Проектирование системы измерения электрических параметров каналов звуковой частоты (стр. 5 из 22)
Оценим необходимый объем ОЗУ. Как было показано выше в разделе 1.1, для генерации сигнала необходим буфер объемом 93,75Кбайт. Кроме того, проектируемая система должна позволять определять частоту сигнала, подаваемого на ее вход, с погрешностью не более одного герца. Определение частоты сигнала будет осуществляться применением алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) к массиву оцифрованных отсчетов сигнала. После применения БПФ, частота наибольшего по значению отсчета сигнала и будет считаться частотой входного сигнала. Из курса теории сигналов известно, что продискретизированный с частотой Fд сигнал, а именно такой сигнал мы получаем с выхода АЦП, имеет периодический спектр с периодом равным частоте дискретизации. Применив БПФ к массиву N отсчетов сигнала, полученных с АЦП, получаем один период спектра сигнала (рисунок 1.3.3.1).
Рисунок 1.3.3.1
В полученном спектре сигнала содержится N гармоник. Гармоники отстоят друг от друга на расстоянии Fд/N. Кроме того для эффективного использования алгоритма БПФ необходима выборка сигнала с размером кратным степени двойки. Поскольку частота дискретизации выбрана 48000 Гц и точность определения частоты должна быть 1 Гц, размер выборки сигнала должен быть не менее 48000 отсчетов. Ближайшим к данному числу число, являющееся степенью двойки, равно 65536. У выборки сигнала размером 65536 отсчетов соседние гармоники в спектре отстоят на расстоянии 48000:65536=0,732 Гц, что удовлетворяет техническому заданию. Требуемый размер буфера для хранения этих данных равен 65536*16= 128 Кбайт.
Таким образом для работы данной системы необходим объем памяти не менее 128+93.75= 222.75Кбайт. При проектировании микропроцессорных систем рекомендуется выбирать объем памяти примерно в 2 раза больше необходимого, поэтому выбираю с запасом микросхему памяти объемом 512Кбайт.
В ходе поисков были найдены следующие микросхемы, представленные в таблице 1.3.3.2
Таблица 1.3.3.2
| Название | Производитель | Объем | Питание |
| AS7C256 | Alliance | 32Kx8 | 5V / 3.3V |
| CY62256 | Cypress | 32Kx8 | 5V |
| K6T1008C2E | Samsung | 128Kx8 | 5V |
| UT62256 | UTRON | 32Kx8 | 5V |
| AS7S128K32 | Alliance | 128Kx32 | 5V |
Наиболее подходящей является микросхема SRAM фирмы Alliance AS7S128K32.
1.3.4 Выбор дешифратора, счетчика и инвертора
Микропроцессор, являющийся основным элементом устройства, оперирует с сигналами ТТЛ уровня, поэтому дешифратор, счетчик и инвертор должны быть микросхемами ТТЛ. На сегодняшний день микросхемы ТТЛ практически полностью вытеснены микросхемами ТТЛШ, имеющие во внутренней структуре переходы с барьерами Шоттки. Данные микросхемы обладают более высоким быстродействием. Данные микросхемы производятся той же фирмой Texas Instruments, что производит и микропроцессор TMS320C31, серия SN74LSxxxx.
Микросхемы изготавливаются по усовершенствованной эпитаксиально-планарной технологии с диодами Шоттки и оксидной изоляцией, одно- и двухуровневой металлизированной разводкой на основе PtSi-TiW-AlSi.
В качестве инвертора выбираю микросхему 74LS04. Дешифратор нужен из 3 на 8. В этой серии имеет 2 вида дешифраторов 3 на 8: SN74LS138J(N) и SN74S138J(N). Но SN74LS138J(N) имеет мощность потребления меньше чем SN74S138J(N). Поэтому выбираю микросхему SN74LS138J(N).
Четырех разрядный счетчик предназначен для деления тактовой частоты 50МГц на четыре для тактирования АЦП и ЦАП. Двоичным 4х разрядным счетчиком, удовлетворяющим требованиям по частоте, является микросхема SN74S161J(N).
1.3.5 Выбор генератора тактовой частоты
Генератор служит для выработки тактовой частоты работы микропроцессора. С помощью элементов ТТЛ (буферных, И, ИЛИ) можно проектировать автогенераторы, у которых выходная частота колебаний превышает 30 МГц. Чтобы автогенератор быстро возбуждался и работал устойчиво во всем диапазоне внешних воздействий, лежащая в его основе усилительная линейка должна быть неинвертирующей с большим коэффициентом усиления, который по возможности следует стабилизировать. Простейший автогенератор получается из двух инверторов, но при этом значение коэффициента усиления невелико. Удобнее включить три или четыре элемент из микросхемы. На рисунке 1.3.5.1 показана схема автогенератора, в которой положительная обратная связь через конденсатор охватывает два элемента DD1.1 и DD1.2, причем DD1.1 выведен в линейный, усилительный режим с помощью резистора отрицательной обратной связи R1. Элемент DD1.3 применяется здесь как буферный, чтобы уменьшить влияния нагрузки на частоту автогенератора. Частота генерации равна одной трети произведения величин сопротивления и емкости.
Рисунок 1.3.5.1
Данная схема требует наличия дополнительных навесных элементов, обладает низкой надежностью, кроме того, из-за разбросов параметров сопротивления и емкости требуется их подбор. Поэтому для тактирования работы микропроцессора принято решение взять высокостабильный генератор тактовой часты QO105BIC 50MHz.
1.3.6 Выбор микросхемы сброса
Микросхемы супервизоров микропроцессоров/микроконтроллеров и других цифровых систем выполняют взросшее за последнее время количество функций. Кроме формирования сигнала сброса при подаче, пропадании и кратковременном снижении напряжения питания, организации бездребезгового ручного запуска сигнала сброса, микросхемы супервизоров организуют переключение критичных элементов системы на резервное питание, ведут мониторинг напряжения батарей. Они оснащаются встроенными сторожевыми таймерами и ключами подключения к резервному питанию.
Для надежного запуска микропроцессора после подачи напряжения питания и блокировки работы микропроцессора при понижении напряжения питания в схеме применена микросхема супервизора напряжения питания, удерживающая на своем выходе уровень логического нуля при напряжении питания меньшем определенного порога и недостаточном для функционирования микропроцессора. В процессе поиска было найдено достаточно большое количество данных микросхем, производимых различными фирмами (Mitsumi PST529D; Dallas Semiconductor DS1233-15; Analog Devices ADM705, Maxim MAX705 (супервизор питания с Watch Dog) и т. д.). Выбираю микросхему ADM705AN поскольку она наиболее часто встречалась в каталогах фирм, торгующих электронными компонентами.
1.3.7 Выбор микросхемы УСАПП
Микросхемы УСАПП в настоящее время производится многими фирмами и имеют практически одинаковые показатели качества. Поскольку большинство элементов, используемых в схеме является продукцией фирмы Texas Instruments, чтобы проще было оформлять заказ, я решил взять микросхему УСАПП производства этой же фирмы TL16C550CFN.
1.3.8 Выбор преобразователя уровней
В процессе поисков были найдены следующие микросхемы преобразователей уровня, представленные в таблице 1.3.8.1.
Таблица 1.3.8.1
| Название | Производитель | Максимальная скорость передачи, кбит/сек | Потребляемый ток, мА |
| ST232 | ST-Microelectronics | 200 | 10 |
| ST232A | ST-Microelectronics | 400 | 4 |
| MAX3250 | Maxim | 250 | 20 |
| SP3222 | Sipex | 235 | 4 |
| AD242 | Analog Device | 120 | 2 |
Поскольку использование скоростей интерфейса RS232 больших чем 115200 бит в секунду не планируется, так как это максимально возможная скорость устанавливаемая на ПЭВМ, в проектируемой системе будет использована микросхема преобразователя уровней фирмы Analog Device AD242.
1.3.9 Описание электрической принципиальной схемы процессорного блока
Через разъем X1 в схему блока измерителя подается напряжение питания, питающее микросхемы и операционные усилители. Генератор DD2 предназначен для тактирования микропроцессора частотой 50МГц. Счетчик DD4 предназначен для деления опорной частоты на 4 для формирования сигнала тактирования ЦАП и АЦП. Микросхема DD1 предназначена для формирования сигнала сброса микропроцессора. Микросхема декодера DD7 предназначена для формирования из 3х линий старших адресов A19, A20, A21 сигналов выбора микросхемы памяти, УСАПП, записи в регистр, записи кода усиления в логарифмические ЦАП.
Разъем X2 используется для подключения провода интерфейса RS232. С разъема сигнал поступает на преобразователь уровней DD10 для преобразования уровней интерфейса RS232 (+12В..-12В) в уровни ТТЛ (0В..+5В). После преобразования уровня напряжений сигал поступает на микросхему УСАПП DD9. УСАПП осуществляет преобразование последовательного кода интерфейса RS232 в параллельный код. При поступлении на УСАПП очередного байта от ПЭВМ данная микросхема вырабатывает сигнал прерывания. На процессоре входы прерываний являются инверсными поэтому сигнал прерывания от УСАПП подключается к входу прерываний процессора через инвертор DD5. Для тактирования УСАПП используется кварцевый резонатор ZQ1 включенный вместе с конденсаторами С1 и С2.
Микропроцессор DD3 является ядром системы. Он работает по программе записанной в ПЗУ DD6. Для хранения промежуточных данных и т.п. используется микросхема ОЗУ DD8.
1.4 Разработка электрической принципиальной схемы блока формирования и управления
1.4.1 Разработка состава блока формирования и управления
Блок формирования и управления предназначен для генерации заданного сигнала, оцифровки входного сигнала и коммутации входных и выходных цепей. Для формирования аналогового сигнала из двоичного кода используется ЦАП. Для регулировки амплитуды входного и выходного сигнала также используется ЦАП, но другого типа. Затухание (усиление) входного сигнала, которого зависит от двоичного кода, поданного на входы данных этого ЦАП. Для преобразования аналогового сигнала в двоичный код и передачи его в микропроцессор используется АЦП. Для коммутации входных и выходных цепей используются реле. Управление реле осуществляет регистр, в который записывается текущее состояние блока измерителя. Также для работы схемы используются операционные усилители.