Рефетека.ру / Коммуникации и связь

Курсовая работа: Реализация цифрового фильтра нижних частот

Министерство образования и науки РФ

РГРТУ


Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине:

"Цифровые устройства и микропроцессоры"


Студент Дмитриев А.Ю.

Группа 415 Специальность 2015


2007


Содержание


1. Постановка задачи (введение)

2. Формализация задачи

3. Разработка и описание общего алгоритма функционирования устройства

4. Обоснование построения аппаратной части устройства

5. Разработка и отладка программы на языке команд микропроцессора

6. Составление и описание электрической принципиальной схемы устройства

7. Расчёт быстродействия устройства

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

Заключение

Список использованных источников


1. Постановка задачи (введение)


Цифровая обработка сигналов , т.е. обработка сигналов с помощью средств электронной вычислительной техники ,стала известна около 35 лет назад. Электронные вычислительные машины тогда были дороги и несовершенны и поэтому их применяли лишь в сложных радиокомплексах , например, при расчете координат и траекторий объектов в радионавигационных системах слежения за космическими объектами , при расчете координат цели в радиолокационных станциях.

В последующие годы благодаря широкому применению транзисторов а затем и развитию микроэлектроники ЭВМ стали совершеннее, дешевле, а главное, компактнее. Появилась возможность использования вычислительной техники в сравнительно простой аппаратуре, например, в специальных радиоприемниках, системах фазовой подстройки частоты, системах телеметрии и т.д. С помощью цифровых устройств можно реализовать очень сложные алгоритмы обработки сигналов, которые трудно, а часто даже невозможно реализовать, используя обычную аналоговую технику. Алгоритм обработки сигналов можно изменять в зависимости от характера входного сигнала. Следовательно, легко построить самонастраивающуюся (адаптивную) систему. Цифровые фильтры могут анализировать параметры сигнала и принимать те или иные решения , например, вырабатывать управляющие команды. С помощью цифровых методов можно реализовать любой алгоритм обработки сигнала , который может быть описан совокупностью арифметических и логических операций. Точность обработки сигнала цифровыми фильтрами определяется точностью выполняемых расчетов. Она может быть несоизмерима выше точности обработки сигнала в аналоговых фильтрах. Одним из источников погрешности аналоговых фильтров является нестабильность их параметров , вызываемая колебаниями температуры , старением , дрейфом нуля , изменением питающих напряжений и т.д. В цифровых фильтрах эти неприятные эффекты отсутствуют. При разработке цифровых фильтров не возникает задача согласования нагрузок. Недостатком цифровых фильтров является их большая сложность по сравнению с аналоговыми , более высокая стоимость и не очень высокое быстродействие. В последние годы в связи с появлением микропроцессоров цифровая обработка сигналов получила еще более широкое распространение. Для цифровых фильтров стало возможным построение разнообразных частотных характеристик, путем их аналитической задачи. При этом реализуемы и фильтры традиционных типов: нижних частот, верхних частот, полосовые и режекторные.

В данном курсовом проекте необходимо реализовать цифровой фильтр нижних частот, основой микропроцессорной системы которого служит микроконтроллер КР1830ВЕ31.


2. Формализация задачи


Минимальная конфигурация МП-системы на основе набора БИС КР1830ВЕ31, КР1821РФ55, КР1821РУ55,совместно с ЦАП AD9708 и вспомогательными элементами определяет функциональную схему фильтра нижних частот, которая представлена на рис. 1.


Реализация цифрового фильтра нижних частот

Рис. 1. Функциональная схема фильтра нижних частот.


Входное напряжение в виде кода поступает в порт РВ БИС РУ 55 с частотой дискретизации Реализация цифрового фильтра нижних частот. Для формирования импульсов с частотой дискретизации Реализация цифрового фильтра нижних частот будем использовать внутренний Т/С0 БИС КР1830ВЕ31, который должен работать в непрерывном режиме (без блокировки сигналом Реализация цифрового фильтра нижних частот). Поэтому выбираем режим 2 (с перезагрузкой после каждого цикла счета).

Примем частоту задающего кварцевого генератора Реализация цифрового фильтра нижних частот=12 МГц, тогда частота машинного цикла равна Реализация цифрового фильтра нижних частот= Реализация цифрового фильтра нижних частот/12=1 МГц. Частота дискретизации Реализация цифрового фильтра нижних частот=8,8 кГц, следовательно Т/С0 должен иметь в режиме с перезагрузкой коэффициент пересчета Реализация цифрового фильтра нижних частот. Так как максимальный коэффициент пересчета 8-разрядного счетчика равен Реализация цифрового фильтра нижних частот, для обеспечения требуемой частоты дискретизации в Т/С0 должно записываться число


Реализация цифрового фильтра нижних частот.


Байт Реализация цифрового фильтра нижних частот должен загружаться при инициализации МП системы.

Необходимость хранения данных определяется видом заданного разностного уравнения. Для каждого цикла вычисления текущих выходных отсчетов Реализация цифрового фильтра нижних частот требуется использовать выборку входных отсчетов Реализация цифрового фильтра нижних частот, Реализация цифрового фильтра нижних частот, Реализация цифрового фильтра нижних частот и выборку выходных отсчетов Реализация цифрового фильтра нижних частот, Реализация цифрового фильтра нижних частот. Также требуется сохранить в памяти два текущих произведения


Реализация цифрового фильтра нижних частот и Реализация цифрового фильтра нижних частот.


Следовательно, 7 ячеек ОЗУ БИС РУ 55 при составлении программы определим для хранения данных в текущем цикле обработки входного сигнала (в текущем интервале дискретизации).

После вычисления выходного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частоти записи его в ОЗУ, перед приемом нового входного отсчета необходимо сдвинуть отсчеты всех выборок в памяти:

n-1-й отсчет на место n-2-го, n-й на место n-1-го. Это требуется для подготовки следующего цикла вычислений.

В результате вычисления разностного уравнения может получится так, что при 8-разрядном формате представления данных может получится результат, выходящий за пределы +1, -1, т.е. возникает переполнение разрядной сетки.

Для исключения переполнения разрядной сетки, введем масштабирование

входных отсчетов, путем умножения на коэффициент масштабирования Реализация цифрового фильтра нижних частот.


Реализация цифрового фильтра нижних частот ;

Реализация цифрового фильтра нижних частот;

Реализация цифрового фильтра нижних частот;


Реальные значения коэффициентов разностного уравнения и коэффициента Реализация цифрового фильтра нижних частот отличаются от расчетных, в виду ограничения разрядной сетки:


Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот;

Реализация цифрового фильтра нижних частот;

Реализация цифрового фильтра нижних частот


Вывод выходного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот осуществляется через порт РВ БИС РФ 55.

Согласование кода МК и кода ЦАП необходимо, так как ЦАП преобразует в ток смещенный входной код (положительные числа), а арифметический код МК – дополнительный. Для согласования – вычисленный отсчет Реализация цифрового фильтра нижних частот перед выводом на ЦАП суммируется с константой Реализация цифрового фильтра нижних частот.

При сбросе МК в указатель стека загружается адрес SP=70, - во внутренней памяти данных назначается стек (16 ячеек ОЗУ) с начальным адресом 70.

При включении питания в схеме МП – системы вырабатывается импульс сброса RST для МК. По сигналу RST =1 выполняются следующие действия:

Программный счетчик и все управляющие регистры МК, кроме PCON, IE, IP – устанавливаются в нулевое состояние;

В управляющих регистрах PCON, IE , IP – резервные биты принимают случайные значения, все остальные биты сбрасываются в 0;

В указателе стека устанавливается адрес SP=70 (вершина стека);

Запрещаются прерывания от всех источников, запрещается работа Т/С, запрещается работа последовательного порта;

Выбирается банк 0 РОН (текущий банк регистров);

Порты Р0, Р1, Р2, Р3 настраиваются на ввод для приема данных;

В БИС РФ 55 и РУ 55 исходное состояние после включения питания произвольное, так как импульс RST на их входы сброса не поступает.

Поэтому для перехода фильтра в рабочий режим, сначала необходима его настройка (инициализация).


3. Разработка и описание общего алгоритма функционирования устройства


Общий алгоритм функционирования фильтра представлен на рисунке 2. Работа фильтра начинается с подачи питания на дифференцирующую цепь RC, которая формирует импульс сброса RST, устанавливающий МК в исходное состояние и обнуляющий программный счетчик. Следовательно, программа инициализации должна начинаться с нулевого адреса. Программа инициализации включает в себя настройки аппаратных и программных модулей МК и МП -системы на заданные режимы функционирования и с определенными параметрами:

Настройка Т/С0 на частоту дискретизации Реализация цифрового фильтра нижних частот, в режиме 2

Настройка портов: РВ БИС РУ 55-на ввод данных, РВ БИС РФ 55-на вывод данных

Запуск Т/С0 для формирования непрерывной последовательности импульсов с частотой Реализация цифрового фильтра нижних частот

Настройка прерываний: разрешаются внутренние прерывания от Т/С0, которые используются для программного формирования импульса запуска внешнего источника входного кода, и внешние прерывания от входа Реализация цифрового фильтра нижних частот- для запуска выполнения рабочей программы фильтра.

Организовать стек.

Программа инициализации завершается остановом МП-системы. Из состояния останова МК выводится внутренним сигналом прерывания от Т/С0. По данному прерыванию выполняется программный модуль формирования импульса запуска внешнего источника данных, после чего МК снова переходит в состояние останова и находится в нем до следующего прерывания по входу Реализация цифрового фильтра нижних частот сигналом готовности входного кода. То есть выполнение рабочей программы фильтра, по сути, является реакцией на прерывания.


Реализация цифрового фильтра нижних частот

Рис. 2. Общий алгоритм функционирования фильтра.


4. Обоснование построения аппаратной части устройства


Основой аппаратной части устройства является набор БИС КР1830ВЕ31, КР1821РФ55, КР1821РУ55.

КР1830ВЕ31- микроконтроллер, выполненный по комплементарной МОП технологии (КМОП);

КР1821РФ55- ПЗУ с двумя портами ввода/вывода, работающими в режиме простого обмена;

КР1821РУ55- микросхема, в состав которой входят: ОЗУ, таймер, два 8-разрядных (РА и РВ) порта ввода/вывода и один 6-разрядный порт (РС).

Выходной сигнал должен иметь аналоговый вид, для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал, используя ЦАП типа AD9708. Микросхема AD9708 представляет собой 8-разрядный ЦАП, построенный по схеме на транзисторных источниках тока, весовые токи формируются с помощью матрицы R-2R. В качестве опорного источника напряжения может выбираться либо внутренний – с напряжением +1,2 В, либо – внешний. Для обеспечения требуемого размаха напряжения ±5 В, к токовым выходам ЦАП подключаем операционный усилитель.


5. Разработка и отладка программы на языке команд микропроцессора


Рабочая программа фильтра разрабатывается на основе алгоритма функционирования устройства. Для настройки таймера/счетчика Т/С0, в качестве таймера, на работу в непрерывном режиме 2 (без блокировки сигналом Реализация цифрового фильтра нижних частот и с перезагрузкой после каждого цикла счета) необходимо управляющие биты GATE0=0, C/Реализация цифрового фильтра нижних частот=0 и код режима 10 записать в состав управляющего слова (константа #02) для регистра TMOD при инициализации – команда MOV 89, #02.


Управляющее слово для регистра TMOD (прямой адрес 89)
TMOD.7 TMOD.6 TMOD.5 TMOD.4 TMOD.3 TMOD.2 TMOD.1 TMOD.0
GATE 1

C/Реализация цифрового фильтра нижних частот 1

M 1.1 M 0.1 GATE 0

C/Реализация цифрового фильтра нижних частот 0

M 1.0 M 0.0
X(0) X(0) X(0) X(0) 0 0 1 0

Для обеспечения требуемой частоты дискретизации Реализация цифрового фильтра нижних частот, при инициализации, константа #8Е должна быть записана в регистр TH0 – команда MOV 8C, #8Е. Пуск Т/С0 производится путем установке в управляющем регистре TCON бита TR0=1. Команда SETB 8C.

Для настройки порта РВ БИС РУ55 на ввод данных надо в состав регистра управляющего слова записать константу #00.


Управляющее слово для РУС БИС HE 55 (адрес 7000)
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
TM2 TM1 IE B IE A PC2 PC1 PB PA
x(0) x(0) x(0) x(0) x(0) x(0) 0 x(0)

При инициализации – команды MOV A, #00, MOV DPTR, #7000, MOVX @DPTR, A.

А для настройки порта РВ РФ 55 на вывод данных надо в регистр направления передачи порта РВ записать 1. При инициализации – команды MOV A, #01, MOV DPTR, #0803, MOVX @DPTR, A.

Формирование импульса запуска внешнего источника данных выполняется по прерывания от флага TF0, устанавливающегося при переполнении Т/С0. Подпрограмма обработки прерывания от флага TF0 имеет стартовый адрес 000В и содержит команды: CLR 90, SETB 90(сброс и установка бита по линии Р1.0).

Настройка прерываний необходима, так как в результате сброса МК все прерывания запрещены (управляющий регистр IE обнуляется). В первую очередь необходимо разрешить прерывания вообще (бит EA=1), также разрешить прерывания от Т/С0 (бит ET0=1) и по входу Реализация цифрового фильтра нижних частот (бит EXO=1).


Управляющее слово для регистра IE (прямой адрес А8)
IE 7 IE 6 IE 5 IE 4 IE 3 IE 2 IE 1 IE 0
EA ES ET1 EX1 ET0 EX0
1 0 0 0 0 0 1 1

При инициализации – команда MOV A8, #83.

Переопределять приоритеты прерываний не требуется, так как в результате задержки преобразования внешним устройством аналогового сигнала в цифровой код, запросы на прерывания от Т/С0 и по входу Реализация цифрового фильтра нижних частот по времени не совпадают (в результате сброса МК управляющий регистр IP – обнуляется).

Распределение памяти ОЗУ (КР1830ВЕ31).

70h-7Fh - стек;

30h, 31h, 32h – хранение отсчетов Реализация цифрового фильтра нижних частот, Реализация цифрового фильтра нижних частот, Реализация цифрового фильтра нижних частот;

40h, 41h – хранение выходных отсчетов Реализация цифрового фильтра нижних частот, Реализация цифрового фильтра нижних частот;

50h, 51h – хранение отсчетов Реализация цифрового фильтра нижних частот, Реализация цифрового фильтра нижних частот.

Распределение памяти ПЗУ (КР1821РФ55).

0000h – команда перехода к программе инициализации по сигналу RST

0003h – команда перехода к программе вычисления и вывода выходного отсчета по сигналу на входе Реализация цифрового фильтра нижних частот;

000Bh – команда перехода к программе формирования импульса внешнего источника данных по сигналу переполнения от Т/С0;

00A0h … 00СFh – программа инициализации;

00D0h … 00FFh – программа формирования импульса запуска внешнего источника данных;

0100h … 07FFh – программа вычисления и вывода выходного отсчета на ЦАП.

Текст программы


Программа "Цифровой фильтр (нижних частот)

Автор: Дмитриев Александр Юрьевич

Дата: 12 мая 2007 года

Разностное уравнение: Реализация цифрового фильтра нижних частот

Определение символических имен операндов

B0: .EQU 90h ;линия для вывода импульса запуска внешнего ;источника данных

PBRU: .EQU 7002h ;порт РВ РУ 55

RGRU: .EQU 7000h ;регистр управляющего слова РУ 55

SRU: .EQU 00h ;управляющее слово для настройки порта РВ РУ 55

PBRF: .EQU 0801h ;порт РВ РФ 55

RGRF: .EQU 0803h ;регистр направления передачи порта РВ РФ 55

SRF: .EQU 01h ;управляющее слово для регистра направления передачи порта РВ РФ 55

TMOD: .EQU 89h ;регистр управления Т/С

STMOD: .EQU 02h ;управляющее слово для настройки Т/С0

TH0: .EQU 8Ch ;старший байт Т/С0

STH0: .EQU 8Eh ;управляющее слово для задания частоты переполнения Т/С0

TR0: .EQU 8Ch ;управляющий бит пуска Т/С0

IE: .EQU A8h ;регистр управления прерываниями

SIE: .EQU 83h ;управляющее слово для настройки прерываний

B: .EQU F0h ;регистр В

k1: .EQU F8h ;коэффициент Реализация цифрового фильтра нижних частот=0,97

k2: .EQU D6h ;коэффициент Реализация цифрового фильтра нижних частот=0,8394

Km: .EQU 5Bh ;коэффициент масштабирования

X: .EQU 30h ;ячейка хранения отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот

X1: .EQU 31h ;ячейка хранения отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот

X2: .EQU 32h ;ячейка хранения отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот

Y: .EQU 40h ;ячейка хранения отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот

Y1: .EQU 41h ;ячейка хранения отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот

P1: .EQU 50h ;хранение отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот

P2: .EQU 51h ;хранение отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот

FILLCHAR 00h ;записать в пропуски между секциями 00

Инициализация по сигналу RST

S0: .SECTION

ORG 0000h ;переход к программе инициализации

LJMP INIT

S1: .SECTION

ORG 00A0h

INIT: MOV TMOD, #STMOD ;настройка режима Т/С0

MOV TH0, #STH0 ;задание частоты дискретизации

SETB TR0 ;пуск Т/С0

MOV A, #SRU ;настройка порта

MOV DPTR, #RGRU ;РВ РУ 55

MOVX @DPTR, A ;на ввод данных

MOV A, #SRF ;настройка порта

MOV DPTR, #RGRF ;РВ РФ 55

MOVX @DPTR, A ;на вывод данных

MOV IE, #SIE ;настройка прерываний

STOP: SJMP STOP ;останов МК

Формирование импульса по внутреннему прерыванию от Т/С0

S2: .SECTION

ORG 000Bh

LJMP START ;переход к п/п формирования импульса запуска внешнего источника данных

S3: .SECTION

ORG 00D0h

START: CLR B0 ;сброс бита В0

SETB B0 ;установка бита В0

RETI ;возврат из п/п обслуживания прерывания от Т/С0

Вычисление выходного отсчета по сигналу внешнего прерывания по входу Реализация цифрового фильтра нижних частот, рабочий цикл фильтра

S4: .SECTION

ORG 0003h

LJMP XYOUT

S5: .SECTION

ORG 0100h

XYOUT: MOV DPTR, #PBRU ;ввод данных через

MOVX A, @DPTR ;РВ РУ 55

Программный модуль масштабирования:

вычисление произведения Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот

входной отсчет - в аккумуляторе, масштабированный отсчет записать в ОЗУ

RLC A ;анализ знака Реализация цифрового фильтра нижних частот

JC M1 ;переход к программе умножения отрицательного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот на Реализация цифрового фильтра нижних частот

RRC A ;восстановление положительного отсета Реализация цифрового фильтра нижних частот в аккумуляторе

MOV B, #Km ;вычисление произведения Реализация цифрового фильтра нижних частот

MUL AB ;

MOV X, B ;запоминание масштабированного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот в памяти

SJMP M2 ;переход к продолжению

M1: RRC A ;восстановление отрицательного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот в аккумуляторе

CPL A ;получение положительного

INC A ;отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот (смена знака)

MOV B, #Km ;вычисление произведе-

MUL AB ;ния Реализация цифрового фильтра нижних частот и пересылка

MOV A, B ;в аккумулятор

CPL A ;получение отрицательного

INC A ;произведения Реализация цифрового фильтра нижних частот (смена знака) MOV X, A ;запоминание масштабированного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот в памяти программный модуль вычисления произведения Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот

Реализация цифрового фильтра нижних частот хранится в ячейке ОЗУ с адресом X2

Реализация цифрового фильтра нижних частот записать в ячейку ОЗУ с адресом P1

M2: MOV A, X2 ;копирование Реализация цифрового фильтра нижних частот в аккуму-

RLC A ;лятор и анализ знака

JC M3 ;переход к программе умножения отрицательного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот на Реализация цифрового фильтра нижних частот

RRC A ;восстановление положительного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот в аккумуляторе

MOV B, #k1 ;вычисление произведе-

MUL AB ;ния Реализация цифрового фильтра нижних частот

MOV P1, B ;запоминание Реализация цифрового фильтра нижних частот в памяти

SJMP M4 ;переход к продолжению

M3: RRC A ;восстановление отрицательного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот в аккумуляторе

CPL A ;получение положительного

INC A ;отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот (смена знака)

MOV B, #k1 ;вычисление произведе-

MUL AB ;ния Реализация цифрового фильтра нижних частот и пересылка

MOV A, B ;в аккумулятор

CPL A ;получение отрицательного

INC A ;отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот (смена знака)

MOV P1, A ;запоминание Реализация цифрового фильтра нижних частот в памяти

программный модуль вычисления произведения Реализация цифрового фильтра нижних частот

Реализация цифрового фильтра нижних частот хранится в ячейке ОЗУ с адресом Y1

Реализация цифрового фильтра нижних частот записать в ячейку ОЗУ с адресом P2

M4: MOV A, Y1 ;копирование Реализация цифрового фильтра нижних частот в акку-

RLC A ;мулятор и анализ знака

JC M5 ;переход к программе умножения отрицательного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частотна Реализация цифрового фильтра нижних частот

RRC A ;восстановление положительного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот в аккумуляторе

MOV B, #k2 ;вычисление произведе-

MUL AB ;ния Реализация цифрового фильтра нижних частот

MOV P2, B ;запоминание Реализация цифрового фильтра нижних частотв памяти

SJMP M6 ;переход к продолжению

M5: RRC A ;восстановление отрицательного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот в аккумуляторе

CPL A ;получение положительного

INC A ;отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот (смена знака)

MOV B, #k2 ;вычисление произведе-

MUL AB ;ния Реализация цифрового фильтра нижних частот и пересылка

MOV A, B ;в аккумулятор

CPL A ;получение отрицательного

INC A ;произведения Реализация цифрового фильтра нижних частот (смена знака)

MOV P2, A ;запоминание Реализация цифрового фильтра нижних частотв памяти

программный модуль вычисления выходного

отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот, слагаемые

хранятся в ячейках ОЗУ, результат записать

в ячейку ОЗУ и вывести на ЦАП

M6: MOV A, X ;вычисление отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот

ADD A, P1 ;и сохранение в памяти

ADD A, P2 ;

MOV Y, A ;

ADD A, #80h ;получение смещённого

кода Реализация цифрового фильтра нижних частот для ЦАП

MOV DPTR, #PBRF ;вывод кода Y через порт

MOVX @DPTR, A ;РВ РФ55

программный модуль сдвига отсчетов в памяти, подготовка следующего рабочего цикла

MOV X2, X1 ;

MOV X1, X ;

MOV Y1, Y ;

RETI ;возврат из подпрограммы

обслуживания прерывания

по входу Реализация цифрового фильтра нижних частот

END


Исходные определения и ручной расчёт результатов работы программы: "Цифровой фильтр (нижних частот)".

Разностное уравнение имеет вид: Реализация цифрового фильтра нижних частот

Представим уравнение в виде: Реализация цифрового фильтра нижних частот , где Реализация цифрового фильтра нижних частот ,Реализация цифрового фильтра нижних частот

1)Реализуемый коэффициент масштабирования Реализация цифрового фильтра нижних частот(число без знака) при 8-разрядном формате беззнаковых коэффициентов:


Реализация цифрового фильтра нижних частот ;Реализация цифрового фильтра нижних частот, Реализация цифрового фильтра нижних частот

Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот


2)Реализуемые коэффициенты разностного уравнения Реализация цифрового фильтра нижних частот и Реализация цифрового фильтра нижних частот (числа без знака ) при 8-разрядном формате беззнаковых коэффициентов:


Реализация цифрового фильтра нижних частот ; Реализация цифрового фильтра нижних частот

Реализация цифрового фильтра нижних частот ; Реализация цифрового фильтра нижних частот


3) Входной положительный отсчет максимальной амплитуды (немасштабированный отсчет):


Реализация цифрового фильтра нижних частот


4)Масштабированный входной положительный отсчет максимальной амплитуды:


Реализация цифрового фильтра нижних частот :=Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот


5)Зададим состояние памяти после запоминания масштабированных входных отсчетов максимальной амплитуды и выходных отсчетов максимальной амплитуды:


Адрес ячейки памяти Содержимое ячейки памяти
X

Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот

X1

Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот

X2

Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот

Y

Вычисляется программой:Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот

Y1

Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот

P1

Вычисляется программой:Реализация цифрового фильтра нижних частот

P2

Вычисляется программой:Реализация цифрового фильтра нижних частот


6) Получим произведение Реализация цифрового фильтра нижних частот


Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот


7)Получим модуль произведения положительного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот на коэффициент Реализация цифрового фильтра нижних частот:


Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот==Реализация цифрового фильтра нижних частот


8)Вычислим выходной отсчет:


Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот


Для отрицательных отсчетов:

3) Входной отрицательный отсчет максимальной амплитуды (немасштабированный отсчет):


Реализация цифрового фильтра нижних частот


4)Масштабированный входной отрицательный отсчет максимальной амплитуды:


Реализация цифрового фильтра нижних частот :=Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот

Реализация цифрового фильтра нижних частот


5)Зададим состояние памяти после запоминания масштабированных входных отсчетов максимальной амплитуды и выходных отсчетов максимальной амплитуды:


Адрес ячейки памяти Содержимое ячейки памяти
X

Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот

X1

Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот

X2

Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот

Y

Вычисляется программой:Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот

Y1

Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот

P1

Вычисляется программой:Реализация цифрового фильтра нижних частот

P2

Вычисляется программой:Реализация цифрового фильтра нижних частот


6) Получим произведение Реализация цифрового фильтра нижних частот


Реализация цифрового фильтра нижних частот


7)Получим модуль произведения отрицательного отсчета Реализация цифрового фильтра нижних частот на коэффициент Реализация цифрового фильтра нижних частот:


Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот==Реализация цифрового фильтра нижних частот


8)Вычислим выходной отсчет:


Реализация цифрового фильтра нижних частот Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот


6. Составление и описание электрической принципиальной схемы устройства


Принципиальная схема цифрового фильтра содержит следующие микросхемы:

DD1- микроконтроллер КР1830ВЕ31;

DD2- БИС КР1821РФ55;

DD3- БИС КР1821РУ55;

D1- микросхема К155ЛН1 содержит 6 инверторов;

D2- операционный усилитель К140УД8;

DD4- ЦАП AD9708;

К микроконтроллеру подключается кварцевый резонатор ZQ1 с частотой

12 МГц, для обеспечения работы внутреннего генератора тактовых импульсов.

Обмен сигналами между микросхемами DD1, DD2, DD3 осуществляется по мультиплексированной шине адрес/данные (AD7…AD0). Для адресации микросхемы КР1821РФ55 используются: 3 старших разряда адресной шины (AD8, AD9, AD10) – адресация ПЗУ, А11(Р2.3) – по линии IO/M, выбор порта или памяти, A12(P2.4) – выбор кристалла по линии CS 2.

Для адресации микросхемы КР1821РУ55 используются: линия А14(Р2.6) – для выбора кристалла, А13 (Р2.5) – для выбора, по линии IO/M, порта РВ.

Микросхема КР1821РФ55 соединена с ЦАП портом РВ (РВ7…РВ0).

Для синхронизации передачи данных микросхемы соединены по служебным входам Реализация цифрового фильтра нижних частот и Реализация цифрового фильтра нижних частот. Для синхронизации вывода готового кода на ЦАП, необходимо подать сигнал записи (Реализация цифрового фильтра нижних частот) на вывод CLOCK. Но так как запись Реализация цифрового фильтра нижних частот в регистр защелку осуществляется по положительному фронту управляющего строба, следовательно, перед выводом CLOCK надо поставить инвертор.

Для обеспечения требуемого размаха выходного напряжения ±5 В, используется усилитель с дифференциальным включением выводов на основе ОУ К140УД8.

Расчет дополнительных элементов:


Реализация цифрового фильтра нижних частот, Реализация цифрового фильтра нижних частот, Реализация цифрового фильтра нижних частот, где Реализация цифрового фильтра нижних частот


амплитуда напряжения на выходе ЦАП, Реализация цифрового фильтра нижних частот - максимальный ток на выходе, Реализация цифрового фильтра нижних частот - сопротивление для нагрузки на выходе, Реализация цифрового фильтра нижних частот - опорный ток, Реализация цифрового фильтра нижних частот - опорное напряжение, Реализация цифрового фильтра нижних частот – сопротивление резистора на выводе FS ADJ для задания опорного тока.

Принимаем Реализация цифрового фильтра нижних частот=0,5 ВРеализация цифрового фильтра нижних частот=5 В и Реализация цифрового фильтра нижних частот=50 Ом, следовательно,


Реализация цифрового фильтра нижних частот=10 мА, Реализация цифрового фильтра нижних частот=0,31 мА, Реализация цифрового фильтра нижних частот= R2=3,9 кОм.

C4=C5=C6=C7=0,1 мкФ, R3=R4=Реализация цифрового фильтра нижних частот=50 Ом.


Так как Реализация цифрового фильтра нижних частот=0,5 В, следовательно, усилитель должен имеет коэффициент усиления Реализация цифрового фильтра нижних частот=10. Для усилителя на ОУ с дифференциальным включением выводов


Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот; R7=R6=150 Ом; R8=R5=10Реализация цифрового фильтра нижних частот150=1,5 кОм.


7. Расчёт быстродействия устройства


Быстродействие фильтра в рабочем режиме оценивается как время, необходимое для обработки прерывания микропроцессора. Рабочая программа фильтра линейная, поэтому общее число машинных циклов, требуемых для выполнения программы, получили как сумму машинных циклов всех последовательно выполняемых команд, составляющих рабочий цикл процессора.

Количество машинных циклов с момента поступления запроса на прерывание по входу Реализация цифрового фильтра нижних частот до выхода на метку STOP равно 78. Период дискретизации равен

Реализация цифрового фильтра нижних частот. Длительность машинного цикла Реализация цифрового фильтра нижних частот, следовательно

время выполнения программы равно 78Реализация цифрового фильтра нижних частот=78 мкс, что меньше чем период дискретизации, т.е. условие фильтрации в реальном времени выполняется.


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

Разностное уравнение имеет вид:


Реализация цифрового фильтра нижних частот


В общем виде уравнение проектируемого фильтра можно представить в виде:


Реализация цифрового фильтра нижних частот


Коэффициенты имеют следующие значения:


Реализация цифрового фильтра нижних частот; Реализация цифрового фильтра нижних частот;Реализация цифрового фильтра нижних частот;Реализация цифрового фильтра нижних частот;Реализация цифрового фильтра нижних частот


В z-плоскости свойства цифрового фильтра описывает передаточная функция H(z), которая при однокаскадной структуре и для приведенного выше разностного уравнения имеет вид:


H(z)=Реализация цифрового фильтра нижних частот ;при Реализация цифрового фильтра нижних частот,где Т=Реализация цифрового фильтра нижних частот(Реализация цифрового фильтра нижних частот)


Из-за ограничения разрядной сетки передаточные функции для реальных и заданных значений коэффициентов будут отличаться.

Передаточная функция для заданных значений коэффициентов:


Реализация цифрового фильтра нижних частот


Передаточная функция для реальных значений коэффициентов будет иметь вид:


Реализация цифрового фильтра нижних частот


Модуль H(f) даст АЧХ, а аргумент ФЧХ. Построим графики АЧХ и ФЧХ для заданных и реальных значений коэффициентов:

Амплитудно-частотные характеристики фильтра


Реализация цифрового фильтра нижних частот


В увеличенном масштабе


Реализация цифрового фильтра нижних частот


Фазо-частотные характеристики фильтра (в градусах)


Реализация цифрового фильтра нижних частот


В увеличенном масштабе


Реализация цифрового фильтра нижних частот


Оценка устойчивости фильтра.

Если все полюса передаточной функции


Реализация цифрового фильтра нижних частот,


т.е. корни уравнения Реализация цифрового фильтра нижних частот лежат внутри круга единичного радиуса с центром в точке z=0, то фильтр будет устойчив.

Решая уравнение, получим один полюс Реализация цифрового фильтра нижних частот=Реализация цифрового фильтра нижних частот, он меньше единицы, следовательно, фильтр устойчив.


Заключение


В данном курсовом проекте было разработано цифровое устройство. Также была разработана программа, обеспечивающая работу данного устройства как цифрового фильтра нижних частот, определен общий алгоритм функционирования устройства. Устройство имеет высокое быстродействие и в полной мере удовлетворяет требованиям технического задания, получены частотные характеристики проектируемого фильтра. С учетом выводов, сделанных в процессе определения функций устройства и способов их реализации, выбрана необходимая элементная база и составлена электрическая принципиальная схема цифрового фильтра. Аппаратная часть по возможности была минимизирована, а программа оптимизирована, что обеспечивает работу устройства в реальном масштабе времени.


Список использованных источников


Цифровые устройства и микропроцессоры: Методические указания к курсовому проекту / Рязан. гос. радиотехн. университет; Сост. Н.И.Сальников. Рязань, 2006.

Цифровые устройства: Методические указания к курсовому проекту по дисциплине "Цифровые устройства и микропроцессоры" / Рязан. гос. радиотехн. акад.; Сост. Н.И.Сальников. Рязань, 2002, № 3389.

Сальников Н.И. Микроконтроллеры 8051 в устройствах управления радиоэлектронных приборов: Учеб. пособие. Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1998.

Соколов Ю.П. Микроконтроллеры семейства МСS-51: архитектура, программирование, отладка: Учеб. пособие. Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 2002.

Щелкунов НН., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы. М.: Радио и связь, 1989.

Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1. М.: ДОДЭКА, 1996.

Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ-Петербург, 2001.

Солонина А.И., Улахович ДА., ЯковлевЛ.Н. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. СП6.: БХВ-Петербург, 2001.

Рефетека ру refoteka@gmail.com