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.

Рис. 1. Функциональная схема фильтра нижних частот.

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

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

.

Байт  должен загружаться при инициализации МП системы.

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

 и .

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 и 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 .

 ;

;

;

Реальные значения коэффициентов разностного уравнения и коэффициента  отличаются от расчетных, в виду ограничения разрядной сетки:

==;

;

Вывод выходного отсчета  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  перед выводом на ЦАП суммируется с константой .

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:

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

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

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

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

5.  Выбирается банк 0 РОН (текущий банк регистров);

6.  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).