Проектирование системы измерения электрических параметров каналов звуковой частоты (стр. 7 из 22)
5.Рекомендуется, чтобы R1 было минимум 10кОм. Это рекомендовано производителями данного ЦАП. Тем не менее, значения большие 10кОм приводят к малым значениям емкостей (десятки пикофарад) которые становятся соизмеримыми с паразитными емкостями схемы. Возможно будет необходимо немного изменить значения емкостей, выбранных на третьем шаге.
6.Значения величин сопротивлений, вычисленных на четвертом шаге, обычно не принадлежат стандартному ряду величин сопротивлений. Надо выбрать стандартные значения, которые наиболее близко приближены к вычисленным. Это не должно сделать большие изменения в характеристиках фильтра с тех пор как стали доступными резисторы с примерно 2,5 процентным приращением значения номинала. Это позволяет выбирать резисторы со значениями достаточно близкими к вычисленным значениям.
Произвожу расчет параметров фильтра. Поскольку желаемый выходной уровень сигнала в полосе пропускания 2В, Но = -2. Выбираю двухполюсный фильтр Баттерворта с частотой среза 50 кГц. Данный фильтр уменьшает амплитуду сигнала на частоте 20 кГц примерно на 0.1 дБ и имеет почти идеальную линейную фазовую характеристику в полосе звуковых частот.
Fc= 50 кГц
a= 0.7071
b= 0.7071
Выбираю стандартные значения для С2 и С5.
С2= 150 пФ
С5= 1000 пФ
По заданным a, b, Но, Fc, С2, С5 вычисляются значения R1, R3, R4.
R1= 9.875 кОм
R3= 3.42 кОм
R4= 19.75 кОм
Выбираю стандартные значения наиболее близкие к вычисленным
R1= 10 кОм
R3= 3.4 кОм
R4= 20 кОм
Таким образом, к выходу ЦАП будет подключен фильтр с параметрами:
С2= 150 пФ
С5= 1000 пФ
R1= 10 кОм
R3= 3.4 кОм
R4= 20 кОм
Поскольку в проектируемом изделии используется ЦАП с парафазным выходом (в системах передачи звукового сигнала используется парафазный сигнал для компенсации воздействия помех), к рассчитанному фильтру необходимо добавить на не инверсный вход операционного усилителя точно такую же ветвь что находится на инверсной. На рисунке 1.4.8.3 изображен полученный фильтр.
Рисунок 1.4.8.3
Данный фильтр подключается к выходу цифро-аналогового преобразователя.
1.4.9 Описание принципиальной схемы блока формирования и управления
Из последовательного порта микропроцессора по шине в ЦАП DD11 поступает последовательный код. На вход SDAT поступают числа, подлежащие цифро-аналоговому преобразованию с выхода DX0 микропроцессора. На вход SCLK поступает сигнал синхронизации битов поступающих на вход SDAT с выхода CLX0 микропроцессора. На вход LRCK поступает сигнал кадра данных с выхода FSX0 микропроцессора. На вход MCLK поступает сигнал высокой частоты, с которой работает ЦАП. Данный сигнал получается делением на 4 опорной частоты микропроцессора с помощью счетчика. Поскольку проектируемое устройство будет генерировать моносигнал, у ЦАПа, предназначенного для формирования стерео аудио сигнала, используется только выход левого канала. С выхода левого канала ЦАПа сигнал поступает на активный ФНЧ, построенный на операционном усилителе DA1.1, резисторах R1, R2, R3, R4, R5, R6 и конденсаторах C7, C8, C9, C10. После фильтрации сигал поступает на логарифмический ЦАП DD13, предназначенный для регулирования уровня выходного сигнала. Степень ослабления выходного сигнала регулируется записью по входам D0..D7 кода ослабления. Запись осуществляется при подаче низкого уровня на вход WR микросхемы. Работа данной микросхемы осуществляется с помощью внешнего операционного усилителя DA13. Далее сигнал поступает на цепи «Прямой сигнал» разъема X3. Для формирования инверсного сигнала используется операционный усилитель DA2.2 и резиcторы R16, R18 и подстроечный резистор R12 для уравнивания амплитуд сигналов прямого и инверсного канала.
Регистр DD12 используется для запоминания состояния коммутации цепей. Коммутируются цепи с помощью реле K1..K6.
С контактов разъема X4 входной сигнал поступает на суммирующую схему операционного усилителя DA1.2 через конденсаторы С11 и С 12, необходимые для устранения постоянной составляющей сигнала. Далее сигнал поступает на ЦАП DD14 аналогичный тому, что стоит в канале генерации и предназначенный для регулирования амплитуды входного сигнала.
Поскольку после регулирующего уровень ЦАПа сигнал является двуполярным, а АЦП DD15 работает с однополярным сигналом с амплитудой в пределах 5В, сигнал надо поднять. Для этого используется суммирующая схема на основе операционного усилителя DA2.3. Опорный сигнал для суммирования (на сколько надо поднимать входной сигнал) поступает с выхода CMOU АЦП. Поскольку в документации на данный АЦП указано, что данный выход имеет низкую нагрузочную способность, данный выход подключается через буферную схему на основе операционного усилителя DA2.1. Для формирования парафазного сигнала, с которым работает АЦП (данный АЦП спроектирован специально для использования в звуковых системах и поэтому имеет парафазный вход) DD15, используется схема инверсии сигнала на основе операционного усилителя DA2.4 с резисторами R21, R22 и построечным резистором R20. Построечный резистор используется для уравнивания амплитуд прямого и инверсного канала парафазного сигнала. После аналого-цифрового преобразования входного сигнала, осуществляемого АЦПом DD15, последовательный код передается в последовательный порт микропроцессора. С выхода SDAT последовательность бит поступает на вход DR0 микропроцессора. Для синхронизации каждого бита используется сигнал с выхода SCLK, который подается на вход CKR0 микропроцессора. Для синхронизации кадров используется сигнал LRCK, который подается на вход FSR0 микропроцессора.
Для фильтрации напряжения питания подаваемого на микросхемы применяются конденсаторы С13..С29.
Таким образом, осуществляется формирование выходного сигнала, управление выходными цепями и оцифровка входного сигнала.
1.5 Разработка алгоритма работы измерителя
В данном разделе будет описан укрупненный (без упоминания мелких деталей) алгоритм функционирования блока измерителя.
После подачи питания на блок измерителя, необходимо инициализировать как сам процессор, так и всю периферию, которой он управляет. В процессоре устанавливаются в нужное состояние регистры, определяющие работу последовательного порта ввода вывода, выделяется память в ОЗУ под стек, под буфер для команды, полученной от ПЭВМ и ответа, ожидающего отправления на ПЭВМ и т.д. После инициализации из неопределенного состояния блок переходит в определенное, необходимое, заранее заданное.
Поскольку пользователь управляет процессом измерений с помощь ПЭВМ, главным процессом в работе измерителя будет диалог с ПЭВМ через интерфейс RS232. Данный диалог будет строиться по принципу команда-ответ. Пользователь на ПЭВМ с помощью интерфейсных элементов программы формирует необходимую конфигурацию проведения измерений (подключение или отключение генератора от входа канала, подключение генератора прямо к анализатору и т.п.). Пользователь также имеет возможность задавать параметры генерируемого сигнала. Сигнал, подлежащий генерации, виде набора дискретных двоичных отсчетов включается в команду. Программа на ПЭВМ преобразует данную информацию в двоичный код, который и составляет команду для блока измерителя. Поскольку сформированная команда может достигать больших размеров, перед передачей она режется на пакеты, а затем на приемной стороне склеивается в целую команду. Каждый пакет содержит контрольную сумму для повышения надежности передачи информации. При разработке алгоритма обмена блока с ПЭВМ через интерфейс RS232 была использована модель OSI (Open System Interconnection), рекомендованная международным комитетом.
Поэтому после инициализации блок измерителя переходит в состояние ожидания команды от ПЭВМ, которая определит дальнейшее поведение блока. Инициализация начала обмена ПЭВМ с блоком измерителя происходит записью определенного заранее заданного байта в интерфейс RS232. Получив данный байт, блок измерителя переходит в состояние ожидания первого пакета, имеющего фиксированную длину, заданную константой и известной как блоку измерителя так и программе на ПЭВМ. Полученный первый пакет в своем составе, кроме контрольной суммы, содержит и длину следующего за ним пакета. Таким образом, блок измерителя знает, сколько байт он получит из интерфейса RS232 в следующий раз. Если длинна следующего пакета равна нулю, это означает, что данный полученный пакет является последним, и передача команды завершена.
Получив команду, блок измерителя начинает ее анализ, чтобы определить, что надо в соответствии с этой командой делать. Анализ заключается в сопоставлении полей структуры команды, определяющих ее назначение, с заранее заданным двоичным кодом, записанным в памяти программ микропроцессора. Анализ команды заканчивается когда процессор идентифицирует полученную команду.
После анализа команды, блок начинает ее исполнять. Если была получена команда на генерацию сигнала, микропроцессор читает из оперативного запоминающего устройства фрагмент, подлежащий генерации, и через последовательный порт передает его на цифро-аналоговый преобразователь. Сигнал формируется периодическим повторением заранее вычисленного фрагмента сигнала. Периодически, для проверки работоспособности устройства, поступает команда на подключение выхода генератора ко входу анализатора прямо, минуя анализируемый канал. При обнаружении отсутствия сигнала выдается соответствующее сообщение оператору о неисправности блока измерителя. Далее в зависимости от результатов исполнения команды формируется ответ для ПЭВМ, в котором указывается: была ли команда исполнена или не была или была исполнена не полностью.