Проектирование системы измерения электрических параметров каналов звуковой частоты (стр. 3 из 22)

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.