АГТУ. ЦОС. ЦОС. Лабораторная работа 3. Лабораторная работа 3 (часть 2) Программирование микроконтроллеров. Контрольные вопросы
 Скачать 0.96 Mb.
|
|
Лабораторная работа №3 (часть 2) Программирование микроконтроллеров. Контрольные вопросы 1. Для чего используется программа winAVR в работе? WinAVR — программный пакет для операционных систем семейства Windows, включающий в себя кросс-компилятор и инструменты разработки для микроконтроллеров серий AVR и AVR32 фирмы Atmel. WinAVR и все входящие в него программы являются открытым программным обеспечением, выпущенным под лицензией GNU, но распространяются в скомпилированном виде. Мощная среда разработки с открытым исходным кодом, созданная с целью написания программ для микроконтроллеров серии AVR от компании Atmel. 2. Для чего используется программа Proteus в работе? Proteus Design Suite — пакет программ для автоматизированного проектирования (САПР) электронных схем. Отличительной чертой пакета PROTEUS VSM является возможность моделирования работы программируемых устройств: микроконтроллеров, микропроцессоров, DSP и проч. Причем в Proteus полностью реализована концепция сквозного проектирования, когда например инженер меняет что-то в логике работы схемотехники и программный пакет тут же «подхватывает» данные изменения в системе трассировки. 3. Зачем в схему включают резисторы? Резистор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь) — пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для линейного преобразования силы тока в напряжение и напряжения в силу тока, ограничения тока, поглощения электрической энергии и др. Резистор – это самая распространенная деталь в электронике. Он гасит лишнее напряжение, ограничивает ток, изменяет и фильтрует сигналы. Резисторы применяются везде, от процессоров, где их миллионы, до энергетических систем. где их размеры с напольный шкаф. 4. Что такое PD0? Какую функцию играют контакты PD0 и «Земля» в данной работе? Чтобы наглядно просмотреть работу микроконтроллера, можно подключить светодиод и кнопку. Для кнопки надо выбранную ножку I/O подключить через кнопку на землю. Сам же вывод надо сконфигурировать как вход с подтяжкой (DDRxy=0 PORTxy=1). Тогда, когда кнопка не нажата, через подтягивающий резистор, на входе будет высокий уровень напряжения, а из бит PD0 будет при чтении отдавать 1. Если кнопку нажать, то вход будет положен на землю, а напряжение на нем упадет до нуля, а значит из PD0 будет читаться 0. 5. Как можно присвоить микроконтроллеру в программе Proteus ход действий? В категории Debug главного меню находятся основные инструменты, предназначенные для отладки кода. В нижней части находятся окна, при помощи которых можно заглянуть во внутренности микроконтроллеров. Наиболее востребованным является Watch Window, в нем можно указать регистры, за содержимым которых мы хотим наблюдать. Также там можно найти окна, предоставляющие информацию о содержимом Flash, RAM, EEPROM памяти, I/O регистров и РОН. Примерно такие-же окна есть практически в любой IDE. 6. Что необходимо знать при указании параметров файла Makefile? Обязательно нужно указать, для какого типа микроконтроллера мы хотим получить выходной код. Найдем следующие строки: # MCU name MCU = atmega128 Первая строка - комментарий, а во второй вместо atmega128 пишем тот микроконтроллер, который нас интересует (например, atmega8, attiny2313, attiny26). Непосредственно в нашей лабораторной работе будет использоваться atmega8, который надо записать как atmega88 Частота тактирования микроконтроллера в герцах определяется в строках: # Processor frequency. F_CPU = 8000000 Вместо 8000000 напишем 1000000, что будет составлять 1 мегагерц (1 МГц). Должно получиться так: # Processor frequency. F_CPU = 1000000 7. АЧХ и ФЧХ аналогового фильтра Амплитудно-частотная характеристика цепи показывает зависимость уровня сигнала на выходе данного устройства от частоты передаваемого сигнала при постоянной амплитуде синусоидального сигнала на входе этого устройства. Фазо-частотная характеристика – это зависимость сдвига по фазе между синусоидальными сигналами на входе и выходе устройства от частоты входного колебания. 8. Характеристики аналогового фильтра верхних частот  ФВЧ передает без изменения сигналы высоких частот, а на низких частотах обеспечивает затухание сигналов и опережение их по фазе относительно входных сигналов. Частота среза ωср (fср ) – частота на которой наблюдается спад коэффициента передачи на 3 дБ по сравнению с коэффициентом передачи на бесконечной (для ФВЧ) частоте. На рисунке приведена амплитудно-частотная характеристика типичного ФВЧ. Единице условно присвоена максимальная амплитуда сигнала, точка с амплитудой 0,7 (-3 дБ) соответствует частоте среза ФВЧ, относительно которой производится расчёт ФВЧ по большинству существующих методик. От нулевой частоты до частоты среза ФВЧ располагается полоса частот подавления (задержания), справа – полоса частот пропускания.  Основные характеристики физически реализованного ФВЧ: Частота среза. Неравномерность в полосе частот пропускания, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Групповая задержка фильтра, фазочастотная характеристика (ФЧХ). Врямя установления сигнала. Динамический диапазон. Рабочий диапазон сигнала в полосе частот пропускания. Рабочий диапазон постоянной составляющей входного сигнала. 9. Характеристики аналогового фильтра нижних частот  Фильтр низкой частоты (ФНЧ) – это устройство, подавляющее частоты сигнала выше частоты среза данного фильтра. На рисунке приведена амплитудно-частотная характеристика типичного ФНЧ. Единице условно присвоена максимальная амплитуда сигнала, точка с амплитудой 0,7 (-3 дБ) соответствует частоте среза ФНЧ, относительно которой производится расчёт ФНЧ по большинству существующих методик. От нулевой частоты до частоты среза ФНЧ находится полоса частот пропускания, справа – полоса частот подавления (задержания). На последней характеристике стоит остановиться отдельно, поскольку она довольно коварна. Любой физически реализованный фильтр всегда имеет реальный конечный диапазон сигнала, при котором он способен корректно выполнять свою функцию. При превышении этого диапазона, в зависимости от технологии фильтра, может наступить ограничение, сложное искажение сигнала и прочие нелинейные эффекты. Но на практике данные эффекты легко идентифицировать в полосе пропускания ФНЧ, но довольно тяжело диагностировать в полосе подавления, поскольку значительная часть искаженного сигнала эффективно подавляется, а остальная часть – может вызвать странные эффекты. Таким образом, о непревышении рабочего диапазона сигнала в полосе подавления нужно помнить в реальных условиях применения ФНЧ. 10. Требования к характеристикам фильтра В идеале базисные фильтры должны иметь амплитудно-частотные характеристики: 1. Идеальный фильтр низких частот должен пропускать все частотные составляющие в диапазоне (0, гр) и подавлять частотные составляющие в диапазоне (гр ,). 2. Идеальный фильтр высоких частот должен иметь обратные характеристики, то есть пропускать частотные составляющие в диапазоне (гр,) и поглощать их в диапазоне (0, гр ). 3. Полосовой фильтр должен пропускать составляющие с частотами, лежащими в диапазоне (гр1, гр2) и подавлять другие составляющие. 4. Заграждающий фильтр должен подавлять составляющие с частотами из диапазона (гр1, гр2) и пропускать другие составляющие без изменения. 11. Линейная и нелинейная ФЧХ Фильтр с линейной ФЧХ задерживает все частоты на одно и то же время. Следовательно, выходной сигнал не искажается, а лишь задерживается на соответствующее время. Поскольку реальный сигнал содержит много частот, задержка каждой частоты на разное время приводит к искажению выходного сигнала. В некоторых приложениях, таких как музыка или видео, нелинейная ФЧХ недопустима. Линейная ФЧХ исключительно важна в полосе пропускания, поскольку это тот диапазон, в котором происходит выделение интересующих нас частотных составляющих сигнала. Обычно имеет место компромисс между линейной ФЧХ в полосе пропускания и другими требованиями к фильтру, такими как крутизна спада и затухание в полосе задерживания. 12. Фильтр Баттерворта. Фильтр Бесселя Фильтр Баттерворта Этот тип фильтра обычно называют «максимально гладким» вследствие плавности АЧХ в полосе пропускания. У фильтров Баттерворта действительно нет пульсаций в полосе пропускания, однако им присущи два недостатка: 1. Нелинейная ФЧХ в полосе пропускания исключает их применение в тех приложениях, где требуется линейная ФЧХ. График группового времени прохождения (ГВП) (1) в нормированной шкале частот иллюстрирует нелинейность ФЧХ. Нормированная частота среза при этом равна f/fc = 1.0. Задержка, вносимая в сигнал, существенно увеличивается, когда значение нормированной частоты приближается к частоте среза. 2. В переходной полосе АЧХ фильтра Баттерворта имеет пологий спад. Для того, чтобы достичь заданной крутизны спада, потребуется каскадное соединение большого числа звеньев. На графике представлено семейство АЧХ для фильтров Баттерворта различного порядка. Фильтры Бесселя В основе проектирования фильтров Бесселя лежат функции Бесселя. Эти фильтры имеют ФЧХ, лучшую, чем у фильтров Баттерворта и Чебышева. Однако спад АЧХ в переходной полосе у них значительно менее крутой (более пологий). Из сравнения данных фильтров становится ясным, что существует противоречие между более крутым спадом АЧХ и линейностью ФЧХ (гладкостью ГВП). На практике в большинстве случаев фильтры Баттерворта обеспечивают удовлетворительный компромисс. 13. Характеристики цифровых фильтров  Несмотря на то, что цифровые фильтры могут быть нелинейными и нестационарными, наибольшее распространение получили линейные стационарные фильтры в силу простоты их поведения и математического описания. Линейность фильтра подразумевает, что если подать на вход арифметическую сумму отсчётов некоторых сигналов, то на выходе фильтра будет арифметическая сумма откликов фильтра на эти сигналы. Основными характеристиками стационарных линейных дискретных фильтров являются следующие: импульсная характеристика; комплексная частотная характеристика; амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики; системная функция (передаточная функция). Импульсной характеристикой дискретного фильтра называется его реакция на единичный импульс при нулевых начальных условиях: Линейный стационарный цифровой фильтр характеризуется передаточной функцией. Передаточная функция может описать, как фильтр будет реагировать на входной сигнал. Таким образом, проектирование фильтра состоит из постановки задачи (например, фильтр восьмого порядка, фильтр нижних частот с конкретной частотой среза), а затем производится расчет передаточной функции, которая определяет характеристики фильтра. Передаточная функция фильтра имеет вид: {\displaystyle H(z)={\frac {B(z)}{A(z)}}={\frac {b_{0}+b_{1}z^{-1}+b_{2}z^{-2}+\cdots +b_{N}z^{-N}}{1+a_{1}z^{-1}+a_{2}z^{-2}+\cdots +a_{M}z^{-M}}}}  где порядок фильтра — большее N или M. 14. Фильтр скользящего среднего Цифровые фильтры Теперь рассмотрим цифровые фильтры на простом примере фильтра скользящего среднего. Определим входной и выходной сигналы, а также основные компоненты цифрового фильтра. Входной сигнал x(n) Входной сигнал цифрового фильтра представляет собой последовательность дискретных отсчетов, формируемую в результате дискретизации входного аналогового сигнала. Частота дискретизации должна удовлетворять критерию Найквиста (теореме отсчетов Шеннона), который мы упоминали в лекции 2 по дискретизации (самая высокая частота входного сигнала ? удвоенной частоты дискретизации). Элемент задержки z -1 Элемент задержки z-1 соответствует временной задержке, равной периоду дискретизации. Иначе его называют единичной задержкой. Следовательно, каждый элемент z-1 задерживает отсчеты сигнала на один период дискретизации. Пауза 1 / ts Весовые коэффициенты и отводы фильтра Выход каждого элемента задержки называют отводом. Отсчеты с отводов обычно поступают на схемы масштабирования (умножители), которые масштабируют величины задержанных отсчетов до требуемых значений. Коэффициенты масштабирования называют весовыми коэффициентами (или просто коэффициентами). Задержанные значения отсчетов умножаются на коэффициенты. Сумматоры Выход умножителей подсоединяется к сумматорам, которые суммируют задержанные взвешенные значения отсчетов. Выходной сигнал y(n) Выходной сигнал цифрового фильтра представляет собой комбинацию соответствующего количества задержанных и взвешенных отсчетов. 15. Взвешенная дельта-функция Дельта-функция - обобщённая функция, которая позволяет записать точечное воздействие, а также пространственную плотность физических величин (масса, заряд, интенсивность источника тепла, сила и т. п.), сосредоточенных или приложенных в одной точке. Дельта-функцией Дирака называется линейный непрерывный функционал (т. е. обобщенная функция), действующий на основные функции φ(х) по правилу: ̂δφ = φ(х) 16. Импульсная характеристика фильтра Каузальным (от лат. слова causal – причинный) или физически реализуемым называется фильтр, у которого реакция в данный момент времени не зависит от значений входного воздействия в последующие моменты. Импульсная характеристика каузального фильтра удовлетворяет условию h (n) = 0, при n < 0, которое означает, что реакция фильтра не может предшествовать приложенному воздействию. Некаузальный фильтр – это фильтр, у которого реакция в данный момент времени зависит от значений входного воздействия в последующие моменты. 17. КИХ-фильтр Фильтр с конечной импульсной характеристикой (Нерекурсивный фильтр, КИХ-фильтр) или FIR-фильтр — один из видов линейных цифровых фильтров, характерной особенностью которого является ограниченность по времени его импульсной характеристики (с какого-то момента времени она становится точно равной нулю). Такой фильтр называют ещё нерекурсивным из-за отсутствия обратной связи. Знаменатель передаточной функции такого фильтра — константа. 18. БИХ-фильтр Фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (Рекурсивный фильтр, БИХ-фильтр) или IIR-фильтр — линейный электронный фильтр, использующий один или более своих выходов в качестве входа, то есть образующий обратную связь. Основным свойством таких фильтров является то, что их импульсная переходная характеристика имеет бесконечную длину во временной области, а передаточная функция имеет дробно-рациональный вид. Такие фильтры могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. 19. Преимущества цифровых фильтров Преимущества цифровых фильтров перед аналоговыми: 1. Они настраиваются программным способом (легко интегрировать и тестировать). 2. Реализуются только с помощью простых арифметических операций (сложение, вычитание, умножение). 3. Характеристики не зависят от температуры и влажности. Не используются прецизионные элементы. 4. Более выгодное соотношение характеристики-стоимость. 5. Лишены проблем, связанных с производственным отклонением характеристик или старением компонентов. 20. Оценка результатов работы фильтров Области применения НЦФ и РЦФ обычно обуславливаются видом их передаточных функций. В принципе, нерекурсивные цифровые фильтры универсальны и способны реализовать любые практические задачи обработки сигналов. Это и понятно, т.к. реакция РЦФ на единичный импульс Кронекера представляет собой импульсный отклик НЦФ, а, следовательно, задачи, решаемые РЦФ, могут выполняться и НЦФ, но при условии отсутствия ограничений по размерам окна. В первую очередь это касается реализации БИХ-фильтров с незатухающим или слабо затухающим импульсным откликом, например, интегрирующих или фильтров рекурсивной деконволюции. Ограничение по размерам окна является скорее не теоретическим (бесконечных операторов НЦФ не требуется, максимум – двойная длина входного сигнала для двусторонних НЦФ), а чисто практическим. Нет смысла применять НЦФ с огромными размерами операторов и тратить машинное время, если та же задача во много раз быстрее решается рекурсивным фильтром. 21. Этапы проектирования цифровых фильтров Этапы разработки ЦФ Определение требований к фильтру или составление спецификации требований Вычисление коэффициента цифрового фильтра Представление цифрового фильтра подходящей вычислительной структуры Анализ влияния конечной разрядности на работу фильтра Реализация ЦФ на программном и/или аппаратном уровне |