Цифровий смуговий фільтр

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Рязанська Державна РАДІОТЕХНІЧНА АКАДЕМІЯ

Кафедра радіотехнічних систем

Зав. кафедрою радіо - технічних систем

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до курсової роботи з дисципліни:

«Цифрові пристрої й мікропроцесори»

на тему: «Цифрове смуговий фільтр»

Автор роботи: Величко О. В.

Спеціальність 201600

Керівник: Горкіна В.М.

Рязань 2004

Зміст

Ведення

1. Формалізація завдання

2. Розробка та опис загального алгоритму функціонування пристрою

3. Обгрунтування апаратної частини пристрою

4. Розробка та налагодження робочої програми на мові команд мікропроцесора

5. Складання та опис електричної принципової схеми пристрою

6. Розрахунок швидкодії пристрою

7. Розрахунок АЧХ (ФЧХ) пристрої для заданих і реальних значень

коефіцієнтів. Оцінка стійкості пристрої

Висновок

Список використаних джерел

Введення

У наші дні, розвиток цифрових пристроїв відбувається гігантськими кроками. Очевидно і перевага застосування цифрової обробки сигналу поряд з аналоговим: поліпшується перешкодозахищеність каналу зв'язку, нескінченні можливості кодування інформації. Застосування мікропроцесорів у радіотехнічних системах істотно покращує їх масогабаритні, технічні та економічні показники, відкриває широкі можливості реалізації складних алгоритмів цифрової обробки сигналів.

Мікропроцесори знаходять застосування при вирішенні широкого кола радіотехнічних завдань, таких як побудова радіотехнічних вимірників координат, що згладжують і екстраполюючих фільтрів, пристроїв вторинної обробки сигналів, спеціалізованих обчислювальних пристроїв бортових навігаційних комплексів, пристроїв кодування і декодування сигналів, ваговий обробки пачечной сигналів в радіолокації, різного роду вимірювальних пристроїв і т.п. До таких пристроїв відносяться і цифрові фільтри, для яких стало можливим побудова різноманітних частотних характеристик шляхом їх аналітичної задачі. При цьому реалізовані і фільтри традиційних типів: нижніх частот, верхніх частот, смугові та режекторні.

Цифровий фільтр відноситься до особливого типу фільтрів і покликаний прибирати з сигналу імпульсні прояви (піки і клацання), згладжуючи їх. Імпульс має широкий (в ідеалі нескінченний) частотний спектр, проте гострота його форми визначається саме високочастотними складовими.

Фільтр повинен бути виконаний на основі МП ​​комплекту К1821 при використанні ЦАП К572ПА. МП комплект К1821 складається з мікросхем: К1821ВМ85 - мікропроцесор, КР1821РФ55 - ПЗУ (місткість - 2 Кб; два 8-розрядних порту вводу-виводу), КР1821РУ55 - ОЗП (ємність -256 байт; два 8-розрядних і один 6-розрядний порти введення -виводу, вбудований лічильник-таймер).

Вхідний сигнал цифрової, перетвориться в аналоговий, ЦАП на мікросхемі К572ПА.

Після приходу сигналу з периферійного пристрою (ПУ) на порт введення в додатковому цифровому коді на ПУ видається сигнал квитування. Частота дискретизації F _Д = 6.5 кГц, розрядність вхідного сигналу 8. Обробка повинна відбуватися в реальному масштабі часу.

Проектоване пристрій, його базова конфігурація повинні містити мінімальні апаратні і програмні засоби, достатні для виконання поставленої вище задачі обробки.

1. Формалізація завдання

Мінімальна конфігурація МП-системи на основі набору К1821 (К1821ВМ85, КР1821РФ55, КР1821РУ55), спільно з ЦАП 572ПА1 і допоміжними елементами визначає функціональну схему смугового фільтра,.

Вхідна напруга у вигляді коду надходить в порт PA БІС РУ55. Частота дискретизації = 6.5кГц формується апаратним таймером РУ55, в якому частота переповнення в режимі 3, дорівнює . При використанні в якості вхідних імпульсів таймера тактових імпульсів CLK МП - системи ( = 2.6МГц) початковий стан таймера одно:

16-розрядний двійковий код містить два біта (T 15 і T 14) задають режим роботи таймера. Для третього режиму роботи необхідно в ці біти записати одиниці.

Отримуємо код:

Байти і завантажуються під час ініціалізації системи (фільтра).

Необхідність зберігання даних випливає з виду різницевого рівняння. Рівняння використовує вхідні вибірку відліків ( ) І вихідну ( ). Всі вибірки мають бути доступні для обчислень, а отже, повинні зберігатися в пам'яті МП - системи. Потрібна також обчислити два поточних твору ( ) І зберегти їх у пам'яті. Отже, 8 комірок ОЗУ (РУ55) при складанні програми необхідно визначити для зберігання даних у поточному циклі обробки вхідного сигналу. Після обчислення вихідного і запису в ОЗУ, перед прийомом нового вхідного відліку, необхідно зрушити відліки всіх вибірок в пам'яті, (n -1) - й відлік на місце (n -2)-ого, а n-й на місце (n -1)-ого . У результаті обчислення різницевого рівняння, можна отримати результат, що виходить за межі (-1, +1). Для запобігання переповнення розрядної сітки, введемо масштабування вхідних відліків, шляхом множення на коефіцієнт масштабування ( ).

Реальні значення коефіцієнтів різницевого рівняння і коефіцієнта відрізняється від заданих, внаслідок обмеження довжини розрядної сітки:

Узгодження коду МП та коду ЦАП необхідно, так як за завданням вхідний код - додатковий, Обчислений відлік , Перед виведенням на ЦАП підсумовується з константою

. Висновок даних на ЦАП доцільно здійснювати через порт PA (РФ55), цей порт має вихідний буферний регістр, в якому відлік зберігається протягом всього інтервалу дискретизації.

Вихідний стан апаратної частини і програми фільтру встановлюється при включенні харчування за сигналом апаратного вузла скидання.

При цьому:

• програмний лічильник (ВМ85) приймає нульове значення;

• скидається прапор дозволу переривань (ВМ85);

• всі лінії портів PA і PB (РФ55) налаштовуються на введення;

• порти PA, PB, PC (РУ55) налаштовуються на введення даних в режимі простого обміну даними;

• таймер (РУ55) зупиняється;

• вміст комірок ОЗУ і буферних регістрів портів (РУ55) зберігається.

2. Розробка та опис загального алгоритму функціонування пристрою

Апаратно-реалізовані операції. Програмно-реалізовані операції

Рис. 2. Загальний алгоритм функціонування смугового фільтра

При подачі живлення, схема скидання формує імпульси скидання, який обнуляє лічильник команд МП і ініціює формування імпульсу скидання RESET для установки МП - системи в початковий стан. Запускається програма ініціалізації МП - системи, яка повинна починатися з нульового адреси. При ініціалізації:

• в покажчик стека SP записується початкову адресу, з якого починається стек;

• порт PA (РФ55) налаштовується на введення даних; в регістр напрямку передачі записується керуюче слово;

• таймер налаштовується на період переповнення, рівним в режимі 3;

• порт PA (РУ55) налаштовується на введення;

• пуск таймера;

• настройка режиму переривання.

Програма ініціалізації завершується зупинкою МП. Зі стану зупину МП виводиться сигналом INTRA, що надходять на вхід TRAP МП. Наступні операції виконуються під управлінням робочої програми фільтра. Виконання робочої програми - це реакція

на переривання, тому після обслуговування переривань по команді повернення з підпрограми МП повертається в стан зупинки.

3. Обгрунтування апаратної частини пристрою

Набір К1821 визначає типовий склад апаратних засобів, що утворюють структуру обчислювального ядра системи. До його складу входять МП, ОЗУ, ПЗУ, схеми формування сигналів синхронізації, мікросхеми формування сигналів управління системою. Повна структурна схема МП-пристрою виходить при об'єднанні структури обчислювального ядра і додаткових апаратних вузлів.

Апаратний складу фільтра в цілому вже визначено, незачепленим залишається перетворювач струм-напруга. Також слід провести узгодження адрес ОЗУ, ПЗУ, портів введення-виведення з адресами МП.

Допоміжні схеми доцільно виконувати з найменшими апаратними витратами, тобто слід прагнути до скорочення кількості мікросхем.

Необхідно також забезпечити відповідність адресних просторів ВМ85, РФ55 і РУ55. Так як для адресації ПЗУ необхідно 11 адресних ліній, а для адресації ОЗУ - 8, то в МП залишається ще 5 вільних адресних ліній, які можна використовувати для вибору мікросхем в процесі роботи фільтру. Крім того, необхідно врахувати адресацію внутрішніх об'єктів РФ55 і РУ55.

Адресація портів і регістрів напрямку передачі даних РФ55 здійснюється відповідно до таблиці:

Адресація внутрішніх вузлів РУ55:

У мікросхемах РФ55 і РУ55 передбачені ізольовані адресні простори пам'яті і введення-виведення. Для включення РФ55 в роботу існує ще два входи - CS 1 і CS 2 (РУ55 - CS).

4. Розробка та налагодження програми на мові команд мікропроцесора

Робоча програма розробляється на основі алгоритму функціонування пристрою. Порт P У РУ 55 налаштовується на вивід за допомогою керуючого слова має вигляд: , Яке необхідно записати в регістр напрямку передачі порту.

Для настроювання таймера на період переповнення в третьому режимі роботи необхідно в молодший байт таймера записати , А в старший байт таймера записати .

Порт PA РУ 55 налаштовується на введення даних в режимі обміну. Для цього керуюче слово записується в регістр керуючого слова.

PA і PB - задають напрямок передачі даних через порти PA і PB відповідно.

"0" - введення, "1" - висновок. PC2 і PC1 - варіанти використання порту С, для режиму роботи порту РА умовного з квітірованіем в РС2 записуємо "1", В РС1 записуємо "0", в цьому випадку лінії порту С:

PC0 - INTR A PC2 - STB A

PC 1 - BFA PC 3 .. PC 5 - висновок

IEA і IEB дозволяють (IE = 1) або забороняють вироблення сигналів переривання INTR портів А і В. TM 2, TM 1 - біти які містять команди управління таймером, для запуску таймера в ці біти записуються одиниці.

Керуюче слово буде мати вигляд:

При налагодженні режимів переривань необхідно дозволити переривання МП типу TRAP. Використовується команда SIM встановлює маску переривань.

M 7.5, M 6.5, M 5.5 - маски забороняють відповідні переривання.

R 7.5 - біт скидальний тригер, де фіксується запит зовнішнього переривання по входу TRAP.

MSEN - дозвіл установки маски переривань.

SDEN-дозвіл виводу даних що знаходяться в розряді A 7.

SOD - дані призначені для виводу через лінію SOD.

Маска переривань буде мати вигляд:

Розподіл пам'яті ПЗУ:

0000 h ... 001 Dh - програма ініціалізації;

003Ch ... 00 A 4 - програма реакції на переривання типу RST 7.5;

Розподіл пам'яті ОЗУ:

5000 h, 5001 h - зберігання відліків ;

5002 h, 5003 h - зберігання творів ;

5004 h, 5005 h - зберігання відліків ;

50 FFh - початковий адресу стека.

Текст програми:

************************************************** **************

* Курсовий проект *

* На тему: Цифровий смуговий фільтр *

* Виконав: ст.гр.117 *

* Величко Андрій Вікторович *

* Дата: 09.04.04 р. *

************************************************** **************

* Завдання на курсовий проект: *

* Лінійне різницеве ​​рівняння: Y (n) = X (n) +0,04 X (n-1)-0.96Х (n-2) - *

*- 0,81 Y (n -2) *

* Частота дискретизації: Fд = 6.5кГц *

* Вхідний код - додатковий *

* Вихідний сигнал - аналоговий, діапазон вимірювання (-1 .. +1) *

* ЦАП-К572ПА1 *

* Мікропроцесор-КР1821ВМ85 *

************************************************** **************

; Визначення символічних імен

PBRU. EQU 7002 h; порт РВ (РУ 55)

PARU. EQU 7001 h; порт PA (РУ 55)

RGRU.EQU 7000h; регістр керуючого слова (РУ 55)

TL. EQU 7004h; молодший байт таймера

TH. EQU 7005h; старший байт таймера

STL. EQU 77h; молодше слово для завантаження

; В таймер

STH.EQU C2h; старше слово для завантаження

; В таймер

SRU. EQU С3h; керуюче слово для налаштування

; Портів і пуску таймера (РУ 55)

SRP. EQU 1Bh; керуюче слово для налаштування

; Переривань

AX. EQU 5000h; адресу відліку Xn

AX1. EQU 5001h; адресу відліку X (n-1)

A X 2. EQU 5002h; адресу відліку Yn

AY. EQU 5003h; адресу відліку Y (n-1)

A Y 1. EQU 5004h; адресу твори P1n

A Y 2. EQU 5005h; адресу твори P2n

AP 1. EQU 5006 h; адресу відліку Y (n -1)

A P 2. EQU 5007h; адресу твори P1n

AP3. EQU 5008h; адресу твори P2n

; Ініціалізація по сигналу "Скидання"

. ORG 0; початковий адресу програмного

; Модуля ініціалізації

LXI SP, 50FFh; організація стека

MVI A, STL; налаштування таймера на частоту

STA TL; переповнення T = Tд в режимі 3

MVI A, STH;

STA TH;

MVI A, SRU; настройка порту PA (РУ 55)

STA RGRU; на введення, РВ (РУ 55) на виведення і пуск таймера

M1: HLT; останов.ожіданія переривання

JMP M1; перехід на команду зупину

; Процесор по закінченні під-

;-Програми обслуговування

; Переривання

. ORG 24 H; початковий адресу програмної

; Реакції на переривання типу

; TRAP

LDA PARU; введення поточного коду

; В акумулятор

; Програмний модуль масштабування

; Обчислення твори

; Xn: = 0,0101101 * Xn =

;

; Вхідний відлік зберігатися в акумуляторі,

; Масштабованих відлік записати в клітинку

; ОЗУ з адресою AX

MOV H, A; Xn ® H

ARHL; арифметичні зрушення

ARHL; вхідного відліку

; І накопичення суми

MOV A, H; часткових творів у

ARHL акумуляторі: (2 ^ -2 * Xn +2 ^ -3 * Xn +2 ^ -4 * Xn + +2 ^ -6 * Xn +2 ^ -8 * Xn) ® A

ARHL;

ADD H

ARHL;

ADD H;

ARHL;

ARHL;

ADD H;

STA AX; запам'ятовування відліку

; Xn в пам'яті

; Програмний модуль обчислення добутку:

; P1n: = 0,04 * X (n-1) @ 0,0000101 * X (n-1) =

; = (2 ^ 0 +2 ^ -6 +2 ^ -7 +2 ^ -8) * X (n-1)

LDA AX1; X (n-1) ® A

MOV H, A; X (n -1) ® H

; Арифметичні зрушення

; Відліку X (n-1) і

; Накопичення суми

ARHL; часткових творів:

ARHL; (2 ^ 0 +2 ^ -6 +2 ^ -7 +

ARHL; +2 ^ -8) * X (n -1) ® A

ARHL;

ARHL;

MOV A, H;

ARHL;

ARHL;

ADD H;

STA AP1; запам'ятовування P1n в пам'яті

; Програмний модуль обчислення добутку:

; P 2 n: = 0,96 * X (n -2) @ 0,1111010 * Y (n -1) =

; = (2 ^ -3 +2 ^ -4 +2 ^ -5 +2 ^ -8) * Y (n-1)

LDA AX2; Y (n-1) ® A

MOV H, A; Y (n-1) ® H

ARHL

MOV A, H; арифметичні зрушення

ARHL

ADD H; відліку Y (n-1) і

ARHL; накопичення суми

ADD H; часткових творів:

ARHL; (2 ^ -3 +2 ^ -4 +2 ^ -5 +

ADD H; +2 ^ -8) * Y (n-1) ® A

ARHL

ARHL;

ADD H;

STA AP2; запам'ятовування P2n в пам'яті

; Програмний модуль обчислення добутку:

; P 3 n: = 0,81 * Y (n -2) @ 0,1100111 * Y (n -1) =

LDA AY2; Y (n-1) ® A

MOV H, A; Y (n-1) ® H

ARHL

MOV A, H; арифметичні зрушення

ARHL

ADD H; відліку Y (n-1) і

ARHL

ARHL

ARHL; накопичення суми

ADD H; часткових творів:

ARHL; (2 ^ -3 +2 ^ -4 +2 ^ -5 +

ADD H; +2 ^ -8) * Y (n-1) ® A

ARHL;

ADD H;

STA AP 3; запам'ятовування P 2 n в пам'яті

; Програмний модуль обчислення вихідного

; Відліку Yn = Xn + P1n-P2n-P 3 N

LDA AX; Xn ® A

LXI H, AP1; завантаження адреси P1n

ADD M; Xn - P 1 n ® A

INX H; отримання адреси P2n

SUB M; Xn-P1n-P2n ® A

INX H; отримання адреси P2n

SUB M

STA AY; запам'ятовування Yn в пам'яті

ADI 80h; отримання зміщеного

; Вхідного коду ЦАП

STA PВR U; висновок коду на ЦАП через

; Порт PВ (РУ 55)

; Програмний модуль зсуву відліків

; В пам'яті

LHLD AX 1;

SHLD AX 2

LHLD AX;

SHLD AX1;

LHLD AY1;

SHLD AY2

LHLD AY;

SHLD AY1;

RET; повернення з підпрограми обслуговування переривання

Налагодження програми зробимо на основі програмного забезпечення до складу якого входить:

• асемблер, перетворюючий написану програму в машинний код;

• відладчик - емулятор, який емітує роботу процесора;

Зробимо налагодження фрагмента програми (програмний модуль обчислення Yn)

LDA AX; Xn ® A

LXI H, AP1; AP1 ® H

SUB M; (A) - ([HL]) ® A

INX H; (HL) + 1 ® HL

SUB M; (A) - ([HL]) ® A

STA AY; (A) ® AY

5. Складання та опис електричної принципової схеми пристрою

Принципова схема цифрового фільтра містить слід. мікросхеми:

DD 1 - МП К1821ВМ85

DD 2 - ПЗУ КР1821РФ55

DD 3 - ОЗУ КР1821РУ55

DD 4 - ЦАП К572ПА

DD 5 - ОУ К574УД1

Вихідний вузол працює в режимі біполярного вихідної напруги. Для найбільш повного використання динамічних властивостей ЦАП на виході включений швидкодіючий ОУ К574УД1, що володіє , Вихідною напругою 10В і швидкістю його наростання 50-100 В / мкс. У ланцюзі стабілізації включений стабілітрон КС 191Ф який задає опорне напруга. У результаті на виході схеми формується напруга від - Uref до Uref. ЦАП К572ПА допускає зміну опорного напруги від -22,5 В до +22.5 В.

У даному курсовому проекті використана типова схема підключення ОУ до ЦАП, де коефіцієнт передачі регулюється резистором R 6. Тобто для забезпечення заданої напруги на виході (-1 ... +1) В необхідно підстроїти R 6 і подати на ЦАП опорна напруга 1 В.

6. Розрахунок швидкодії пристрою

Швидкодія фільтра в робочому режимі оцінимо як час, необхідний для обробки кожного переривання процесора. Робоча програма фільтра лінійна (не містить розгалужень), тому загальне число машинних тактів, необхідних для виконання програми, можна одержати як суму машинних тактів всіх послідовно виконуваних команд, складових робочий цикл процесора. Однак, потрібно врахувати що стабільна робота всього пристрою під керуванням програми буде здійснюватися тільки в тому випадку, якщо зовнішній пристрій своєчасно буде відповідати на сигнал готовності, що видається МП. Інакше виникає можливість зациклення МП на очікуванні сигналу квитирования від зовнішнього пристрою. У наслідок цього весь пристрій буде простоювати, і ні про який фільтруванні тут мови бути не може.

З урахуванням обумовлених вище зауважень, при нормальній роботі пристрою, сума машинних тактів для робочого циклу наведеної вище програми дорівнює 721. Тривалість одного машинного такту дорівнює

T _{CLK МП} = 1 / F _{CLK МП} = 1 / ( ) = 3,846 мкс.

Загальний час виконання всієї програми

T _вип. = 721 * 3,846 * 10 ^-6 = 0,0028 мс

Тривалість періоду дискретизації

T _Д = 1 / F _Д = 1 / (6.5 * 10 ³⁾ = 0,154 мс

З цього випливає висновок, що процесор успвает виконати підпрограму обслуговування переривання за інтервал дискретизації T _Д. Тобто розраховуємо дайте йому працювати коректно, при забезпеченні відповідної роботи зовнішнього пристрою.

7. Розрахунок АЧХ (ФЧХ) пристрої для заданих і реальних значень коеффіціентов.Оценка стійкості пристрої

Частотні характеристики фільтра визначаються різницевим рівнянням:

Коефіцієнти b _1, b _2, b _3, b ₄ визначають характеристики фільтра.

У Z-площині властивості цифрового фільтра описує передатна функція

При ,

де сигнал на вході фільтра-сінусойда з частотою f і з одиничною амплітудою, а функція Н ( ) Дорівнює частотній характеристиці фільтра, з якої можна отримати АЧХ і ФЧХ.

Значення коефіцієнтів різницевого рівняння визначають форму і параметри частотних характеристик, тому для виявлення впливу їх наближеного представлення слід розрахувати АЧХ при заданих (точних) і реальних (наближених) значеннях коефіцієнтів:

і

Для проектованого фільтру:

Графік ФЧХ цифрового смугового фільтра

Знайдемо полюса заданої передавальної функції:

,

де р = jw => всі полюси лежать на осі jw = 1

Таким чином, пристрій є стійким.

Висновок

У цій роботі була побудована схема цифрового пристрою і розроблена програма, що забезпечує роботу даного пристрою як цифрового смугового фільтра. Пристрій має високу швидкодію і повною мірою задовольняє вимогам технічного завдання. Необхідність у високій швидкодії пов'язана з прагненням обробляти в реальному масштабі часу широкосмугові сигнали.

Цифрові фільтри мають свої переваги і недоліки перед аналоговими.

Аналогові фільтри фізично реалізовані, якщо в їх передавальних функціях ступінь полінома чисельника не вище ступеня полінома знаменника. Цифрові фільтри не пред'являють таких обмежень, і, таким чином, вони можуть мати характеристики, добитися яких в аналогових фільтрах неможливо.

До недоліків цифрового фільтра можна віднести неточність подання коефіцієнтів внаслідок обмеженої розрядності процесора.

Список використаних джерел

1. Балашов Е.П. та ін Мікро-та міні-ЕОМ / Є.П. Балашов, В.Л. Григор'єв, Г.А. Петров: Навчальний посібник для вузів. - Л.: Вища школа. Ленінгр. отд-ня, 1984

2. Калабеков Б.А. Мікропоцессори та їх застосування в системах передачі та обробки сигналів: Учеб. посібник для вузів. -М.: Радіо і зв'язок, 1988.

3. Мікропроцесорний комплект К1810: Структура, програмування, застосування: Довідкова книга / Ю.М. Казарінов, В.М. Номоконов, Г.С. Подклетнов, Ф.В. Філіппов; Під ред. Ю.М. Казарінова .- М.: Вищ. шк., 1900.

4. Мікропроцесори: системи програмування й налагодження / В.А. М'ясників, М.Б. Ігнатьєв, А.А. Кочкін, Ю.Є. Шейнін; Під ред. В.А. Мясникова, М.Б. Ігнатьєва. - М.: Вища школа, 1985.

5. Проектування імпульсних і цифрових пристроїв радіотехнічних систем: Учеб. Посібник для радіотехніч. спец. вузів / Гришин Ю.П., Катак В.М. та ін; Під ред. Ю.М. Казарінова. - М.: Вищ. шк., 1985.

6. Рафікузаман М. Мікропрцессори і машинне проектування мікропроцесорних систем: У 2-х кн. Пер. З англ.-М.: Світ, 1988.