Пристрої введення (виведення) аналогової інформації в ЕОМ (аналого-цифрові інтерфейси) (стр. 1 из 2)

РЕФЕРАТ

На тему «Пристрої введення (виведення) аналогової інформації в ЕОМ»

1. Пристрої введення (виведення) аналогової інформації в ЕОМ (аналого-цифрові інтерфейси)

Контроль та управління складними інформаційно-вимірювальними та технологічними процесами забезпечується шляхом аналізу досить значної кількості параметрів цих процесів. На практиці ця кількість коливається від декількох одиниць до декількох сотень, в залежності від типу процесу. Більшість процесів дозволяє зняти інформацію про їх параметри в автоматичному режимі за допомогою так званих первинних перетворювачів інформації. Як правило, первинний перетворювач інформації у якості вхідного сигналу має фізичні величини, що характеризують процес, такі, наприклад, як температура, тиск, вологість, швидкість і таке інше. Вихідний сигнал формується у вигляді напруги, струму, фази або частоти. Він додатково характеризується такими параметрами, як динамічний діапазон зміни сигналу та ширини смуги частотного спектру.

Одержані від первинних перетворювачів, як правило, безперервні (аналогові) сигнали напруги, струму, фази або частоти необхідно ввести в ЕОМ в дискретній формі, обробити за вибраним алгоритмом та вивести, можливо в аналоговій формі, для подальшого управління технологічним процесом. Необхідність виконання цих операцій обумовлює проведення ряду перетворень інформаційних сигналів з аналогової форми в дискретну та навпаки, передачу сигналів по інформаційних каналах (в тому числі по лініях зв'язку) в аналоговій або дискретній формі, комутацію інформаційних каналів від різних первинних перетворювачів, узгодження характеристик елементів і ряду інших операцій. Ця задача реалізується за допомогою деякої сукупності пристроїв та елементів, що можна визначити як аналого-цифровий інтерфейс (АЦІ) ЕОМ. Узагальнена структура аналого-цифрового інтерфейсу надана на рисунку 1.

Рисунок 1. – Узагальнена структура АЦ інтерфейсу

В структурній схемі прийняті такі абревіатури:

ППІ 1-3 – первинні перетворювачі інформації; УНП –узгоджувально-нормувальні пристрої; АФ – аналогові фільтри; МС –мультиплексор; АЦП – аналого-цифровий перетворювач; МД – апаратура передачі (приймання) даних (модем); ЛЗ – лінія зв'язку; ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач; ДМС – демультиплексор сигналів; ПП – підсилювач потужності; ВО – виконавчий орган.

Аналогові фізичні величини формують на виході первинних перетворювачів інформації сигнали напруги, струму, фази або частоти, функція зміни яких пропорційна функції зміни параметрів інформаційно-технологічних процесів. Ці сигнали характеризуються, перш за все, динамічним діапазоном Dx(t) в децибелах, де

D_x(t)=20 lg A_max / A_min

A_max - максимальне значення амплітуди сигналу X(t) в абсолютних одиницях (В,А,Гц);

A_min - мінімальне значення сигналу в абсолютних одиницях (В,А,Гц); та смугою частот в спектрі сигналу x(t) від f_H, до f_B в герцах (кГц, мГц).

Графічно це виглядає як показано на рисунку 2.17:

Рисунок 2. – Характеристики сигналу X(t)

Окрім цих параметрів потрібно враховувати вплив вихідних імпедансів (R_вих) та похибок характеристики передачі (перш за все нелінійностей) первинних перетворювачів. Передача сигналу X(t) в схему АЦ інтерфейсу не повинна супроводжуватись додатковими похибками або їх величина не повинна перевищувати встановленої долі значення A_min (у більшості випадків це 1/4 A_min). Тому на вході АЦ інтерфейсу зазвичай встановлюють узгоджувально-нормувальні пристрої (УНП), основна функція яких полягає в забезпеченні вхідного імпедансу на рівні R_вхунп>(5/10) R_вхпп. Це дозволяє усунути вплив вхідних кіл АЦ інтерфейсу на вихідний опір ППІ, як джерела сигналу.

Окрім функції узгодження імпедансів, УНП виконує також функції нормування (підсилення або послаблення) сигналу X(t). Така необхідність виникає в тих випадках коли, вихідний сигнал ППІ має низьке значення Amax (на рівні мікровольт або мілівольт). Основні функції УНП та функції аналогового фільтра (АФ) на практиці можна інколи забезпечувати одним елементом, використовуючи операційні підсилювачі. Якщо це неможливо, то аналоговий фільтр встановлюють додатково. До функцій аналогового фільтра відносять обмеження спектру частот сигналу X(t) значеннями f_H та f_B. При цьому відсікаються всі складові, що не належать до сигналу X(t). Аналоговий фільтр додатково застосовується для усунення ефекту накладання спектрів при дискретизації, а також для відновлення безперервних (аналогових) сигналів з дискретної (цифрової) форми.

Якщо інформаційно-технологічний процес характеризується значною кількістю параметрів, що обробляються n-ю кількістю ППІ, то до складу АЦІ необхідно вводити мультиплексори аналогових (або цифрових) сигналів. Мультиплексори сигналів (МС) дозволяють забезпечити перетворення m-сигналів X(t) з аналогової форми в цифрову за допомогою одного аналого-цифрового перетворювача (АЦП). Для забезпечення такого перетворення необхідно мати АЦП, розрядність якого забезпечує динамічний діапазон Dx(t).

n>D_x(t)/G, де G = 20lg2=6

Цей АЦП повинен мати частоту дискретизації в m раз вищу такої, що потрібна для перетворення в дискретну форму (дискретизації) сигналу X(t) по одному каналу.

fgАЦП > m∙fg Хi(t)

Передача такої дискретної (цифрової) інформації до системної ЕОМ може здійснюватись на значні відстані, в тому числі і по телефонних мережах. Така передача забезпечується пристроями передачі даних, у якості яких можуть використовуватись модеми (МД) під управлінням схем управління (СУ) АЦІ.

У випадку необхідності організації зворотного інформаційного каналу передача цифрових даних здійснюється на значні відстані також за допомогою модему. Потім відбувається перетворення інформації з дискретної (цифрової) форми в аналогову за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП). Розділ інформації по каналах здійснює демультиплексор (ДМС) (в данній структурі - аналоговий) сигналів. Подальшу фільтрацію високочастотних складових >f_B здійснює аналоговий фільтр. Сигнал x(t) підсилюється підсилювачем потужності і управляє роботою виконавчого органа (ВО). Загальне управління роботою всіх елементів АЦІ знову ж здійснює схема управління (СУ), що може бути побудована на основі мікропроцесора.

2. Сканери

Сканер - це пристрій введення текстової або графічної інформації в комп'ютер шляхом перетворення її в цифровий вигляд для наступного використання, обробки, збереження абовиведення. Настільні сканери з'явилися в 80-х роках і відразу стали об'єктом підвищеної уваги, але складність використання, відсутність універсального програмного забезпечення, а саме головне, висока ціна не дозволяли вийти сканерам за межі спеціалізованого використання. Настільний сканер незамінний при роботі з комп'ютером, якщо у Вас є потреба робити вставки графічних зображень або текстів з паперових носіїв у документи, які створюються за допомогою комп'ютера. Сучасні настільні сканери достатньо прості у використанні, мають інтуїтивно-зрозумілий інтерфейс. Отже будова, принцип дії сканерів та характеристики мають певні особливості.

На рисунку 2.18 зображені будова та принцип дії сучасного сканера.

Рисунок 3. Будова та принцип дії сканера

Лампа підсвічування і система дзеркал встановлені на каретці, що пересувається за допомогою крокового двигуна. Світло від лампи при скануванні на кожному кроці двигуна відбивається від документа і через систему дзеркал попадає на матрицю, що складається з світлочутливих елементів. Ці елементи визначають інтенсивність відбитого світла шляхом перетворення в електричний сигнал. Такі елементи називають CCD (англійська абревіатура Couple-Charged Device), а в українському перекладі це ПЗЗ (прилад із зарядовим зв'язком). Далі відбувається перетворення аналогового сигналу в цифровий з наступною обробкою і передачею в комп'ютер для подальшого використання. У такий спосіб на кожнім кроці каретки сканер фіксує одну горизонтальну смужку оригіналу, розбиту у свою чергу на деяку кількість пікселів на лінійці ПЗЗ. Підсумкове зображення складене із смужок являє собою як би мозаїку, складену з плиток (пікселів) однакового розміру і різного кольору. По команді драйвера каретка (оптичний блок) сканера починає рух до зазначеноїділянки оригіналу. Переміщення блоку здійснюється кроковим двигуном за допомогою спеціального зубчатого ременя. Після прибуття в точку призначення, починається власне процес сканування, щовідбувається за принципом "фотографування" рядків зображення під час руху каретки уздовж оригіналу. Цей процес складається з: підсвічування оригіналу; відбивннясвітла від оригіналу і фокусування відбитого світлового потоку на світлочутливій матриці сканера; формування електричного заряду на елементах матриці; зчитування заряду матриці і передача сигналу на АЦП; оцифровка сигналу, оптимізація характеристик пікселів, формування рядка зображення; передача інформації в комп'ютер; онулення матриці і перехід до наступного рядка. Після закінчення сканування обраної ділянки, каретка повертається у вихідне положення і сканер знову готовий до роботи.

У старих розробках сканерів джерелом світлає звичайна флуоресцентна лампа. Недоліктакогоджерела в слабкій стабільності характеристик висвітлення й обмежений термін служби. У сучасних моделях використовується лампа з холодним катодом, що має кращі параметри і значно більший термін служби. При зміні характеристик джерела освітлення оригіналу змінюється падаючий на приймаючу матрицю світловий потік, що несе інформацію про оригінал, який сканується. Орієнтовані на професійну роботу зкольором сканери містять крім вбудованої процедури самокалібрації по інтенсивності світлового потоку від лампи ще й схеми підтримки стабільності потоку при зміні температури.