Помехоустойчивое кодирование

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПОЕКТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПЮТЕРИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И САПР»

Разработать систему сбора и преобразования информации по следующим исходным данным:

Количество датчиков = 1.

Ограничение по частоте для аналого сигнала = 10 кГц.

Диапазон напряжения на выходе датчика

Umin…Umax (0 … 10) В.

Максимальная погрешность АЦП = 3,5.

Тип помехоустойчивого кода — Хеминга.

Проверочные символы в начале кодовой комбинации.

АННОТАЦИЯ

В данном курсовом проекте разработана система сбора и преобразования информации произведено моделирование моделирование аналоговой части разрабатываемой системы с помощью программных средств САПР. Приведены результаты расчета схем. Также приведены окончательные варианты схем электрических принципиальных.

Усложнение функций систем и устройств управления приводит к увеличению времени на проектирование при использовании традиционных ручных методов. Некоторое ускорение процесса проектирования возможно зачет увеличения количества проектировщиков, но этот путь не может дать существенных результатов.

Ускорить и удешевить процесс проектирования возможно лишь путем разработки и внедрения прогрессивных методов при широком использовании ЭВМ. Автоматизация есть по сути третьим этапом научно технической революции, первые два из них — автоматизация производства и управления — фактически уже завершены.

Автоматизация проектных работ требует использование вычислительной техники. Но существует много задач, решение которых лежит вне возможностей ЭВМ. Приспосабливание таких задач к возможностям техники осуществляется путем разделения процесса проектирования на ряд процедур, а также за счет сохранения за оператором тех функций, которые не могут быть нормализированы. Решение задач анализа на ЭВМ разрешает отказаться от физического макетирования, что есть обязательным при ручном проектировании и требует много времени и денег. Математическое моделирование разрешает использовать модели практически любой точности и получить достаточно точные результаты.

При этом возможно задавать такие результаты, которые при физическом моделировании задать нельзя.

В настоящее время созданы и функционируют большие САПР в радиоэлектронной и машиностроительной промышленности, выпускаются программно-аппаратные комплексы, которые пригодны к использованию как автономно, так и в составе сетей САПР.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Необходимо выполнить:

Выбор и обоснование структурной схемы системы.

Предварительный ручной расчет схемы электрической принципиальной.

Моделирование аналоговой части разрабатываемой системы:

Определение АЧХ и ФЧХ;

Определение переходной характеристики при подаче на вход прямоугольных импульсов;

Определение влияния на частотные характеристики изменения температуры окружающей среды;

Определение влияния на частотные характеристики схемы изменения параметров схемы. Элемент схемы и допустимую величину отклонения его параметра выбрать самостоятельно исходя с обеспечения стабильности частотной характеристики фильтра;

Определение влияния на частотные характеристики схемы отклонения параметров всех элементов схемы, по методу статических опробований. Допустимую величину отклонения параметров выбрать самостоятельно исходя из обеспечения стабильности частотной характеристики всей схемы;

Выполнить моделирования цифровой части системы (кодера помехоустойчивого кода, блока преобразования параллельного кода в последовательный).

Общее моделирование всей схемы.

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Работу разрабатываемой системы можно представить таким образом: сигналы с датчика Д поступают на аналоговый фильтр (АФ), который пропускает сигналы с частотой не более 10 кГц. Отфильтрованный сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП. Оцифрованный сигнал, проходя через кодер-преобразователь КП кодируется, параллельный код преобразуется в последовательный и выдается в линию связи ЛС.

Структурная схема такой системы представлена на рис 1.

Рис 1.

2.1 Расчет параметров АЦП

В системах телеизмерения, которые используются для управления технологическими процессами, наблюдению и измерению подвергаются, как правило, непрерывные во времени величины, а передача с целью обеспечения более полного использования линии связи и высокой помехоустойчивости осуществляется цифровыми сигналами. В связи с этим на передающей стороне выполняются дискретизация, квантование и кодирование отсчетов телеизмеряемого процесса, а на приемной стороне по полученным данным процесс восстанавливается на заданном временном интервале или на дискретном множестве моментов времени, в общем случае не совпадающих с моментами взятия отсчетов.

Для систем телемеханики точность задаётся приведённой погрешностью, которая определяется по формуле:

= д + в + к + и, где д — погрешность из-за неидеального восстановления непрерывного сигнала по его отсчетам (погрешность дискретизации); в — погрешность из-за конечного времени выборки отсчетов; к — погрешность, вызванная квантованием отсчетов; и — инструментальная погрешность, вызванная разбросом параметров элементов, неточностью питающих напряжений, наводками и пр.

Погрешность дискретизации определяется способом восстановления сигнала по его отсчетам. Восстановление сигнала выполняется либо фильтром нижних частот, либо с помощью вычислителей, использующих один из методов интерполяции.

Наиболее просто реализуется полиномиальная интерполяция, основанная на построении алгебраического полинома, проходящего через отсчеты сигнала. При использовании таких полиномов различают ступенчатую, линейную, квадратичную интерполяцию или соответственно интерполяцию нулевого, первого и второго порядка. В случае применения ступенчатой интерполяции непрерывный сигнал восстанавливается с помощью алгебраических полиномов нулевой степени, т. е. отрезками горизонтальных линий, длина которых равна периоду дискретизации. В результате этого непрерывный сигнал заменяется ступенчатым. При линейной интерполяции непрерывный сигнал восстанавливается с помощью полиномов первой степени, т. е. представляется отрезками прямых, соединяющими соседние точки. При квадратичной интерполяции используются полиномы второй степени, т. е. сигнал заменяется отрезками парабол. Может отмечаться интерполяция более высокого порядка, однако увеличивать порядок интерполяции выше второго нецелесообразно, поскольку погрешность будет незначительно уменьшаться, а вычислительные затраты — существенно увеличиваться.

Погрешность дискретизации д для сигналов, у которых спектральная плотность близка к прямоугольной и ограничена частотой Fmax, связана с периодом дискретизации tд следующим образом:

а) при ступенчатой интерполяции tq"0,0055dq/(2Fmax):

б) при линейной интерполяции ;

в) при квадратичной интерполяции .

Как видим, погрешность линейной интерполяции намного уменьшилась по сравнению со ступенчатой, и не так сильно — по сравнению с квадратичной. А вычислительные затраты наоборот: для реализации линейной интерполяции они не сильно увеличились по сравнению со ступенчатой, и очень сильно — по сравнению с квадратичной. Следовательно, целесообразнее будет использовать линейную интерполяцию.

Основную приведенную погрешность распределим поровну по всем составляющим

Тогда мкс;

Определим время выборки по формуле:

Таким образом, время преобразования АЦП должно быть не более 2,7мкс.

Определим число разрядов аналого-цифрового преобразователя по формуле

K = [Log2 50/к] = [Log2 50/0,875] = [Log257] = 6.

При заданных пределах изменения входного сигнала шаг квантования АЦП равен

U = (Umax — Umin)/2К = 160мВ.

Исходя из этих расчетов в качестве АЦП возьмем микросхему К1108ПВ2, который имеет такие параметры:

— число разрядов — 12;

— tпрб = 1 мкс;

— Uвх = -2,51 2,51 В;

— Iпот = 50 мА.

2.2 Расчет параметров помехоустойчивого кода

Кодовая комбинация для каждого отсчета сигналов должна содержать номер датчика, значения изменяемой величины и проверочные символы. Т.к. количество обслуживаемых датчиков равно 6, то необходимо 3 бит для определения номера датчика. Таким образом количество информационных символов будет равно к=7+3=10. Для того, чтобы получить код с ,

Каждая отправляемая кодовая комбинация содержит значение измеряемой величины и сигналы запредельных значений измеряемой вылечены. Количество информационных символов будет равно k=6+2=8. Для того, чтобы получить код с d0=3, необходимо и достаточно выбрать количество проверочных r таким, чтобы выполнялось условие. В нашем случае условие выполняется при r=4. Следовательно длинна кодовой комбинации будет равна:

Определяем проверочные символы:

2.3 Расчет фильтра

Рис.2

На рис. 2 показана схема одного из возможных вариантов фильтра низких частот второго порядка. В качестве делителя напряжения использованы резисторы R3 и R4. АЧХ этого фильтра может быть определено выражением:

где K0(f)=K02, K0=R3/R4, -коэффициент аппроксимации по Баттерворду, =2;

f0=10кГц-характеристическая частота, соответствующая верхней частоте среза ФНЧ Частота среза определяется по формуле Рассчитываем элементы делителя напряжения.

Максимальное напряжение, снимаемое сдатчика рано 10 В. Максимальное входное напряжение АЦП рвано 2,51 В, входной ток-1мА.

Тогда сопротивление делителя R3-R4=10/10−3 =10 000 Ом;

сопротивление R3=Uвх/Iвх=2,51/10−3=2510 Ом Выбираем R3=2,7kOm; R4=8,2kOm.

K0=R3/R4=0,33

Выбираем С1=10нФ Вычислим следующие вспомогательные параметры

Остальные элементы схемы рассчитываем по формулам Проверим какую действительно частоту среза будет обеспечивать рассчитанный фильтр

Гц

3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ АНАЛОГОВОЙ ЧАСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САПР

Так как полученный в результате предварительного расчета фильтр не совсем удовлетворяет заданным параметрам, проведем моделирование ФНЧ с помощью САПР ELECTRONIC WORKBENCH 5. Схема ФНЧ в данном САПР выглядит следующим образом.

Рис.3

3.1 Определение АЧХ и ФЧХ с помощью САПР

Данные расчета осуществляются командой «AC Analysis» меню «Analysis». Рассчитаем АЧХ и ФЧХ на промежутке от 1 до 105 Гц.

Рис.4

Как видно из рис .4 фильтр действительно обеспечивает работу до частоты среза 10 кГц.

3.2 Определение переходной характеристики аналоговой части схемы

помехоустойчивый код информация Расчет переходной характеристики осуществляется командой «Transient» меню «Analysis». Расчет проведем при нулевых начальных условиях на промежутке от 0 до 0,001с.На вход будем подавать прямоугольные импульсы сначала в пределах полосы пропускания ФНЧ: частота 5кГц, скважность 50, амлитуда 10 В. Как видно из рис. 5 данный сигнал фильтр пропускает, уменьшая амплитуду в 5 раз.

Рис.5

Теперь подадим последовательность прямоугольных импульсов вне полосы пропускания: частота 200 кГц, скважность 50, амлитуда 12 В. Как видно из рис. 6 данный сигнал почти подавляется.

Рис.6

3.3 Определение влияния на АЧХ и ФЧХ аналоговой части изменения температуры окружающей среды

Данный расчет осуществляется при помощи команды «Temperature sweep» меню «Analysis». Температуру будем изменять в пределах рабочего диапазона, т. е. от 0 до 50С с шагом 10С. Как видно из графика (Рис.7) изменение температуры в пределах рабочего режима не влияет на АЧХ и ФЧХ, что свидетельствует о работоспособности ФНЧ.

Рис.7

3.4 Определение влияния на АЧХ и ФЧХ аналоговой части схемы разброса одного параметра схемы

Данный расчет осуществляется при помощи команды «Parameter sweep» меню «Analysis». Определим влияние конденсатора С1. Будем изменять этот параметр в пределах от 100 до 200 пФ с шагом 5пФ (Рис.8).

Рис.8

3.5 Определение влияния на АЧХ и ФЧХ аналоговой части схемы разброса параметров элементов схемы по методу статических испытаний

Данный расчет осуществляется при помощи команды «Monte Carlo Analysis» меню «Analysis».Как видно из рис. 9, разброс параметров незначительно влияетна характеристики ФНЧ.

Рис.9

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ ЧАСТИ СХЕМЫ (КОДЕРА, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО КОДА В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ, БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САПР

Промоделируем цифровую часть схемы в виде одного узла с помощью САПР ELECTRONIC WORKBENCH 5. Схема блока в данном САПР выглядит следующим образом (Рис.10).

Рис.10

Рис.11

Проверим првильность синтеза схемы. При опорном напряжении 2,5 В, входное напряжение в 2 В двоичной системе счисления будет иметь вид 11 001 101. По формулам приведнным в п. 2.3 вычисляем проверочные символы:

а1=0, а2=1, а3=1,а4=0.

Тогда кодовая комбинация будет иметь вид 101 100 110 110.

Результат совпадает с временными диаграммами, поясняющими работу схемы (Рис.11).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте произведено моделирование при помощи программных средств САПР схем активного усилителя низких частот и блока вычисления логической функции. Улучшены параметры АЧХ ФНЧ путем анализа влияния разброса параметра. Проверена правильность его работы. Проверена работоспособность блока вычисления логической функции. Использование САПР значительнее эффективнее, чем макетирование при ручном моделировании. Так как требует на много меньше временных и денежных затрат. Также позволяет получать более точные результаты.

1. А.І. Корнійчук. Лекції з автоматизованого проектування вузлів та систем управління. Навчальний посібник. Частина 1. Автоматизоване проектування аналогових схем.

2. А.І. Корнійчук. Лекції з автоматизованого проектування вузлів та систем управління. Навчальний посібник. Частина 2. Аналіз моделей аналогових та логічних схем.

3. Ю. О. Подчашинский. Методичні вказівки до лабораторного практикуму з дисципліни «Проектування комп`ютеризованих систем управління і САР». Робота з програмою Electronic Workbench 4.0/5.0.

4. Гершунский В. С. Основы электроники и микроэлектроники. 3-е изд., перераб. и доп. — Киев: Вища шк., 1987;422с.

5. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочное пособие. Под редакцией С. В. Якубовского — М: Радио и связь, 1990;495с.

6. В. Л. Шило. Популярные цифровые микросхемы: Справочник — Челябинск. Металлургия, 1989;352с.