АГТУ. ЦОС. ЦОС. Лабораторная работа 2. Лабораторная работа 2. Работа с библиотекой элементов программы Proteus. Контрольные вопросы Из каких подпрограмм состоит

• Название: Лабораторная работа 2. Работа с библиотекой элементов программы Proteus. Контрольные вопросы Из каких подпрограмм состоит
• Анкор: АГТУ. ЦОС. 2 ЛР
• Дата: 06.11.2022
• Размер: 0.97 Mb.
• Имя файла: ЦОС. Лабораторная работа 2.docx
• Тип: Лабораторная работа; #772972

Лабораторная работа №2.

Работа с библиотекой элементов программы Proteus.
Контрольные вопросы:
1.Из каких подпрограмм состоит Proteus и какую роль выполняет каждая из них?
ISIS — программа синтеза и моделирования непосредственно электронных схем и ARES — программа разработки печатных плат.
2.Каким образом можно добавить нужный компонент в библиотеку и непосредственно на проектируемую схему?
Для того чтобы собрать схему любого устройства, необходимо подготовить набор элементов, их которых эта схема состоит. Для этого переходим в режим компонентов и нажимаем клавишу Р, которая находится под окном обзора рядом с клавишей L.

Перед нами появляется менеджер компонентов, предоставляющий на наш выбор все элементы которые содержатся в библиотеке программы.





Рис. 6.

Можно пользоваться строкой поиска, расположенной в верхнем левом углу.



Рис.7.

Когда нужный компонент найден, двойной щелчок левой кнопкой мыши по его названию добавит его в перечень используемых компонентов.


Рис 8.

Для установки компонента в окне редактора схемы его необходимо выбрать в списке и двойным щелчком левой кнопки мыши установить в желаемом месте. До установки компонента на схему его можно предварительно развернуть в желаемое положение, которое можно проконтролировать в окне обзора.



Рис .9.

Если компонент уже установлен на схеме, то изменить его параметры, удалить или развернуть его можно через контекстное меню, нажав по объекту правой клавишей мыши. Через контекстное меню можно также устанавливать и любые компоненты, щелкнув правой клавишей мыши на пустом месте в окне редактора схем. Выбранный таким образом компонент автоматически попадет в перечень используемых компонентов.
3. В каком поле происходит синтез схем?
Синтез схемы из отдельных компонентов производится в основной рабочей зоне, называемой окном редактора схем. При перемещении курсора по окну редактора текущие координаты курсора отображаются для удобства в правом нижнем углу.


Рис.10. Основное окно программы
4. Какой смысл в использовании пакета программ Proteus?
Отличительной чертой пакета PROTEUS VSM является возможность моделирования работы программируемых устройств: микроконтроллеров, микропроцессоров, DSP и проч. Примечательной особенностью является то, что в ARES можно увидеть 3D-модель печатной платы, что позволяет разработчику оценить своё устройство ещё на стадии разработки.
5. Какие свойства микроконтроллеров мы можем изменять в программе?



Рис. 11

FUSE CKSEL – в основном определяют режимы работы тактового генератора. Тактовый генератор вырабатывает импульсы для синхронизации работы всех узлов микроконтроллера. Внутренний тактовый генератор AVR может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка). Минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера и указывается Atmel в его характеристиках

SUT (Select start-up time)

Основное назначение переключателей SUT – определение задержки после старта. Если блок питания обеспечивает качественное питание, то задержку можно выбрать самую маленькую. Качественное питание – это питание, которое очень быстро достигает рабочих значений после включения. Чаще всего так оно и есть. Задержка включения предусмотрена для тех случаев, когда питание не качественное. В любом случае переходные процессы на выходе источника питания должны полностью заканчиваться к моменту окончания выбранной задержки включения микроконтроллера.
6. Теорема Найквиста, Котельникова, Шеннона.
Любую непрерывную функцию можно непрерывно передавать с любой точностью при помощи чисел, следующих друг за другом через 1/2f_в
7. Что из себя представляют временная и частотная области представления сигналов.
Временная область представления сигнала – изображение изменения сигнала во времени (в виде графика синусоиды).

Частотная область представления сигнала – изображение частотного состава сигналов (в виде спектра).
8. Ширина полосы сигнала
Ширина полосы сигнала – это разность между его самой высокой и самой низкой частотами, при которых амплитуды превышают заданное значение.
9. Спектр сигнала
Спектр сигнала — коэффициенты разложения сигнала в базисе ортогональных функций. Называют также спектральным образом сигнала. Само разложение называют спектральным разложением сигнала.
10. Дискретизация сигнала, период дискретизации, время дискретизации
Дискретизацию лучше всего описывать как выборку мгновенных значений из непрерывно изменяющихся данных.

Период дискретизации – это интервал между отсчетами.

Что такое время дискретизации, объяснить немного сложнее. Мы всегда думаем о длительности выборки как о мгновенном значении. В действительности фиксация отсчета всегда требует некоторого конечного времени, и именно этот отрезок времени и называется временем дискретизации.
11. Пример периодической и не периодической дискретизации

Непериодические мгновенные значения

На первом графике показан пример непериодической дискретизации. Мы не только не можем разумно интерпретировать эти данные, но мы вообще пропустили момент падения цены акции в период между Т2 и Т3. На наше счастье цена акции пошла вверх, и мы не потеряли свои деньги. Но такое падение могло бы оказаться признаком тенденции к понижению цены, и в этом случае последствия оказались бы намного серьезнее.
Непериодическая дискретизация имеет два недостатка. Она затрудняет интерпретацию данных и может привести к пропуску важной информации.

Периодическая дискретизация

На втором графике показан пример периодической дискретизации. Хотя данные в этом случае легче интерпретировать, тем не менее, мы опять упустили момент падения цены акции между Т2 и Т3. Значит, периодическая дискретизация сама по себе еще не гарантирует сохранение всех важных данных.
К тому же, если бы соединить имеющиеся отсчеты, то предполагаемая кривая будет весьма далекой от оригинала. Итак, при дискретизации со слишком низкой частотой мы можем необратимо потерять данные.
12. Примеры расстановки отсчѐтов дискретного сигнала
Дискретизация с очень высокой частотой

Дискретизируя синусоидальный сигнал с очень высокой частотой, существенно превышающей частоту сигнала, можно гарантировать, что информация не будет пропущена. Другим преимуществом является то, что по отсчетам можно восстановить сигнал, почти такой же, как оригинал. Это видно из верхнего графика. Если по отсчетам построить предполагаемый сигнал, то его форма будет очень похожа на форму исходного сигнала.

В результате дискретизации аналогового сигнала его спектр изменяется. Вокруг частот, кратных частоте дискретизации, появляются новые частоты: f_s – f_a, f_s + f_a, 2f_s – f_a, 2f_s + f_s и т.д. Дискретизация подобна модуляции.

Дискретизация с частотой Найквиста

Рассмотрим, что произойдет, если мы начнем уменьшать частоту дискретизации. Во временной области мы стали бы брать все меньше и меньше отсчетов за период. В частотной области в результате дискретизации генерируется новый сигнал на частоте f_s – f_a, которая по мере уменьшения f_s, будет располагаться все ближе и ближе к частоте исходного сигнала f_a. Действительно, из графика частотного спектра совершенно ясно, что предел для f_s будет достигнут при f_s = 2f_a и дальнейшее уменьшение f_s приведет к перекрытию частот. Картина во временной области будет соответствовать графику случая 2, где мы выбрали два отсчета за период.

Дискретизация с частотой ниже частоты Найквиста

Дальнейшее уменьшение частоты дискретизации приведет к менее, чем двум отсчетам за период. График случая 3 иллюстрирует этот эффект как во временной, так и в частотной областях. Во временной области предполагаемый сигнал совершенно не похож на исходный. В частотной области вблизи частоты исходного сигнала появилась частота «паразитного» сигнала. Мы попали в ту же ситуацию, что и с ценой акции. Невозможно восстановить исходный сигнал по его отсчетам. Этот эффект в цифровой обработке называется наложением частот или элайсингом.
13. Ограничение спектра реального сигнала

Спектры реальных сигналов

Как уже говорилось, реальные сигналы, такие как речь, содержат множество частотных составляющих. Если подобный сигнал дискретизировать с частотой, вдвое большей его самой высокочастотной составляющей, возможно, потребуется излишне высокая частота дискретизации. Некоторые высокочастотные составляющие сигнала могут оказаться незначительными.

В спектре, представленном на графике, амплитуда снижается весьма существенно, начиная с некоторой частоты f_m. Для того чтобы не возникло элайсинга, потребуется дискретизировать сигнал с частотой, значительно превышающей 2f_m. Дискретизация же с высокой частотой нежелательна, так как при этом возрастает стоимость оборудования. Однако при дискретизации сигнала с частотой f_s = 2f_m, эти высокочастотные составляющие приведут к элайсингу.

Необходимо найти способ ликвидации (в дальнейшем будем говорить «подавления») частот выше f_m, для того, чтобы дискретизировать сигнал с частотой f_s = 2f_m, не сталкиваясь с проблемами элайсинга.

Ограничение спектра

Если ограничить спектр выше определенной частоты (f_m в нашем примере), некоторые из проблем могут быть решены. После этого можно уверенно устанавливать частоту дискретизации f_s = 2f_m что исключает элайсинг в восстанавливаемом сигнале.

Ограничение спектра производится с помощью фильтрации, которая будет рассматриваться в лекции 3. Фильтрация гарантирует, что в обрабатываемом сигнале не будет высокочастотных составляющих, которые могли бы привести к элайсингу.

14. Этапы формирования цифрового сигнала



Перед тем как ЦПОС сможет обработать аналоговый сигнал, его необходимо представить в цифровой форме. Это единственный тип данных, с которым может оперировать ЦПОС.

Формирование цифрового сигнала, как правило, реализуется в два этапа – дискретизации и квантования(т. е. получения цифрового представления отсчета). Этот процесс повторяется периодически.
15. Ошибки квантования, шум квантования
Процесс квантования сам по себе привносит ошибки. Существуют два основных источника ошибок. Один из них – дискретизация, в процессе которой выбирают значение сигнала в дискретный момент времени и затем удерживают его до момента формирования следующего отсчета. Второй источник ошибок возникает как следствие работы квантователя. Значение отсчета подтягивается либо опускается до своего ближайшего возможного цифрового представления (т.е. уровня квантования). На графике, соответствующем процедуре квантования, показано семейство уровней ошибки, имеющих место в данном случае.
16. АЦП с последовательным приближением
АЦП с последовательным приближением состоит из четырех основных функциональных блоков. Схема сравнения воспринимает два входных аналоговых сигнала и вырабатывает выходной признак по результату сравнения. Управляющая логика вырабатывает необходимые логические сигналы для последующих этапов, указывая какой бит следует определить в данный момент. Регистрпоследовательного приближения устанавливает необходимые биты в «0» или «1» в зависимости от сигналов, поступающих из управляющей логики. ЦАП преобразует цифровые сигналы к одному из четырех уровней напряжения (от V₀ до V₃).

На выходе ЦАП первоначально устанавливается напряжение V₂, равное половине от максимального напряжения. Так как V_вх > V₂, регистр последовательного приближения устанавливает старший значащий бит MSB (Most Significant Bit) в «1». Отметим, что выше уровня V₂ значение MSB равно «1», а ниже V₂ – равно «0». На втором цикле значение младшего значащего бита LSB (Least Significant Bit) устанавливается в «0», так как V₃ >V_вх. Если бы V_вх было больше V₃, бит LSB установился бы в «1». Итоговые выходные цифровые данные выдаются по условию регистра последовательного приближения в конце обработки.

В АЦП с последовательным приближением формирование каждого бита осуществляется за один цикл. Поэтому n-разрядному АЦП требуется для преобразования n циклов. Как правило, АЦП с последовательным приближением дешевые, точные и быстрые.
17. Двунаклонные АЦП. Сигнальные АЦП. Сигма-дельта АЦП

Двунаклонные АЦП

Двунаклонные АЦП имеют очень высокую точность. Применяемый метод позволяет выполнять преобразования с высокой разрешающей способностью. Недостатками данного типа АЦП являются низкое быстродействие и высокая стоимость.

Сигнальные АЦП

В сигнальных АЦП входное напряжение сравнивается с набором эталонных напряжений, используя многозвенную схему. Эти АЦП быстродействующие, но одновременно и дорогие, так как они требуют прецизионных элементов.

Сигма-дельта АЦП

При реализации данных устройств используют цифровую технологию, которая гарантирует надежность и стабильность. На их работу не влияют перепады температуры и старение. Кроме того, благодаря цифровой технологии их можно объединить на одном кристалле вместе с ЦПОС.
18. ЦАП с умножением напряжения источника



В ЦАП с умножением напряжения источника используется эталонное напряжение, которое подключается, либо отключается под воздействием цифровых данных. Преобразователь называется «с умножением напряжения источника», потому что он умножает напряжение источника (V_cc в данном случае) на определенную величину усиления.
19. Сглаживание сигнала

Сглаживание на выходе

На выходе ЦАП формируется точно такой же ступенчатый аналоговый сигнал, который получался при дискретизации и удерживании. Подобный ступенчатый, или «лестничный» эффект представляет собой искажение, которое необходимо устранить до того, как аналоговый сигнал будет использоваться. Для устранения этого эффекта применяют низкочастотные сглаживающие фильтры, которые иногда путают с «анти-элайсинговыми» фильтрами.

20. Расскажите о начальной фазе сигнала, приведите примеры




Фаза сигнала характеризует его положение во времени. Как видно из графиков, синусоидальная волна с 90-градусным сдвигом фазы имеет пики в те моменты времени, когда исходная волна имеет нули. Сдвиг фазы на 180^о соответствует сигналу, который находится в противофазе с оригиналом. Если сложить два таких сигнала, их сумма будет эквивалентна отсутствию сигнала.

Источниками сдвига фазы сигнала могут быть элементы цепи. Например, сдвиг фазы вызывают емкости и индуктивности.

Фаза – важная характеристика сигнала. Люди определяют местоположение источника звука по воздействию разности фаз между сигналами, поступившими в каждое ухо. По существу ощущение выше-ниже в пространстве при 3-мерном (3D) синтезе звука достигается за счет использования этого свойства. Точная фаза сигнала может оказаться решающим фактором успешной передачи данных.
20. Аналоговые фильтры




Простая RC-цепочка, показанная на транспаранте, и состоящая из конденсатора и резистора, представляет собой фильтр верхних частот. Он пропускает без существенных изменений более высокие и задерживает (ослабляет) более низкие частоты.

Реактивное сопротивление X_c конденсатора зависит от частоты, ее математическое описание содержит также оператор (j).

Используя известную формулу для реактивности и выразив выходное и входное напряжения через параметры цепи, можно получить отношение (V_вых/V_вх), которое представляет собой реакцию цепи на входное воздействие. Обычно это отношение называют передаточной функцией.