М.Х. Джонс - Электроника практический курс (1055364), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Однако, залу- стив эту простую програгль.у, вы будете вознаграждены, убедившись в способности микропроцессора выполнять более одной задачи одновременно. Подчеркнем еше раз, что этим простым примером мы хотим подтолкнуть воображение читателя в сторону внедрения компьютеров в практические электронные системы. Подпрограмму «шгеггирггоигше» легко приспособить к выполнению любого желаемого действия; например, в стиральной машине, где основная программа следит за выполнением необхолимых операций, подпрограмму прерываний можно использовать для сигнализации о низком водяном давлении.
14.11.2 Прямой дастун в память Для некоторых внешних устройств, таких как дисковолы, когда необходимо переносить данные в большом количестве, даже прерывания оказываются слиш- Цифровая обработка сигналов 423 ком медленными. В таких случаях процессор становится узким местом и применяется нряиой достул в налтть (ь)пес1 Мепю1у Ассезз, 0МА). При этом реализуется прямая связь внешнего устройства, например, жесткого диска, с памятью. Процедура прямого доступа в память начинается с того, что внешнее устройство посылает по специальной линии 1гМА требование доступа к системной шине. В течение времени, пока длится обмен данными при прямом доступе в память, необходимые для памяти адреса генерируются (выставляются) самим интерфейсом внешнего устройства, а не процессором.
Конец процедуры прямого доступа в память наступает тогда, когда интерфейс внешнего устройства подает на процессор сигнал прерывания в знак того, что тот может возобновить свое нормальное функционирование. 14.12 Цифровая обработка сигналов В главе 11 мы видели, что процессы, происходящие в обычных аналоговых электронных схемах, можно рассматривать как результат математических вычислений. Например, усиление можно считать умножением на константу, смешивание сигналов — сложением, а ослабление в делителе напряжения — делением на константу. Мы познакомились также с более сложными математическими операциями, такими как умножение одного сигнала на другой (модуляция).
цифровой компьютер способен, конечно, выполнять все эти арифметические действия и может поэтому взяться за обработку сигналов, как только эти сигналы окажутся преобразованными в последовательность двоичных чисел подобно музгяке на компакт-диске. И в самом деле, в будущем обработка сигналов, их передача и регистрация будут в большинстве случаев осуществляться цифровыми методами. Достоинством цифровой обработки сигналов (П(я)га1 Б(йпа1 Ргосезз)пя, ОБР) являются абсолютная повторяемость, свободная от влияния случайных изменений параметров (их разброса), легкость цифрового дистанционного управления и запоминания всех функций. Возможность свободно манипулировать сигналами во времени обеспечивает реализацию такой обработки, которая слишком дорога или невозможна в аналоговом исполнении: например, гребенчатые фильтры.
Что касается передачи и регистрации, то пример компакт-дисков показывает, что цифровая система является мощным средством обнаружения и исправления искажений или ошибок в сигнале, обусловленных повреждениями (из-за отпечатков пальцев и царапин). Когда цифровые методы объединяются с изощренностью обработки, появляются совершенно замечательные возможности; иллюстрацией может служить способность факса распознавать пустые участки на листе бумаги и не тратить на них лишние биты. Другой пример — это видеотелефон, у которого телевизионная картинка передается в пределах части полосы обычной телефонной линии, рассчитанной на передачу голоса.
Именно благодаря цифровой обработке сигналов 1250 линий телевизионного изображения высокой четкости вместе с телетекстом и многоканальным звуковым сопровождением спокойно умести- 474 МикроЭВМ и их иримеиеиия лись в равную 6 МГц полосу частот, которая, как считалось прежде, была необходима для аналогового изображения с 625 строками и звукового сопровождения в режиме «моно». Поэтому зта книга была бы неполной без мимолетного упоминания о цифровой обработке сигналов и краткого рассмотрения методов преобразования сигналов из аналоговой формы в цифровую. Цифровая обработка сигналов является одной из областей цифрового проектирования и исчерпываюшим образом излагается во многих других книгах, а здесь глубоко рассматривать эти вопросы и невозможно, и неуместно.
Принцип действия специализированных ИС для цифровой обработки сигналов, число которых постоянно растет, опирается на те основные идеи, касаюшиеся схемной реализации и программного обеспечения, которые рассматривались в последних двух главах. Однако их внутренняя конфигурация отличается от того, о чем ранее шла речь, поскольку она оптимизирована в расчете на быстрое выполнение последовательности операций, насышенных арифметикой и часто сопровождаемых другими процессами, идушими параллельно. В качестве иллюстрации цифровой обработки сигналов в следующем параграфе разобран один из самых любопытных и важных примеров: цифровой фильтр. 14.13 Цифровые фильтры В параграфе 11.22 мы видели, как из усилителей и интеграторов можно собрать фильтры нижних частот, верхних частот и полосовой в форме фильтра с варьируемой характеристикой (биквадратного фильтра).
Затем в параграфе 1!.23 мы увидели, что в фильтрах с переключаемыми конденсаторами сам процесс интегрирования осуществляется по тактам путем накопления заряда в конденсаторе. Отсюда нетрудно заключить, что в цифровой области интегрирование можно реализовать путем синхронизированного с тактовой последовательностью увеличения содержимого накапливающего регистра.
Фактически, еше в параграфе 11.21 мы рассмотрели аналоговый компьютер, а в параграфе ! 1.22 стало ясно, что он может служить фильтром для аналоговых сигналов. Аналогично мы можем взять цифровой компьютер и запрограммировать его так, чтобы он действовал как фильтр по отношению к дискретным сигналам. Когда необходимо осушествить фильтрацию цифрового сигнала, считываемого, например, с компакт-диска, можно поток чисел пропустить через «схему», реализованную быстродействующими программными средствами.
Рис. 14.19 служит иллюстрацией того, как можно воплотить идею фильтра с варьируемой характеристикой в форме последовательности событий, происходяших в программе. Конечно, для этого необходимо, чтобы нужные числа в нужный момент времени уже были готовы к обработке и имелись внутренние регистры для их хранения, пока арифметический процессор не будет готов к действиям с ними. Цифра-аналоговое преобразование 475 ви «« «ы р«к Рис. 14.19. Фильтр нижних частот второго порядка с варьируемой характеристикой (а) и его схематическое изображение в форме цифрового проиесса (Ь). Полный анализ работы цифровых фильтров быстро переходит на язык математики, который неуместен в этой книге, но даже наш элементарный качественный подход позволяет увидеть изящность этого процесса.
В результате последовательного повторения процедуры обработки типа той, которая только что была рассмотрена, можно получить цифровые фильтры высокой точности с быстрым спадом частотной характеристики при минимальных фазовых искажениях. Сегодняшние скорости цифровой обработки позволяют за 22 мкс между двумя выборками звукового сигнала осуществить довольно сложную обработку. Точность и повторяемость цифровой обработки сигналов привела к появлению полностью цифровых студий звукозаписи, где сигналы от микрофонов и музыкальных инструментов оцифровываются в самом источнике и сохраняют свою цифровую форму при микшировании, обработке в эквалайзерах, сжатии и записи на компакт-диск. Аналоговое декодирование происходит затем в С0-плейере слушателя.
14.14. Цифро-аналоговое преобразование Принцип цифро-аналогового преобразования прост: каждый бит вносит в качестве своей доли соответствующую аналоговую величину в сигнал, воз- 476 МикроЭВМ и их применения никаюший на выходе аналогового сумматора. На рис. 14.20 показана практическая схема 8-разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), удобная для непосредственного подключения к порту вывода микроЭВМ ВВС М)сто. Он рассчитан на питание от источников с напряжениями 15 В, которые имеются на вспомогательном разъеме питания микроЭВМ ВВС М(его. Две ИС КМОП-типа 74НС4016 представляют собой восемь аналоговых ключей, с помощью которых входные резисторы подключаются к мнимой земле в зависимости от логических значений входных битов.
Калибровка осуществляется опорным напряжением И, которое подбирается потенциометром Яр). Сопротивление каждого нз входных резисторов имеет величину, обратную «весу» бита, который управляет соответствующим ключом. Таким образом, сопротивление резистора в младшем разряде (1,28 МОм) в 128 раз больше сопротивления резистора в старшем разряде (1О кОм).
Резистор обратной связи выбран здесь так, чтобы выражение для аналогового выходного напРЯжениЯ Ро было пРостым: )О = — К ов)иа 100 где Ю,и — десятичный эквивалент числа на цифровом входе (от 0 до 255). Если эта схема подключена к порту вывода, на котором осуществляется двоичный счет в прямом или в обратном направлении, то на аналоговом выходе возникнет линейно-изменяющееся напряжение. Можно также с легкостью организовать наблюдение на экране осциллографа синусоиды или косинусоиды, заставив сначала компьютер генерировать соответствующую функцию. Полезно отметить, что напряжение на аналоговом выходе 1~ пропорционально произведению двоичного числа на опорное напряжение. Поэтому большинство ЦАП по природе своей может служить умножителем аналогового напряжения на число на цифровом входе.
Некоторые преобразователи 8-рворвв вивиоии иифрово о а аиврровоа вива Рис. !4.20. Экспериментальный 8-разрядный пифро-аиалогоиый преобразова- Аналого-цифровое преобразование 477 специально рассчитаны на выполнение этой функции; их называют перемножаюшими ЦАП и используют во множестве применений для цифрового управления аналоговым усилением. Вопросом первостепенной важности, конечно, является точность подбора сопротивлений в сумматоре ЦАП. При производстве ЦАП в виде ИС трудно обеспечить точные абсолютные значения сопротивлений резисторов, но легко изготовить в одном процессе много согласованных резисторов с тождественно одинаковыми сопротивлениями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
