Разработка мультистандартного цифрового стереокодера для передатчиков радио-вещательных стационарных диапазона ОВЧ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В работе разрабатывается мультистандартный стереокодер. Устройство реализует функции кодирования двух аналоговых сигналов звукового сопровождения и формирования комплексного стереосигнала, используя цифровые методы обработки.

Разрабатываемый стереокодер предназначен для использования в составе радиовещательных стационарных передатчиков диапазона ОВЧ.

Содержание

Введение

Постановка задачи

1. Теоретический раздел

1.1 Обзор основных систем стереофонического радиовещания

1.1.1 Стереофоническое вещание с полярной модуляцией

1.1.2 Стереофоническое вещание с пилот-тоном

1.2 Разработка функциональной схемы

2. Расчетный раздел

2.1 Разработка структурной схемы

2.2 Выбор и обоснование элементной базы

2.2.1 Выбор синтезатора частот

2.2.2 Выбор микропроцессора

2.2.3 Выбор операционного усилителя

2.2.4 Выбор цифро-аналогового преобразователя

2.2.5 Выбор микроконтроллера

2.2.6 Выбор источника опорного напряжения

2.2.7 Выбор стабилизатора напряжения

2.3 Расчет фильтров

2.3.1 Выбор минимального порядка фильтра

2.3.2 Расчет фильтра третьего порядка

2.4 Разработка схемы электрической принципиальной

3. Экспериментальный раздел

3.1 Разработка печатного узла

3.1.1 Общие сведения о системе P-CAD

3.1.2 Слои металлизации «земли» и питания

3.1.3 Проверка печатной платы DRC

3.2 Моделирование выходного каскада согласования и фильтрации

3.2.1 Выбор программы для моделирования

3.2.2 Моделирование выходного каскада согласования-фильтрации

4. Организационно-экономический раздел

4.1 Расчет затрат на НИР

4.1.1 Расчет затрат на проектирование

4.1.2 Затраты на основную заработную плату

4.1.3 Затраты на дополнительную заработную плату

4.1.4 Затраты на единый социальный налог

4.1.5 Затраты на машинное время

4.1.6 Затраты на накладные расходы

4.2 Расчет затрат на изготовление опытного образца

4.2.1 Прямые материальные затраты на изготовление

4.2.2 Расчет основной заработной платы

4.2.3 Расчет дополнительной заработной платы

4.2.4 Затраты на единый социальный налог

4.2.5 Затраты на накладные расходы

4.2.6 Себестоимость изготовления прибора

4.2.7 Определение цены устройства

5. Раздел охраны труда. Оздоровление воздушной среды на участке монтажно-паечных работ

5.1 Факторы, влияющие на климат рабочей среды

5.2 Устройства местной вентиляции, устанавливаемые на рабочих местах

5.3 Расчёт вентиляции

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Техника и технология радиовещания совершенствуются очень быстро: на смену аналоговым технологиям приходят цифровые.

Аналоговая обработка сигнала, традиционно используемая во всех радиотехнических устройствах, является во многих случаях более дешевым способом достижения требуемого результата. Однако тогда, когда требуется высокая точность обработки, миниатюрность устройства, стабильность его характеристик в различных температурных условиях функционирования, цифровая обработка оказывается единственным приемлемым решением.

Несмотря на то, что стереофоническое радиовещание начало внедряться около 40 лет назад, его внедрение и совершенствование является актуальным и до настоящего времени.

При обычной монофонической передаче звука («моно» - один, «фон» - звук) звуковые колебания, преобразованные несколькими микрофонами в тракте формирования программ, смешиваются и на приемной стороне излучаются одним громкоговорителем. Однако звукопередача, осуществленная таким образом даже с помощью высококачественной электроакустической аппаратуры, не является полноценной. Это связано с тем, что слушатель, находящийся в зале, воспринимает звуки, приходящие с разных направлений. Благодаря бинауральному эффекту (т. е. слушанию двумя ушами) он может определить место расположения каждой группы инструментов оркестра, солирующего инструмента и солиста или, как говорят, может локализовать источник звука. Значительный вклад в образование объемного звучания путем добавления к прямым звукам отраженных от разных поверхностей вносит зал. Всего этого лишен слушатель, воспринимающий вещательную передачу через один громкоговоритель. Все звуки исходят из одной точки пространства, где он размещен. Звучание при этом становится ненатуральным.

В период внедрения стереовещания было предложено более 30 систем стереофонической радиопередачи. Базой стереофонического вещания в России являются системы с полярной модуляцией и пилот-тоном.

Выбор системы стереофонического радиовещания определяется теми техническими требованиями, которым она должна удовлетворять. В частности, необходимо обеспечить прямую и обратную совместимости и минимальное по сравнению с моноприемом уменьшение зоны уверенного стереоприема. Прямая совместимость заключается в предоставлении радиослушателю возможности принимать стереофоническую передачу на обычный монофонический радиоприемник (естественно, в моноварианте), а обратная в приеме на стереофонический приемник обычной передачи без потерь качества, но, конечно, без стереофонического эффекта.

Постановка задачи

Алгоритмы цифровой обработки сигналов используются для выполнения таких операций, как фильтрация, формирование сигналов, выделение сигналов на фоне помех, распознавание образов и многих других. Ранее эти задачи в основном решались с помощью аналоговой обработки, но данные методы имеют множество недостатков, а именно: невысокую точность преобразований, нестабильность характеристик, низкую надежность, и другие. Использование методов ЦОС позволяет добиться качественного улучшения характеристик реализуемой аппаратуры. Поэтому внедрение методов цифровой обработки сигналов является насущной необходимостью во многих областях техники таких, как связь, обработка речи и изображений, распознавание образов, измерительная техника, радиолокация и многих других, в том числе радиовещание.

Ввиду того, что по происхождению система с полярной модуляцией - российская, а с пилот-тоном - американская, стало традицией называть вещание в российской системе - «ЧМ вещанием», а в американской - «FM вещанием». Хотя используемый в них принцип один и тот же, однако, на приемник, предназначенный для «ЧМ вещания», нельзя принять стереосигнал «FM вещания», и наоборот.

Поэтому задача создания цифрового стереокодера, поддерживающего наиболее распространенные вещательные стандарты является актуальной.

1. Теоретический раздел

1.1 Обзор основных систем стереофонического радиовещания

Стереофоническое вещание можно осуществить в любом частотном диапазоне, однако реально оно ведется в диапазоне метровых волн, поскольку в этом случае имеется возможность использовать соответствующей ширины частотные каналы и частотную модуляцию. При стереофоническом вещании вместо одного звукового сигнала передаются два: сигнал левого канала А, отвечающий звуковому полю с левой стороны сцены, и сигнал правого канала В, отвечающий звуковому полю с правой стороны сцены. В общем случае сигналы А и В передаются через один передатчик на одной поднесущей методом частотной модуляции. Из многих возможных способов передачи стереофонического сигнала практическое применение находят способы с использованием полярной модуляции и модуляции с пилот-тоном [1].

1.1.1 Стереофоническое вещание с полярной модуляцией

Идея полярной модуляции (ПМ) впервые описана в 1939г. А.И. Косцовым и внедрена в 50-х гг. благодаря работам профессора Л.М. Кононовича (рис. 1.1). Положительные полупериоды высокочастотного колебания звукового диапазона модулированы по амплитуде одним сигналом стереопары, а отрицательные полупериоды -- другим. Такое полярно-модулированное колебание (ПМК) несет информацию двух раздельных сигналов стереопары.



Рисунок 1.1 - Полярно-модулированное колебание

Из рисунка 1.2 следует, что спектр полярно-модулированного колебания состоит из двух частей. Первая часть А+В представляет собой монофонический сигнал и называется тональной. Вторая - надтональная, является амплитудно-модулированным сигналом А-В. Таким образом, полярная модуляция позволяет одновременно передавать модулирующие сигналы А и В на одной поднесущей. Поскольку спектр полярно-модулированного сигнала содержит низкочастотную тональную составляющую, то непосредственно в эфир передать такой сигнал невозможно. Поэтому применяется частотная модуляция несущей передатчика полярно-модулированным сигналом, т.е. при стереофоническом радиовещании модуляция звукового сигнала осуществляется в два этапа. Частота поднесущей при полярной модуляции установлена 31,25 кГц, то есть ровно вдвое выше частоты строчной развертки в телевидении, что упрощает применение системы с ПМ для организации стереосопровождения телевидения. При полосе звукового сигнала 15 кГц спектр полярно-модулированого сигнала занимает полосу 46,25 кГц, т.е. почти в три раза шире, чем при монофоническом вещании [1]. Совместимость стереофонической системы с монофонической обеспечивается благодаря тому, что при приеме на монофонический приемник надтональная часть (А-В) выходит за полосу приема и не слышна, а принимается только монофонический сигнал А+В.

Также из рисунка 1.2 видно, что в спектре полярно-модулированного сигнала присутствует сигнал поднесущей, т.е. передатчик будет работать неэффективно, поскольку общая максимальная девиация частоты не может превышать 50 кГц, а, значит, часть девиации частоты будет затрачиваться на передачу немодулированной поднесущей во вред полезному сигналу. Поэтому вводится частичное подавление поднесущей после модуляции. Образовавшийся сигнал после подавления поднесущей называется комплексным стереосигналом (КСС - сложный низкочастотный сигнал, несущий информацию о сигналах левого и правого стереофонических каналов, который используется для модуляции частоты излучения передатчика в режиме стереофонического вещания).

Рисунок 1.2 - Спектр полярно-модулированного колебания

Полярно-модулированное колебание описывается уравнением

(1.1)

где - амплитуда несущей ПМК;

и (1.2)

- тональные модулирующие колебания; и и , и -- соответственно амплитуды и частоты этих колебаний, модулирующих положительные и отрицательные полупериоды несущего колебания [2]. Нетрудно видеть, что ПМК состоит из двух составляющих: низкочастотной, представляющей собой сумму колебаний , и надтональной, которая представляет собой несущее колебание , модулированное по амплитуде разностью сигналов . Выражение (1.1) можно записать несколько иначе:

(1.3)

Если учесть, что КСС отличается от полярно-модулированного колебания только уровнем поднесущей , то, учитывая (1.3), нетрудно найти

(1.4)

На рисунке 1.3 приведена функциональная схема одного из первых вариантов стереокодера с ПМ. Для повышения помехозащищенности исходных сигналов A и B в области верхних частот, где уровни спектральных составляющих существенно меньше, чем на средних частотах, сигналы подвергаются частотным предыскажениям с помощью предыскажающего контура с постоянной времени 50 мкс. Затем с помощью сумматоров СМ1 и СМ2 формируются суммарный (А+В) и разностный (А-В) сигналы. Разностный сигнал модулирует (М1) поднесущую 31,25 кГц, при этом формируется надтональная часть комплексного стереосигнала, которая суммируется в СМ3 с тональной - (А+В), после чего режекторный фильтр РФ ослабляет поднесущую 31,25 кГц и спектральные составляющие с близкими частотами. Подавление несущей происходит в 5 раз (-14 дБ), что позволяет уменьшить девиацию частоты передатчика, а, следовательно, и полосу частот радиоканала. На выходе режекторного фильтра - сформированный КСС [3].



Рисунок 1.3 - Функциональная схема стереофонического тракта системы с полярной модуляцией

Рисунок 1.4 - Спектр комплексного стереосигнала в системе с ПМ

1.1.2 Стереофоническое вещание с пилот-тоном

Американская система с пилот-тоном была разработана инженерами фирмы Zenit-General Electric в конце 1950-х гг. и утверждена для регулярного вещания в 1961 году. В ней также формируется комплексный стереосигнал. Его спектр тоже содержит две части: низкочастотную, представляющую собой сумму А+В сигналов стереопары, и надтональную - с полностью подавленной несущей. Частота в американской системе выбрана равной 38 кГц. Чтобы иметь возможность точно восстанавливать частоту поднесущей на приемной стороне системы, в спектре КСС дополнительно введен пилот сигнал частотой 19 кГц. В системе с пилот-тоном на самом деле много общего с системой с полярной модуляцией. В частности, для обеспечения совместимости с моноприемниками в этой системе в полосе частот 30-15000 Гц также передается суммарный сигнал (А+В), а для обеспечения стереоприема в полосе частот 23-53 кГц - разностный звуковой сигнал (А-В), полученный методом амплитудной балансной модуляции дополнительной поднесущей с частотой 38 кГц. Как известно, при балансной модуляции с целью уменьшения излучаемой передатчиком мощности сигнал несущей частоты полностью подавляется, и на выходе балансного модулятора остаются лишь две боковые полосы модулированного радиосигнала. Это заметно повышает эффективность использования мощности передатчика, которая истратится бесполезно на передачу поднесущей стереозвука, хотя бы и подавленную в 5 раз (как в системе с полярной модуляцией). Однако балансная модуляция порождает другую сложную проблему: для того, чтобы получить в приемнике первоначальный спектр исходного АМ-сигнала, приходится передавать дополнительный пилот-сигнал с частотой вдвое меньшей, чем поднесущая (то есть 19 кГц).

На рисунке 1.5 приведена функциональная схема стереофонического тракта системы с пилот-тоном. В стереокодере системы с пилот-тоном точно также, как и в системе с полярной модуляцией, для повышения помехозащищенности исходных сигналов А и В в области верхних частот, где уровни спектральных составляющих существенно меньше, чем на средних частотах, сигналы подвергаются частотным предыскажениям с помощью предыскажающего контура, но с постоянной времени 75 мкс., формируется сумма (А+В) и разность (А-В). Дальше начинаются отличия: сигнал (А-В) подается на балансный модулятор БМ, на его выходе поднесущая 38 кГц существенно ослаблена. Из сигнала поднесущей 38 кГц путем деления частоты на два синтезируется пилот-тон с частотой 19 кГц, который суммируется с тональной частью (А+В) и надтональной. На выходе сумматора получаем КСС [3].



Рисунок 1.5 - Функциональная схема стереофонического тракта системы с пилот-тоном

Рисунок 1.6 - Спектр комплексного стереосигнала в системе с ПТ

1.2 Разработка функциональной схемы

Анализ выше описанных функциональных схем систем с полярной модуляцией и пилот-тоном (рис. 1.3 и рис. 1.5 соответственно) показывает, что оба тракта имеют общие функциональные узлы.

В обеих системах для повышения помехозащищенности исходных сигналов А и В в области верхних частот, где уровни спектральных составляющих существенно меньше, чем на средних частотах, сигналы подвергаются частотным предыскажениям с помощью предыскажающего контура, формируется сумма (А+В) и разность (А-В).



Рисунок 1.7 - Общие функциональные узлы

Представим общую функциональную схему стереофонического тракта (рис. 1.8).

Рисунок 1.8 - Функциональная схема мультистандартного стереокодера

Программная реализация всех указанных функциональных узлов схемы позволяет оперативно осуществлять переход от системы к системе посредством включения в основной программный цикл ряда процедур, реализующих тот или иной способ модуляции (умножения) и режекции поднесущей (включение “1”), формирования пилот-тона (включение “2”). Кроме того, изменение постоянной цепи коррекции при переходе со стандарта на стандарт требует лишь изменения коэффициентов, используемых программной реализацией цифрового нерекурсивного фильтра первого порядка.

Именно модульный подход к реализации задачи в целом позволяет значительно упростить разработку программного обеспечения и сократить требования к ресурсам основного процессорного элемента.

2. Расчетный раздел

2.1 Разработка структурной схемы

Согласно заданию на дипломный проект стоит задача объединения всех указанных выше аспектов формирования комплексного стереосигнала двух систем в одном устройстве с соблюдением требований ГОСТ на передающую аппаратуру [4]. В связи с этим на этапе разработки структурной схемы стереокодера определяющую роль играет выбор элементной базы, способной реализовать описанные выше функции в реальном масштабе времени, используя при этом все преимущества цифровых устройств и микропроцессорной техники.

Анализ полосы частот формируемого сигнала показывает, что при переходе в цифровой базис, при использовании дискретизации исходных и оконечного сигнала верхняя частота дискретизирующей последовательности превышает 100 кГц. Более того, требования ГОСТ Р 51741 - 2001 “Передатчики радиовещательные стационарные диапазона ОВЧ. Основные параметры, технические требования и методы измерений” ограничивают коэффициент гармоник и уровень взвешенного шума на уровне 0.3% и -65 дБ соответственно, что требует многократного повышения частоты дискретизации (не менее 16) относительно верхней частоты спектра формируемого сигнала. Реализация функций стереокодера в реальном масштабе времени при частоте дискретизации более 100 кГц значительно сужает выбор микропроцессорного элемента, способного выполнять подобные задачи. В качестве центрального структурного элемента в работе выступает цифровой сигнальный процессор, максимально интегрирующий в себе приведенные функциональные схемы.

Некратность поднесущих частот двух стандартов, усугубленная высокими требованиями к погрешности установления частоты (согласно требованиям ГОСТ: +/- 2 Гц) усложняет структурную схему устройства необходимостью использования двух источников синхронизации с частотами, кратными поднесущим 31,25 и 38 кГц.

Очевидно, что при переходе от одного вещательного стандарта к другому, для исключения неопределенности спектральной картины формируемого сигнала, возникающей в момент смены тактовой частоты, необходимой является схема управления, способная согласовать моменты перехода процессора со стандарта на стандарт и схемы синхронизации - с одной частоты на другую.

Затем цифровой сигнал преобразуется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) и фильтром нижних частот (ФНЧ) в стандартный аналоговый КСС.

В результате, структурная схема проектируемого устройства выглядит следующим образом:

1 - Цифровой сигнальный процессор

2 - Контроллер управления/выбора стандарта и частоты синхронизации

3 - Управляемый синтезатор частот

4 - Цифро-аналоговый преобразователь

5 - Выходная цепь согласования и фильтрации

6 - Входная цепь согласования и фильтрации (Канал А)

7 - Входная цепь согласования и фильтрации (Канал B)

Рисунок 2.1. - Структурная схема мультистандартного стереокодера

2.2 Выбор и обоснование элементной базы

2.2.1 Выбор синтезатора частот

Необходимость использования двух источников синхронизации с частотами, кратными поднесущим 31.25 и 38 кГц, приводит к проблеме оптимального выбора синтезатора частот. Отношение частот поднесущих не позволяет использовать генераторы со стандартным рядом значений частот. Однако использование синтезатора частот позволяет значительно упростить задачу синтеза поднесущих, сводя к нулю абсолютное отклонение от указанных значений. В качестве оптимальных в работе приняты следующие тактовые частоты процессора:

Для полярной модуляции: 80 МГц, соответствующие целочисленному коэффициенту деления (80) до тактовой частоты формирования комплексного стереосигнала (1МГц) и целочисленному коэффициенту деления (320) до тактовой частоты АЦП (250 кГц);

Для пилот-тона: 76 МГц, соответствующие целочисленному коэффициенту деления (80) до тактовой частоты формирования комплексного стереосигнала (950 кГц) и целочисленному коэффициенту деления (320) до тактовой частоты АЦП (237.5 кГц).

В настоящее время получили широкое распространение интегральные синтезаторы частоты различных зарубежных фирм, которые позволяют осуществить быструю электронную перестройку рабочей, в том числе и сверхвысокой, частоты, сохраняя при этом ее высокую стабильность. Такие синтезаторы частоты бывают прямого и косвенного типов [5]. К достоинствам прямого синтеза относится высокое быстродействие при малом шаге сетки частот, но из-за необходимости фильтрации большого количества спектральных компонент, вызванных многочисленными нелинейными преобразованиями сигнала, применяются редко. Косвенный синтез основан на основе фазовой автоматической подстройки частоты (Phase Locked Loop, PLL), при котором выходная частота формируется с помощью дополнительного генератора (чаще всего это генератор, управляемый напряжением -- Voltage Controlled Oscillator, VCO), охваченного петлей ФАПЧ. К наиболее распространенным приборам такого типа относятся синтезаторы фирмы Cypress. В качестве основы синтезатора частот синхронизации в работе выбран прибор CY22393FI, удовлетворяющий всем требованиям проекта.

Основные параметры синтезатора частот:

· рабочий диапазон синтезируемых частот 8 ч 166 МГц

· максимальный джиттер - 400пс;

· напряжение питания - 3.3 В;

· широкий диапазон коэффициентов деления;

· линейная нагрузочная характеристика;

· энергонезависимая память программ;

· функции управления потреблением (режим ожидания, режим вкл/выкл выходов);

2.2.2 Выбор микропроцессора

Программная реализация приведенных в п.1.2 функциональных схем предполагает непрерывно (циклически) повторяемых действий, общий результат которых описывается функциональной схемой “1” или “2” (рис. 1.8). Такой подход значительно упрощает именно программную реализацию алгоритма в целом и снижает требования к быстродействию периферийных (интерфейсных) модулей процессора. Единственным недостатком такого подхода является необходимость остановки основного цикла для инициализации (настройки) периферийных модулей и статических параметров. Таким образом, алгоритм работы процессора представляет собой два основных элемента: блок инициализации и блок бесконечного цикла, не содержащего элементов инициализации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Инициализация статических параметров основного цикла (выбор СТАНДАРТА): в этом блоке осуществляется опрос вывода GPIO0 для принятия решения относительно выбранного стандарта как статического параметра. Принятое решение в свою очередь определяет параметры настройки периферийных модулей, в первую очередь ТАЙМЕРА, период следования прерывающих событий которого определяет тактовую частоту (частоту дискретизации и формирования результатов на выходе ЦАП, кратную частоте соответствующей СТАНДАРТУ поднесущей).



Анализ задачи реализации мультистандартной модуляции в реальном масштабе времени показывает, что для указанных в п.2.2.1 тактовых частот и частот формирования результата число элементарных операций типа сложение, умножение и т.п. составляет для любого из указанных стандартов не более чем 20 на интервале 1 мкс. Здесь тактовая частота операций формирования КСС после получения разностных [(A+B) и (A-B)] сигналов принимается равной тактовой частоте формирователя поднесущей с учетом верхней частоты в спектре ПМ-сигнала (31,25Ч32 = 1000,0 кГц для стандарта с полярной модуляцией и 38Ч25 = 950,0 кГц для стандарта с пилот-тоном). Частота дискретизации исходных сигналов каналов А и В определяет тактовую частоту для сумматоров, входящих в общую для обоих стандартов схему. Эта частота в расчете принимается равной 250,0 кГц для ПМ и 237,5 кГц для стандарта с пилот-тоном. С двойным запасом быстродействия [6] от скалярного процессора потребуется быстродействие, количественно выраженное в миллионах операций в секунду около 40. Для такого класса задач подходит сигнальные процессоры фирмы Texas Instruments серии “X28” , а для использования всех возможностей представителей этой серии идеальным образом подходит прибор TMS320F2801.

Основные параметры процессора:

· напряжение питания - 3.3 В

· тактовая частота - 100 МГц

· производительность - 100 MIPS

· 16K x 16 Flash, 6K x 16 SARAM

· 1K x 16 OTP ROM

· 4K x 16 Boot ROM

- с программным обеспечением загрузочных модулей (SCI, SPI, CAN, I2C и параллельный интерфейс)

- стандартные математические таблицы

· синхронизация

- динамическая PLL

- внутренний генератор

- режим обнаружения пропадания тактовой частоты

- модуль сторожевого таймера

· любой GPIO A вывод может служить источником прерываний

· 128-разрядный ключ/замок

· расширенный контроллер периферии

- до 16 выходов шин

- до 4 выходов шин высокого разрешения

- до 4 входов захвата

- до двух квадратурных декодеров

· три 32-разрядных таймера

· 12-разрядный АЦП, 16 канальный

- два 8-канальных мультиплексора

- два устройства выборки хранения

- однократные/повторяемые преобразования

- скорость аналого-цифрового преобразования 160 нс/6.25 MSPS

- внутреннее или внешнее опорное напряжение

· до 35 индивидуальных программируемых выводов общего назначения с внутренней фильтрацией

2.2.3 Выбор операционного усилителя

Несмотря на активный переход на цифровую элементную базу практически во всех областях современной радиотехники не удается избежать необходимости использования активных аналоговых решений. К таким задачам относится, в первую очередь, включение противоподменного фильтра во входные цепи аналого-цифровых преобразователей и сглаживающих фильтров на выходе цифро-аналоговых преобразователей. Именно таким образом в разрабатываемом устройстве решается задача исключения (сведения к минимуму) вклада всех спектральных составляющих выше верхней частоты сигнала звукового сопровождения на входе и комплексного сигнала на выходе.

Определяющими техническими характеристиками операционных усилителей, используемых как во входных, так и выходных цепях будут рабочая полоса частот и спектральная плотность мощности шума. Помимо основных требований к операционному усилителю можно указать на известное сопротивление нагрузки (равное входному сопротивлению АЦП для противоподменного фильтра и 600 Ом для сопротивления НЧ входа передатчика). Указанным параметрам, с учетом требований к СКО собственных шумов в известной полосе частот (0…50 кГц для сглаживающего фильтра) удовлетворяет операционный усилитель OP37.

Основные параметры операционного усилителя:

· низкий уровень шума,

· низкий температурный дрейф - 0.2 мкВ/0С

· быстродействие - 17 В/мкс

· подавление синфазных составляющих, 126 дБ

· коэффициент усиления без обратной связи, 1.8 миллионов

2.2.4 Выбор цифро-аналогового преобразователя

Цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) называется узел или микросхема, предназначенные для преобразования входного цифрового кода в выходной аналоговый ток или напряжение. Наиболее важными параметрами ЦАП являются разрядность, тип интерфейса, быстродействие, характеристики питания и тип выхода (по току или по напряжению).

Дифференциальная нелинейность - различие между фактической высотой шага и идеальным значением ЕМР. Заданная величина для дифференциальной нелинейности (? 1 ЕМР) гарантирует, что передаточная характеристика ЦАП является монотонной. Это означает, что никакие данные не потеряны, поскольку выходной сигнал всегда изменяется в соответствии с цифровым кодом на входе.

Согласно требованиям на коэффициент гармоник и отношение сигнал/шум 12-разрядный монотонный ЦАП удовлетворяет условиям задачи полностью.

Микросхемы цифро-аналоговых преобразователей выпускаются рядом фирм, но для обеспечения совместимости с выбранным микропроцессорным элементом целесообразно рассматривать приборы фирмы Texas Instruments. Все описанные выше параметры сочетаются в цифро-аналоговогом преобразователе TLV5636.

Основные параметры цифро-аналогового преобразователя:

· совместимость с процессорами серии TMS320 и SPI

· 12-разрядный

· быстрое время установления - 1мкс

· дифференциальная нелинейность - не более

· внутреннее программируемое опорное напряжение

2.2.5 Выбор микроконтроллера

При переходе от одного вещательного стандарта к другому, для исключения неопределенности спектральной картины формируемого сигнала, возникающей в момент смены тактовой частоты, необходимой является схема управления, способная согласовать моменты перехода процессора со стандарта на стандарт и схемы синхронизации - с одной частоты на другую. Данная задача может быть решена при использовании микроконтроллера.

Из всего многообразия микроконтроллеров в работе выбран наиболее доступный из распространенных: микроконтроллер фирмы ATMEL - AT90S2313.

Алгоритм работы контроллера определяется требованиями на протокол, объединяющий системное оборудование автоматизации контроля вещательного центра и в работе не рассматривается.

2.2.6 Выбор источника опорного напряжения

Источник опорного напряжения необходим для формирования напряжения опоры для создания рабочей точки сигнала до аналого-цифрового преобразования. Определяющими параметрами при выборе является точность начальной установки и температурный дрейф. Нашим условиям удовлетворяет прибор AD780B, у которого точность установки соответствует 1 мВ, температурный дрейф - 0,0003%/0С.

2.2.7 Выбор стабилизатора напряжения

Типовое включение микропроцессорного элемента TMS320F2801 предполагает наличие стабилизатора напряжения. В работе используется стабилизатор, рекомендуемый непосредственно производителем - TPS70151.

2.3 Расчет фильтров

Фильтры - это частотно-избирательные устройства, которые пропускают или задерживают сигналы, лежащие в определенных полосах частот. До 60-х годов для реализации фильтров применялись, в основном, пассивные элементы, т. е. индуктивности, конденсаторы и резисторы.

Основной проблемой при реализации таких фильтров оказывается размер катушек индуктивности (на низких частотах они становятся слишком громоздкими). С разработкой в 60-х годах интегральных операционных усилителей ОУ появилось новое направление проектирования активных фильтров на базе ОУ. В активных фильтрах применяются резисторы, конденсаторы и усилители (активные компоненты), но в них нет катушек индуктивности. В дальнейшем активные фильтры почти полностью заменили пассивные. Сейчас пассивные фильтры применяются только на высоких частотах (выше 1МГц), за пределами частотного диапазона большинства операционных усилителей широкого применения.

Фильтры можно классифицировать по их частотным характеристикам. На рисунке 2.2 изображены характеристики фильтра нижних частот (а), фильтра верхних частот (б), полосового фильтра (в). Основная функция любого фильтра заключается в том, чтобы ослабить сигналы, лежащие в определенных полосах частот, внести в них различные фазовые сдвиги или ввести временную задержку между входным и выходным сигналами.

стереофонический частота фильтрация микроконтроллер



а) б) в)

а) фильтр нижних частот

б) фильтр верхних частот

в) полосовой фильтр

Рисунок 2.2 - Характеристики фильтров

Фильтр нижних частот представляет собой устройство, которое пропускает сигнал низких частот и задерживает сигналы высоких частот. Существует много способов построения активных фильтров нижних частот разных порядков. Наиболее известные классы активных фильтров - это фильтры Баттерворта и Чебышева.

Фильтр Чебышева нижних частот обладает амплитудно-частотной характеристикой, которая определяется следующим образом:

(2.1)

Параметры и - постоянные числа, а является полиномом Чебышева первого рода степени и имеет вид:

(2.2)

Амплитудно-частотная характеристика достигает своего наибольшего значения в тех точках, где равно нулю. Поскольку эти точки распределены в полосе пропускания, то характеристика фильтра Чебышева содержит пульсации в полосе пропускания и монотонна в других областях. Размах этих пульсаций определяет параметр , а их число степень . Коэффициент усиления фильтра определяется значением .

Чем выше порядок фильтров, тем лучше их амплитудно-частотная характеристика. Однако более высокий порядок усложняет схемную реализацию и вследствие этого повышает стоимость. Появляется проблема выбора минимально необходимого порядка фильтра, удовлетворяющего заданным требованиям.

2.3.1 Выбор минимального порядка фильтра

Если заданы максимально допустимое затухание в полосе пропускания (дБ), минимально допустимое затухание в полосе задерживания (дБ), частота среза (рад/с) или (Гц) и максимально допустимая ширина переходной области , которая определяется следующим образом:

(2.3)

Уравнение (2.3) можно записать в виде:

(2.4)

Параметр называется нормированной шириной переходной области и является безразмерной величиной. Следовательно, и можно задавать и в радианах на секунду, и в герцах.

Задача состоит в нахождении минимального порядка, который будет удовлетворять всем этим условиям.

На основании (2.1) для найдем минимальный порядок фильтра Чебышева:

 (2.5)

Для нахождения зависимости порядка от ширины переходной области используем соотношение (2.4):

(2.6)

Найдем минимальный порядок фильтра для дБ, дБ, кГц, :

Поскольку порядок должен быть целым числом, то берем ближайшее большее целое число: . То есть необходимо реализовать фильтр третьего порядка.

2.3.2 Расчет фильтра третьего порядка

Фильтр третьего порядка состоит из двух звеньев: звена первого порядка и звена второго порядка.

В качестве звена второго порядка используем схему фильтра нижних частот второго порядка (рис. 2.3), реализующую неинвертирующий коэффициент усиления.



Рисунок 2.3 - Схема звена нижних частот второго порядка.

Эту схему иногда называют фильтром на ИНУН, поскольку операционный усилитель (ОУ) и два подсоединенных к нему резистора и образуют источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН). Фильтр на ИНУН позволяет добиться неинвертирующего коэффициента усиления при минимальном числе элементов. Он обладает низким полным выходным сопротивлением, небольшим разбросом элементов и возможностью получения относительно высоких коэффициентов усиления. Кроме того, этот фильтр прост в настройке.

Схема на ИНУН реализует функцию фильтра нижних частот второго порядка с параметрами:

(2.7)

(2.8)

(2.9)

Величина представляет собой коэффициент усиления ИНУН, а также коэффициент усиления фильтра. Удовлетворяющие уравнениям (2.7)-(2.9) значения сопротивлений определяются следующим образом:

(2.10)

(2.11)

(2.12)

(2.13)

где номинальное значение емкости выбирается близким к значению мкФ, а номинальное значение емкости , удовлетворяющим неравенству:

(2.14)

(Это гарантирует вещественное значение ). Постоянные и представляют собой нормированные коэффициенты.

Рассчитаем второе звено фильтра третьего порядка с неравномерностью передачи 1 дБ, полосой пропускания 53 кГц и коэффициентом усиления равным 2. В этом случае , , а из литературы [7] находим, что и . Выбирая номинальное значение , из (2.14) получаем:

Вычислим по (2.10)-(2.13) значения сопротивлений. В результате:

кОм

кОм

кОм

кОм

Из стандартного ряда Е24 (по ГОСТ 28884 - 90) выбираем значения сопротивлений и конденсаторов: , , кОм, кОм, кОм, кОм.

Звено первого порядка может быть реализовано с помощью схемы, приведенной на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Схема звена нижних частот первого порядка.

Значение емкости должно выбираться близким к значению мкФ, при этом значение сопротивления:

(2.15)

Сопротивление , с учетом того, что коэффициент усиления по напряжению каскада фильтрации второго порядка равен 2 для единичного суммарного коэффициента, примем равным двум :

 (2.16)

Если в усилителе один из входов заземлен, то даже при условии идеальной настройки на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это связано с тем, что входной ток смещения создает падение напряжения на резисторах, которое затем усиливается схемой усилителя. Для уменьшения ошибок, обусловленных входным током смещения, используем компенсационный резистор [8]:

(2.17)

Рассчитаем первое звено фильтра третьего порядка с неравномерностью передачи 1 дБ, полосой пропускания 53 кГц и коэффициентом усиления в полосе пропускания равным -3дБ. В этом случае , , а из литературы [7] находим, что . Выбирая номинальное значение Ф, из (2.15-2.17) получаем:

кОм

кОм

кОм

Из стандартного ряда Е24 (по ГОСТ 28884 - 90) выбираем значения сопротивлений и конденсатора: , кОм, кОм, кОм.

Аналогичным образом рассчитывается входной противоподменный фильтр, но для частоты среза равной 60 кГц.

2.4 Разработка схемы электрической принципиальной

На вход устройства поступают сигналы звукового сопровождения (контакт 1 разъемов Х1 и Х2), которые затем проходят через противоподменные фильтры. После чего поступают на вход аналого-цифрового преобразователя (выводы ADCINA0 и ADCINA1 микропроцессора DA5), где преобразуются в цифровой сигнал.

Микроконтроллером (DA1) осуществляется выбор режима полярной модуляции или режим пилот-тона. При переходе со стандарта на стандарт микроконтроллер (DA1) посредством установки в “1” вывода “” управляемого стабилизатора (DA3) обеспечивает долговременный сброс процессора (DA5), в течение которого DA1 проводит конфигурацию синтезатора частот (DA2) согласно временной диаграмме работы последовательного периферийного интерфейса SPI (четырехпроводный режим). После выдерживания временной паузы, необходимой для установки частоты ГУН синтезатора, микроконтроллер выводит процессор из режима сброса и на линию GPIO0 подает признак соответствующего вещательного стандарта, воспринимаемый и интерпретируемый процессором только на этапе начальной (после сброса) инициализации периферийных и программных модулей.

Результат работы соответствующих программных модулей в цифровом виде поступает на ЦАП (SPI-интерфейс, трехпроводный режим) и преобразуется в КСС соответствующего стандарта после фильтрации, исключающей из спектра полезного сигнала составляющие близкие и кратные частоте формирования. Схема включения и диаграммы работы интерфейса соответствуют типовым, рекомендованным производителем.

Цепи питания устройства предполагают наличие стабилизированного источника напряжения +5 В и -5 В, расчет которого в рамках данной работы не приводится.

Схема электрическая принципиальная и перечень элементов к ней приведены в приложении. Общее потребление устройства, согласно спецификациям на отдельные элементы не превышает 3 Вт.

3. Экспериментальный раздел

3.1 Разработка печатного узла

Проектирование печатной платы (ПП) мультистандартного стереокодера осуществлялось в системе автоматизированного проектирования PCAD2002.

Проектирование стереокодера осуществлялось в следующем порядке:

· cоздание электрической схемы в модуле P-CAD SCHEMATIC системы PCAD2002;

· формирование файла списка соединений и трансляция его в модуль P-CAD PCB;.

· размещение элементов на плате;

· трассировка печатной платы;

3.1.1 Общие сведения о системе P-CAD

Система P-CAD выполняет полный цикл проектирования печатных плат, включающий в себя графический ввод схем, упаковку схемы на ПП, ручное размещение компонентов, ручную и/или автоматическую трассировку проводников, контроль ошибок в схеме и ПП и выпуск документации [9].

Рисунок 3.1 - Структура системы проектирования P-CAD

P-CAD SCHEMATIC - графический редактор принципиальных схем. Очень удобно, что при размещении на схеме символа компонента в диалоговом окне предварительно вводится его изображение. При этом в поставляемых вместе с системой библиотеками импортных цифровых ИС некоторые компоненты имеют 3 варианта графики: Normal - нормального (в стандарте США), DeMorgan - обозначения логических функций, IEEE - обозначения в стандарте института инженеров по электротехнике и электронике (наиболее близком к отечественным стандартам). Библиотеки отечественных компонентов легко выполняются по ЕСКД в среде P-CAD.

P-CAD PCB - графический редактор печатных плат. Он вызывается автономно или из редактора схем P-CAD SCHEMATIC. В последнем случае в P-CAD SCHEMATIC автоматически составляется список соединений схемы (Netlist), который загружается в P-CAD PCB, и на поле ПП переносятся изображения корпусов компонентов с указанием линий электрических соединений между их выводами. Эта операция называется упаковкой схемы на ПП. После этого внутри контура ПП размещаются компоненты и проводится трассировка проводников.

Перед размещением на ПП компонентов вручную или с помощью процедуры упаковки принципиальной схемы на плату необходимо обеспечить доступ к библиотекам, в которых находятся эти компоненты. Контур печатной платы должен представлять собой замкнутую линейно-ломаную линию. Перед размещением компонентов на плату устанавливают шаг сетки.

При наличии принципиальной схемы для переноса ее на ПП загружают файл списка соединений (Netlist).

Netlist представляет собой набор данных о печатной плате для дальнейшего ее проектирования в модуле PCB САПР PCAD 2002. В нем содержится информация о конструктиве печатной платы, наименование библиотечных элементов в соответствии с позиционным обозначением на схеме электрической принципиальной и таблицу соединений РЭА.

Далее приступают к размещению компонентов внутри контура ПП. Оптимальное размещение компонентов предопределяет успешную трассировку проводников и работоспособность реального устройства.

Линии электрических связей, перемещаемые вместе с компонентами, помогают правильно их разместить. Электрические связи можно сделать видимыми или невидимыми. В меню пользователя в графе NETS приведен список имен всех цепей проекта, в графе NODES - имена выводов компонентов, подсоединенных к выбранной цепи.

При размещении однотипных компонентов удобно их автоматически выровнять. Для этого на выравниваемые компоненты по очереди указывают щелчком курсора, после чего во всплывающем меню указывают точку привязки (Selection Point), а затем применяют команду выравнивания (Align). При необходимости корпуса компонентов заменяют.

Далее необходимо проверить соответствие контактных площадок и переходных отверстий стандартному ряду и при необходимости внести исправления.

В редакторе ПП P-CAD PCB имеются режимы ручной, интерактивной (полуавтоматической) и автоматической трассировки проводников. Перед началом трассировки какого-нибудь проводника задают его ширину и выбирают нужный слой.

В PCAD2002 задаются необходимым минимальным количеством слоев для трассировки исходя из оценки сложности принципиальной схемы.

Трассу проводника можно начать только от тех контактных площадок, которые имеют электрические связи. При необходимости электрические связи указывают вручную.

Нарушение зазора между трассой проводника и выводом компонента, переходного отверстия или трассой другой цепи сопровождаются звуковым сигналом и расположением на экране индикатора ошибки в виде круга с перекрестием вблизи каждой ошибки.

В процессе трассировки полезно обращать внимание на строку информации, в которой выводятся следующие данные:

-приращения координат dX, dY каждого сегмента, пока нажата левая кнопка мыши;

-общая длина трассы до точки излома;

-число ошибок при прокладке трассы.

Интерактивную трассировку выполняют щелчком курсора на выводе компонента и на конце ранее проложенной трассы. Движением курсора при нажатой левой кнопке мыши прокладывают трассу, при этом автоматически огибаются препятствия (проводники, выводы компонентов, переходные отверстия и области металлизации), соблюдаются допустимые зазоры.

3.1.2 Слои металлизации «земли» и питания

Наличие слоев металлизации, подключенных к «земле», снижает уровень паразитного излучения и улучшает ЭМС. Единственный слой металлизации можно разделить на две области для раздельного подключения «аналоговой» и «цифровой» «земли». Второй способ организации «земли» заключается в нанесении металлизации на неиспользуемые участки сигнального слоя и подключении к нему цепи «земли».

Слой металлизации служит плохой антенной. Для двусторонних ПП заливка «землей» стороны расположения компонентов и прокладка большинства проводников на противоположной стороне обеспечивает максимальный размер области металлизации. Это обеспечивает хороший отвод тепла и служит экраном для цепей на противоположной стороне платы.

Количество переходных отверстий и трасс проводников на слое металлизации должно быть минимальным. При их наличии на слое металлизации образуются зазоры и острые кромки, которые излучают ВЧ ЭМ колебания.

Островки или изолированные участки в области металлизации должны быть удалены, если они не предназначены для обеспечения дополнительного экранирования.

Аналоговые и цифровые «земли» должны быть разделены для предотвращения проникания шумов переключения, возникающих при изменении логических уровней цифровых компонентов. Автоматическое подключение выводов питания аналоговых и цифровых компонентов соответствующей «земле» гарантирует корректность этого разделения.

3.1.3 Проверка печатной платы DRC

Перед завершением разработки ПП необходимо проверить печатную плату на соответствие принципиальной схеме и проверить соблюдение технологических ограничений. Для чего в меню этой команды выбирают правила проверок. После выполнения проверок места ошибок отмечаются маркерами и их перечень заносится в файл с расширением имени *.DRC. После исправления ошибки ее индикатор автоматически удаляется.

На рисунке 3.2 приведена топология печатного узла.

На рисунке 3.3 - сборочный чертеж.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.2 - Топология печатного узла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.3 - Сборочный чертеж

3.2 Моделирование выходного каскада согласования и фильтрации

Сложность современных объектов, содержащих сотни тысяч, а порой и миллионы компонентов, делает их проектирование традиционными (ручными) методами с обязательным изготовлением макета практически невозможным.

Именно по этой причине резко возрос интерес разработчиков электронной аппаратуры к автоматизированным системам проектирования (САПР) и входящим в их состав подсистемам моделирования.

3.2.1 Выбор программы для моделирования

Программы моделирования радиоэлектронных устройств можно разделить на две группы: программы, предназначенные для системного моделирования (моделирования на функциональном уровне) - к ним можно отнести SystemViev, LabView и другие, и программы для схемотехнического моделирования, такие, как, OrCAD и Protel.

При создании блок-схемы, проектировании интегральных схем или разработке схемы для комплекта печатных плат, содержащих аналоговые и цифровые блоки, есть смысл воспользоваться популярным графическим редактором OrCAD Capture.

Для решения задач моделирования предлагается пакет PSpice - популярное во всем мире средство расчета и моделирования созданных в OrCAD Capture (или других программах) схем электрических устройств. Первая его версия появилась еще в 1985 году. Постоянное развитие PSpice тесно связано с развитием элементной базы и операционных систем, аккумулированием наработок лучших проектировщиков, пополнением библиотек моделей элементов. Достоверность предоставляемых PSpice результатов моделирования проверена тысячами инженеров. Семейство модулей PSpice в версии OrCAD 9.2 обеспечивает полнофункциональное моделирование электронных устройств и поставляется в следующих версиях:

PSpice - версия, предназначенная для моделирования поведения сложных аналоговых устройств (проектирование высокочастотных систем, разработка устройств малой мощности на базе интегральных схем со сложными внутренними моделями).

PSpice A/D - программа моделирования любой комбинации аналоговых и цифровых устройств, имеющих сигналы разных форм и величины. Благодаря взаимоувязанным встроенным алгоритмам аналогового и цифрового моделирования с циклической обратной связью PSpice A/D автоматически распознаёт и обрабатывает аналого-цифровые и цифро-аналоговые интерфейсы.

PSpice A/D Basics - упрощенная версия пакета PSpice A/D. Этот инструмент идеален, если необходимо осуществлять моделирование несложных аналоговых или аналого-цифровых схем, в том числе схем элементов библиотек. Модуль не налагает никаких ограничений на размер схемы, позволяет моделировать цифровую часть смешанных схем, дает представление об основных методах анализа в системе PSpice.

Модуль PSpice Optimizer работает в сочетании с PSpice или PSpice A/D и позволяет оптимизировать параметры элементов для достижения заданных характеристик смешанных устройств. Осуществляет оптимизацию на основе градиентных методов при наличии линейных и нелинейных ограничений, поддерживает оптимизацию с нелинейными целевыми функциями. Предусмотрена как автоматическая оптимизация, так и интерактивная, с возможностью подстройки к проекту до достижения полного соответствия условиям, заданным пользователем [10].

3.2.2 Моделирование выходного каскада согласования-фильтрации

Проектируемый фильтр должен обеспечить максимальное подавление всех составляющих, частота которых выше верхней частоты в спектре КСС (0 - 53 кГц). Для обеспечения коэффициента гармоник не более 0.3% максимальное затухание в полосе 53 - 530 кГц должно составить не менее 50 дБ. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания должна определяться в пределах ±0.8 дБ.

В качестве исходных данных для моделирования выходного каскада используются результаты расчетов, полученные в п.2.3.2.

Рисунок 3.2 - Моделируемая схема

В результате моделирования выходного каскада согласования-фильтрации была получена амплитудно-частотная характеристика (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 - Амплитудно-частотная характеристика фильтра

Полученная характеристика имеет вид, свойственный фильтрам с чебышевской аппроксимацией (содержит пульсации в полосе пропускания и монотонна в полосе задерживания) и характеризуется следующими параметрами:

· частота среза - 53 кГц

· неравномерность в полосе пропускания - не более 0.8 дБ