумы, увеличение всех видов искажений прикаждой последующей перезаписи или дублировании.
Каждый из перечисленныхнедостатков может быть снижен в аналоговом магнитофоне ниже уровня заметности.Однако борьба с каждым из них и в особенности попытка одновременногопреодоления их совокупности приводят к недопустимому удорожанию аппаратурымассового потребления. Можно сказать, что аналоговые магнитофоны в лучших своихмоделях реализовали все резервы дальнейшего совершенствования. Поэтому впоследнее время основное внимание уделяется разработке цифровой технике.
Целью данного курсовогопроекта является разработка устройства преобразования для цифровогомагнитофона.
Обзор литературы
Магнитная звукозаписьбыла изобретена В. Паульсоном в 1898 году. В 1898 году звуковые сигналызаписывались на проволоку. В качестве магнитного носителя проволока имеласледующие недостатки: она размагничивалась; присутствовало влияние соседнихвитков друг на друга; зачастую скручивалась. В тридцатые годы была решенапроблема записи на магнитную ленту. Развитие магнитной записи имеет очевидноесходство с развитием механической записи. С одной стороны, вся историямагнитной записи представляет собой непрерывную гонку за возможно более широкимдиапазоном частот записи, с другой стороны, — неизменное стремление уменьшитьрасход носителя (магнитной ленты) за счет увеличения плотности записи наединицу его поверхности.
Однако возможностиулучшения качества записи ограничиваются свойствами каналазаписи-воспроизведения. Как и в случае механической аналоговой записи,дальнейшее улучшение параметров сопровождается непропорционально большимизатратами, ведущими к резкому повышению цен на аппаратуру. Все это говорило отом, что развитие звукозаписи находилось на таком уровне, когда нельзя добитьсясущественного улучшения качества записи с одновременном уменьшении магнитнойленты, используя традиционные методы аналоговой магнитной звукозаписи. Именноэта причина побудила перейти к цифровой записи звука на магнитной ленте.
История магнитнойцифровой звукозаписи началась в 1965 года, когда японской радиовещательнойкорпорацией NHK были начаты исследования, а в 1967 году были проведены опыты поцифровой звукозаписи. Данные работы получили широкую оценку, и было признаноцелесообразным, продолжать исследования в этом направлении.
В 1970 году началосьускоренное внедрение цифровой звукозаписи в студиях. В основном это былимодифицированные видеомагнитофоны формата U-matic с лентой шириной 19 мм. В том же году в ряде стран была начата разработка цифровых магнитофонов с неподвижнымиголовками, обладающих повышенной надежностью по сравнению с видеомагнитофонамиблагодаря низкой скорости движения ленты относительно головки.
В 1975 году фирмой Sonyначаты работы по исследованию возможности цифровой записи звука на бытовойвидеомагнитофон. Что позволило на бытовой видеомагнитофон записывать вместо видеопрограммывысококачественную звуковую программу. В 1977 такая приставка, получившаяназвание ИКМ-процессора, поступила в продажу. Через год был выпущенИКМ-процессор, предназначенный для профессионального использования.
Комбинация из ИКМпроцессора и видеомагнитофона получила широкое распространение впрофессиональной и полупрофессиональной сфере. Но широкого бытовогораспространения система не получила. С одной стороны высокая стоимость, сдругой большой расход дорогой видеоленты для звукозаписи. Кроме того, большаякассета формата VHS позволяет создавать только стационарные, но не портативныемагнитофоны, имеющие наибольшую популярность. Возникла необходимость созданиятакой системы магнитной цифровой записи, которая обеспечила существенный скачокв уменьшении расхода ленты, а значит, и размеров кассеты при реализации всехпреимуществ, какие дает цифровая звукозапись.
В июне 1983 годасостоялась конференция по системам цифровой магнитной записи бытовогоприменения. Непременным условием для создания новой системы ставилосьзначительное уменьшение расхода ленты и размеров кассеты по сравнению скомпакт-кассетой. В работе конференции приняла участие 81 фирма, из которых 60японских. Для выработки требований к системе были созданы две рабочие группы,задачей которых была разработка этих требований к цифровым магнитофонам состационарной (S-DAT) и с вращающимися (R-DAT) головками.
Цифровая системазвукозаписи требует представления входного аналогового сигнала в цифровом виде,а выходного цифрового сигнала — в аналоговом. Преобразование аналоговогосигнала в цифровой называется аналогово-цифровым преобразованием, а устройствоосуществляющее это преобразование — аналогово-цифровым преобразователем (АЦП).При преобразовании непрерывный аналоговый сигнал переводится в ряд дискретныхотсчетов, каждому из которых ставится в соответствие число, характеризующееаналоговый сигнал в этой точке с определенной точностью. Числа, соответствующиеотсчетам, переводятся в двоичную систему счисления для представления сигнала вцифровом виде.
Точность представлениясигнала зависит от разрядности АЦП. Переход от дискретного сигнала к цифровому,т.е. операция квантования осуществляется в общем случае с ошибкой. Погрешностьквантования зависит от разрядности АЦП.
Число уровней квантования и числодвоичных разрядов АЦП определяют динамический диапазон преобразования.Динамический диапазон (в дБ) от числа разрядов АЦП или ЦАП определяетсявыражением:
D=6n + 1,8;
где n — число двоичныхразрядов.
Задаваясь требуемымдинамическим диапазоном цифровой системы звукозаписи, можно определитьнеобходимое число разрядов преобразования. Чтобы исключить все проблемы,связанные с искажениями и шумами квантования, желательно иметь 18-разрядные ЦАПи АЦП. При этом динамический диапазон составит 110 дБ, а шумы квантования иискажения окажутся за порогом слышимости. Но увеличение разрядности АЦП требуетповышения скорости передачи цифрового сигнала, а это, в свою очередь, требуетрасширения полосы частот записи. К тому же техническая реализация 18-разрядныхпреобразователей достаточно сложна. С учетом психофизиологических фактороввосприятия звуковой информации достаточным является значение динамическогодиапазона в 90 дБ, что обеспечивается 16-разрядным преобразователем.
Таким образом 14-16разрядные АЦП и ЦАП позволяют решить задачу высококачественного преобразованияаналогового сигнала. Наша промышленность АЦП и ЦАП такой разрядности широко невыпускает. Но не только это заставляет искать пути снижения количества разрядовпреобразования, но и стремление к снижению объема запоминающих устройств иуменьшению скорости передачи информации. Такую возможность дает, например,дифференциальный способ преобразования, предусматривающий преобразованиеразности двух соседних отсчетов сигналов. Однако этот способ имеет существенныенедостатки, один из которых – сложность восстановления исходного сигнала припоявлении серии ошибок в процессе передачи или записи цифрового сигнала,поэтому он не нашел широкого практического применения.
Недостатки такойдифференциальной импульсно-кодовой модуляции можно в значительной степениустранить, воспользовавшись устройством, в котором в цифровую формупреобразуется сумма входного сигнала и усиленная разность входного сигнала исигнала, восстановленного после цифрового преобразования.
Об выше написанном можноболее подробнее прочитать в литературе [1]. В данной книге описан новый типрадиоэлектронной техники — цифровой звуковой магнитофон. Приведены сведения опринципах работы, схемотехнические и конструктивные особенности, технические ипотребительские характеристики цифровых магнитофонов. В доступной и сжатойформе описаны цифровые методы обработки и представления информации. В книгерассказано о структуре и принципах работы цифро-аналоговых и аналого-цифровыхпреобразователей.
В литературе [2]рассмотрены основные требования к параметрам бытовых усилителей звуковойчастоты и эквалайзеров, предназначенных для высококачественного воспроизведениямузыкальных программ. Приведены основные технические характеристики исовременные методы их реализации.
В литературе [3]приведены электрические параметры и эксплуатационные характеристикиотечественных микроэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровыхпреобразователей (ЦАП и АЦП). Подробно рассмотрены особенности развития иприменения больших и сверхбольших микросхем ЦАП, АЦП и систем обработкиинформации. Рассмотрены принципиальные и функциональные схемы преобразователей,а также основные электрические параметры данных микросхем. Уделено вниманиеметодам измерения контроля параметров преобразователей.
Приведен сравнительныйанализ цифровых и аналоговых методов звукозаписи и показаны преимуществацифровых методов в литературе [4]. Еще в данной литературе рассмотреныспецифические особенности, способы и форматы цифровой магнитной записи. Изложенывопросы коррекции, синхронизации и формирования воспроизведенных сигналов. Даныанализ и рекомендации по повышению эффективности систем цифровой звукозаписи,рассмотрены перспективы их развития и применения. Описана структура каналацифровой звукозаписи, основные особенности тракта магнитнойзаписи-воспроизведения и дополнительные источники шумов и помех в этом канале.Рассмотрены способы цифровой магнитной звукозаписи, формирование сигналов иобработка воспроизведенных сигналов.
В литературе [5] приведеныобщие сведения о цифровых интегральных микросхемах и конструктивныхособенностях. Описаны интегральные схемы транзисторно-транзисторной логики, наиболеераспространенные цифровые интегральные схемы на основе КМДП-транзисторов, самыебыстродействующие микросхемы на основе эмитарно-связанной логики. Одна из главкниги посвящена интегральной инжекционной логике. Приведены основные параметрырассматриваемых интегральных схем, которые сведены в таблицы по разделам. Дляполного понимания работы микросхем среднего уровня интеграции во многих случаяхприводятся их структурные схемы, а также принципиальные схемы основныхэлементов.
В литературе [6]рассматриваются современные и перспективные средства цифровой записи звука.Описываются принципы действия цифровых магнитофонов, комплектов цифровой записизвука на аналоговых видеомагнитофонах, устройств цифровой оптической записи ивоспроизведения звука. Излагаются вопросы цифровой записи звука, электронногомонтажа цифровых фонограмм, а также применение перспективной цифровойаппаратуры записи звука. Приводятся структурные и принципиальные схемыустройств и их отдельных узлов.
Изложение основныхположений единой системы конструкторской документации (ЕСКД) приведено в литературе[9]. В данной книге также описаны общие правила выполнения схем, чертежейизделий, изготовляемых с применением электрического монтажа. Приведены условныеграфические обозначения электрических схем, что в значительной мере упрощаетпоиск нужной информации, а также черчение схем.
В литературе [7], [8]приведены электрические параметры, габаритные предельные эксплуатационныеразмеры и другие характеристики отечественных серийно выпускаемых интегральныхсхем широкого применения. Даны новые схемы включения, указаны зарубежныеаналоги.
В литературе [10]рассматриваются вопросы цифровых (комбинационных и последовательностных наоснове микросхем) и аналоговых (на базе операционных усилителей) устройствразличного функционального назначения; методы синтеза этих устройств,используемых в инженерной практике. Приводятся программы по изучению ряда такихустройств.
Описание работыструктурной схемы
Структурная схема цифрового каналазвукозаписи изображена в приложении.
Источник информации, например,микрофон, формирует случайное сообщение. Сообщение подается на фильтр низкойчастоты, который обрезает высокочастотную составляющую. Далее сообщениепоступает на преобразователь источника, где преобразуется в случайную цифровуюпоследовательность. В наиболее простом виде преобразователь источникапредставляет собой аналого-цифровой преобразователь. В более общем случае онявляется устройством для отображения выборок в слова, т. е. впоследовательность цифр или символов. Преобразователь источника может бытьпредназначен, например, для уменьшения избыточности, почти неизменноприсутствующей в необработанных данных.
Затем сообщение поступаетна перекодер, который может и отсутствовать. Кодер тракта магнитнойзаписи-воспроизведения предназначен для того, чтобы внести избыточность впередаваемое сообщение. Это позволяет правильно его опознать на приемном конце,несмотря на некоторые ошибки, которые могут произойти при передаче или припорче носителя информации.
Если кодированиюподвергается каждый символ сообщения, то кодер называют поэлементным, есликодированию подвергается группа символов – групповым.
Затем информацияпередается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Далее сообщение поступаетна модулятор, функция которого состоит в преобразовании последовательностисимволов на выходе перекодера в сигнал цифровой магнитной записи. Этот сигналдолжен отличаться высокими информационной эффективностью и помехоустойчивостьюв специфических условиях. В общем случае каждый сигнал цифровой магнитнойзаписи представляет собой преобразованный для передачи с помощью абсолютных илиотносительных способов модуляции несущую гармонической или прямоугольной формы,или несущую нулевой частоты. затем сообщение записывается на носитель.
При воспроизведениизвукового сообщения с носителя, сообщение сначала поступает на демодулятор,который преобразует ограниченный сигнал в последовательность символов, чащевсего двоичных. Структура демодулятора определяется типом сигнала и условиямизаписи-воспроизведения. Затем через ОЗУ информационная двоичнаяпоследовательность, снимаемая с выхода демодулятора, преобразуется декодером втот вид, который был на выходе декодера. Преобразователь преобразуетпоступающую на его вход цифровую последовательность в последовательностьимпульсов различной амплитуды, которые через фильтр поступают к получателюинформации.
В данной курсовой работеразработана аналогичная структурная схема, но без кодера и декодера. Отсутствиекодера и декодера объясняется тем, что после кодирования информация занимаетбольше места на носителе и в ОЗУ, следствием чего является наращивание ОЗУ, чтоприводит к удорожанию бытовой радиоаппаратуры. А уменьшение объема информациина носителе, приводит к увеличению числа носителей.
Описание работыфункциональной схемы
Информация подается на фильтр низкойчастоты, который обрезает высокочастотную составляющую. Далее сообщениепоступает на аналого-цифровой преобразователь. Способ преобразования аналоговойинформации в цифровую, предложенный в данной курсовой работе импульсно кодовоймодуляцией (ИКМ), дополненный многоуровневой дельта-модуляцией. Соответственноповышение качества преобразования по сравнению с обычной ИКМ тем заметнее, чемлучше используется это дополнение, но всегда не хуже исходной ИКМ. Предложенныйспособ при определенных условиях позволяет с 6-8 разрядами цифрового кодаполучить такое же высокое качество преобразования, как при обычной ИКМ с 14-16разрядами. Функциональная схема устройства приведена в приложении 2.
Входной сигнал через фильтр низкойчастоты поступает на входы сумматоров U1 и U2. Выходной сигнал сумматора U1преобразуется последовательным АЦП U3 в цифровую форму с частотой квантования fTпричем цифровое значение предыдущей выборки сохраняется на выходе АЦП доследующей выборки и изменяется в момент прихода тактового импульса. В цифровомвиде сигнал используется для передачи через ОЗУ на запись или воспроизведение,после чего восстанавливается с помощью ЦАП U6 и фильтра нижних частот (ФНЧ) Z2.
Помимо ОЗУ сигнал в цифровой формепоступает на дополнительный ЦАП U4, где после ФНЧ Z1 восстанавливается в исходнуюаналоговую форму, сравнивается с входным аналоговым сигналом сумматором U2, аполученная разность усиливается и поступает на сумматор U1 вместе с входнымсигналом. Дополнительные ЦАП U4, фильтр низкой частоты Z1, сумматор U2 иусилитель A1 образуют петлю обратной связи, которая позволяет существенноснизить возникающие в процессе преобразования искажения сигнала и повыситьразрешающую способность преобразования.
На выходе сумматора U1 будетдействовать напряжение:
/>/>; (1)
где /> - напряжение входного сигнала;
/> - напряжение на выходе ФНЧ Z1;
/> - напряжение на выходе ЦАП U4;
/> - коэффициент передачи ФНЧ Z1;
Напряжение на выходе ФНЧZ1;
/>; (2)
Из формулы (2) следует,что напряжение на выходе ФНЧ Z1 тем точнее повторяет входное напряжение, чембольше />. Так как выходноенапряжение ЦАП U4, может принимать только дискретные значения, т. е. почтиникогда точно не совпадает с напряжением входного сигнала, то процесспреобразования протекает таким образом, что входной сигнал и сигнал на выходеФНЧ совпадает в среднем, причем функцию усреднения выполняет ФНЧ. В результатена выходе ФНЧ появляется восстановленный из цифрового кода исходный аналоговыйсигнал с наложенной высокочастотной составляющей, амплитуда которой зависит отсоотношения частоты дискретизации /> ичастоты среза /> ФНЧ.Количественно уменьшение высокочастотных составляющих при увеличениисоотношения /> определяется способностьюФНЧ подавлять высокочастотные составляющие сигнала. Хорошо их подавляют фильтрывысокого порядка, однако они вносят большой фазовый сдвиг на высоких частотах,что при увеличении коэффициента усиления /> можетпривести к самовозбуждению устройства преобразования на этих частотах. Поэтомуне рекомендуется использовать фильтры выше второго порядка, а лучше всегопервого порядка. В этом случае при увеличении соотношения /> уровень высокочастотныхсоставляющих прямо пропорционально снижается, что позволяет при увеличениикоэффициента усиления /> прямопропорционально увеличивать точность преобразования малых изменений сигнала, т.е. повысить разрешающую способность преобразования. Кроме того, снижение уровнявысокочастотных составляющих приводит к снижению шума квантования.
Для получениякачественного преобразования ЦАП и ФНЧ в петле обратной связи и на выходеустройства должны иметь идентичные параметры. Значение /> выбирается максимальнобольшим, но обеспечивающим устойчивую работу цифрового преобразователя, причемзначение /> может быть тем больше, чембольше отношение /> . учитываясказанное, можно приблизительно оценить выигрыш, получаемый от использованияпредлагаемого устройства. Например, если />,то это эквивалентно повышению разрешающей способности преобразования в 2 раза,т. е. соответствует прибавлению одного разряда ИКМ. Соотношение же /> эквивалентно добавлениюсразу шести разрядов ИКМ и т. д.
Поднять отношение /> можно двумя способами либоувеличения, /> либо уменьшая />. Для практическогоиспользования этих рекомендаций необходимо хорошо представлять ограничения,накладываемые как на возможность увеличения />,так и на возможность уменьшения />.
При использовании ИКМчастота /> должна в два или более разпревышать верхнюю частоту преобразуемого сигнала, что следует из теоремыКотельникова. Для уменьшения скорости передачи информации всегда стремятсявыбирать /> как можно ниже, т. е.берут ее в два раза выше верхней частоты спектра сигнала. Поэтому повышатьчастоту в предполагаемом устройстве можно в тех случаях, когда не используетсяпередача информации по каналам связи и запись ее на носители, например вцифровых линиях задержки, цифровых фильтрах и т. д.
Если необходимо иметьчастоту /> минимально возможной, тоулучшить качество преобразования можно снижая частоту />. При этом появляетсявозможность увеличить /> и за счетобратной связи компенсировать частотные искажения, так как согласно формуле (2)напряжение на выходе ФНЧ тем точнее будет повторять входное напряжение, чем большевеличина />. Однако максимальныйуровень сигнала на выходе ФНЧ, а значит, и устройства преобразования будет вэтом случае зависеть от частоты.
Чем выше частота сигналапо сравнению с />, тем меньшемаксимальный уровень выходного сигнала устройства преобразования, что видно изформулы (2). Действительно если учесть, что
/> (3)
/> (4)
Из последней формулыследует, что напряжение на выходе ЦАП будет увеличиваться обратнопропорционально уменьшению />. Но таккак напряжение на выходе ЦАП повторяет напряжение на выходе АЦП, топреобразование сигнала с частотой выше /> ФНЧбудет происходить с усилением обратно пропорциональным />, т. е. с подъемом высшихчастот, и поэтому на этих частотах раньше будет достигнут максимальный уровеньпреобразования. Это означает, что частоту среза ФНЧ в данном случае необходимовыбирать не в соответствии с верхней частотой сигнала, а в соответствии соспектральной плотностью сигнала. Например, согласно формуле (2), длямузыкальных сигналов максимальная мощность снижается до 6 дБ на октаву, начинаяс частоты 2…4 кГц. Поэтому, если в устройстве использовать ФНЧ первого порядкас частотой />, равной 2…4 кГц, то хотяпреобразование и будет идти с подъемом частот выше 2…4 кГц на уровне 6 дБ наоктаву, это не будет вызывать перегрузки на высших частотах, но позволитсущественно улучшить качество преобразования.
С выхода цифровой линиизадержки, сигнал поступает на буферный регистр. Он считывает информацию с линиизадержки и удерживает ее на входе ЦАП, в течение периодов тактовых импульсов.Затем сигнал поступает на ЦАП, где преобразуется в аналоговый сигнал. Выходнойсигнал ЦАП фильтруется ФНЧ и поступает на выход преобразователя для цифровогомагнитофона.
Описание работыпринципиальной схемы
В приложении 2 приведенаэлектрическая схема рассмотренного выше устройства преобразования аналоговыхсигналов. Работает оно следующим образом. Через ФНЧ с частотой среза 15 кГц наОУ DA1.1 входной сигнал поступает на один из входов сумматора –ограничителя наОУ DA1.2 выходной сигнал последнего никогда не превышает значения напряжения,допускаемого для преобразования АЦП, выполненного на микросхеме DA3. На ее входсигнал поступает через устройство выборки – хранения на микросхеме DA2, также обеспечивающейнормальную работу АЦП.
В АЦП сигналпреобразуется в цифровую форму и поступает на цифровую линию задержки DT1. Онможет быть использован также в цифровой форме для записи на магнитофон,передачи по линии связи и т. д. Одновременно выходной сигнал АЦП поступает навход ЦАП на микросхемах DA5, DA7, а затем уже в аналоговой форме – на выход ФНЧпервого порядка на микросхеме DA6.1. Микросхема DA6.2 обеспечиваетвычитание выходного сигнала ФНЧ из входного сигнала и усиление полученнойразности до необходимого значения. Сопротивление резисторов R21 и R24 выбраны такими, чтобы в точкевычитания (вывод 6 в микросхеме DA6.2)соблюдалось равенство уровня входного сигнала ФНЧ. С выхода микросхемы DA6.2 через резистор R8 сигнал поступает на вход сумматорана ОУ DA1.2. На DA4 собран источник опорного напряжения для АЦП.
Микросхема DD1 выполняет функцию формирователятактовых импульсов с частотой />, сигналрегулируемый резистором R14.
С выхода цифровой линиизадержки, синхронизированной тактовыми импульсами />,сигнал поступает на буферный регистр, собранный на микросхемах DD2, DD3. Он в нужные моменты времени считываетинформацию с линии задержки и удерживает ее на входе ЦАП, выполненного намикросхемах DA8,DA9.1. в течении периодатактовых импульсов. Выходной сигнал ЦАП фильтруется ФНЧ на микросхеме DA9, идентичным ФНЧ на DA6.1, что позволяет получить практическиодинаковые аналоговые сигналы на выходах этих фильтров. Полученный сигнал можетбыть использован в качестве выходного, однако для снижения уровнявысокочастотных составляющих с частотой /> этотсигнал дополнительно фильтруется ФНЧ четвертого порядка на микросхеме DA10.
Описание ИМС
В данной курсовой работе используютсяследующие интегральные микросхемы:
- К572ПА1А1
- К1108ПВ1Б
- К574УД2А
- К1100СК2
- К140УД6
- К561ЛН2
- К561ИР6
- К561ТМ2
Микросхема К572ПА1А.Микросхемы умножающего ЦАП типа К572ПА1Аявляются универсальным структурным звеном для построения микропроцессорных ЦАП,АЦП и управляемых кодом делителей тока. Благодаря малой потребляемой мощности,достаточно высокому быстродействию, небольшим габаритным размерам даннаямикросхема находит широкое применение в различной аппаратуре.Микросхема ЦАП К572ПА1А предназначена дляпреобразования 10 – разрядного прямого параллельного двоичного кода на цифровыхвходах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода иопорного напряжения. На рис.2 изображено условное обозначение и цоколевкамикросхемы К572ПА1А. На рис.3 приведена функциональная схема этого ЦАП.
В состав ИС ЦАП входитполикремневая резисторная матрица (РМ), усилители-инверторы (УИ) для управлениятоковыми ключами.
Электрические параметрыпри температуре:
Числоразрядов………………………………………….…..10
Время установлениявыходного тока, мкс………………...
Выходной ток смещениянуля, нА………………………
Абсолютная погрешностьпреобразования в конечной точке шкалы……………………………………………… от–30 до 30
Выходной ток, мА………………………………………...
Ток потребления, мА……………………………….………
Входной ток по цифровымвходам, мкА………………….
/> />
Рис.2. Условное обозначение ицоколевка ИМС К572ПА1А. /> />
Рис.3. Упрощеннаяфункциональная схема К572ПА1А.Микросхема К1108ПВ1Б
К1108ПВ1Б являетсяфункционально завершенным АЦП, сопрягаемым с микропроцессором. Микросхемарассчитана на преобразование однополярного входного напряжения в диапазоне от 0до 3В, подаваемого на вход через внешний ОУ и УВХ при максимальной частотепреобразования 1,1МГц. Условное обозначение и функциональная схема К1108ПВ15приведены на рис.4 и рис.5 соответственно.
Основные электрическиепараметры:
Числоразрядов………………………………………………..10
Время преобразования,мкс……………………………...…
Частота преобразования,МГц…………………….от 0,4 до 1,5
Время преобразования врежиме укороченного цикла, мкс………………………………………………………………….
Напряжение смещения нуляна входе, мВ……….от –20 до 20
Выходное напряжениевнутреннего ИОН, В…….от 2,4 до 2.8
Выходное напряжениенизкого уровня, В...………………
Выходное напряжениевысокого уровня, В……………….>2,4
Ток потребления отвнешнего источника. опорного напряжения, мА………………………………………………………………………………../> />
Входной ток в процессепреобразования, мА………………………….Рис.4. Условноеобозначение и цоколевка К1108ПВ1Б.
/> />
Рис.5. Функциональная схема АЦП К1108ПВ1Б.
Микросхема К574УД2А.
Микросхема представляет собойдвухканальные быстродействующие операционные усилители. Ее условное графическоеизображение и цоколевка приведено на рис.7, а принципиальная электрическаясхема на рис.6.
Электрические параметры:
Номинальное напряжениепитания………………………±15В
Токпотребления……………………………………………5мА
Максимальное выходноенапряжение…………………>10В
Входной ток……………………………………………….
Разность входныхтоков………………………………...
Частота единицусиления………………………………...1МГц
Коэффициентусиления…………………………………..25000
/>
Рис.6. Принципиальная схема К574УД2А.
/> />
Рис.7. Условное обозначение и цоколевка К574УД2А.
Микросхема К140УД6.
Интегральная схема представляет собойоперационные усилители общего назначения с внутренней частотной коррекцией изащитой выхода при коротких замыканиях нагрузке.
Основные электрические параметры:
Номинальное напряжение питаниядвухполярное……...±15В
Ток потребления……………………………………………4мА
Напряжение смещения нуля, неболее…………………±10мВ
Входной ток, неболее…………………………………...100мА
Разность входных токов, неболее……………………….25нА
Коэффициент усиления, неменее………………………30000
Выходное напряжение, неменее…………………………±11В/> />
Рис.8. Условное обозначение ицоколевка К140УД6./> />
Рис.9. Принципиальная схема К140УД6.Микросхема К1100СК2.
Микросхема К1100СК2 – этоустройство выборки хранения, ее условное обозначение и цоколевка приведены нарис.10.
Электрические параметры:Напряжение питания ……………………………………..±12В
Ток потребления, неболее…………………………………7мА
Типовое значение…………………………………………..4мА
Время выборки, неболее…………………………………10мкс
Типовоезначение…………………………………………..5мкс
Коэффициент усиления, неболее………………………....1
Прямое прохождениеинформации в режиме хранения, не более………………………………………………………………….80дБ
Типовоезначение……………………………………………..100дБ
Время установлениятипового значения……………….0,4мкс/> />
Рис.10. Условное обозначение ицоколевка микросхемы К1100СК2
Микросхема К561ТМ2.
Микросхема К561ТМ2содержит два двухтактных D-триггера.Условное обозначение и цоколевка К561ТМ2 приведены на рис.11, а структурнаясхема двухтактного D-триггера –рис.12.
Табл.1. Основныепараметры микросхемы
/>,
В
/>,
В
/>,
В
/>,
мкА
/>,
мА
/>,
мА
/>,
мкА
/>,
нс
/>,
нс
/>,
пФ
/>,
мГц 5 0,8 4,2 - 0,5 0,25 - 420 420 - -
/> />
Рис.11. Условное обозначение и цоколевкамикросхемы К561ТМ2/> />
Рис.12 Принципиальная схемадвухтактного D – триггера.МикросхемаК561ЛН2.
Микросхема К561ЛН2содержит шесть буферных инверторов.условное обозначение ИС и ее цоколевкаизображены на рис.13./> />
Рис.13. Условное обозначение микросхемы К561ЛН2.
Табл.2.Основные параметры К561ЛН2.
/>,
В
/>,
В
/>,
В
/>,
мкА
/>,
мА
/>,
мА
/>,
мкА
/>,
нс
/>,
нс
/>,
пФ
/>,
мГц 5 0,95 3,6 - 2,6 1,25 - 120 110 - -
Микросхема К561ИР6./> />
Микросхема К561ИР6 содержитвосьмиразрядный регистр сдвига с последовательным и параллельным вводом информации.Кроме этого регистр имеет переключатель направления обмена информацией.Условное обозначение и цоколевка микросхемы изображены на рис.14, а егоструктурная схема на рис.15.
Рис.14. Условное обозначение ицоколевка К561ИР6.
Табл.3. Основные параметрыК561ИР6
/>,
В
/>,
В
/>,
В
/>,
мкА
/>,
мА
/>,
мА
/>,
мкА
/>,
нс
/>,
нс
/>,
пФ
/>,
мГц 5 0,8 4,2 - 0,05 -0,02 50 1250 1250 - - /> />
Рис.15. Структурная схемарегистра сдвига К561ИР6.
Заключение
В ходе данной курсовой работы былоразработано устройство преобразования цифровой информации в аналоговую ианалоговой – в цифровую. Принцип работы, на котором реализовано данноеустройство, можно назвать импульсно-кодовой модуляции, дополненноймногоуровневой дельта-модуляцией. Поэтому данный способ преобразования заметнопревосходит, как дельта-модуляцию, так и импульсно-кодовую модуляцию. Основой устройствапреобразования являются АЦП и ЦАП.
Данное устройствопреобразования может быть использовано не только в цифровых магнитофонах, но ив другой цифровой технике.
Литература
1. Золотухин И.П.,Изюмов А.А., Райзмон М.М. Цифровые звуковые магнитофоны. – Томск 1990
2. Чечик А.М., ШоровВ.И., Зюренко Ю.И. Высококачественное воспроизведение фонограмм. – М.: Радио исвязь, 1991.
3. Федорков Б.Г.,Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. – М:Энергоатомиздат, 1990.
4. Розоринов Г.В.,Свяченый В.Д. Устройства цифровой магнитной звукозаписи. – К.: Техника, 1991.
5. Богданович М.И.,Грель И.Н., Дубина С.А., Прохоренко В.А., Шалимо В.В. Цифровые интегральныемикросхемы: Справочник/ 2-е изд., перераб. и доп. – Мн.: Беларусь, Полымя.1996.
6. Щербина В.И. Цифроваязвукозапись. – М.: Радио и связь, 1989.
7. Новаченко И.Е.,Петухов В.М., Блудов И. П., Юровский А.В. Микросхемы для бытовойрадиоаппаратуры: Справочник – М.: КУбК-а, 1996.
8. Новаченко И.В.,Телец В.А., Краснодубцев Ю.А. Интегральные схемы для бытовой радиоаппаратуры:Справочник. Дополнение четвертое: — М.: Радио и связь,1995.
9. Усатенко С.Т.,Качеток Т.К., Терехова Н.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. М.:Издательство стандартов, 1989.
10. Мулярчик С.Г. Интегральнаясхемотехника. – Мн.: Изд. БГУ, 1983.