Микропроцессорная система

СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ

 

1. Исходные данные к проекту: Усилитель, ПК, микроконтроллер Atmel AT89C2051

 

2. Схемотехническая часть: Разработка структурной, функциональной и принципиальной схем устройства.

 

3. Программная часть: Разработка программы управления регулировки уровня сигнала.

 

4. Конструкторская часть:  Разработка печатной платы.

 

5. Экономическая часть: Расчет себестоимости проектируемого устройства, определение экономической эффективности.

 

6. Экологическая часть: Анализ опасных и вредных факторов; мероприятия, обеспечивающие безопасные условия труда; расчет освещения и защитного заземления.

 

7. Содержание расчетно-пояснительной записки: Введение. 1) Обзор патентной и технической литературы;  2) Разработка структурной и принципиальной схем; 3) Разработка управляющей программы устройства; 4) Разработка печатной платы; 5) Экономическая часть. 6) Раздел безопасности и экологичности проекта;  Заключение. Список литературы.  Приложения.

 

8. Содержание графической части проекта: 1) Структурная схема устройства;  2) Принципиальная схема устройства; 3) Чертеж  печатной платы; 4) Сборочный чертеж печатной платы; 5) Блок-схема программы управления регулировкой уровня сигнала; 6) Технико-экономический показатели.

 

 

Аннотация.

Данный дипломный проект включает в себя разработку автоматизированной системы регулировки мощности сигнала. В дипломном проекте приведена структура разработанного модуля, принципиальная схема всего блока, алгоритм управляющей программы.

Себестоимость определяется точным методом  расчета на основе нормативов материальных и трудовых затрат. Методика расчета себестоимости основана на использовании системы технико-экономических норм и нормативов всех видов текущих затрат.

Проведенный анализ опасных и вредных производственных факторов позволит: уменьшить вероятность производственного травматизма  и профессиональных заболеваний; повысить производительность труда; максимально снизить вероятность производственного травматизма и профессиональных заболеваний.

 

Содержание.

Введение

1.  Обзор патентно-технической  литературы

1.1 Ручные регуляторы уровня

  1.2 Автоматические регуляторы уровня

  1.3 Статические и динамические  характеристики и параметры

автоматических регуляторов уровня

  1.4 Комбинированные и адаптивные  автоматические регуляторы

уровня

2. Разработка структурной и принципиальной схем

2.1 Разработка структурной схемы  и пользовательского меню

устройства

2.2 Выбор составляющих компонентов

    2.2.1 Выбор микроконтроллера

    2.2.2 Аналого-цифровой преобразователь

    2.2.3 Цифровой потенциометр

    2.2.4 Регулятор громкости с электронным управлением

    2.2.5 Жидкокристаллический  модуль

    2.2.6 Логарифмический измеритель уровня

  2.3 Разработка принципиальной  схемы устройства

3. Разработка управляющей программы

4. Разработка печатной платы

5. Экономическая часть

5.1 Расчет себестоимости системы

5.2 Определение экономической эффективности

5.3 Выводы

 

6. Раздел безопасности и экологичности проекта

6.1 Характеристики объекта с  точки зрения безопасности труда

6.2 Анализ опасных и вредных  факторов

6.3 Разработка мероприятий по защите от опасных и вредных факторов

6.4 Расчет  освещенности

6.5 Экологичность проекта

6.6 Выводы

Заключение

Литература

Приложение

 

Введение.

Известно, что наибольший по громкости воспринимаемый человеком  звук по отношению к наименьшему  составляет 120Дб. Звуки громче 120Дб вызывают болевые ощущения и уже не воспринимаются. Однако доказано, что человек не может различать звуки по мощности различающиеся менее чем на 1Дб. Таким образом, существует всего около 120 различных уровней звука, различаемых человеком.

Так как человек не способен различать  звуки по мощности, различающиеся менее чем на 1Дб, то для реализации технологии компандирования требуется, чтобы уровни квантования располагались в соответствии с логарифмической шкалой. Компандирование аудиосигналов может реализоваться следующим образом: ???.......

Обработка цифровых сигналов подразделяется на линейную (в реальном времени, над "живым" сигналом)  и  нелинейную — над предварительно записанным сигналом. Линейная обработка требует  достаточного быстродействия вычислительной системы (процессора); в ряде случаев невозможно совмещение требуемого быстродействия и качества. Нелинейная обработка никак не ограничена во времени, поэтому для нее могут быть использованы вычислительные средства любой мощности.

 

Для обработки применяются  как универсальные процессоры общего назначения - Intel 8035, 8051, 80x86, Motorola 68xxx, SPARC - так и специализированные цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processor, DSP) Texas Instruments TMS xxx, Motorola 56xxx, Analog Devices ADSP-xxxx и др. Разница между универсальным процессором и DSP состоит в том, что первый ориентирован на широкий класс задач - научных, экономических, логических, игровых и т.п., и содержит большой набор команд общего назначения. DSP специально ориентированы на обработку сигналов и содержат наборы специфический операций - сложение с ограничением, перемножение векторов, вычисление математического ряда и т.п. Реализация даже несложной обработки звука на универсальном процессоре требует значительного быстродействия и далеко не всегда возможна в реальном времени, в то время как даже простые DSP нередко справляются в реальном времени с относительно сложной обработкой, а мощные DSP способны выполнять качественную спектральную обработку сразу нескольких сигналов.

В силу своей специализации DSP редко применяются самостоятельно - чаще всего устройство обработки  имеет универсальный процессор  средней мощности для управления всем устройством, приема/передачи информации, взаимодействия с пользователем, и один или несколько DSP - собственно для обработки звукового сигнала. Например, для реализации надежной и быстрой обработки сигналов в компьютерных системах применяют специализированные платы с DSP, через которые пропускается обрабатываемый сигнал, в то время как центральному процессору компьютера остаются лишь функции управления и передачи.

 

1 ОБЗОР НАУЧНО – ТЕХНИЧЕСКОЙ  ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Регуляторы уровня

Обычно основой регулятора уровня РУ служит делитель напряжения (потенциометр) или четырехполюсник с плавным или ступенчатым изменением затухания. Главный недостаток - изменения входного и выходного сопротивлений РУ при регулировании затухания, что нарушает режим других сопряжении с РУ звеньев. Чтобы скачки громкости были на пороге слуховой заметности, шаг изменения затухания ступенчатого регулятора — четырехполюсника не должен превышать 0,5...1,0 дБ. Лишь в области больших затуханий допустимо его увеличивать до 3 дБ. Максимальное затухание оперативных РУ составляет не менее 60-80 дБ.

Надежность РУ с трущимися контактами недостаточна. Поэтому все чаще применяют регуляторы с косвенным ("бесконтактным") управлением. В них коэффициент передачи (или затухание) регулируемого звена (РЗ) изменяют, воздействуя управляющим напряжением Еу, световым потоком или магнитным полем. Соответственно РЗ выполняют в виде усилителя с переменным коэффициентом усиления, делителя напряжения с нелинейным элементом. Управляющее напряжение используется в аналоговой или цифровой форме. Одним Еу можно управлять одновременно коэффициентами передачи нескольких трактов пульта.

Необходимым условием для выполнения функций АРУ, а также дистанционного управления усилением является наличие электрически управляемого регулируемого звена.

Регулируемое звено - усилитель  с переменным коэффициентом усиления или делитель напряжения (потенциометр) с переменным коэффициентом передачи. Переменным сопротивлением делителя служит динамическое внутреннее сопротивление полупроводникового диода или сопротивление сток-исток полевого транзистора. Используют также оптрон, т.е. пару светодиод-фоторезистор. Световой поток светодиода изменяется под действием выпрямленного напряжения сигнала. Удобство последнего варианта заключается в том, что РЗ и УЗ полностью разделены по постоянному току. Это упрощает схемные решения.

Можно построить аттенюаторы на основе перемножающего ЦАП с инверсной резистивной матрицей и буферным усилителем. Принцип цифро-аналогового преобразования прост: каждый бит вносит в качестве своей доли соответствующую аналоговую величину в сигнал, возникающий на выходе аналогового сумматора.

$

Рисунок 1.1 – Цифро-аналоговый преобразователь  с использованием

R-2R цепи

 

Напряжение на аналоговом выходе U_вых пропорционально произведению двоичного числа на опорное напряжение. Поэтому большинство ЦАП может служить умножителем аналогового напряжения на число на цифровом входе U_вх. Некоторые преобразователи специально рассчитаны на выполнение этой функции; их называют перемножающими ЦАП (MDAC) и используют во множестве применений для цифрового управления аналоговым усилением. Обычно строят ЦАП на основе "R-2R" решетки. Схема такого ЦАП приведена на рисунке 1.1.

Примером применения перемножающего ЦАП может служить элементарный цифровой регулятор громкости, выполненный, на 572ПА1. Вместо опорного напряжения подается входной сигнал.

ЦАП можно включать как потенциометр, однако из-за особенностей его схемотехники существует ограничение: один из выводов  должен быть обязательно заземлен, а на другой можно подавать лишь относительно небольшое напряжение, иначе ухудшается линейность. В настоящее время выпускается большое количество готовых цифровых потенциометров.

$

       $

Рисунок 1.2 – Структурная схема  цифрового потенциометра

 

Чаще всего используются три  типа шин управления: SPI, I²C и UDC. Некоторые производители не указывают явно, что ЦП имеет именно шину SPI или I²C, называя шины 3-wire и 2-wire соответственно. Важнейшим параметром ЦП является количество коммутируемых отводов переменного резистора (количество шагов). Этот параметр определяет дискретность регулировки. Обычно количество шагов является степенью числа 2, но бывают ЦП и с другим количеством шагов, например 100. Наиболее распространены ЦП с количеством шагов от 32 до 256.

Еще одним важным параметром ЦП, впрочем, как и обычного переменного резистора, является полное сопротивление. Наиболее распространены ЦП с полным сопротивлением 10, 50 и 100 кОм. Среди других параметров ЦП необходимо отметить максимальное напряжение на выводах переменного резистора, сопротивление «щетки», максимальный допустимый ток, максимальную рассеиваемую мощность, шум, нелинейность и температурный коэффициент. Значения этих параметров у разных типов ЦП могут существенно отличаться, подробности можно найти в фирменной документации.

Пожалуй, самое главное отличие  от переменных резисторов заключается в том, что ЦП нельзя включать в цепь, потенциал которой выходит за пределы допустимого напряжения на выводах переменного резистора. Чаще всего это напряжение не должно выходить за пределы напряжения питания ЦП. Для многих ЦП допустимый диапазон напряжений питания равен 0…5 В, поэтому и использоваться они могут лишь в цепях с такими потенциалами. Некоторые типы ЦП допускают напряжение на выводах переменного резистора большее, чем напряжение питания. Например, X9312 при питании +5 В допускает напряжение до ?.

Еще одно отличие ЦП от обычных  переменных резисторов заключается в несколько большем сопротивлении в крайнем положении (сопротивление «щетки» переменного резистора). Для обычного переменного резистора это сопротивление может составлять десятые доли Ома. Для 10-килоомного ЦП сопротивление «щетки» составляет порядка ? Ом. Это сопротивление образовано сопротивлением канала открытого полевого транзистора и ведет себя так же, как и RON у микросхем электронных ключей.

ЦП также присущ эффект проникновения сигнала с цифровых управляющих входов в цепь переменного резистора. Поэтому для регулировки громкости следует использовать специальные ЦП, у которых помехи существенно уменьшены (glitchless-регуляторы).

Для построения высококачественных регуляторов  громкости выпускается ряд специализированных микросхем, таких как AD7111, AD7112 от Analog Devices, CS3310 от Crystal и др. Для получения широкого динамического диапазона сдвоенный ЦАП AD7112 имеет разрядность 17 бит, а управляется он 8-разрядным кодом с помощью шифратора, обеспечивающего логарифмическую характеристику с шагом 0,375 дБ.

 

1.2 Автоматические регуляторы уровня

 

Автоматические регуляторы уровня (АРУ) - четырехполюсники, коэффициент передачи которых изменяется по заданному закону в зависимости от значения уровня сигнала. Иногда строят АРУ, реагирующие и на другие параметры сигнала, например на его спектр, крутизну нарастания и убывания огибающей, на скважность сигнала. С помощью АРУ уменьшают или увеличивают динамический диапазон сигналов, поддерживают в заданных пределах пиковые или средние значения уровней, ограничивают усиление тракта при уменьшении входного уровня ниже установленного минимума, улучшают разборчивость речи, уменьшают различия громкости речи и музыки, защищают оборудование трактов 3В от последствий превышения номинального входного уровня (перевозбуждения) или перегрузки мощных усилителей проводного вещания и модуляторов передатчиков, уменьшают влияние шумов в каналах и трактах 3В.

Автоматическое регулирование  коэффициента передачи уменьшает перепады уровня громкости при переходе от речи к музыке и наоборот, что важно при слушании вещательных программ в домашних условиях. Автоматическое нивелирование (выравнивание) среднего уровня громкости речи применяют в системах звукоусиления для уменьшения изменений громкости голоса оратора, при выступлении отклоняющегося или отворачивающегося от микрофона.

Автоматическое ограничение  пиковых (максимальных) уровней на входе усилительных устройств предотвращает возрастание нелинейных искажений сверх допустимой величины и возможные аварии, например из-за пробоя изоляции конденсаторов или межвитковых пробоев в трансформаторах. Автоматические устройства срабатывают также при перегрузке, т.е. при резком уменьшении сопротивления нагрузки, ограничивают в этом случае мощность или ток и тем защищают выходной каскад оконечных усилителей или модуляторов передатчиков от аварий.