Курсовая работа: Устройства обработки аналоговых сигналов

В литературе [3] приведены электрические параметры и эксплуатационные характеристики отечественных микроэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП). Подробно рассмотрены особенности развития и применения больших и сверхбольших микросхем ЦАП, АЦП и систем обработки информации. Рассмотрены принципиальные и функциональные схемы преобразователей, а также основные электрические параметры данных микросхем. Уделено внимание методам измерения контроля параметров преобразователей.

Приведен сравнительный анализ цифровых и аналоговых методов звукозаписи и показаны преимущества цифровых методов в литературе [4]. Еще в данной литературе рассмотрены специфические особенности, способы и форматы цифровой магнитной записи. Изложены вопросы коррекции, синхронизации и формирования воспроизведенных сигналов. Даны анализ и рекомендации по повышению эффективности систем цифровой звукозаписи, рассмотрены перспективы их развития и применения. Описана структура канала цифровой звукозаписи, основные особенности тракта магнитной записи-воспроизведения и дополнительные источники шумов и помех в этом канале. Рассмотрены способы цифровой магнитной звукозаписи, формирование сигналов и обработка воспроизведенных сигналов.

В литературе [5] приведены общие сведения о цифровых интегральных микросхемах и конструктивных особенностях. Описаны интегральные схемы транзисторно-транзисторной логики, наиболее распространенные цифровые интегральные схемы на основе КМДП-транзисторов, самые быстродействующие микросхемы на основе эмитарно-связанной логики. Одна из глав книги посвящена интегральной инжекционной логике. Приведены основные параметры рассматриваемых интегральных схем, которые сведены в таблицы по разделам. Для полного понимания работы микросхем среднего уровня интеграции во многих случаях приводятся их структурные схемы, а также принципиальные схемы основных элементов.

В литературе [6] рассматриваются современные и перспективные средства цифровой записи звука. Описываются принципы действия цифровых магнитофонов, комплектов цифровой записи звука на аналоговых видеомагнитофонах, устройств цифровой оптической записи и воспроизведения звука. Излагаются вопросы цифровой записи звука, электронного монтажа цифровых фонограмм, а также применение перспективной цифровой аппаратуры записи звука. Приводятся структурные и принципиальные схемы устройств и их отдельных узлов.

Изложение основных положений единой системы конструкторской документации (ЕСКД) приведено в литературе [9]. В данной книге также описаны общие правила выполнения схем, чертежей изделий, изготовляемых с применением электрического монтажа. Приведены условные графические обозначения электрических схем, что в значительной мере упрощает поиск нужной информации, а также черчение схем.

В литературе [7], [8] приведены электрические параметры, габаритные предельные эксплуатационные размеры и другие характеристики отечественных серийно выпускаемых интегральных схем широкого применения. Даны новые схемы включения, указаны зарубежные аналоги.

В литературе [10] рассматриваются вопросы цифровых (комбинационных и последовательностных на основе микросхем) и аналоговых (на базе операционных усилителей) устройств различного функционального назначения; методы синтеза этих устройств, используемых в инженерной практике. Приводятся программы по изучению ряда таких устройств.

Описание работы структурной схемы

Структурная схема цифрового канала звукозаписи изображена в приложении.

Источник информации, например, микрофон, формирует случайное сообщение. Сообщение подается на фильтр низкой частоты, который обрезает высокочастотную составляющую. Далее сообщение поступает на преобразователь источника, где преобразуется в случайную цифровую последовательность. В наиболее простом виде преобразователь источника представляет собой аналого-цифровой преобразователь. В более общем случае он является устройством для отображения выборок в слова, т. е. в последовательность цифр или символов. Преобразователь источника может быть предназначен, например, для уменьшения избыточности, почти неизменно присутствующей в необработанных данных.

Затем сообщение поступает на перекодер, который может и отсутствовать. Кодер тракта магнитной записи-воспроизведения предназначен для того, чтобы внести избыточность в передаваемое сообщение. Это позволяет правильно его опознать на приемном конце, несмотря на некоторые ошибки, которые могут произойти при передаче или при порче носителя информации.

Если кодированию подвергается каждый символ сообщения, то кодер называют поэлементным, если кодированию подвергается группа символов – групповым.

Затем информация передается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Далее сообщение поступает на модулятор, функция которого состоит в преобразовании последовательности символов на выходе перекодера в сигнал цифровой магнитной записи. Этот сигнал должен отличаться высокими информационной эффективностью и помехоустойчивостью в специфических условиях. В общем случае каждый сигнал цифровой магнитной записи представляет собой преобразованный для передачи с помощью абсолютных или относительных способов модуляции несущую гармонической или прямоугольной формы, или несущую нулевой частоты. затем сообщение записывается на носитель.

При воспроизведении звукового сообщения с носителя, сообщение сначала поступает на демодулятор, который преобразует ограниченный сигнал в последовательность символов, чаще всего двоичных. Структура демодулятора определяется типом сигнала и условиями записи-воспроизведения. Затем через ОЗУ информационная двоичная последовательность, снимаемая с выхода демодулятора, преобразуется декодером в тот вид, который был на выходе декодера. Преобразователь преобразует поступающую на его вход цифровую последовательность в последовательность импульсов различной амплитуды, которые через фильтр поступают к получателю информации.

В данной курсовой работе разработана аналогичная структурная схема, но без кодера и декодера. Отсутствие кодера и декодера объясняется тем, что после кодирования информация занимает больше места на носителе и в ОЗУ, следствием чего является наращивание ОЗУ, что приводит к удорожанию бытовой радиоаппаратуры. А уменьшение объема информации на носителе, приводит к увеличению числа носителей.

Описание работы функциональной схемы

Информация подается на фильтр низкой частоты, который обрезает высокочастотную составляющую. Далее сообщение поступает на аналого-цифровой преобразователь. Способ преобразования аналоговой информации в цифровую, предложенный в данной курсовой работе импульсно кодовой модуляцией (ИКМ), дополненный многоуровневой дельта-модуляцией. Соответственно повышение качества преобразования по сравнению с обычной ИКМ тем заметнее, чем лучше используется это дополнение, но всегда не хуже исходной ИКМ. Предложенный способ при определенных условиях позволяет с 6-8 разрядами цифрового кода получить такое же высокое качество преобразования, как при обычной ИКМ с 14-16 разрядами. Функциональная схема устройства приведена в приложении 2.

Входной сигнал через фильтр низкой частоты поступает на входы сумматоров U1 и U2. Выходной сигнал сумматора U1 преобразуется последовательным АЦП U3 в цифровую форму с частотой квантования f_T причем цифровое значение предыдущей выборки сохраняется на выходе АЦП до следующей выборки и изменяется в момент прихода тактового импульса. В цифровом виде сигнал используется для передачи через ОЗУ на запись или воспроизведение, после чего восстанавливается с помощью ЦАП U6 и фильтра нижних частот (ФНЧ) Z2.

Помимо ОЗУ сигнал в цифровой форме поступает на дополнительный ЦАП U4, где после ФНЧ Z1 восстанавливается в исходную аналоговую форму, сравнивается с входным аналоговым сигналом сумматором U2, а полученная разность усиливается и поступает на сумматор U1 вместе с входным сигналом. Дополнительные ЦАП U4, фильтр низкой частоты Z1, сумматор U2 и усилитель A1 образуют петлю обратной связи, которая позволяет существенно снизить возникающие в процессе преобразования искажения сигнала и повысить разрешающую способность преобразования.

На выходе сумматора U1 будет действовать напряжение:

; (1)

где - напряжение входного сигнала;

- напряжение на выходе ФНЧ Z1;

- напряжение на выходе ЦАП U4;

- коэффициент передачи ФНЧ Z1;

Напряжение на выходе ФНЧ Z1;

; (2)

Из формулы (2) следует, что напряжение на выходе ФНЧ Z1 тем точнее повторяет входное напряжение, чем больше . Так как выходное напряжение ЦАП U4, может принимать только дискретные значения, т. е. почти никогда точно не совпадает с напряжением входного сигнала, то процесс преобразования протекает таким образом, что входной сигнал и сигнал на выходе ФНЧ совпадает в среднем, причем функцию усреднения выполняет ФНЧ. В результате на выходе ФНЧ появляется восстановленный из цифрового кода исходный аналоговый сигнал с наложенной высокочастотной составляющей, амплитуда которой зависит от соотношения частоты дискретизации и частоты среза ФНЧ. Количественно уменьшение высокочастотных составляющих при увеличении соотношения определяется способностью ФНЧ подавлять высокочастотные составляющие сигнала. Хорошо их подавляют фильтры высокого порядка, однако они вносят большой фазовый сдвиг на высоких частотах, что при увеличении коэффициента усиления может привести к самовозбуждению устройства преобразования на этих частотах. Поэтому не рекомендуется использовать фильтры выше второго порядка, а лучше всего первого порядка. В этом случае при увеличении соотношения уровень высокочастотных составляющих прямо пропорционально снижается, что позволяет при увеличении коэффициента усиления прямо пропорционально увеличивать точность преобразования малых изменений сигнала, т. е. повысить разрешающую способность преобразования. Кроме того, снижение уровня высокочастотных составляющих приводит к снижению шума квантования.