Компьютерный аудиометр

На рисунке 3.1.3 приведена структурная схема модуля АЦП

            Рисунок 3.1.3 – Структурная схема модуля АЦП

          10-разрядный  результат преобразования сохраняется  в спаренном 16-разрядном регистре  ADRESH и ADRESL. Запись результата преобразования может выполняться с правым и левым выравниванием, в зависимости от значения бита ADFM (см. рисунок 3.1.4). Не задействованные биты регистра ADRESH и ADRESL читаются как 0. Если модуль АЦП выключен, то 8-разряднын регистры ADRESH и ADRESL могут использоваться как регистры общего назначения.

         Рисунок  3.1.4 – Выравнивание результатов аналого-цифрового преобразования

         На рисунке  3.1.5 приведены структурная схема МК

         Рисунок  3.1.5 – структурная схема PIC16F876.

 

Операции, выполняемые  микроконтроллером, можно проиллюстрировать  следующим алгоритмом:

 

Рисунок 3.1.6 – Aлгоритм работы МК.

 

 
3.2 ГТИ.

 

Рис 3.2.1. типовое подключение AD9833.

Компонент AD9833 представляет собой программируемый генератор с возможностью формирования синусоидальных, треугольных и прямоугольных выходных сигналов в диапазоне частот от 0 до 25 МГц и не требует подключения дополнительных внешних элементов. Выходные частоты и фазы сигналов задаются программно. При входной тактовой частоте (f_MCLK), равной 25 МГц обеспечивается разрешающая способность до 0,1 Гц, а при тактовой частоте в 1 МГц, AD9833 может иметь разрешение в 0,004 Гц. AD9833 программируется через трехпроводной последовательный интерфейс, работающий с тактовой частотой до 40 МГц, и совместимый с SPI, QSPI, MICROWIRE и DSP стандартными интерфейсами. Генератор сохраняет основные технические параметры при напряжении источника питания от 2,3 В до 5,5 В, при этом потребляемая мощность при напряжении 3 В составляет всего лишь 20 мВт. Тем не менее, с целью дополнительного уменьшения потребляемой мощности этот компонент имеет функцию выключения питания (SLEEP), что позволяет при различных режимах работы отключать отдельные неиспользуемые функциональные узлы устройства. Например, цифро-аналоговый преобразователь может быть отключен, когда сгенерирован импульсный выходной сигнал.

С помощью AD9833 создаются гармонические колебания. Частота выходного сигнала пропорциональна входному тактирующему сигналу f_MCLK/2²⁸*FREQREG. В регистр FREQREG могут записываться числа от 0..2²⁸ . Частота тактирующего сигнала должна быть 25 МГц. При этом частота выходного сигнала изменяется от 0.1 Гц до 12,5 Мгц.  (половина частоты опорного тактирующего сигнала, по закону Найквиста)

Синусоидальные сигналы (рисунок 3.2.2) можно представить в виде их мгновенного значения a(t) = sin(ωt). Однако это нелинейное представление сигнала и его генерация предпочтительна с использованием кусочных конструкций. С другой стороны, представление в угловой форме линейно по своему характеру и представляет фазовый циклический сдвиг на фиксированный угол для каждой единицы времени. Угловая скорость зависит от частоты сигнала и равна ω = 2πf (рисунок 3.2.2).

 

  

Рисунок 3.2.2. Синусоидальный сигнал.

 

С учетом того, что фаза синусоидального  сигнала линейная и известен период повторения, фазовый сдвиг для  периода может быть определен  как Δφ = ωΔt. Отсюда ω = Δφ/Δt = 2πf. Решая относительно f и заменяя тактовую частоту на период (1/f_MCLK), получим f = Δφ × f_MCLK/2π.

В качестве генератора эталонной частоты  используется таймер.

 

3.3.Таймер ICM7555

 

     Для создания ГТИ использовалась микросхема ICM7555, конфигурация ее ножек представлена на рисунке 3.3.1 , а на рисунке 3.3.2 представлена схема работы данного генератора частоты.

Рисунок 3.3.1 – Конфигурация ножек микросхемы ICM7555

 

Рисунок 3.3.2 – Типичная схема работы ICM7555

ICM7555 представляет собой  RC таймер предназначенный для создания точных временных интервалов или частот. ICM7555:

- прост в регулировке частоты вырабатываемых импульсов

- имеет широкий диапазон напряжения питания от 2..18 В

- потребляет малые значения тока

Частота следования импульсов рассчитывается по формуле:

Частота генерируемых импульсов 

Рассчитаем таймер с частотой 25 МГц.

Следует отметить, что минимальное  значение Т2 ограничено параметрами ключа VT1 и при R₂ = 0, как правило, около 50 нс.

Структуры, подобные рассмотренным, обеспечивают получение прямоугольных напряжений со сравнительно стабильной частотой (изменение частоты из-за влияния внешних факторов менее десятых – сотых долей процента).

Для получения частоты 25 МГц выберем  известное значение емкости конденсатора С=220 пкФ. Тогда 2R₂+Ri=1,443/(25*10⁶*220*10^-12)=262,38 Ом

Выберем R₂=100 Ом и R₁=62 Ом, тогда частота будет 25,034 МГц.

 

  3.4 Контроллер амплитуды.

Микросхемы семейства Dallastat DS1669 представляют собой цифровые реостаты, или потенциометры. Данные устройства имеют 64 равные ступени изменения сопротивления в диапазоне полного сопротивления и выпускаются в стандартных номиналах 10 кОм, 50 кОм, и 100 кОм. Потенциометры семейства Dallastat могут управляться, либо управляющим сигналом с механическим замыканием контакта, либо источником цифрового сигнала, таким, как CPU. Положение среднего вывода потенциометра сохраняется при отключении питания, что достигается посредством использования матрицы ячеек EEPROM. Матрица ячеек EEPROM специфицирована на проведение не менее, чем 80 000 циклов записи.

                     

        Рисунок 3.4.1 - Расположение выводов микросхемы DS1669.

        Таблица 3.4.1 – Назначение выводов DS1669.

DS1669 предлагается в двух типах  стандартных корпусов, а именно: 8-pin 300 mil DIP и 8-pin 200 mil SOIC. DS1669 может быть сконфигурирована на управление при помощи одной кнопки, или источником цифрового сигнала. Кроме того, DS1669 может быть сконфигурирована для работы с двумя кнопками управления. Разводка выводов ИС DS1669 обеспечивает доступ к обеим концам потенциометра RL и RH, а также к среднему выводу RW. Управляющие входы включают вход цифрового сигнала D, управляющий вход перемещения вверх UC, а также, управляющий вход перемещения вниз DC. Оставшиеся выводы корпуса предназначены для положительного и отрицательного напряжений питания V+, и V-, соответственно. DS1669 выпускается для коммерческого, или для индустриального диапазонов температур.

 

    3. 5Усилитель.

        Был выбран  инструментальный усилитель OPA363 с однополярным источником питания плюс 5В. На рисунке 3.2.1 изображено его схема конфигурации.

          Рисунок  3.5.1 – Схема конфигурации усилителя OPA363

          Технические характеристики OPA363:

Lead Free Status / RoHS Status Lead free / RoHS Compliant

Тип усилителя	General Purpose
Число каналов	1
Тип выхода	Rail-to-Rail
Скорость нарастания выходного напряжения	5 V/µs
Полоса пропускания	7MHz
Ток - входного смещения	1pA
Напряжение входного смещения	1000µV
Ток выходной	1.1mA
Ток выходной / канал	85mA
Напряжение-выходное, Single/Dual (±)	1.8 V ~ 5.5 V, ±0.9 V ~ 2.75 V
Рабочая температура	-40°C ~ 125°C
Тип монтажа	Поверхностный
Корпус (размер)	8-SOIC (0.154", 3.90mm Width)
Корпус	8-SOIC

 

 Для согласования импедансов источника звука и динамиков необходимо использовать усилитель. Чувствительность динамиков 108 дБ/мВт, а их импеданс 10 Ом. Исходя из этого выберем коэффициент усиления равный 2.

 

= 2.

 

3.6Динамики.

 

TDH-39P Mod (10 Ом импеданс). Эти динамики используются в большинстве аудиометров и  производятся во всем мире.

 

Тип наушников	Динамик с металлической диафрагмой.
Сопротивление	10 Ом
Частотный диапазон	от 100 до 8000 Гц
Максимальная подводимая мощность	300 мВт на любой частоте в диапазоне  от 100 до 8000 Гц
Коэффициент нелинейных искажений	Менее 1% при подводимой мощности от 0 до 400 мВт
Чувствительность	108 дБ + 4 дБ SPL при подводимой мощности 1 мВт на частоте 1 кГц
Неравномерность амплитудно-частотной  характеристики	В полосе частот от 100 до 4000 Гц не более 6 дБ, в полосе частот от 100 до 8000 Гц не более 14 дБ

 

Таблица 3.6.1 – Характеристики динамиков. 

3.7.  RS-232

         Самым распространенным интерфейсом является соединение с помощью COM-порта. Подобное соединение довольно простое в схемотехническом плане, недорогое и обладает достаточной скоростью обмена информацией для большинства проектов.  В данном материале опишем самый простой способ организации информационного обмена через COM-порт на рисунке 3.7.1.

          Рисунок 3.7.1 –  Схема включения RS-232 через MAX-232

           Интерфейс RS-232 был разработан для простого применения, однозначно определяемого по его названию "Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду". Каждое слово в названии значимое, оно определяет интерфейс между терминалом (DTE) и модемом (DCE) по передаче последовательных данных. В RS-232 используются два уровня сигналов: логические 1 и 0. Логическую 1 иногда обозначают MARK, логический 0 - SPACE . Логической 1 соответствуют отрицательные уровни напряжения, а логическому 0 - положительные. Соответствующие значения напряжений представлены в таблице 3.7.1.

         Таблица 3.7.1 – Уровни сигналов данных

Уровень	Передатчик	Приемник
Логический 0	От +5 В до +15 В	От +3 В до +25 В
Логический 1	от-5 В до -15 В	От -3 В до -25 В
Не определен	От -3 В до +3 В

 

           Рисунок 3.7.2 –  Диаграмма передаваемых данных с синхронизирующим тактовым сигналом.

           Старт бит: Сигнальная линия может находится в двух состояниях: включена и выключена. Линия в состоянии ожидания всегда включена. Когда устройство или компьютер хотят передать данные, они переводят линию в состояние выключено - это установка Старт бита. Биты сразу после Старт бита являются битами данных.

 

            Стоп бит: Стоп бит позволяет устройству или компьютеру произвести синхронизацию при возникновении сбоев. Например, помеха на линии скрыла Старт бит. Период между старт и стоп битами постоянен, согласно значению скорости обмена, числу бит данных и бита четности. Стоп бит всегда включен. Если приемник определяет выключенное состояние, когда должен присутствовать стоп бит, фиксируется появление ошибки.

            Установка Стоп бита: Стоп бит не просто один бит минимального интервала времени в конце каждой передачи данных. На компьютерах обычно он эквивалентен 1 или 2 битам, и это должно учитываться программе драйвера. Хотя, 1 стоп бит наиболее общий, выбор 2 бит в худшем случае немного замедлит передачу сообщения.

            Микросхема MAX232 .

         Рисунок 3.7.3 – Конфигурация выводов MAX232

           На структурной схеме MAX232 изображены удвоитель напряжения и инвертор напряжения плюс10В в минус10В (см. рисунок 3.7.4). Эти напряжения используются для формирования сигналов соответствующих RS-232. MAX232 позволяет подключить два последовательных порта.

         Рисунок 3.7.4 – Структурная схема MAX-232

 

 

3.8 ЖКИ

     Отображение текущих значений частоты и амплитуды осуществляется на ЖКИ.

Питается  ЖКИ однополярным напряжением в  плюс 5В. В таблице 3.8.1 приведены технические характеристики LW234.

       Таблица 3.8.1 –  Технические характеристики LW234

 

           Жидкокристаллический модуль LW234 состоит из четырех БИС контроллера.

          HD44102 и .ЖК панели. Модуль позволяет отображать графическое поле 100х80 точек. Каждой светящейся точке на ЖК панели соответствует 1 в ОЗУ контроллера. Габаритные размеры дисплея 140х95х19. Модуль позволяет:

• Принимать команды с шины данных DB0-DB7.
• Записывать данные в ОЗУ по 8-ми разрядной шине данных DB0-DB7.
• Читать статус состояния на шину данных DB0-DB7.
• Назначение выводов разъема подключения индикатора приведено в таблице 3.8.2
• Управление контрастностью осуществляется внешним построечным резистором.

 

1   Gnd  Общий контакт

11 R/W  Чтение/Запись

2   +5V  Питание модуля

12 D/I  Данные/Команды

3   CT  Управ. Контрастностью

13 DB0  Шина данных 0-й разряд

14  DB1  Шина данных 1-й разряд

15 DB2  Шина данных 2-й разряд

6  CS1  Выбор кристалла

16 DB3  Шина данных 3-й разряд

7  CS2  Выбор кристалла

17 DB4  Шина данных 4-й разряд

8  CS3  Выбор кристалла

18 DB5  Шина данных 5-й разряд

19 DB6  Шина данных 6-й разряд

10  EN  Общее разрешение

20  DB7  Шина данных 7-й разряд

       Таблица 3.8.2–  Назначения выводов разъема подключения  ЖКИ

        Выводы 4, 5, 9 не используются. Данный модуль представляет собой ЖК-панель обслуживаемую четырьмя однотипными контроллерами HD44102 фирмы Hitachi. Каждый контроллер обслуживает свою область экрана размерами 50х40 точек. На плате дисплея также расположены два контроллера строк HD44103, дешифратор 74НС42(полный функциональный аналог

КР555ИД6) и  буферные элементы. Дешифратор предназначен для выбора одного из кристаллов HD44102, на его входа (CS1,CS2,CS3) подается двоично-десятичный код соответствующий одной из микросхем контроллера. Входа R/W .чтение-запись, D/I-данные-инструкции, EN . выборка микросхемы, соединены параллельно. Каждый контроллер имеет четыре страницы памяти которая соответствует данным на индикаторе. Таким образом, вывод данных на дисплей сводится к поочередному программированию микросхем контроллеров. Так как быстродействие данных контроллеров дастаточно низкое, необходимо в процессе работы контролировать флаг занятости BUSY FLAG, и не осуществлять обмена информацией с контроллером пока данный флаг не будет сброшен. Для программирования индикатора необходимо: записать команду Display ON, выбрать один из четырех контроллеров с помощью входов CS1,CS2,CS3, указать страницу ОЗУ(т.е. нужную строку), указать координату Х (смещение по горизонтали) и записать байт информации.