Последовательная обработка сигнала

Из рассмотрения схемы, приведенной на рис. 2215, видно, что аппаратурные затраты существенны, хотя был выбран простейший пример. Поэтому возникает вопрос, в каких случаях окупаются большие аппаратурные затраты по сравнению, с относительно простой аналоговой реализацией. Пример такого рода- обработка сигналов с экстремально низкой частотой. Она без труда осуществляется с помощью цифровых схем, если выбрать низкую частоту выборки. Напротив, в аналоговых системах в этом случае требуются экстремально большие постоянные времени, которые не всегда могут быть реализованы.

При низких частотах выборки цифровой фильтр можно значительно упростить, выполняя все операции последовательно в одном и том же арифметическом устройстве. Промежуточные результаты запоминаются в буферной памяти до следующего тактового импульса. Для выполнения подобных операций очень удобно применить микро-ЭВМ. Для примера на рис. 2218 приведена блок-схема программы, соответствующая структурной схеме на рис. 2114. Для того чтобы следующее значение х фактически могло быть подано на вход устройства, длительность Тa такта фильтра должна быть больше, чем время обработки сигнала в устройстве.

Рис. 22.18. Блок-схема программы для моделирования цифрового фильтра первого порядка на микро-ЭВМ.

Для фильтра первого порядка при 8-разрядной длине слова с помощью стандартных систем (8080, 6800) можно получить времена обработки порядка 100 мкс. В этом случае максимальная частота выборки составляет, следовательно, 10 кГц. Для фильтров более высокого порядка и при большей длине слова она меньше. Поэтому для построения цифровых фильтров целесообразно использовать 16-разрядные микропроцессоры.

Особенно выгодно применять специальный процессор-фильтр, как, например, модель 2920 фирмы Intel. Он содержит аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи с 9-разрядной дискретизацией. Для обработки сигнала имеется ЗУПВ емкостью 40 слов по 25 бит и 25-разрядное арифметическое устройство. Программа реализации фильтра хранится в запрограммированном соответствующим образом ЭППЗУ на 192 слова по 24 разряда. При такой длине командного слова с помощью одной команды можно задать не только код операции, но и адрес источника и адрес передачи данных, как только будет проведено умножение на целое двоичное число. Отсюда следует, что для программирования фильтра второго порядка необходимо лишь 10 команд. Выполнение команды занимает 0,4 мкс. Поэтому даже при максимальной длине программы (192 команды) частота выборки составляет еще 13 кГц.

23. Передача данных и индикация

23.1. Соединительные линии

В предыдущих главах предполагалось, что сигналы от одной интегральной схемы к другим передаются без искажений. Однако при крутом фронте сигнала влиянием соединительных линий пренебречь нельзя. На практике принято считать, что простой провод можно использовать в качестве соединительной линии в случае, если время прохождения сигнала по нему на порядок меньше, чем время нарастания сигнала на выходе схемы. Отсюда получается следующее ограничение: максимальная длина соединения должна составлять 10 см на наносекунду фронта сигнала. Если длина проводника будет большей, возникнут существенные искажения формы импульса, отражения и слабо- или сильнозатухающие колебания. Такие ошибки могут быть исключены введением линий с определенным волновым сопротивлением (коаксиальные кабели, полосковые линии), которые нагружаются на согласованную нагрузку. Их волновое сопротивление обычно лежит в диапазоне 50-300 Ом.

Полосковые линии могут быть реализованы, например, следующим образом: соединительные дорожки выполняются на нижней стороне платы, а сторона, на которой расположены компоненты, полностью металлизируется. Конечно, должны быть предусмотрены небольшие участки для изоляции выводов компонентов. При этом все соединительные дорожки, расположенные на нижней стороне платы» являются полосковыми линиями. Если проводящая плата имеет относительную диэлектрическую постоянную r = 5 и толщину d = 1,2 мм, то при ширине проводящей дорожки w == 1 мм волновое сопротивление составляет 75 Ом [23.1].

Для соединения одной платы с другой можно использовать коаксиальную линию. Однако она обладает существенным недостатком: ее сложно подводить к разъемам. Значительно проще передавать сигнал по двум скрученным простым, изолированным проводам, которые можно подсоединить к двум соседним контактам разъема. Если число витков составляет 100 на метр, то волновое сопротивление равно 1100м [23.1].

Рис. 23,1. Передача данных по скрученной проводной линии с несимметричным управлением.

Простейшая возможность передачи данных по витой линии показана на рис. 23.1. Из-за требуемого низкоомного оконечного сопротивления передающий элемент должен обеспечивать соответственно большой выходной ток. Такие элементы, изготовленные в интегральном виде, известны как формирователи, работающие на линию. В качестве приемника целесообразно применять логические элементы типа триггера Шмитта (элементы с гистерезисом) для восстановления фронтов импульса.

Несимметричная линия передачи сигнала, представленная на рис. 33.1, относительно восприимчива к внешним помехам, например к импульсам напряжения на земляном (общем) проводе. По этой причине в большинстве систем выгоднее использовать симметричные линии передачи сигнала, подобные показанной на рис. 23.2. При этом на обоих проводах витой линии формируется парафазный сигнал, а в качестве приемного устройства служит компаратор. Информация различается не по абсолютному значению уровня напряжения, а по полярности дифференциального напряжения. Импульсная помеха вызывает лишь синфазное отклонение, которое благодаря использованию компаратора не нарушает работы.

При формировании парафазного сигнала необходимо исключить возможность возникновения временного сдвига обоих сигналов относительно друг друга. По этой причине при использовании ТТЛ- схем вместо простых инверторов применяют специальные схемы с парафазным выходом (например, Am 26LS31 фирмы Advanced Micro Devices).

Рис. 23.2. Передача данных по скрученной проводной линии с симметричным управлением.

В ЭСЛ- элементах часто используется парафазный выход. Поэтому их очень удобно использовать для симметричной передачи сигнала. Чтобы в полной мере реализовать их высокое быстродействие, в качестве компаратора применяют простой дифференциальный усилитель, который по входу совместим с ЭСЛ- схемами. Его называют приемником линии. Соответствующая схема показана на рис. 23.3.

Рис. 23.3. Передача данных в ЭСЛ- устройстве по скрученной проводной линии с симметричным управлением.

Функционирование линии парафазной передачи с помощью компаратора на рис. 23.2 и 23.3 возможно только тогда, когда не превышается диапазон изменения синфазного сигнала. Если возникает очень большая разность потенциалов (например, в цифровых вольтметрах с плавающей землей), дифференциальный способ можно реализовать с помощью оптрона (рис. 23.4). Используя фототранзистор в качестве приемника, можно получить выходной сигнал, совместимый с ТТЛ- схемами. В этом случае скорость передачи ограничена значением порядка 100 кбит/с. Используя в качестве приемника фотодиод, можно достичь значительно большей скорости. Однако из-за малой величины фототока необходимо вводить последовательно с фотоприемником усилитель. Такая оптическая связь с интегральным усилителем позволяет повысить скорость передачи до 20Мбит/с (например, в модели 5082-4364 фирмы Hewlett-Packard).