Aplikace algoritmů číslicového zpracování signálů 1

Kniha je určena všem zájemcům o problematiku číslicového zpracování signálů a je věnována praktickým aspektům realizace číslicových filtrů a číslicově pracujících měřicích přístrojů. Po nezbytném teoretickém úvodu, jsou prakticky realizovány filtry typu pásmová propust za použití float-point aritmetiky, fractional aritmetiky a pomocí tabulky předem stanovených součinů jednotlivých koeficientů filtru. Tyto realizace jsou ověřeny měřením a výsledky porovnány. Druhá část knihy je věnována realizaci číslicově pracujících měřicích přístrojů. Je realizován spektrální analyzátor, RLCG metr a Watt-metr. První kapitola představuje úvod do filtrace signálů. Jsou připomenuty různé aproximace kmitočtových charakteristik. Dále je vysvětlena realizace filtru číslicovým způsobem a diskutována citlivost filtrační funkce na změnu koeficientů a polohu pólů. Druhá kapitola připomíná metodu impulzní invariance, tedy realizaci číslicového filtru tak, aby jeho impulzní charakteristika odpovídala analogovému prototypu. Uvedený příklad ukazuje prakticky dosažitelné výsledky včetně diskuze citlivosti na konečný počet platných cifer realizovaných koeficientů. Filtry jsou analyzovány programem MicroCap 10. Třetí kapitola představuje méně známou metodu skokové invariance. Čtvrtá kapitola popisuje metodu užívající bilineární transformaci a vycházející z tolerančního pole filtru. Tímto způsobem jsou v kapitolách 4.2 a 4.3 navrženy dvě pásmové propusti, které jsou posléze v kapitolách 5 a 6 prakticky realizovány pomocí mikrokontrolérů řad Atmel AVR ATmega a Microchip PIC32MX. Pátá kapitola popisuje realizaci číslicových filtrů pomocí mikrokontroléru ATmega644. Nejdříve jsou dynamika sestavy přípravků EADC (vstupní modul pro A/D převodník) a MSPIDAC (sériový 12bitový D/A převodník) a jádro konstrukce filtru ověřeny na tzv. transparentním režimu. Následují realizace pásmových propustí navržených v kapitolách 4.2 a 4.3. Realizace pomocí float-point aritmetiky není pro zvolený vzorkovací kmitočet 10 kHz možná. Jako alternativy jsou předvedeny realizace založené na použití fractional aritmetiky a předem vypočítané tabulky součinů koeficientů pro 8bitové, 10bitové a 12bitové rozlišení. Na závěr jsou porovnány výsledky měření filtrů s ohledem na časovou a paměťovou náročnost a výsledný poměr útlumu v propustné a nepropustné oblasti. Šestá kapitola popisuje realizaci číslicových filtrů pomocí mikrokontroléru PIC32MX. Filtry dle kapitol 4.2 a 4.3 lze nyní realizovat pomocí float-point aritmetiky. Realizace pomocí fractional aritmetiky je rovněž předvedena. Pro fractional aritmetiku se používají funkce z knihovny PIC32 DSP. Dosažené výsledky jsou opět ověřeny měřením a porovnány. Sedmá kapitola uvádí realizaci spektrálního analyzátoru. Realizace je založena na použití FFT (rychlé Fourierovy transformace). Je popsána konstrukce vstupní analogové části (zajistí úpravu amplitudy vstupního signálu, zabraní vzniku aliasingu a vloží stejnosměrnou složku pro následný A/D převod). Pro realizaci je použit mikrokontrolér PIC32MX130F064B-I/SP. Spektrální analyzátor je 5-pásmový, jednotlivá pásma jsou 100 Hz, 300 Hz, 1 kHz, 3 kHz a 10 kHz. Zobrazení amplitudy signálu v jednotlivých pásmech je řešeno pomocí maticového displeje. Osmá kapitola uvádí realizaci RLCG měřiče. Realizace spočívá ve vytvoření referenčního sinusového signálu pomocí D/A převodníku. Tento signál prochází impedančním převodníkem. Následně je vzorkován A/D převodníkem a pomocí korelace i a q složek jsou stanoveny reálné a imaginární složky měřené impedance. Jedná se vlastně o plně číslicově provedený vektor-voltmetr. Pro realizaci je použit mikrokontrolér PIC32MX130F064B-I/SP. Měřicí signál má kmitočet 1 kHz, rozlišení převodu je 12bitů a na periodu připadá 360 vzorků. Naměřená hodnota reálné a imaginární části je zobrazena na dvouřádkovém LCD displeji, který je ovládán pomocí SPI sběrnice. V deváté kapitole je popsána realizace Watt-metru. Pro realizaci je použit mikrokontrolér PIC32MX130F064B-I/SP. Vzorkovací kmitočet je 50 kHz. Mikrokontrolér provádí výpočet činného výkonu, střední a efektivní hodnoty napětí a proudu. Rovněž jsou stanoveny maximální hodnoty napětí a proudu. Následně je stanovena hodnota zdánlivého výkonu. Na LDC displeji je možno zobrazit: činný výkon a účiník, maximální hodnoty napětí a proudu, efektivní hodnoty napětí a proudu, střední hodnoty napětí a proudu. Tím tento přístroj nahrazuje nejen klasický W-metr ale také představuje levnou realizaci obvodu pro stanovení skutečné efektivní hodnoty (True RMS) napětí nebo proudu. V příloze nalezneme podklady pro výrobu jednotlivých přípravků: COM644KIT (levný vývojový kit pro ATmega644), EADC (vstupní modul pro A/D převodník), MSPIDAC (sériový 12bitový D/A převodník), PIC32MXBOARD (levný vývojový kit pro PIC32MX130F064B-I/SP), SPEC-ANAL (spektrální analyzátor), RLCG METER (měřič RLCG), W-metr (měřič výkonu, maximální a efektivní hodnoty), MLCDW (2řádkový LCD displej).