Разработка измерительного программно-аппаратного комплекса, предназначенного для измерения параметров электрических сигналов в радиомодуле телевизора. Выбор элементной базы и материалов конструкции. Расчет электрического режима заданного узла пульта.
Аннотация к работе
Осциллограф (лат. oscillo - качаюсь и graph - пишу) - прибор, предназначенный для исследования электрических сигналов во временной области путем визуального наблюдения графика сигнала на экране, а также для измерения амплитудных и временных параметров сигнала по форме графика. Важно обратить внимание на то, что без фильтрации на входе идеального дискретизатора любой частотный компонент (сигнал или шум), который находится за пределами "полосы Найквиста", в любой зоне Найквиста будет создавать НЧ-составляющую в первой зоне Найквиста. Реализовать фильтр следует таким образом, чтобы амплитудные и фазовые искажения в полосе пропускания были минимальны, и на частоте (FД - FB ) обеспечивала ослабление таким образом, чтоб сигнал имел значение менее шума квантования АЦП. Инструментальный усилитель предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала, а также для работы с различными датчиками сигналов благодаря высокому входному сопротивлению, низкому значению напряжения смещения, точности передачи сигнала и высокой степени подавления синфазных сигналов. Действие входного СФ сигнала (сигнала общей помехи) приводит к тому, что сигналы по цепям ОС входных ОУ на сопротивлении RKU повторяют амплитуду и фазу данного СФ сигнала и передаются в режиме повторителя напряжения на входы выходного ОУ, включенного в качестве ДУ.
Введение
Измерительные приборы всегда были и будут важным звеном в развитии технологии человечества. История измерительной техники насчитывает множество этапов - от простейшего электроскопа до современных цифровых осциллографов и генераторов, спектроанализаторов - мощнейших измерительных комплексов.
Сейчас измерительные приборы переходят на новый уровень развития, по существу этот уровень унифицирует любые виды измерений. Изготовители датчиков конструируют их, таким образом, чтоб любая измеряемая величина, например, температура, давление, на его выходе преобразовалось в электрический сигнал и в итоге любое измерение сводиться к измерению параметров этого электрического сигнала. Измерение сводится к преобразованию электрического сигнала в цифровой, который можно хранить бесконечно долго, накапливать его, производить над ним цифровую обработку, анализировать, производить косвенные измерения и визуализировать.
Намечается тенденция к созданию комплексных измерительных приборов. Стремительное развитие микроэлектроники позволило создавать миниатюрные высоко интегрированные системы. Располагаясь на одной печатной плате, такая система может выполнять различные функции: от измерения до генерации тестового сигнала. Наиболее распространенным измерительным прибором такого типа является осциллограф. Такой осциллограф не только отображает исследуемый сигнал, но и способен производить его анализ, рассчитывать спектр, сохранять результат измерения в удобной для дальнейшей обработки форме.
Применение измерительных систем, взаимодействующих с ЭВМ, дает ряд преимуществ: резко упрощается конструкция прибора, поскольку становятся ненужными электронно-лучевая трубка, жидкокристаллический дисплей, различные органы управления, мощный и высоковольтный источник питания и другие;
уменьшается стоимость прибора;
реализуется естественная стыковка с ПК, что обеспечивает легкость цифровой обработки данных;
появляется возможность легко реализовать цифровые методы обработки сигналов, например, построение спектра методом быстрого преобразования Фурье или регистрации сигналов на протяжении длительного промежутка времени с записью сигнала в память ПК.
Возможность автоматизации процесса измерения, высокие метрологические характеристики, порой недоступные аналоговым приборам, относительно низкая стоимость, возможность цифровой обработки и сохранения результатов измерения, делают такие измерительные системы на базе технологии виртуальных приборов весьма перспективным направлением развития измерительной техники.
1. Обзор и анализ литературы
Осциллограф (лат. oscillo - качаюсь и graph - пишу) - прибор, предназначенный для исследования электрических сигналов во временной области путем визуального наблюдения графика сигнала на экране, а также для измерения амплитудных и временных параметров сигнала по форме графика.
Никакой другой прибор, за исключением, пожалуй, мультиметра, не распространен так, как осциллограф. Применение современных цифровых технологий привело к серьезному изменению характеристик и возможностей этих приборов. Но и традиционные аналоговые осциллографы реального времени не исчезли с рынка - их парк по-прежнему растет. Во-первых, они прочно занимают нишу простых недорогих осциллографов. Во-вторых, они пока еще незаменимы при исследовании высокочастотных сигналов. К тому же с развитием элементной базы аналоговые осциллографы приобрели ряд важных дополнительных функций и возможностей, например, чрезвычайно облегчающие работу курсоры с цифровым отсчетом величин (напряжения и времени) и очень удобное цифровое управление. С помощью входного мультиплексора для нескольких каналов можно достаточно просто организовать единую развертку на однолучевой трубке с отображением нескольких сигналов.
Наряду с аналоговыми осциллографами широко используются и цифровые. Если бы не ограничения вследствие конечного времени оцифровки сигнала и сравнительно высокая стоимость, они могли бы почти полностью вытеснить своих аналоговых собратьев. Полная оцифровка сигнала позволяет избежать отображения сигнала в реальном масштабе времени и, следовательно, повысить устойчивость изображения, организовать сохранение результатов и запись редких или медленных процессов (аналог запоминающего осциллографа), упростить масштабирование и растяжку, ввести метки.
Использование дисплея вместо осциллографической трубки открывает возможность для отображения любой дополнительной информации и управления прибором с помощью меню.
Более дорогие приборы имеют цветной дисплей, благодаря чему они позволяют легко различать сигналы различных каналов, метки времени и амплитуды, курсоры. Последние модели могут накапливать отображаемый в течение большого числа разверток сигнал, а также выделять цветом места с наибольшей повторяемостью сигнала.
Еще одно немаловажное преимущество - отличные массогабаритные показатели (3-5 кг) и малое энергопотребление позволяют выпускать такие приборы в носимом исполнении.
Цифровые осциллографы имеют и недостатки. Основной из них - не очень качественное отображение деталей сигнала изза недостаточной частоты оцифровки (частоты выборки). Это объясняется тем, что сегодняшний уровень элементной базы не позволяет выполнить оцифровку сигнала со скоростями, необходимыми для исследования высокочастотных сигналов и быстрых переходных процессов. Согласно известной всем инженерам теореме Котельникова, для достоверного восстановления сигнала частота оцифровки должна быть как минимум вдвое выше максимальной из возможных в рабочей полосе частот осциллографа. Полоса частот осциллографа связана с частотой выборки, и чем выше коэффициент широкополосности осциллографа, тем выше должна быть эта частота. Причем значение имеет не просто частота выборки, а частота выборки в пересчете на один канал.
Для повышения скорости оцифровки используют специальные приемы. Один из них заключается в распараллеливании процесса оцифровки с помощью нескольких АЦП. Обычно это делается за счет использования АЦП других каналов, и, таким образом, при исследовании высокочастотных сигналов осциллограф превращается из многоканального в одноканальный. Другой метод состоит в повышении скорости за счет снижения разрешающей способности.
Тем не менее, даже при указанных ограничениях характеристики современных цифровых осциллографов впечатляют: высокая чувствительность (от 1 МВ/дел) и разрешение (от 8 до 14 бит);
широкий диапазон коэффициентов разверток (от 2 нс до 50 с);
растяжка сигнала по времени или по амплитуде в широких пределах;
развитая логика синхронизации с любыми задержками запуска развертки.
Используемые в осциллографах процессоры цифровой обработки сигнала предоставляют возможность исследования спектра сигнала посредством анализа с применением быстрого преобразования Фурье. Цифровое представление информации обеспечивает сохранение экрана с результатами измерения в памяти компьютера или вывод непосредственно на принтер. Некоторые осциллографы даже имеют накопитель для гибких дисков для сохранения изображения в виде файлов для последующего архивирования или дальнейшей обработки. Некоторые модели осциллографов и вовсе не имеют экрана - для отображения применяется дисплей компьютера.
Существуют определенные проблемы при подключении цифровых осциллографов-приставок к ПК с помощью дополнительных аксессуаров. В связи с этим представляют интерес так называемые виртуальные приборы, выполненные в виде приставок к ПК. Виртуальные приборы (virtual instruments, vi) - компьютерные программы, визуализирующие сигнал, выполняющие его преобразование и анализ.Виртуальные приборы используют как для замены обычных измерительных приборов, так и для реализации уникальных измерений
Наиболее характерный представитель таких приборов - виртуальный осциллограф. В действительности подобный аппараты представляет собой микропроцессорную измерительную приставку к настольному или мобильному ПК, который позволяет наблюдать на экране монитора вполне реальные и высококачественные осциллограммы с высоким разрешением, разными цветами линий и с отсутствием геометрических искажений. С помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) устройство оцифровывает входной сигнал и коды отсчетов передает в ПК через тот или иной порт связи с внешними устройствами.
Слово "виртуальный" не должно вводить в заблуждение, поскольку приборы, реализованные по этой технологии, на самом деле являются реальными, работающие с реальными физическими входными сигналами. Виртуальность здесь понимается в смысле виртуальной имитации функций прибора математическими и программными методами. Например, виртуальный осциллограф по функциям эквивалентен реальному осциллографу, поскольку имеет физический вход для электрического сигнала. Преобразование сигнала в цифровой сигнал осуществляется АЦП. Дальнейшая обработка и управление сигналом, его отображение для наблюдения осуществляются программным способом. Такой осциллограф имеет виртуальный экран, виртуальные ручки управления (усиление, синхронизация, развертка и др.), графически отображаемые на экране монитора компьютера. Ручки, переключатели, кнопки виртуального прибора управляются с клавиатуры или посредством мыши.
2. Техническое задание
Целью данного проекта является разработка пульта компьютерного определения неисправностей телевизора. Пульт представляет собой микропроцессорную систему, способную взаимодействовать с персональным компьютером (ПК). Разрабатываемый пульт представляет собой законченный измерительный программно-аппаратный комплекс, предназначенный для измерения и визуализации параметров электрических сигналов в радиомодуле телевизора. По заданию устройство должно питаться от сети 220В с частой 50Гц. Мощность потребляемая устройством не должна превышать 10Вт. По входным параметрам пульта необходимо обеспечить согласование по электрическим параметрам в контрольных точках возможных неисправностей блока радиоканала телевизора.
Пульт не должен превышать габаритные размеры 300х200х100 и иметь массу не более 5 кг.
Условия эксплуатации пульта при температуре от минус 10 градусов до 30 градусов по цельсию, относительной влажности 60-90% и атмосферном давлении 105Па.
Планируемая партия выпуска 1000 шт./год.
3. Анализ технического задания
Общая структурная схема пульта определения неисправностей на основе микроконтроллера и ЭВМ показана на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 - Структурная схема пульта определения неисправностей.
Основным элементом, определяющим прецизионность всего измерительного устройства является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Но если входная цепь (ВЦ) и фильтр низких частот (ФНЧ) не будут ослаблять шумы вне полосы пропускания сигнала, то эффекта от высокой точности АЦП не будет.
Входная цепь является развязывающим устройством источника сигнала и АЦП. Она должна иметь большое входное сопротивление, обеспечивать подавление синфазного сигнала шума (сигнала общей помехи).
ФНЧ устраняет эффект наложения спектров и нежелательные сигналы вне полосы пропускания фильтра. Этот фильтр работает с еще аналоговым сигналом, соответственно сам фильтр является аналоговым.
АЦП в этой системе входит в состав микроконтроллера. Соответственно частота дискретизации и режим работы устанавливается программой, загруженной в микроконтроллер. Программное обеспечение микропроцессора обеспечивает работу протокола обмена данными с ЭВМ, протокол отвечает за отправку полученных отсчетов в ЭВМ и поучения команд от пользовательской программы, установленной на компьютер. ЭВМ может быть как персональным компьютером (ПК), так и портативным компьютером ноутбуком. На ЭВМ установлена программа, которая работает с полученными отсчетами от АЦП, обрабатывает их и представляет пользователя в удобном для восприятия виде. Таким образом, ЭВМ также играет роль визуального индикатора.
Говоря о дискретизации низкочастотного сигнала, подразумевают, что подлежащий дискретизации сигнал лежит в первой зоне Найквиста. Важно обратить внимание на то, что без фильтрации на входе идеального дискретизатора любой частотный компонент (сигнал или шум), который находится за пределами "полосы Найквиста", в любой зоне Найквиста будет создавать НЧ-составляющую в первой зоне Найквиста. По этой причине ФНЧ используется почти со всеми АЦП для подавления нежелательных сигналов.
По теореме Котельникова, частота дискретизации (FД)сигнала должна быть равна или больше частоты в 2 раза большей верхней частоты сигнала (fв). Но на самом деле, всякий сигнал имеет бесконечный спектр. Поэтому фильтрация сигнала необходима. Очень важно правильно предъявить требования к характеристикам аналогового фильтра, ограничивающего спектр сигнала на входе АЦП. У фильтра есть полоса пропускания и непропускания. Реализовать фильтр следует таким образом, чтобы амплитудные и фазовые искажения в полосе пропускания были минимальны, и на частоте (FД - FB ) обеспечивала ослабление таким образом, чтоб сигнал имел значение менее шума квантования АЦП. При разработке ФНЧ отталкиваются от того, какое ослабление требуется на частоте FД - FB и допустимыми параметрами фазового и амплитудного искажения. Требуемое затухание аналогового фильтра в полосе задерживания определяется динамическим диапазоном полезного сигнала ДД. Динамический диапазон цифрового устройства выбирается исходя из заданной точности представления сигнала. При этом нижняя граница динамического диапазона ДД будет определяться уровнем всех помех, попадающих в полосу частот полезного сигнала. Разные типы фильтров дают разную крутизну спада и частотные характеристики. Например, фильтр Баттерворта дает ослабление 6 ДБ на октаву для каждого порядка. Для достижения ослабления 60 ДБ в диапазоне от 1 МГЦ до 2 МГЦ (1 октава) требуется как минимум фильтр 10-го порядка - это нетривиальный фильтр, весьма трудный в разработке. Поэтому для высокоскоростных приложений, требующих более высокой крутизны спада и меньшей неравномерности в рабочей полосе при линейной фазовой характеристике, больше подходят фильтры других типов. Еще одно важное требование к ФНЧ - линейность фазо-частотной характеристики (ФЧХ) в полосе пропускания или постоянное время групповой задержки сигнала. Неравномерность амплитудной характеристики может быть в дальнейшем скомпенсирована цифровой фильтрацией. Пульт определения неисправностей подключается к ПК. Операционная система (ОС) находит устройство, инициализирует его, подключает нужные драйвера и передает управление в программу отображения результатов и управления.
Рисунок 2.2 - Алгоритм работы устройства.
Программа отображения, согласно установленному протоколу, посылает команду начала аналогово-цифрового преобразования в пульт определения неисправностей. В результате происходит конфигурирование встроенного АЦП, подготовка и запуск циклического преобразования АЦП. Происходит накапливание результата преобразования во встроенной оперативной памяти микроконтроллера. После завершения работы АЦП накопленные отсчеты отправляются по последовательному интерфейсу в ПК. Программа отображения обрабатывает, корректирует полученные отсчеты и визуализирует их на экране ПК. Путем применения дискретного преобразования Фурье получается спектр измеряемого сигнала, рисуется АЧХ сигнала. Цикл повторяется, пока пользователь не нажмет кнопку "СТОП", оповещая тем самым об окончании работы с устройством. ОС деинициализирует устройство.. Выбор и обоснование элементной базы и материалов конструкции
При измерении напряжении сигналов необходимо, чтобы входное сопротивление измерительного устройства было велико - измерительное устройство не должно влиять на параметры сигнала. В качество входной цепи обычно используют инструментальный усилитель (ИУ). Инструментальный усилитель предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала, а также для работы с различными датчиками сигналов благодаря высокому входному сопротивлению, низкому значению напряжения смещения, точности передачи сигнала и высокой степени подавления синфазных сигналов.
Инструментальный усилитель относится к классу операционных усилителей с одним принципиальным отличием, связанным с работой исключительно с замкнутыми линейными цепями обратных связей (ОС).
Появление схем инструментальных усилителей было обусловлено стремлением устранить недостатки дифференциальных усилителей (ДУ), построенных на операционном усилителе (ОУ). На рисунке показано включение ОУ в качестве ДУ.
Рисунок 4.1- Дифференциальный усилитель на ОУ.
Выходное напряжение ДУ при действии на входе сигналов UГ1, UГ2 с выходными сопротивлениями RГ1,RГ2 равно:
Из этой формулы видно, что в ДУ выходное напряжение зависит от внутренних сопротивлений генераторов. Это обстоятельство вынуждает разработчиков учитывать внутреннее сопротивление источников сигналов. Различие этих сопротивлений определит ошибку в усилении разностного сигнала, а также повлияет на значительное ухудшение подавления синфазного сигнала (СФ).
Если:
Если на вход действует СФ UГ1=UГ2=UBX:
Так как, Uвых=UBX·K0СФ, то коэффициент подавления СФ сигнала КОСФ для ДУ в децибелах будет определяться как:
Из этой формулы также видно, что коэффициент подавления СФ КОСФ зависит от внутренних сопротивлений источников, поэтому следует развязать источники от ДУ. Это обеспечивается с помощью дополнительных входных ОУ с высокими значениями коэффициентов усиления. Это улучшает характеристики ДУ. Введение общего резистора, регулирующего коэффициент усиления с замкнутой ОС в данных ОУ , привело к созданию классической схемы инструментального усилителя на трех ОУ, соответственно рисунку 4.2.
Рисунок 4.2 - Инструментальный усилитель.
При действии на входах ИУ дифференциальных сигналов, сигналы обратных связей, учитывая их противоположные фазы, взаимно вычитаются в точке делящей условно резистор RKU пополам. В этой точке под действием противофазных сигналов возникает виртуальная земля. Поэтому коэффициент усиления для дифференциальных сигналов схемы ИУ запишется, как:
где Roc1,2 - сопротивления резисторов ОС входных ОУ, RKU - сопротивление, регулирующее коэффициент усиления ИУ.
Действие входного СФ сигнала (сигнала общей помехи) приводит к тому, что сигналы по цепям ОС входных ОУ на сопротивлении RKU повторяют амплитуду и фазу данного СФ сигнала и передаются в режиме повторителя напряжения на входы выходного ОУ, включенного в качестве ДУ. Данное обстоятельство является важным достоинством схемы ИУ, так как позволяет усиливать входные дифференциальные сигналы с коэффициентом:
а синфазные сигналы передавать независимо от выбранного усиления с коэффициентом передачи равным единице. Это обеспечивает возрастание полезного сигнала на фоне СФ сигнала или отношения сигнал-помеха при увеличении коэффициента усиления ИУ. Подавление СФ сигнала обеспечивается схемой дифференциального усилителя (выходной ОУ) и соответствует соотношению при пренебрежении сопротивлениями UГ1 UГ2, в качестве которых в данной схеме выступают выходные сопротивления входных ОУ.
Следует, отметить, что ИУ может выпускаться в интегральном исполнении в виде готовых микросхем. Но выполнение ИУ на дискретных элементах дает свободу регулирования постоянной составляющей, ограничения уровня входного сигнала. При выборе ОУ следует отталкиваться от характеристик: - коэффициент шума;
- скорость нарастания сигнала;
- Частота граничного усиления.
Коэффициент шума ОУ должен быть ниже уровня шума используемого АЦП.
Схема ИУ обеспечивает единичное усиление. Поскольку, входное напряжение можно измерять в интервале [-10В,10В], питание ОУ, на которых выполнена схема, равна 12В. Поэтому усиление входного сигнала привело бы к нелинейным искажениям. Тогда необходимо выполнение условия KU.ИУ=1. Приняв R1=R2=R3=R4=10 КОМ, ROC1=ROC2=0 и RKU=10 КОМ, получаем заданное условие. Тогда принципиальная схема ИУ принимает вид:
Рисунок 4.3 - Инструментальный усилитель.
Питание ОУ ±12В. Выберем ОУ фирмы Texas Instrument TL084ID, поскольку данный вид микросхем широко распространен на рынке радиодеталей, одна микросхема в своем составе содержит 4 ОУ, что позволяет экономить место на печатной плате устройства. Основные характеристики микросхемы TL084ID приведены в таблицах 4.1 и 4.2.
Таблица 4.1- Электрические характеристики микросхемы TL084ID
Параметр Типовое значение Максимальное значение Единица измерения
Структурная схема пульта определения неисправностей блока радиоканала телевизора показана на рисунке 4.4.
Рисунок 4.4 - Структурная схема пульта на микроконтроллере.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Полученный код в виде отсчетов можно сохранить, обработать, вычислить преобразование Фурье, тем самым получить спектр измеряемого сигнала.
Любой АЦП является измерительным устройством, в котором происходит сравнение с опорным напряжением. Сравнение происходит в двоичной системе счисления.
Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в производство средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).
Современный этап характеризуется АЦП и ЦАП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение АЦП в устройства сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.
Микроконтроллера ADUC842, на основе которого разрабатывается пульт определения неисправностей, включает в себя высококачественный мультиплексируемый АЦП с 8-мю каналами.
Блок АЦП представляет собой 8 -канальный 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь с быстродействием 2.4 мксек и однополярным питанием. Блок включает 13-канальный мультиплексор, встроенный источник опорного напряжения, систему калибровки и собственно преобразователь последовательного типа. Блок управляется через три регистра специальных функций.
Преобразователь воспринимает входные аналоговые сигналы в диапазоне от 0 до Uоп. Может использоваться опорное напряжение Uоп., формируемое встроенным источником, либо подаваемое от внешнего источника. Встроенный источник опорного напряжения представляет собой прецизионную схему с низким дрейфом, откалиброванную на напряжение 2,5В.
АЦП микроконвертора ADUC842 построен по архитектуре последовательного приближения. В АЦП последовательного приближения выходные данные, соответствующие дискретному входному сигналу, формируются в конце соответствующего интервала преобразования.
Среднее потребление тока блоком АЦП примерно равно 1,6 МА при напряжении питания микроконтроллера 5 В. АЦП можно установить в режим передачи данных по каналу прямого доступа к памяти (ПДП, DMA - direct memory access), когда блок повторяет циклы преобразования и посылает выборки во внешнюю память данных, минуя процессор. Об этом режиме работы АЦП будет сказано в пятой главе. Микроконвертер ADUC842 поставляется с заводскими калибровочными коэффициентами, которые загружаются автоматически после включения питания и обеспечивают оптимальную работу устройства. Блок АЦП содержит внутренние регистры калибровок смещения (ADCOFSL, ADCOFSH) и усиления (ADCGAINL, ADCGAINH), причем программная процедура калибровки пользователя подавляет заводские установки. Это дает возможность минимизировать ошибки в конечной системе. Результат преобразования сигнала записывается как 12-битный код. Этот результат записывается в регистры ADCDATAL и ADCDATAH. Причем, младшие 8 бит записываются в регистр ADCDATAL, а старшие 4 бита в младшие 4 бита регистра ADCDATAH. В старшие 4 бита регистра ADCDATAH записывается номер канала АЦП для дальнейшего их различения при необходимости.
В диапазоне входных напряжений АЦП от 0 до Uоп. смена кодов происходит посередине очередного приращения, равного младшему значащему разряду LSB (1/2 LSB, 3/2 LSB, 5/2 LSB,…, (LS-3/2 ) LSB). Как уже было сказано, 1 LSB = Uоп./2N =(2,5 В)/212 = 610 МКВ. Таким образом, цифровой код представляет собой нормализованное отношение аналогового сигнала к опорному сигналу. Идеализированная передаточная характеристика показана на рисунке 4.6.
Как видно из рисунка 4.6, на самом деле передаточная характеристика АЦП состоит из ступеней, но при рассмотрении смещения, усиления и линейности АЦП мы рассматриваем линию, соединяющую средние точки этих отрезков.
5. Расчет электрического режима заданного узла пульта
Произведем расчет аналогового фильтра. Как было отмечено раньше ФНЧ должен иметь постоянное групповое время задержки или линейную ФЧХ в полосе пропускания сигнала, так как эти искажения наиболее слышны на слух при превышении некоторой нормы, а АЧХ можно скорректировать на оцифрованном сигнале.
Широкое применение находят такие типы фильтров как фильтры Баттерворта, Чебышева и Бесселя. Амплитудно-частотная характеристика фильтра Баттерворта имеет довольно длинный горизонтальный участок в полосе пропускания и резко спадает за частотой среза. Характеристика фильтра Чебышева спадает более круто, однако, в полосе пропускания она, не монотонна, а имеет волнообразный характер с постоянной амплитудой. При заданном порядке фильтра более резкому спаду амплитудно-частотной характеристики за частотой среза соответствует большая неравномерность в полосе пропускания. Оба типа фильтров имеют нелинейную фазо-частотную характеристику. Фильтр Бесселя обладает оптимальной переходной характеристикой и линейной фазовой характеристикой. Причиной этого является пропорциональность фазового сдвига выходного сигнала фильтра частоте входного сигнала. В общем случае спад амплитудной характеристики фильтра Бесселя оказывается более пологим по сравнению с фильтрами Чебышева и Баттерворта. Таким образом, остановим свой выбор на фильтре Бесселя.
Вид частотной характеристики зависит как от порядка, так и типа фильтра. Тип фильтра определяется способом представления полинома передаточной функции. В общем виде передаточная функция фильтра нижних частот может быть представлена следующим образом:
где сі - положительные действительные коэффициенты для i = 0,1,…,n, n - порядок фильтра, p = J? = j·f/fc - нормированная комплексная переменная. Порядок фильтра определяется максимальной степенью переменной p. Он задает асимптотический наклон амплитудно-частотной характеристики, равный n·20ДБ на декаду.
Частота дискретизации АЦП равна 420КГЦ. Максимальная верхняя частота, которой можно ограничить сигнал по теореме Найквиста равен 210 КГЦ. Но для того чтоб обеспечить ослабление в 74ДБ на частоте 210 КГЦ, нужен порядок фильтра не менее 16. Большой порядок фильтра вызывается большое групповое время задержки. Поэтому для обеспечения полосы расфильтровки и небольшого порядка фильтра зададимся частотой среза ФНЧ 100 КГЦ. Значит, на ослабление в 74 ДБ нужно обеспечить на частоте 300 КГЦ. Поэтому можно ограничиться 8-порядком фильтра.
Для реализации фильтра необходимо разложить полином знаменателя на множители. Если среди корней полинома есть комплексные корни, то полином следует записать в виде произведения многочленов второго порядка:
где ai,bi - положительные коэффициенты.
Тип фильтра определяют коэффициенты ai,bi. Корни полинома могут иметь сопряженные комплексные значения, что приводит к невозможности реализации такого фильтра с помощью пассивных RC-цепей. Для реализации фильтров с сопряженными комплексными корнями могут быть использованы LC-фильтры. Для высоких частот получение необходимой индуктивности не представляет затруднений. Однако для низких частот нужны большие индуктивности, которые сложны в изготовлении и обладают плохими электрическими характеристиками. Поэтому в низкочастотном диапазоне применяются активные RC-фильтры.
Обычно фильтр реализуют на фильтрах 2-го или 1-го порядка, соединенных последовательно. Тогда для реализации фильтра 8-го порядка структурная схема будет выглядеть следующим образом:
Рисунок 5.1 - Структурная схема фильтра 8-го порядка
Существует много вариантов аппаратной реализации аналогового фильтра на ОУ. Наиболее распространенным является топология Саллена-Ки. Эта топология изображена на рисунке 5.2.
Рисунок 5.2 - Схема Саллена-Ки.
Схема Саллена-Ки обладает наилучшими характеристиками: относительно небольшое количество элементов, высокая повторяемость схемы при разбросе параметров RC-цепей. Передаточная функция схемы Саллена-Ки:
Для каждого типа фильтра и его порядка рассчитаны эти коэффициенты. Для фильтра Бесселя 8-го порядка они имеют значение:
Таблица 5.1 - Коэффициенты фильтра Бесселя 8-го порядка
Порядок фильтра i ai bi
8 1 1,1112 0,3162
2 0,9754 0,2979
3 0,7202 0,2621
4 0,3728 0,2087
Отталкиваясь от значения конденсатора C1, C2 должно удовлетворять условию:
Тогда получаем значения резисторов R1 и R2:
Рисунок 5.3 - Принципиальная схема фильтра
Рассчитаем значение элементов. Возьмем C1 = C3 = C5 = C 7 = 100ПФ, тогда:
Округлим полученные значения до ближайших номиналов из стандартного ряда E46.
Значения резисторов:
Также округлим полученные значения к ближайшим номиналам из стандартного ряда Е48.
Рисунок 5.6 - Зависимость группового времени запаздывания от частоты
Как видно из рисунков 5.4, 5.5 и 5.6, ФЧХ фильтра линейна в заданной полосе частот и имеет неравномерность в полосе пропускания до -10 ДБ, которая в дальнейшем будет исправлена цифровым фильтром.
Интервал напряжений, которое можно подавать на вход АЦП от 0 до 5В, поскольку на входе АЦП стоит делитель напряжения.
Рисунок 5.7 - Делитель на входе АЦП
Необходимо преобразовать биполярный сигнал (-10 ? 10 В) в униполярный (0 ? 5 В). Для этого применена схема сдвига уровня и масштабирования. Передаточная функция такой схемы показана на рисунке 5.8.
Произведем расчет. Так как Uп = ±12 В ОУ, то входное напряжение может достигать значений ±12 В. Для расчетов входное напряжение возьмем с запасом: UBX = ±12 В. Тогда требуемый коэффициент ослабления:
Сопоставив формулы получим соотношение:
Возьмем R3 = 10 КОМ, тогда R1 = 48 КОМ. Из ряда сопротивления Е24 ближайшее номинальное значение сопротивления R1 = 47 КОМ. Получившуюся неточность можно исправить программно. Об этом в дальнейшем.
Обозначим напряжение смещения как U0:
Напряжение Uct должно быть стабильным. Поэтому его получают со стабилизатора. Есть ряд номинальных напряжений, по которому выпускаются микросхемы стабилизаторов: 1,5 В, 3,3 В, 5 В и так далее. Выберем Uct = 3,3 В.
Получившееся напряжение смещения:
Отсюда найдем U0:
Рассчитаем значение резисторов R2 и R4:
Возьмем R2 = 20 КОМ, тогда R4 = 33,3 КОМ. Из ряда сопротивления Е24 ближайшее номинальное значение сопротивления R1 = 33 КОМ. Таким образом, получили схему:
Печатная плата (ПП) соединяет электронные компоненты между собой (пассивные (резисторы, конденсаторы и другие), активные компоненты, разъемы и микросхемы).Разводка проводников на печатных платах (ПП) в значительной степени влияет на параметры электромагнитной совместимости (ЭМС) как в отношении электромагнитного излучения, так и восприимчивости к электромагнитным (ЭМ) полям.
Существуют различные программы для разработки печатных плат, самым распространенным их которых является программа P-CAD. P-CAD в настоящий момент, пожалуй, самая распространенная система проектирования в России. P-CAD - это система сквозной разработки, которая позволяет вести все этапы проектирования печатных плат: - ввести принципиальную схему, - провести цифроаналоговое моделирование проектируемого устройства, - разработать топологию, - провести анализ целостности сигналов, - подготовить технологические файлы, - подготовить конструкторскую документацию, - разработать собственную элементную базу.
P-CAD является модульным пакетом, то есть разноплановые операции (например, ввод принципиальной схемы и разработка топологии) выполняются в разных модулях, связанных между собой промежуточными файлами (например, список соединений).
Обеспечение широкого динамического диапазона с низкими шумами во враждебном окружении шумов возможно только при использовании эффективных приемов проектирования схем, включающих в себя технически грамотную трассировку сигнала, развязку и заземление.
Обеспечение низкоимпедансных заземляющих поверхностей большой площади очень важно для всех современных аналоговых схем. Заземляющая поверхность действует не только как низкоимпедансный обратный тракт для развязки высокочастотных токов, но также минимизирует электромагнитные радиочастотные помехи. Благодаря экранирующему действию заземляющей поверхности чувствительность устройства к внешним помехам также уменьшается. Таким образом, заземляющая поверхность может работать как экран, где пересекаются чувствительные сигналы.
Все выводы заземления микросхем должны соединяться с помощью пайки прямо с низкоимпедансной заземляющей поверхностью с целью минимизировать последовательную индуктивность и сопротивление.Выводы питания должны быть развязаны прямо на заземляющую поверхность с помощью низкоиндуктивных керамических конденсаторов для поверхностного монтажа (SMD). Керамические конденсаторы должны быть расположены как можно ближе к выводам питания микросхемы. Для дополнительной развязки могут также потребоваться ферритовые бусины, как в случае с DC/DC преобразователем.
Каждая печатная плата в системе должна иметь хотя бы один слой, полностью отведенный под заземляющую поверхность. В идеале двусторонняя плата должна иметь одну сторону, полностью отведенную под заземление и вторую - для различных соединений. После окончания предварительной разводки платы поверхность заземления должна быть аккуратно проверена для того, чтобы убедиться, что не осталось изолированных "островков" заземления, т.к. выводы заземления микросхем, расположенные на таких островках, не будут иметь связи с заземляющей поверхностью. Также заземляющая поверхность должна быть проверена на предмет слишком тоненьких соединений между соседними большими площадями, которые могут значительно уменьшить эффективность заземляющей поверхности.
Таким образом, основные принципы, по которым разрабатывается печатная плата: - элементы должны находиться не на слишком большом расстоянии для большей помехоустойчивости и обеспечения малогабаритности печатной платы, - использование для заземления (и питания) поверхности большой площади, чтобы обеспечить низкоимпедансный путь для возвратного тока, - обеспечение непересекание сигнальных и питающих печатных проводников.