Система цифровой обработки информационного сигнала

Основные недостатки интерфейсов:

– низкое качество звуков;

– ограниченное количество функций;

– высокая погрешности срабатывания;

– малое количество настроек;

– сложность изготовления;

– отсутствие связи с ПК;

– высокая стоимость.

 

1.3 Обзор разрабатываемой системы

 

Задачей системы цифровой обработки на базе ПК для преобразования вибрации мембран барабанов в электрический сигнал с последующей передачей сигнала в формате цифрового музыкального обмена данными MIDI является идентификация входного аналогового сигнала и передача в ПК.

Структурные схемы разрабатываемой системы представлены на рисунках 1.9 и 1.9.

Рисунок 1.9 – Структурная схема разрабатываемой системы

 

Рисунок 1.10 – Углубленная схема разрабатываемой системы

 

Схема включает в себя первичные преобразователи - датчики (Д), MIDI модуль (ММ), персональный компьютер (ПК) и акустическую систему (АС).

Основным отличием разрабатываемой в дипломной работе системы является наличие ПК в составе системы, в который перенесены функции обработки сигнала.

MIDI модуль производит идентификацию, распознавание динамических параметров сигнала, процесс передачу в персональный компьютер с минимальной задержкой во времени по шине USB 2.0 с функцией Plug&Play. Такие параметры позволяют подключать модуль к любому компьютеры платформы PC или Mac. При первом подключении модуля к ПК по шине USB происходит автоматическая установка драйверов системы — система инициируется ПК как новое виртуальное аудиоустройство, с которым может работать множество программ аудиообработки с функцией MIDI секвенсора.

 ПК, который получает оцифрованный сигнал для его обработки, производит преобразования сигнала и передачу его на звуковоспроизводящую акустическую систему. Это позволяет существенно упростить MIDI модуль и дает практически неограниченную возможность использования внутренних ресурсов компьютера. Таким образом, совмещение этих двух компонентов  образуют единую комплексную многозадачную систему, которая  способна обеспечить большую производительность, многозадачность и высокую степень гибкости для решения поставленных задач.

 

 

 

1.4 Постановка задачи

 

Необходимо разработать систему цифровой обработки информационного сигнала на базе ПК для преобразования вибрации мембран барабанов в электрический сигнал с передачей сигнала в формате цифрового музыкального обмена данными MIDI.

Для решения всего спектра задач предполагаемых как среди любителей, так и профессионалов система должна иметь 20 входов на разъемах типа TRS,  выход SB 2.0 с функцией Plug&Play, MIDI выход, отдельный вход для хай-хета (тарелок) с управлением открыт или закрыт, настраиваемые пользователем параметры входов, 20 программируемых пресетов.

Порты USB и MIDI позволят использовать интерфейс как с модульными электронными модульными секвенсорами по шине DIN MIDI, так и подключать интерфейс непосредственно к компьютеру по шине USB для воспроизведения программных барабанных модулей. Возможно создание 20 пользовательских установок и сохранение их в памяти системы. Будут доступны следующие программируемые пользователем свойства: чувствительность, назначение MIDI канала, номер ноты, кривая динамической чувствительности, время порогового значения.

При проектировании системы цифровой обработки информационного сигнала на базе ПК необходимо:

– провести анализ существующих устройств;

– определить характеристики источника сигнала;

– разработать функциональную и принципиальную схемы системы;

– выбрать элементную базу и описать способ подключения;

– осуществить расчет надежности и потребляемой мощности.

Следует провести анализ опасных и вредных факторов, возникающих при разработке системы цифровой обработки информационного сигнала на базе ПК, а также разработать мероприятия защиты. Провести экологическую оценку системы.

Также требуется рассчитать себестоимость и цену нового изделия, определить годовой экономический эффект и другие показатели эффективности системы.

 

1.5 Техническое задание

 

В рамках дипломной работы по разработке системы цифровой обработки информационного сигнала на базе ПК для преобразования вибрации мембран барабанов в электрический сигнал с последующей передачей сигнала в формате цифрового музыкального обмена данными MIDI необходимо разработать MIDI модуль системы, а так же метод интеграции его с ПК.

Требования предъявляемые к системе:

Диапазон входного сигнала от 20 Гц до 20 кГц, частота дискретизации от 44 кГц до 96 кГц. Необходимо обеспечить возможность внутрисхемного программирования для настройки параметров работы системы,  для чего предусмотрены кнопки управления и жидкокристаллический дисплей.

Так как для решения поставленных задач система должна иметь определенные показатели диапазона частот и пропускной частоты, но при этом завышенные требования к системе не окажут существенного влияния на выходные показатели, то принято решение о снижении требований по диапазону входного сигнала и частоте дискретизации, предъявляемых к системе цифровой обработки информационно сигнала. Это позволит создать систему с меньшими ресурсными затратами, большей надежностью за счет использования меньшего количества компонентов, а также скажется на снижении стоимости, тем самым повысив экономическую эффективностью проекта.

Исходные данные для разработки:

– 20 входных линий;

– диапазон измерения напряжения от 50 мВ до 1В;

– задержка цепи преобразования не более 30 мкс;

– выходной формат данных -  MIDI;

– интерфейс сопряжения с ПК – USB 2.0;

– напряжение питания 5 В;

– время наработки на отказ 10000 часов при вероятности безотказной работы 0,95.

Разработать структурную схему и функциональную схему прибора; исследовать тип выходного формата данных; рассчитать и промоделировать элементы принципиальной схемы; разработать электрическую принципиальную схему; рассчитать потребляемую мощность и надежность.

В исследовательском разделе исследовать типы первичных преобразователей -  датчиков и их основные характеристики. Рассмотреть параметры обмена по стандарту MIDI, а также настройки параметров в системе обработки.

В разделе безопасность жизнедеятельности - провести анализ опасных и вредных факторов, возникающих при разработке тонометра; разработать мероприятия защиты; провести экологическую оценку системы.

В экономическом разделе - организовать планирование процесса разработки системы с построением ленточного графика; определить трудоемкости и продолжительности разработки системы; рассчитать себестоимость и цену нового изделия; определить годовой экономический эффект проекта.

 

2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

 

2.1 Исследование методик определения инструментального сигнала

 

На сегоднейший день существует множество различных способов идентификации сигнала. Так как в дипломной работе рассматривается вопрос обработки информационного сигнала с мембран барабана, то количество возможных методов определения сигнала фактически сужается  до двух методов. Первый метод –идентификация сигнала акустическими приемниками звука, то есть микрофонными устройствами находящимися на расстоянии от источника сигнала или же, второй метод – датчики давления, преимущество которых в возможности их закрепления на корпусе источника звука, а так же имеющие высокую помехоустойчивость. Из представленных методов наиболее целесообразно из технологических, а так же экономически  соображений выбрать второй метод, более подробно разобранный далее.

 

2.2 Определение характеристик источника сигнала

 

Датчик давления — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды. Датчик давления состоит из преобразователя давления, главным в котором является чувствительный элемент - приемник давления. Основными отличиями одних приборов от других являются пределы измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массо-габаритные характеристики, которые зависят от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и другие.

Способность веществ при изменении формы продуцировать электрическую силу именуется пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлементы - диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект, обладающие свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) и обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься, скручиваться или сгибаться (обратный пьезоэффект). Пьезоэлементы, конвертирующие механическую энергию в электрическую называются сенсорами или датчиками [2.1]. На рисунке 2.1 схематически показан принцип работы пьезоэлементв.

2.1 – Принцип работы пьезоэлемента

 

Наиболее используемым материалом для изготовления пьезоэлементов является  монокристаллический кремний. Кремниевые преобразователи имеют высокую чувствительность благодаря изменению удельного объемного сопротивления полупроводника при деформировании. На рисунке 2.2 изображены современные типы пьезоэлементов.

2.2 – Современные типы пьезоэлементов

 

Наиболее важными характеристиками пьезоэлементов являются полоса пропускания частот и выходное напряжение с датчика при приложенном давлении. Так же немаловажными свойствами пьезоэлементов является их простота, малые размеры и большой входной динамический диапазон, те факторы которые легли в основу выбора такого типа датчика.

Давление в твердой среде может быть определено как мера силы, приходящей на единицу площади, передаваемая средой, в направлении, перпендикулярном поверхности, входящей с ней в контакт. Стандартная единица для измерения давления в системе СИ – Паскаль (Па). Один Паскаль равен силе в один Ньютон, приложенной на один квадратный метр (Н/м2).

Если пьезоэлектрическая пластинка закреплена и деформироваться не может, то при создании электрического поля в ней появится дополнительное механическое напряжение. Его величина пропорциональна напряженности электрического поля внутри кристалла по формуле (3.1).

 

,      (3.1)

 

где b – пьезоэлектрический модуль;

Е – напряжение электрического поля.

 

 Минус в этой формуле отражает  указанное выше соотношение знаков  прямого и обратного пьезоэффектов.

Полное механическое напряжение внутри кристалла складывается из напряжения, вызванного деформацией, и напряжения, возникшего под влиянием электрического поля как показано в формуле (3.2).

 

,      (3.2)

 

где С – модуль упругости при деформации одностороннего растяжения.

 

При написании формул выбирались в качестве независимых переменных электрическое смещение внутри кристалла и механическое напряжение внутри кристалла. Возможно считать независимыми переменными другую пару величин, одна из которых — механическая, а другая — электрическая. Тогда возможно  получить два линейных соотношения между u, s, Е и D, но с другими коэффициентами. В зависимости от типа рассматриваемых задач удобны различные формы записи основных пьезоэлектрических соотношений.

 

Так как все пьезоэлектрические кристаллы анизотропны, то постоянные e, С и b зависят от ориентации граней пластинки относительно осей кристалла. Кроме того, они зависят от того, закреплены боковые грани пластинки или свободны (зависят от граничных условий при деформации). Чтобы дать представление о порядке величины этих постоянных мы приведем их значения для кварца в случае, когда пластинка вырезана перпендикулярно оси Х и ее боковые грани свободны. Они равны e=4, 5; С=7, 8 1010 Н/м2; b=0, 18 Кл/м2.

Рассмотрим пример применения основных соотношений. Положим, что кварцевая пластинка, вырезанная, как указано выше, растягивается вдоль оси X, причем обкладки, касающиеся граней, разомкнуты. Так как заряд обкладок до деформации был равен нулю, а кварц является диэлектриком, то и после деформации обкладки будут незаряженными. Согласно определению электрического смещения это значит, что параметр D=0. Тогда из формулы (3.2) следует, что при деформации внутри пластинки появится электрическое поле c напряженностью по формуле (3.3).

 

,      (3.3)

 

Подставляя это выражение в формулу (3.2), найдем для механического напряжения в пластинке факт того что напряжение, как и в отсутствие пьезоэлектрического эффекта, пропорционально деформации. Однако упругие свойства пластинки теперь характеризуются эффективным модулем упругости по формуле (3.4).

 

,    (3.4)

 

Тем самым можно убедиться, что эффективный модуль упругости больше С. Увеличение упругой жесткости вызвано появлением добавочного напряжения при обратном пьезоэффекте, препятствующего деформации. Влияние пьезоэлектрических свойств кристалла на его механические свойства характеризуется величиной квадратный корень из которой называется константой электромеханической связи Для всех других известных пьезоэлектрических кристаллов этот показатель оказывается также малым по сравнению с единицей и не равен еденице.

Оценим величину пьезоэлектрического поля. Положим, что к граням кварцевой пластинки, перпендикулярным к оси X, приложено механическое напряжение 1 1055 Н/м2. Тогда, согласно формуле (3.4), получаем значение равное 59 В/см. При толщине пластинки равной 0, 5 см напряжение между обкладками будет равно 30 В. Пьезоэлектрические поля и напряжения могут быть весьма значительными. Применяя вместо кварца более сильные пьезоэлектрики и используя должным образом выбранные типы деформации, можно получать пьезоэлектрические напряжения, измеряемые многими тысячами вольт.