Микропроцессорная система

 

$

Рисунок 1.3 – Обобщенная схема АРУ

 

В зависимости от реализуемого закона регулирования уровней различают сжиматели и расширители динамического диапазона, ограничители максимальных и минимальных уровней (последние называют еще пороговыми ограничителями или шумоподавителями).

По форме представления  регулируемого сигнала и управляющего напряжения различают аналоговые, аналоговые с цифровым управлением и полностью цифровые АРУ. В зависимости от длительности процесса регулирования АРУ разделяют на безинерционные и инерционные.

Безинерционные ограничители (пикосрезатели) иногда включают на выходе инерционных ограничителей максимальных уровней для устранения возможных пиков срабатывания, которые могут создать помехи прохождению других сигналов в многоканальных системах связи.

Особым видом АРУ являются так называемые речевые сжиматели. Они встраиваются в дикторские пульты и предназначаются для выравнивания громкости голосов дикторов. К сожалению, их действие приводит к неприятному результату - подчеркнутому "астматическому" дыханию. Для устранения этого недостатка речевые сжиматели дополняют ограничителями минимальных уровней, но их порог срабатывания нуждается в кропотливом регулировании.

Обобщенная структурная схема  АРУ изображена на рисунке 1.3. Она  содержит регулируемое звено РЗ и  управляющее звено УЗ. В УЗ входят двухполупериодный выпрямитель, детектор В и зарядно-разрядная (интегрирующая) цепь И.

В более сложных АРУ в УЗ входят линейные и нелинейные преобразователи и вычислительное (микропроцессорное) устройство, анализирующее свойства сигнала и изменяющее закон управления. В качестве аргумента функции управления кроме напряжения могут служить частота, скорость изменения уровня сигнала, скважность сигналов.

$$$$$

1.3 Статические и динамические  характеристики и параметры

автоматических регуляторов  уровня

Свойства АРУ определяются специфическими характеристиками и параметрами - статическими для установившегося режима и динамическими для переходного.

В статическом режиме свойства АРУ  определяются амплитудными и регулировочными  характеристиками (рисунок 1.4). Первые показывают зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения (для несинусоидальных напряжений - связь огибающих сигнала на выходе и входе), вторые - зависимость коэффициента передачи К от амплитуды входного напряжения (для несинусоидальных напряжений - от значения огибающей входного напряжения).

 

$$$$$$$$

Рисунок 1.4 – Амплитудные (а) и регулировочные (б)

характеристики АРУ

В общем виде коэффициент сжатия (расширения) = duвых/duвх или, выражая изменения амплитуды сигнала в логарифмической форме через уровни, = Nвых/Nвх. Положим, что амплитудные характеристики сжимателя и расширителя аппроксимируются показательными функциями, что близко к действительности:

где k - коэффициент пропорциональности; - коэффициент сжатия (расширения) D (динамический диапазон), который показывает, во сколько раз АРУ изменяет D сигнала при регулировании.

Для сжимателя  < 1. Для расширителя > 1. Например, для уменьшения влияния помех применяют систему "сжиматель-расширитель" (компандерную систему), в которой используют АРУ с сопряженными (комплементарными) амплитудными характеристиками _сж = 0,5; _расш = 2; _{сж расш} = 1, и динамический диапазон на выходе системы равен входному. Для усилителя =1.

Динамические свойства АРУ отображает переходная характеристика, т.е. реакцией АРУ на скачкообразное изменение  огибающей входного напряжения. ………… За время восстановления t_в принимают интервал между скачкообразным уменьшением напряжения на входе АРУ и моментом времени, когда напряжение на выходе АРУ будет отличаться от напряжения в установившемся режиме на 25 %, а уровень соответственно будет отличаться от установившегося значения на 2 дБ.

Для более точного рассмотрения необходимо учитывать процессы, сопровождающие возникновение и прекращение звуков. Уровни сигнала на входе АРУ не нарастают и не спадают скачком. Процессы установления и спада интенсивности звука обладают некоторой инерционностью. К этим процессам добавляется инерционность установления колебаний в воздушном пространстве помещения и постепенное ослабление этих колебаний вследствие явления реверберации. Для исключения пиков срабатывания ("выбросов" уровня) необходимо, чтобы время установления t_y было меньше длительности процесса установления колебаний в источниках звука t_ист, а время восстановления t_в при спаде колебаний меньше длительности процесса реверберации t_рев в помещении.

Рассмотрим эти процессы на примере  действия ограничителя максимальных уровней.

 

 

$$$$

Рисунок 1.5 – Изменение уровня на выходе АРУ при различных соотношениях между временем восстановления источника и временем заряда конденсатора зарядно-разрядной (интегрирующей) цепи

 

Форма огибающей сигнала на выходе АРУ определяется соотношением времени установления источника звука t_ист и временем заряда конденсатора tз (рисунок 1.5, а). Кривая 1 соответствует уже рассматривавшемуся ранее случаю 1 скачкообразному нарастанию входного уровня: кривая 2 - соотношению t_ист > t_з; кривая 3 - соотношению t_ист < t_з.

Процессы спада уровня характеризуются  кривыми на рисунке 1.5, б. При скачкообразном спаде уровня и t_рев = 0 процесс пойдет по кривой 4, при t_p > t рев - по кривой 5, при t_p < t_рев - по кривой 6.

Здесь под временем заряда конденсатора t_з понимают время, в течение которого напряжение на конденсаторе достигнет 0,8 стационарного значения, а под временем разряда t_p - время, в течение которого напряжение на конденсаторе уменьшится до 0,05 от начального, стационарного значения. Для сопоставления числовых значений t_p и t_рев (здесь под t_рев понимают время, в течение которого звуковое давление уменьшается до 0,05 от первоначального значения) приведем следующие данные. Поскольку для большинства звуков t_ист > 5 мс, а время реверберации студий редко бывает меньше 0,5 с, то в качестве ориентировочных значений следует признать t_з =1мс, а t_p = 100 . . . 150 мс. Нужно, однако, отметить, что при столь малом t_p ухудшается фильтрация пульсаций управляющего напряжения, особенно на нижних частотах, поэтому t_p и связанное с ним t_в выбирают больше.

Типичные значения параметров для  ряда АРУ приведены в таблице 1.1

 

 

 

Таблица 1.1 – Временные характеристики различных видов АРУ

 

1.4 Комбинированные и адаптивные  автоматические

регуляторы уровня

 

Комбинированные АРУ выполняют  несколько видов регулирования. Их главное назначение – освободить звукорежиссера от выполнения чисто  технических операций: поддержания постоянства квазипиковых или средних уровней, выравнивание уровней громкости речи и музыки и т.д.

Более совершенными, но и более  сложными являются адаптивные АРУ. Они, как и комбинированные, решают несколько  задач, причем действие тех или иных звеньев и динамические параметры регуляторов устанавливаются автоматически в зависимости от определяемых свойств сигналов 3В. Образно говоря, адаптивные АРУ являются "мыслящими автоматами", анализирующими параметры сигналов 3В в пределах логической программы, заложенной в АРУ человеком. Адаптивные АРУ на основе действия анализаторов различных свойств сигналов как бы приспосабливаются к тому, чтобы наилучшим образом действовать при изменении интенсивностных, спектральных и временных свойств сигнала, разумеется, в пределах уже понятных и известных нам закономерностей. Известны адаптивные АРУ, действие которых меняется при смене речи музыкой, изменении спектра, среднего уровня, соотношения между средним и квазипиковыми уровнями.

От адаптивных отличают оптимальные  АРУ, в которых регулирование  осуществляется согласно принятому  критерию качества. Однако понятие  оптимальности несколько размыто, поскольку до сих пор не удается дать строгого математического описания критерия оптимальности.

 

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ  И ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

СХЕМЫ

 

Разрабатывая структурную схему  устройства нужно учитывать способность микроконтроллера обрабатывать все поступающие к нему данные в реальном масштабе времени, которая зависит от длительности машинного цикла, системы команд, вид принимаемых данных – в последовательной или параллельной форме а также число задач которые должны быть обработаны процессором в течение заданного промежутка времени. Информация, поступающая в микроконтроллер от периферийных устройств, может быть реализована и представлена различными способами, например параллельная или последовательная передача данных, количество разрядов передаваемого сообщения, значение передаваемых битов. Необходимым условием работы АРУ является оценка уровня звукового сигнала. Оценку будем производить с помощью логарифмического измерителя уровня, имеющее необходимое время установления и восстановления выходного сигнала. На выходе измерителя уровня, для оценки и передачи информации в контроллер используем АЦП. Для обратного преобразования необходимо применить ЦАП, который будет управлять регулирующим звеном. В разрабатываемом устройстве реализуем различные виды АРУ. При отключенном АРУ громкость звука можно регулировать вручную. Необходимо также предусмотреть клавиатуру и индикатор для выбора режима работы устройства и отображения его состояния (уровни громкости и сигнала).

 

2.1 Разработка структурной схемы

и пользовательского меню устройства

 

Схема АРУ должна включать в себя регулируемое звено (РЗ), схему формирования управляющего напряжения. В качестве регулируемой величины будем брать уровень сигнала (напряжение). Напряжение звукового сигнала на вход управляющего звена поступает с входа РЗ. Такое управление, в теории автоматического регулирования, называют прямым или с разомкнутой цепью. В устройствах с обратным управлением результат управления сказывается на формировании управляющего напряжения. Устройства с обратным управлением (с замкнутой цепью управления) имеют то преимущество, что процесс регулирования в них совершается быстрее, характеристики АРУ более стабильны, требования к разбросу параметров регулируемого звена менее жесткие. Но есть и недостатки: ограничителю максимальных уровней с обратным управлением свойственно нарастание выходного напряжения даже на участке ограничения, что ухудшает защиту устройств. Действие расширителя, собранного по схеме с обратным управлением, неустойчиво: увеличение коэффициента передачи при росте входного напряжения и соответствующее возрастание выходного напряжения приводят к лавинообразному увеличению коэффициента передачи. Чтобы избежать этого, амплитудную характеристику расширителя сохраняют лишь до некоторого предела, после которого устройство действует как обычный усилитель с постоянным коэффициентом передачи.

Приведем структурную схему  разрабатываемого устройства:

 

Рисунок 2.1 – Структурная схема разрабатываемого варианта

 

С целью уменьшения размеров печатной платы микросхемы ЦАП, АЦП будем использовать с последовательным интерфейсом. Микроконтроллер (МК), для обработки сигналов всех подключаемых к нему периферийных устройств, должен поочередно к ним обращаться. Также нужно учитывать различную скорость работы подключаемых к контроллеру устройств, следовательно, обращение к более медленным устройствам будет реже.

Прежде чем приступать к разработке принципиальной схемы устройства, определим более подробно выполняемые им функции, изменения режима его работы и состав меню.

Клавиатура, представленная на рисунке 2.1 будет содержать 3 управляющие кнопки — "больше", "меньше", "меню". При не активизированном меню кнопки «больше» и «меньше» будут выполнять функцию увеличения и уменьшения громкости соответственно (в случае, когда АРУ отключена). Третья кнопка "меню" будет активизировать вход в меню и выход из меню с одновременной загрузкой выбранного режима.

Раскроем состав пользовательского  меню. При нажатии кнопки "меню" на индикаторе отображается строка меню, с помощью кнопок "больше" и "меньше" выбирается один из следующих пунктов: "Усилитель", "Ограничитель",  "Шумоподавитель" и "Комбинированное АРУ".

При выборе "усилитель", устройство работает как обычный усилитель (в составе с внешним усилителем) с управляемым коэффициентом усиления. В остальных режимах ручная регулировка усиления невозможна.

Комбинированное АРУ содержит шумоподавитель, усилитель, ограничитель максимальных уровней одновременно.

 

2.2 Выбор составляющих компонентов

2.2.1 Выбор микроконтроллера

 

При выборе микроконтроллера надо исходить из его функциональных возможностей и внутренней архитектуры.

Выбор зависит от наличия или  отсутствия системы обеспечения  разработки (программной среды разработки и соответствующего оборудования).

Иногда лучше выбрать микроконтроллер, не содержащих всех необходимых элементов, рискнув добавить к нему затем одну или две внешние микросхемы. Нецелесообразно покупать один "супер - микроконтроллер", если нет средств на приобретение среды разработки приложения или если капиталовложения, необходимые для создания приложения, не оправдываются его применением. Существует также риск выхода из строя микросхемы при монтаже и проведения испытаний.

С учетом вышесказанного выбор пал  на микроконтроллер AT89C2051. Приведем краткое его описание:

• Совместимость с MCS-51
• 2 Килобайта перепрограммируемой флэш-памяти
• Допускается: 1000 циклов записи/чтения
• Диапазон напряжения питания от 2.7В до 6В
• Полностатическая система: тактовая частота от 0 Гц от 24 MHz
• Двухуровневая блокировка памяти программ
• 128 x 8-разрядная внутреннее ОЗУ
• 15 программируемых линий ввода/вывода
• Два 16-разрядных Таймера/счетчика
• Шесть источников прерывания
• Программируемый последовательный UART Канал
• Прямое подключение светодиодного дисплея
• Встроенный аналоговый компаратор
• Малая мощность пассивного режима и режим пониженной мощности