Функциональный генератор на основе микропроцессора. Анализ технического задания

Содержание

Введение.......................................................................................................... 2

1. Анализ технического задания..................................................................... 3

2. Разработка структурной схемы.................................................................. 5

3. Разработка принципиальной схемы............................................................ 6

4. Разработка программного обеспечения..................................................... 8

5. Моделирование работы устройства......................................................... 10

Заключение.................................................................................................... 12

Приложение А – Листинг программы микроконтроллера.......................... 13

Приложение Б – Библиография.................................................................... 14

Введение

Функциональные генераторы – распространенный класс устройств, которые выдают на выходе периодический сигнал, который является некой не простейшей (не линейной в частности) функцией от времени, отсчитываемого с начала периода.

Во времена, когда цифровая и вычислительная техника была развита слабо, функциональные генераторы изготавливались аналоговыми – с огромным количеством тщательно сбалансированных нелинейных элементов. Такие генераторы были очень сложными, ненадежными, дорогими и потребляли значительное количество энергии.

С развитием цифровой техники стало очевидным, что любой функциональный генератор можно выполнить на основе микропроцессора – путем вычисление функции через разложение в ряд Тейлора (при большом количестве точек, малой частоте генерации и большой вычислительной мощности процессора) или непосредственно по таблицам значений, хранящейся в ПЗУ (при небольшом количестве точек).

В ходе курсового проектирования необходимо разработать генератор сложной ступенчатой, при этом следует решить вопрос о целесообразности того или иного подхода, учесть все накладываемые на микропроцессорную систему ограничения, выполнить цифро-аналоговое преобразование и решить проблему выдачи как положительных, так и отрицательных значений функции.

1. Анализ технического задания

Для создания функционального генератора на основе микропроцессора необходимо, чтобы требуемая функция была представлена в цифровом виде, для чего следует произвести ее оцифровку, которая включает в себя два этапа: квантование и дискретизацию.

График исходной функции, построенный в соответствии с заданием на курсовой проект, показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – График целевой функции.

Из графика на рисунке 1 видно, что дискрет целевой функции равен 1/14 периода в 10 мс, следовательно, для точной дискретизации необходимо обеспечить такую частоту тактирования микроконтроллера, при которой одному дискрету будет соответствовать целое количество машинных циклов. Поскольку предполагается использование микроконтроллера фирмы Microchip, который выполняет 1 машинный цикл за 4 такта, то тактовая частота, соответствующая одному циклу на дискрет, составит

.

Эта частота очень мала, и ее невозможно обеспечить кварцевым резонатором, поскольку промышленные резонаторы имеют минимальную частоту 20 кГц. Использование распространенных мегагерцовых резонаторов также является нецелесообразным, поскольку это приведет к бесполезному увеличению потребляемого микроконтроллером тока, поэтому оптимальным будет выбор низкочастотного резонатора, при котором дискрет будет соответствовать пяти машинным циклам, т.е. имеющим частоту 28 кГц.

Квантование сигнала осуществляется по 7 уровням, причем каждый из них в 2 раза больше предыдущего, что позволяет закодировать все уровни точным цифровым кодом. Поскольку амплитуда сигнала равна 3 В, что составляет ровно ¼ часть от 12 В – напряжения питания операционных усилителей биполяризатора, то выходной сигнал будет полностью свободен от погрешностей оцифровки.

Таблица 1 – Кодирование уровней сигнала.

Из таблицы 1 видно, что для реализации генератора было бы достаточно 5-разрядного ЦАП (три младших бита всегда равны нулю), но поскольку ЦАП такой разрядности не выпускаются, то логично будет применить 8-разрядное кодирование, что соответствует разрядности стандартного порта микроконтроллера и упрощает реализацию генератора.

Что касается требований к микроконтроллеру, то он должен иметь как минимум 5 линий вывода и 2 вывода для подключения кварцевого резонатора, что автоматически исключает возможность применения микроконтроллеров семейств PIC10 и PIC12.

2. Разработка структурной схемы

Исходя из выводов, изложенных в пункте 1, следует вывод, что устройство должно содержать следующие структурные блоки: