Цифровой фильтр верхних частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 верхних частот, основой которого служит однокристальный микропроцессор К1821ВМ85 (ВМ85).

Данный МП является усовершенствованной версией МП КР580ВМ80 (ВМ80). МП ВМ85 более экономичный (технология КМОП), использует только один источник питания (+5 В), имеет мультиплексированную шину адреса/данных, расширенные возможности обработки прерываний. На примере данного МП легко построить дешевые и компактные устройствам, в ряду которых фильтр верхних частот с требуемыми характеристиками.

При проектировании цифрового фильтра верхних частот задаются:

q разрядность данных и коэффициентов 8

q входной код дополнительный

q ввод по прерыванию RST 7.5 от таймера

q (-1…+1)В

q 4,0 кГц

q Разностное уравнение

Таким образом, задачей проекта является:

q разработка электрической принципиальной схемы фильтра;

q разработка рабочей программы, обеспечивающей управление всеми БИС, входящими в состав фильтра, и реализацию заданного разностного уравнения;

q расчет частотных характеристик спроектированного фильтра и оценка их искажений, вызванных разрядностью представления коэффициентов.

Формализация задачи

цифровой однокристальный микропроцессор

Минимальная конфигурация МП-системы на основе набора К1821 (К1821ВМ85, КР1821РФ55,КР1821РУ55), совместно с ЦАП 572ПА1 и вспомогательными элементами определяет функциональную схему фильтра верхних частот, которая представлена на рис.1.

МП - система ЦАП

(ВМ 85, РФ 55, РУ 55) 572ПА1

Рис.1. Функциональная схема проектируемого фильтра.

Входное напряжение в виде кода поступает в порт PA БИС РУ55. Частота дискретизации =4.0кГц формируется аппаратным таймером РУ55, в котором частота переполнения в режиме 3, равна . При использовании в качестве входных импульсов таймера тактовых импульсов CLK МП - системы (=1.5МГц) исходное состояние таймера равно:

16-разрядный двоичный код содержит два бита (T15 и T14) задающих режим работы таймера. Для третьего режима работы необходимо в эти биты записать единицы.

Получаем код:

Байты и загружаются при инициализации системы (фильтра).

Необходимость хранения данных вытекает из вида разностного уравнения. Уравнение использует входную выборку отсчетов () и выходную (). Все выборки должны быть доступны для вычислений, а следовательно, должны храниться в памяти МП - системы. Требуется также вычислить два текущих произведения () и сохранить их в памяти. Следовательно, 8 ячеек ОЗУ (РУ55) при составлении программы необходимо определить для хранения данных в текущем цикле обработки входного сигнала. После вычисления выходного и записи в ОЗУ, перед приемом нового входного отсчета, необходимо сдвинуть отсчеты всех выборок в памяти, (n-1) - й отсчет на место (n-2)-ого, а n -й на место (n-1)-ого. В результате вычисления разностного уравнения, можно получить результат, выходящий за пределы (-1,+1). Для исключения переполнения разрядной сетки, введем масштабирование входных отсчетов, путем умножения на коэффициент масштабирования ().

Реальные значения коэффициентов разностного уравнения и коэффициента отличается от заданных, вследствие ограничения длины разрядной сетки:

Согласование кода МП и кода ЦАП необходимо, так как по заданию входной код - дополнительный, Вычисленный отсчет , перед выводом на ЦАП суммируется с константой

. Вывод данных на ЦАП целесообразно осуществлять через порт PA (РФ55), этот порт имеет выходной буферный регистр, в котором отсчет хранится в течение всего интервала дискретизации.

Исходное состояние аппаратной части и программы фильтра устанавливается при включении питания по сигналу аппаратного узла сброса.

При этом:

q программный счетчик (ВМ85) принимает нулевое значение;

q сбрасывается флаг разрешения прерываний (ВМ85);

q все линии портов PA и PB (РФ55) настраиваются на ввод;

q порты PA, PB, PC (РУ55) настраиваются на ввод данных в режиме простого обмена данными;

q таймер (РУ55) останавливается;

q содержимое ячеек ОЗУ и буферных регистров портов (РУ55) сохраняется.

Переходу фильтра в рабочий режим, должна предшествовать его настройка на заданный режим работы.

Разработка общего алгоритма функционирования фильтра

Общий алгоритм функционирования фильтра приведен на рис.2.

При подаче питания, схема сброса формирует импульсы сброса, который обнуляет счетчик команд МП и инициирует формирование импульса сброса RESET для установки МП - системы в исходное состояние. Запускается программа инициализации МП - системы, которая должна начинаться с нулевого адреса. При инициализации:

q в указатель стека SP записывается начальный адрес, с которого начинается стек;

q порт PA (РФ55) настраивается на ввод данных; в регистр направления передачи записывается управляющее слово;

q таймер настраивается на период переполнения, равным в режиме 3;

q порт PA (РУ55) настраивается на ввод;

q пуск таймера;

q настройка режима прерывания.

Программа инициализации завершается остановом МП. Из состояния останова МП выводится сигналом INTRA, поступающим на вход RST 7.5 МП. Последующие операции выполняются под управлением рабочей программы фильтра. Выполнение рабочей программы - это реакция на прерывание, поэтому после обслуживания прерываний по команде возврата из подпрограммы МП возвращается в состояние останова.



Рис.2. Общий алгоритм функционирования фильтра верхних частот

Обоснование аппаратной части устройства

Основой аппаратной части устройства является многопроцессорный набор К1821, в состав которого входят три микросхемы:

q К1821ВМ85 - микропроцессор;

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

q КР1821РУ55 - ОЗУ, таймер и два направленных порта ввода/вывода. Выходной сигнал должен иметь аналоговый вид, для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал, используя ЦАП типа К572ПА1.

Микросхема ЦАП К572ПА1 преобразует 10 - разрядный входной параллельный двоичный код в ток на аналоговом выходе, пропорциональный значениям кода и опорного напряжения.

Для преобразования кода в ток используют внешний источник опорного напряжения и матрица резисторов R - 2R.

К выводу ЦАП подключается операционный усилитель (К140УД8).

Разработка и отладка программы на языке команд микропроцессора

Рабочая программа разрабатывается на основе алгоритма функционирования устройства. Порт PA РФ 55 настраивается на вывод при помощи управляющего слова имеющего вид: , которое необходимо записать в регистр направления передачи порта.

Для настройки таймера на период переполнения в третьем режиме работы необходимо в младший байт таймера записать , а в старший байт таймера записать .

Порт PA РУ 55 настраивается на ввод данных в режиме обмена. Для этого управляющее слово записывается в регистр управляющего слова.

Формат управляющего слова:

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

PA и PB - задают направление передачи данных через порты PA и PB соответственно.

“0” - ввод, “1” - вывод. PC2 и PC1 - варианты использования порта С, для режима работы порта РА условного с квитированием в РС2 записываем “1”, В РС1 записываем “0”, в этом случае линии порта С:

PC0 - INTR A PC2 - STB A

PC1 - BFA PC3..PC5 - вывод

IEA и IEB разрешают (IE=1) или запрещают выработку сигналов прерывания INTR портов А и В. TM2, TM1 - биты которые содержат команды управления таймером, для запуска таймера в эти биты записываются единицы.

Управляющее слово будет иметь вид:

При настройке режимов прерываний необходимо разрешить прерывание МП типа RST 7.5. Используется команда SIM устанавливающая маску прерываний.

Формат маски:

A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0

M 7.5, M 6.5, M 5.5 - маски запрещающие соответствующие прерывания.

R 7.5 - бит сбрасывающий триггер, где фиксируется запрос внешнего прерывания по входу RST 7.5.

MSEN - разрешение установки маски прерываний.

SDEN -разрешение вывода данных находящихся в разряде A7.

SOD - данные предназначенные для вывода через линию SOD.

Маска прерываний будет иметь вид:

Распределение памяти ПЗУ:

0000h…001Dh - программа инициализации;

003Ch…00A4 - программа реакции на прерывание типа RST 7.5;

Распределение памяти ОЗУ:

5000h, 5001h - хранение отсчетов ;

5002h, 5003h - хранение произведений ;

5004h, 5005h - хранение отсчетов ;

50FFh - начальный адрес стека.

Текст программы:

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

* КУРСОВОЙ ПРОЕКТ *

* на тему: Цифровой фильтр верхних частот *

* выполнил: ст.гр.117 *

* УГАРОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ *

* Дата:10.03.04 г. *

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

* Задание на курсовой проект: *

* линейное разностное уравнение: Y(n)=X(n)-1.03X(n-1)-0.15Y(n-1) *

* частота дискретизации: Fд=4.0кГц *

* входной код - дополнительный *

* выходной сигнал - аналоговый, диапазон измерения (-1..+1) *

* ЦАП-К572ПА1 *

* микропроцессор-КР1821ВМ85 *

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

; Определение символических имен

PARF .EQU 0800h;порт PA (РФ 55)

RGARF .EQU 0802h;регистр направления передачи

;порта PA (РФ 55)

PARU .EQU 7001h;порт PA (РУ 55)

RGRU .EQU 7000h;регистр управляющего слова (РУ 55)

TL .EQU 7004h;младший байт таймера

TH .EQU 7005h;старший байт таймера

STL .EQU 77h;младшее слово для загрузки

;в таймер

STH .EQU C1h;старшее слово для загрузки

;в таймер

SRF .EQU FFh; управляющее слово для настройки

;порта PA (РФ 55)

SRU .EQU DAh; управляющее слово для настройки

;портов и пуска таймера (РУ 55)

SRP .EQU 1Bh;управляющее слово для настройки

;прерываний

AX .EQU 5000h;адрес отсчета Xn

AX1 .EQU 5001h;адрес отсчета X(n-1)

AX2 .EQU 5002h;адрес отсчета Yn

AY .EQU 5003h;адрес отсчета Y(n-1)

AY1 .EQU 5004h;адрес произведения P1n

AY2 .EQU 5005h;адрес произведения P2n

AP1 .EQU 5006h;адрес отсчета Y(n-1)

AP2 .EQU 5007h;адрес произведения P1n

AP3 .EQU 5008h;адрес произведения P2n

;Инициализация по сигналу "Сброс"

.ORG 0;начальный адрес программного

;модуля инициализаций

DI; запрет прерываний

LXI SP,50FFh;организация стека

MVI A,SRF; настройка порта PA (РФ 55)

STA RGARF; на вывод

MVI A,STL; настройка таймера на частоту

STA TL; переполнения T=Tд в режиме 3

MVI A,STH;

STA TH;

MVI A,SRU; настройка порта PA (РУ 55)

STA RGRU; на ввод и пуск таймера

MVI A,SRP; настройка режима прерываний

SIM;

EI; разрешение прерываний

M1:HLT;останов.ожидания прерывания

JMP M1;переход на команду останова

;процессор по окончании под-

;-программы обслуживания

;прерывания

.ORG 3Ch;начальный адрес программной

;реакции на прерывание типа

;RST 7.5

LDA PARU; ввод текущего кода

;в аккумулятор

;Программный модуль масштабирования

;вычисление произведения

;Xn:=0,0101101*Xn=

;;входной отсчет храниться в аккумуляторе,

;масштабированный отсчет записать в ячейку

;ОЗУ с адресом AX

MOV H,A;Xn H

ARHL; арифметические сдвиги

ARHL; входного отсчета

;и накопление суммы

MOV A,H; частичных произведений в

ARHL

ARHL;аккумуляторе:

ADD H;(2^-2*Xn+2^-3*Xn+2^-4*Xn+

ARHL;+2^-6*Xn+2^-8*Xn) A

ADD H;

ARHL;

ARHL;

ADD H;

STA AX; запоминание отсчета

;Xn в памяти

;Программный модуль вычисления произведения:

;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

;арифметические сдвиги

;отсчета X(n-1) и

;накопление суммы

ARHL; частичных произведений:

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;запоминание P1n в памяти

;Программный модуль вычисления произведения:

;P2n:=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;арифметические сдвиги

ARHL

ADD H;отсчета Y(n-1) и

ARHL; накопление суммы

ADD H;частичных произведений:

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

ADD H;+2^-8)*Y(n-1) A

ARHL

ARHL;

ADD H;

;STA AP2;запоминание P2n в памяти

;Программный модуль вычисления произведения:

;P3n:=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;арифметические сдвиги

ARHL

ADD H;отсчета Y(n-1) и

ARHL

ARHL

ARHL; накопление суммы

ADD H;частичных произведений:

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

ADD H;+2^-8)*Y(n-1) A

ARHL;

ADD H;

;STA AP3;запоминание P2n в памяти

;Программный модуль вычисления выходного

;отсчета Yn=Xn+P1n-P2n-P3N

LDA AX;Xn A

LXI H,AP1;загрузка адреса P1n

ADD M;Xn-P1n A

INX H;получение адреса P2n

SUB M;Xn-P1n-P2n A

INX H;получение адреса P2n

SUB M

STA AY; запоминание Yn в памяти

ADI 80h;получение смещенного

;входного кода ЦАП

STA PARF; вывод кода на ЦАП через

;порт PA (РФ 55)

;Программный модуль сдвига отсчетов

;в памяти

LHLD AX1;

SHLD AX2

LHLD AX;

SHLD AX1;

LHLD AY1;

SHLD AY2

LHLD AY;

SHLD AY1;

RET; возврат из подпрограммы

;обслуживания прерывания

Отладку программы произведем на основе программного обеспечения в состав которого входит:

q ассемблер, преобразующий написанную программу в машинный код;

q отладчик - эмулятор, который эмитирует работу процессора;

Произведем отладку фрагмента программы ( программный модуль вычисления 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

Составление и описание электрической принципиальной схемы устройства

Принципиальная схема цифрового фильтра содержит следующие микросхемы:

q DD1 - K1821ВМ85

q DD2 - K1821РФ55

q DD3 - K1821РУ55

q DA1 -K572ПА1

q DA2 - K140УД8

К микропроцессору подключается кварцевый резонатор для обеспечения работы внутреннего генератора тактовых импульсов CLK.

Схема формирования импульса сброса на микропроцессоре состоит из RC - цепи и диода KD522, так же возможно принудительное формирование импульса сброса при замыкании переключателя.

Передача сигналов микросхем DD1, DD2, DD3 осуществляется по мультиплексированной шине адреса/данных (AD0 - AD7).Для адресации микросхемы K1821РФ55 используется 3 разряда адресной шины (A10, A9, A8) - для адресации ПЗУ, A11 - для выбора портов или памяти, A12 - для выбора кристалла. Микросхема K1821РФ55 соединена с ЦАП портом PA (PA0 - PA7). Выбор микросхемы K1821РУ55 осуществляется разрядом A14 шины адреса МП, выбор порта или памяти разряда A13.

Для синхронизации передачи данных микросхемы DD1, DD2, DD3 соединены по тактовым входам CLK.

Расчет быстродействия устройства

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

Сумма машинных тактов рабочего цикла программы равна 412. При частоте процессора

и процессор не успевает выполнить подпрограмму обслуживания прерывания, так как , то есть интервал дискретизации равен 375 машинным тактам. Необходимо увеличить тактовую частоту микропроцессора дои скорректировать слово загрузки в таймер:

получим управляющее слово таймера:



Необходимо провести коррекцию в программе, заменив эти константы.

Расчет АЧХ (ФЧХ) устройства для заданных и реальных коэффициентов. Оценка устойчивости устройства

Частотные характеристики фильтра определяются разностным уравнением:

Канонический вид такого уравнения:

при значениях коэффициентов:

Применяя z - преобразование к обеим частям равенства получим передаточную функцию:



При , где , сигнал на входе фильтра - синусоида с частотой f и с единичной амплитудой, а функция равна частотной характеристике фильтра, из которой можно получить АЧХ и ФЧХ. Из-за ограничения разрядной сетки будет различие между реальной и идеальной АЧХ и ФЧХ. Графики представлены на рис.3. и рис.4. Значения коэффициентов разностного уравнения определяют форму и параметры частотных характеристик, поэтому для выявления влияния их приближенного представления следует рассчитать АЧХ при заданных (точных) и реальных (приближенных) значениях коэффициентов:

и

Для проектируемого фильтра верхних частот:

Рис.3. АЧХ фильтра верхних частот

Рис.4. ФЧХ фильтра верхних частот

Заключение

В данной курсовой работе было разработано цифровое устройство, удовлетворяющее исходному заданию. С учетом особенности его назначения и исходной элементной базы были введены решения, позволяющие увеличить точность преобразования входного сигнала в выходной, а так же по возможности минимизирована аппаратная часть - отказ от использования оперативной памяти. Основой спроектированного устройства стал однокристальный микропроцессор К1821ВМ85 и микросхема ЦАП К572ПА1, что и было оговорено в задании.

Список используемой литературы

1.Рафикузаман М. Микропроцессоры и машинное проектирование микропроцессорных систем: В 2-х кн. Пер. С англ. - М.: Мир, 1988.

2. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1988.

3. Проектирование импульсных и цифровых устройств радиотехнических систем: Учеб. Пособие для радиотехнич. спец. вузов/Гришин Ю.П., Катаков В.М. и др.; Под ред. Ю.М. Казаринова . - М.: Высш. шк., 1985.

4. Микропроцессоры: системы программирования и отладки / В.А. Мясников, М.Б. Игнатьев, А.А. Кочкин, Ю.Е. Шейнин; Под ред. В.А. Мясникова, М.Б. Игнатьева. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

5. Р. Токхайм. Микропроцессоры. Курс и упражнения. Пер. с англ. В.Н Грасевиче и Л.А. Ильяшенко. М.: Энергоатомиздат, 1988.

6. Щелкунов Н.Н., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы .- М.: Радио и связь,1989.

7. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение.- М.: Энергоатомиздат, 1990.

8. Цифровые устройства: методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры» / РГРТА; составил Н. И. Сальников, Рязань 20002.

9. Перельман Б.П. Отечественные микросхемы и их зарубежные аналоги: справочник. М: 1998

10. Балашов Е.П. и др. Микро- и мини-ЭВМ / Е.П. Балашов, В.Л. Григорьев, Г.А. Петров: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984

11. Микропроцессорный комплект К1810: Структура, программирование, применение: Справочная книга/ Ю.М. Казаринов, В.Н. Номоконов, Г.С. Подклетнов, Ф.В. Филиппов; Под ред. Ю.М. Казаринова.- М.: Высш. шк., 1990.

12. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: Радио и связь, 1989.

13. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. - М.: Радио и связь, 1990.

14. Микропроцессорные комплекты интегральных схем: состав и структура. Справочник / Под ред. А.А. Васенкова, В.А. Шахнова. - М.: Радио и связь, 1982.

Размещено на Allbest.ru