Информация и сигнал (8 класс) Информатика и ИКТ

Информация (от лат. «informatio» -осведомление, разъяснение, изложение) — очень широкое понятие, имеющее множество трактовок. Рассмотрим его с точки зрения субъективного (бытового, человеческого) подхода.

В обыденной жизни под информацией понимают всякого рода сообщения, сведения о чём-либо, которые получают и передают люди. Информация содержится в речи людей, текстах книг, колонках цифр, в звуках и видах природы, в показаниях часов, термометров и других приборов. Каждый материальный объект, с которым происходят изменения, становится источником информации либо об окружающей среде, либо о происходящих в этом объекте процессах. Эту информацию мы получаем в виде сигналов — изменений физических величин (давления, температуры, цвета и др.). Различают световые, звуковые, тепловые, механические, электрические и другие типы сигналов.

Информация для человека — это содержание сигналов (сообщения), воспринимаемых человеком непосредственно или с помощью специальных устройств, расширяющее его знания об окружающем мире и протекающих в нём процессах.

Сигналы могут быть непрерывными или дискретными.

Непрерывный сигнал принимает бесконечное множество значений из некоторого диапазона. Между значениями, которые он принимает, нет разрывов.

Дискретный сигнал принимает конечное число значений. Все значения дискретного сигнала можно пронумеровать целыми числами. Сравните лестницу и наклонную плоскость. В первом случае имеется строго определённое количество фиксированных высот, равное числу ступенек. Все их можно пронумеровать. Наклонная плоскость соответствует бесконечному количеству значений высоты.

В жизни человек чаще всего имеет дело с непрерывными сигналами. Примерами непрерывных сигналов могут служить речь человека, скорость автомобиля, температура в некоторой географической точке в течение определённого периода времени и многое другое. Примером устройства, подающего дискретные сигналы, является светофор. Сигнал светофора может быть красным, жёлтым или зелёным, т. е. принимать всего три значения.

Самое главное:

• Информация для человека — это содержание сигналов ( сообщения), которые он получает из различных источников.
• Сигналы могут быть непрерывными или дискретными. Непрерывный сигнал принимает бесконечное множество значений из некоторого диапазона. Дискретный сигнал принимает конечное число значений, которые можно пронумеровать.

Вопросы и задания:

1. Что такое информация для человека? Перечислите источники, из которых вы получаете информацию.
2. Приведите примеры непрерывных и дискретных сигналов.

Содержание

Виды и характеристики носителей и сигналов

Раздел 4. Сетевые технологии обработки данных

Лекция 14 Основные виды носителей информации и их

Характеристики

Виды и характеристики носителей и сигналов.

Модуляция и кодирование.

Спектры сигналов.

Методы повышения помехоустойчивости передачи и приема

Информации

Литература: 1. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное

пособие. В 3 томах. Том 1 – Современные технологии /

Б.И.Крук, В.Н.Попантонопуло, В.П.Шувалов; под ред.

проф. В.П.Шувалова. – Изд. 3-е, испр. и доп. – М.:

Горячая линия – Телеком, 2003.

Виды и характеристики носителей и сигналов

Как известно, чтобы доставить (перенести) сообщение, содержащее информацию, от источника к потребителю (приемнику), необходим какой-либо материальный носитель. Например, при передаче сообщения по почте таким носителем служит бумага. При передаче сообщений в среде информационно-вычислительных сетей в качестве носителей используются сигналы. Причем физическая природа сигналов в отдельных элементах сети, как правило, различна: внутри компьютера сигналы имеют вид изменяющихся статических уровней токов (напряжений) (рисунок 1, а) либо последовательностей коротких импульсов (рисунок 1, б), формируемых в пределах тактовых интервалов Т, а в

Рисунок 1 – Потенциальное и импульсное представление сообщений

линиях связи вне компьютера сигналы чаще всего представляют электрическими (в проводных линиях связи), электромагнитными (в радиолиниях связи) колебаниями или изменяющимся во времени световым потоком (в оптоволоконных линиях связи). В линиях связи локальных сетей (ограниченных длиной в несколько сот метров) также применяются импульсные сигналы. Такое разнообразие используемых в компьютерной технике сигналов является не чьей-либо прихотью, а вынужденной мерой. В первую очередь это связано с тем, что различные среды передачи сигналов имеют существенно отличающиеся электрические характеристики, влияющие на качество передачи тех или иных видов сигналов.

Главное отличие внешних линий связи от внутренних состоит в их гораздо большей протяженности, а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса по пространствам, зачастую подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Если в качестве переносчика сообщений в таких линиях использовать прямоугольные импульсы, все то, о чем сказано выше, приводит к значительно большим искажениям импульсов (например, «заваливанию» фронтов), чем внутри компьютера. Поэтому для надежного распознавания импульсов на приемном конце линии связи при передаче данных внутри и вне компьютера не всегда можно использовать одни и те же скорости и способы кодирования.

Например, медленное нарастание фронта импульса из-за высокой емкостной нагрузки линии связи требует передачи импульсов с меньшей скоростью (чтобы передний и задний фронты соседних импульсов не перекрывались, и импульс успел дорасти до требуемого уровня).

На способ передачи сигналов влияет и количество проводов в линиях связи между компьютерами. Для сокращения стоимости линий связи в сетях обычно стремятся к сокращению количества проводов и из-за этого используют не параллельную передачу всех бит одного байта или даже нескольких байт, как это делается внутри компьютера, а последовательную, побитную передачу, требующую всего одной пары проводов.

Еще одной проблемой, которую нужно решать при передаче сигналов, является проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого. При организации взаимодействия модулей внутри компьютера эта проблема решается очень просто, так как в этом случае все модули синхронизируются от общего тактового генератора. Проблема синхронизации при связи компьютеров может решаться разными способами, как с помощью обмена специальными тактовыми синхроимпульсами по отдельной линии, так и с помощью периодической синхронизации заранее обусловленными кодами или импульсами характерной формы, отличающейся от формы импульсов данных.

При выборе вида сигнала для передачи сообщений в сети в первую очередь необходимо учитывать такие характеристики линии связи, как полоса пропускания и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Например, при использовании проводной (телефонной) линии связи не могут быть использованы импульсные сигналы, так как они являются широкополосными (занимают диапазон частот от единиц Гц до сотен МГц), а полоса пропускания двухпроводной телефонной линии очень ограничена (рисунок 2).

Рисунок 2 – АЧХ канала тональной частоты

Как видно из рисунка, по такому каналу без искажений можно передавать частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц. И хотя человеческий голос имеет гораздо более широкий спектр – примерно от 50 … 100 Гц до 8 … 10 кГц, – для приемлемого качества передачи речи диапазон в 3100 Гц является неплохим (с точки зрения стоимости) решением. Диапазон частот 300 … 3400 Гц принят Международным союзом электросвязи в качестве границ эффективного спектра речи. Но если по двухпроводной линии связи передавать импульсные сигналы, они будут претерпевать сильное затухание (в результате подавления высших частотных составляющих). Именно по этой причине в модемах (подключаемых к проводным линиям связи) предусмотрена аналоговая (амплитудная, частотная или фазовая) модуляция сигнала.

Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо частоты приводит, в конечном счете, к искажению передаваемого сигнала любой формы, особенно если синусоиды различных частот искажаются неодинаково. Если это аналоговый сигнал, передающий речь, то изменяется тембр голоса за счет искажения обертонов – боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму (рисунок 3). Вследствие этого на приемном конце линии сигналы могут плохо распознаваться.

Линия связи искажает передаваемые сигналы из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных. Так, например, медные провода всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки. В результате для синусоид различных частот линия будет обладать различным полным сопротивлением, а значит, и передаваться они будут по-разному. Волоконно-оптический кабель также имеет отклонения, мешающие идеальному распространению света. Если линия связи включает промежуточную аппаратуру, то она также может вносить дополнительные искажения, так как невозможно создать устройства, которые бы одинаково хорошо передавали весь спектр синусоид, от нуля до бесконечности.

Рисунок 3 – Различия в сигналах на входе и выходе проводной

(кабельной) линии связи

Модуляция и кодирование

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования – на основесинусоидального несущего сигнала и на основепоследовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией,подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Термины «модуляция» и «кодирование» часто используют как синонимы. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Применение синусоиды приводит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информации. Однако для реализации синусоидальной модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.

В информационно-вычислительных сетях цифровое кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в том случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи импульсов.

Статьи к прочтению:

Лекция \

Похожие статьи:

Презентация «Информация и сигналы» — информатика, презентации

Информация и сигналы

Человек воспринимает информацию с помощью своих органов чувств.

Органы слуха воспринимают звуковые сигналы, органы зрения воспринимают световые сигналы.

сигналы

непрерывные

(аналоговые)

дискретные

Аналоговый сигнал –это непрерывный электрический сигнал в технических системах передачи и обработки информации.

Термин «дискретный» означает «разделенный», состоящий из отдельных частиц, элементов.

В течение двух последних столетий ученые изобрели средства связи для передачи информации на большие расстояния.

1831 год : Майкл Фарадей открывает явление электромагнитной индукции. Электричество находит множество применений: освещение и отопление, электрический двигатель и электросвязь.

1791 — 1867

1832 год:

Павел Львович Шиллинг создал первый электромагнитный телеграф.

Телеграф – это дискретный способ передачи информации. Телеграфное сообщение

представляет собой последовательность

электрических сигналов разной длины.

1786 — 1837

SOS

  Сэмюэлю Морзе принадлежит идея использования двух видов сигналов – короткого и длинного – для кодирования сообщения с целью передачи его по линиям телеграфной связи.

… _ _ _ …

1791 — 1872

Азбука Морзе является неравномерным кодом, т.к. у разных букв алфавита длина кода разная (от 1 до 6 символов)

Жан Морис Бодо в 1870 году изобрел равномерный телеграфный код. В нем использовалось всего два разных вида сигналов и длина каждого символа равна пяти сигналам.

1845 — 1903

1876 год: Александр Белл изобретатель первого телефона.

1847 — 1922 

Телефонная связь – это аналоговый способ передачи звука.

Благодаря открытию в 1888 году Генрихом Герцем электромагнитных волн стало возможным изобретение радиосвязи.

1857 — 1894

Первые радиопередатчики и радиоприемники

  Изобретатели радио

Александр Попов — 1895 г.

Гульельмо Маркони – 1896 г.

1874 -1937

1859—1906

Первые радио

Радиосвязь – это аналоговый способ передачи звука.

Первый телевизор

Первый электронный телевизор был разработан в американской научно-исследовательской лаборатории, которую возглавлял Владимир Зворыкин (русский эмигрант). В 1939 году этой же лабораторией был продемонстрирован телевизор для массового производства.

Владимир Зворыкин

1888 -1982

Телевизор

Телевизионный электромагнитный сигнал – аналоговый способ звуковой и видеоинформации.

Кто изобрел сотовый телефон?

Обычно об истории создания мобильного телефона рассказывают примерно так.

3 апреля 1973 года глава подразделения мобильной связи Motorola Мартин Купер, прогуливаясь по центру Манхеттена, решил позвонить по мобильнику. Мобильник назывался Dyna-TAC и был похож на кирпич, который весил более килограмма, а работал в режиме разговора всего полчаса.

До этого сын основателя компании Motorola Роберт Гелвин, занимавший в те далекие времена пост исполнительного директора этой фирмы, выделил 15 миллионов долларов и дал подчиненным срок 10 лет на то, чтобы создать устройство, которое пользователь сможет носить с собой. Первый работающий образец появился всего через пару месяцев. Успеху Мартин Купера, пришедшего в фирму в 1954 году рядовым инженером, способствовало то, что с 1967 года он занимался разработкой портативных раций. Они-то и привели к идее мобильного телефона.

Доктор Мартин Купер со своей первой моделью мобильного телефона 1973 г.

Вторая половина XX века: изобретение цифровой вычислительной техники

В настоящее время развивается цифровая телефония, цифровое телевидение.

Интернет как универсальная система связи основан исключительно на дискретной технологии хранения, передачи и обработки информации.

INFOблог: Непрерывные и дискретные сигналы

В предыдущем посте мы рассматривали различные определения понятия «информация» и пришли к выводу, что информация может быть определена множеством разных способов в зависимости от выбранного подхода. Но об одном мы можем говорить однозначно: информация — знания, данные, сведения, характеристики, отражения и т.д. — категория нематериальная. Но мы живем в мире материальном. Следовательно, для существования и распространения в нашем мире информация должна быть связана с какой-либо материальной основой. Без нее информация не может передаваться и сохраняться.

Тогда материальный объект (или среда), с помощью которого представляется та или иная информация будет являться

носителем информации, а изменение какой-либо характеристики носителя мы будем называть сигналом.
Например, представим равномерно горящую лампочку, она не передает никакой информации. Но, если мы будем включать и выключать лампочку (т.е. изменять ее яркость), тогда с помощью чередований вспышек и пауз мы сможем передать какое-нибудь сообщение (например, посредством азбуки Морзе). Аналогично, равномерный гул не дает возможности передать какую-либо информацию, однако, если мы будем изменять высоту и громкость звука, то сможем сформировать некоторое сообщение (что мы и делаем с помощью устной речи).

При этом сигналы могут быть двух видов: непрерывный (или аналоговый

) и дискретный.
В учебнике даны следующие определения.

Непрерывный сигнал принимает множество значений из некоторого диапазона. Между значениями, которые он принимает, нет разрывов.
Дискретный сигнал принимает конечное число значений. Все значения дискретного сигнала можно пронумеровать целыми числами.

Немного уточним эти определения.
Сигнал называется непрерывным (или аналоговым), если его параметр может принимать любое значение в пределах некоторого интервала.

Сигнал называется дискретным, если его параметр может принимать конечное число значений в пределах некоторого интервала.

Графики этих сигналов выглядят следующим образом

Примерами непрерывных сигналов могут быть музыка, речь, изображения, показания термометра (высота столба ртути может быть любой и представляет собой ряд непрерывных значений).

Примерами дискретных сигналов могут быть показания механических или электронных часов, тексты в книгах, показания цифровых измерительных приборов и т.д.

Вернемся к примерам, рассмотренным в начале сообщения — мигающая лампочка и человеческая речь. Какой из этих сигналов является непрерывным, а какой дискретным? Ответьте в комментариях и аргументируйте свой ответ. Можно ли непрерывную информацию преобразовать в дискретную? Если да — приведите примеры.

Презентация к уроку информатики в 7 классе «Информация и ее свойства» (УМК Босова Л.Л. и др. 5-9 кл.)

ИНФОРМАЦИЯ И ЕЁ СВОЙСТВА

ИНФОРМАЦИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

• ИНФОРМАЦИЯ
• СИГНАЛ
• НЕПРЕРЫВНЫЙ СИГНАЛ
• ДИСКРЕТНЫЙ СИГНАЛ
• ВИДЫ ИНФОРМАЦИИ
• СВОЙСТВА ИНФОРМАЦИИ

Информация и сигнал

Информация для человека — это содержание сигналов (сообщения), воспринимаемых человеком непосредственно или с помощью специальных устройств, расширяющее его знания об окружающем мире и протекающих в нём процессах.

В обыденной жизни под информацией понимают сообщения, сведения о чём-либо, которые получают и передают люди.

в показаниях часов и других приборов

Информация содержится

в текстах книг

в речи людей

в звуках и видах природы

Каждый материальный объект, с которым происходят изменения, становится источником информации. Эту информацию мы получаем в виде сигналов.

Различают сигналы

световые

звуковые

тепловые

механические

электрические

Непрерывный сигнал принимает бесконечное множество значений из некоторого диапазона. Между значениями, которые он принимает, нет разрывов.

Дискретный сигнал принимает конечное число значений. Все значения дискретного сигнала можно пронумеровать целыми числами.

Речь человека

Виды информации

По способу восприятия человеком информация может быть разделена на следующие виды:

визуальная

аудиальная

обонятельная

тактильная

вкусовая

Полнота

Актуальность

Понятность

Свойства информации

Полезность

Достоверность

Объективность

Самое главное

Информация для человека — это содержание сигналов (сообщения), которые он получает из различных источников.

Сигналы могут быть:

• непрерывными — они принимают бесконечное множество значений из некоторого диапазона;
• дискретными – они принимают конечное число значений, которые можно пронумеровать.

По способу восприятия человеком выделяют визуальную, аудиальную, обонятельную, вкусовую, тактильную информацию .

Объективность, достоверность, полноту, актуальность, полезность и понятность называют свойствами информации .

Одна и та же информация может обладать разными свойствами для разных людей.

Вопросы и задания

Выберите правильный ответ.

е) Об устройстве двигателя каждый водитель автомобиля:

1) должен обладать полной информацией;

2) может иметь неполную информацию.

Выберите правильный ответ.

г) Информация о том, как с помощью подручных средств добыть огонь, будет для вас наиболее полезной:

1) если вы попадёте на необитаемый остров;

2) в нашей повседневной жизни.

Что такое информация для человека? Перечислите источники, из которых вы получаете информацию.

Выберите правильный ответ.

в) Слухи, вымыслы, непроверенные гипотезы — это:

1) достоверная информация;

2) недостоверная информация.

Выберите правильный ответ.

д) О правилах дорожного движения каждый водитель автомобиля:

1) должен обладать полной информацией;

2) может иметь неполную информацию.

Приведите примеры непрерывных и дискретных сигналов.

Перечислите основные виды информации по способу её восприятия человеком.

Выберите правильный ответ.

a) Если вы собираетесь провести выходной день на природе, то своевременной информацией для вас будет:

1) сведения о погоде в такой же день прошлого года;

2) прогноз погоды на выходной день

Выберите правильный ответ.

б) Волга впадает в Каспийское море — это:

1) достоверная информация;

2) недостоверная информация.

Задания

Укажите тип сигнала (дискретный или непрерывный), соответствующий графическим изображениям

F

F

t

t

Задание

Установите соответствие между свойствами информации и их описаниями

Информация выражена на языке,

доступном для получателя

Объективность

Информация позволяет получателю

решать стоящие перед ним задачи

Достоверность

Информация важна, существенна

в настоящий момент времени

Актуальность

Информация достаточна для

понимания ситуации

и принятия решения

Полезность

Понятность

Информация отражает истинное

положение дел

Полнота

Информация не зависит от чьего

либо мнения

Опорный конспект

Информация для человека — это содержание сигналов

(сообщения), которые он получает из различных источников

Дискретные

Виды

информации

Сигналы

Непрерывные

Визуальная

Объективность

Вкусовая

Полнота

Тактильная

Понятность

Свойства

информации

Аудиальная

Актуальность

Обонятельная

Достоверность

Полезность

Программа по информатике и информационно-коммуникационным технологиям

Программа аттестационных испытаний по информатике и информационно-коммуникационным технологиям при переводе из других образовательных учреждений Российской Федерации

Информация и информационные процессы

Системы, образованные взаимодействующими элементами, состояния элементов, обмен информацией между элементами, сигналы. Классификация информационных процессов. Выбор способа представления информации в соответствии с поставленной задачей. Универсальность дискретного (цифрового) представления информации. Двоичное представление информации.

Поиск и систематизация информации. Хранение информации; выбор способа хранения информации.

Передача информации в социальных, биологических и технических системах.

Преобразование информации на основе формальных правил. Алгоритмизация как необходимое условие его автоматизации.

Особенности запоминания, обработки и передачи информации человеком.

Защита информации.

Использование основных методов информатики и средств ИКТ при анализе процессов в обществе, природе и технике.

Информационные модели и системы

Информационные (нематериальные) модели. Использование информационных моделей в учебной и познавательной деятельности.

Назначение и виды информационных моделей. Формализация задач из различных предметных областей. Структурирование данных. Построение информационной модели для решения поставленной задачи.

Оценка адекватности модели объекту и целям моделирования (на примерах задач различных предметных областей).

Компьютер как средство автоматизации информационных процессов

Аппаратное и программное обеспечение компьютера. Архитектуры современных компьютеров. Многообразие операционных систем.

Выбор конфигурации компьютера в зависимости от решаемой задачи.

Программные средства создания информационных объектов, организация личного информационного пространства, защиты информации.

Программные и аппаратные средства в различных видах профессиональной деятельности.

Средства и технологии создания и преобразования информационных объектов

Текст как информационный объект. Автоматизированные средства и технологии организации текста. Основные приемы преобразования текстов. Гипертекстовое представление информации.

Электронные таблицы как информационные объекты. Средства и технологии работы с таблицами. Принципы работы с электронными таблицами. Основные способы представления математических зависимостей между данными. Использование электронных таблиц для обработки числовых данных (на примере задач из различных предметных областей).

Графические информационные объекты. Средства и технологии работы с графикой. Создание и редактирование графических информационных объектов средствами графических редакторов, систем презентационной и анимационной графики.

Базы данных. Системы управления базами данных. Создание, ведение и использование баз данных при решении учебных и практических задач.

Средства и технологии обмена информацией с помощью компьютерных сетей (сетевые технологии)

Локальные и глобальные компьютерные сети. Аппаратные и программные средства организации компьютерных сетей. Поисковые информационные системы. Организация поиска информации. Описание объекта для его последующего поиска.

Основы социальной информатики

Этические и правовые нормы информационной деятельности человека.

  

Статья может быть использована для объяснения новой темы по информатике

Передача информации

Когда мы слышим слово «информация», мы сразу думаем о сообщении или сигнале.

Сообщение для нас, сегодняшних, — это информация для передачи, для общения. Мы хотим напомнить о себе или получить информацию от кого-то. Если человек рядом, то мы можем к нему повернуться и что-то сказать, то есть передать информацию. Но если человек находится далеко от нас, то нам необходимо средство для передачи – телефон, смартфон, планшет, компьютер. Любое из этих средств передает сигнал – наше изображение или голос.

Бывают следующие виды сигналов: цифровые, регулярные, зрительные, звуковые, электрические, оптические. Одни сигналы могут вызывать другие сигналы. К примеру, электрический сигнал может вызвать звуковой (сигнал автомобиля).

Сигнал исходит всегда от источника — отправителя, проходит по линиям связи через передатчик, поступает в приемник и идет к потребителю сообщения.

Передатчик, линия связи и приёмник составляют в комплексе канал связи. Каналы связи де­лятся на проводные (металл), радио (воздух), оптические (световой луч), гидроакустические (вода). Канал связи вместе с источником и потребителем образуют систему передачи и обработки информации.

Пример 1. Студент  передает сообщение товарищу с помощью телефона. Источник – студент, потребитель – товарищ. Канал связи состоит из двух телефонов (передатчик и приёмник) и телефонной линии (линия связи).

Если же студенты идут в колледж и по дороге обсуждают тему прошлого занятия, то  источником и потребителем сообщения является студент, а канал связи будет состоять из рта (передатчик), воздуха (линия связи) и уха (приёмник).

Различают системы передачи дискретных сообщений (например, система телеграфной связи, система передачи цифровых данных) и системы передачи непрерывных сообщений (системы радиовещания, аналогового телевидения и др.).

В вычислительной технике и в телеграфии используют дискретные сообщения. Это последовательность сигналов, которые сами представлены в виде дискретной последовательности отдельных элементов. Например, при передаче телеграммы сообщением является её текст, элементами этого сообщения — буквы, а сигналами — кодовые комбинации, соответствующие этим буквам.

Непрерывное сообщение — это некоторая физическая величина (звуковое давление, температура и т. д.), принимающая любые значения в заданном интервале. Также сооб­щение с помощью датчиков преобразовывается в непрерыв­но изменяющуюся электрическую величину – аналоговый сигнал.

Аналоговый сигнал — это сигнал, который обеспечивает передачу данных путём непрерывного изменения во времени своей амплитуды, частоты или фазы. До недавнего времени в России использовали данный сигнал на телевидении. При передаче сигнала появляются различные помехи.

В настоящее время телевидение стало цифровым. Дискретные сигналы достаточно устойчивы к помехам и легко обрабатываются ЭВМ.

Еще в первой половине ХХ века российский учёный В. А. Котельников доказал, что непрерывное сообщение можно передать при помощи дискретных сигналов.

Элементную базу для построения цифровых устройств составляют интегральные микросхемы (ИМС), каждая из которых реализуется с использованием определенного числа логических элементов — простейших цифровых устройств, выполняющих элементарные логические операции.

Существуют еще некоторые типы сигналов:

— Детерминированный, или регулярный – это сигнал, закон изменения которого известен и известны все его параметры.

— Квазидетерминированный — это сигнал, закон изменения которого известен, но один или несколько параметров является случайной величиной. 

— Случайным называют сигнал, мгновенные значения которого не известны, а могут быть лишь предсказаны с некоторой вероятностью.

Что же происходит с сигналом в канале связи?

С ним происходят ослабления, задержка, доплеровский сдвиг, шумы и тому подобное. Все эти явления рассматривают на других предметах.

Сигнал ослабевает за счет рассеивания в пространстве. Не смотря на то, что электромагнитная волна, это самое быстрое, что есть у нас во вселенной, все же скорость распространения этой волны конечна. И в эфире есть шумы и собственные шумы приемника. Замирания сигнала это процесс, когда у сигнала, случайным образом скачет амплитуда и фаза. Бывают быстрые и медленные замирания. Какие-то частоты он усиливает, какие-то ослабляет, фаза где-то поворачивается в одну сторону, где-то в другую это и есть линейные искажения. 

Любая рассматриваемая тема в информатике всегда очень тесно связана с другими науками. И очень сложно бывает кратко описать тему, не затрагивая другие науки. Взаимосвязь наук очевидна. Поэтому говоря о передаче информации, можно рассказать очень многое. В данной теме вкратце мы постарались рассмотреть, как мы передаем информацию от источника к приемнику.

Компьютер – это цифровая машина, значит внутреннее представление информации в нём дискретно. Дискретизация входной информации (если она непрерывна) позволяет сделать её пригодной для компьютерной обработки. Для этого информацию кодируют. Это значит, что, к примеру, вводя с клавиатуры буквы, компьютер их представляет не как буквы, а в такой форме, чтобы ему было удобно обрабатывать их. Как правило существуют специальные кодировки. И когда мы пишем друг другу сообщения, то передаются совсем не буквы, а знаки. Но кодировка – это другая тема.

 

 

Знакомство с сигналами

Знакомство с сигналами

• Определение сигналов
  • Типы сигналов
  • Свойства сигнала
• Пример сигналов
  • Различные сигналы
  • Свойство периодичности
  • Разница между системами CT и DT
• Дельта , функция

Свойства и типы сигналов

Управление сигналами

• разворот времени
• сдвиг во времени
• замедление / сокращение времени
  • Разница между CT и DT

Составные сигналы

Почему цифровая обработка сигналов?

Если вы работаете на компьютере или используете компьютер для манипулирования данными, вы почти наверняка работаете с цифровыми сигналами.Все манипуляции с данными являются примерами цифровой обработки сигналов (для наших целей обработка сигналов с дискретным временем как экземпляры цифровой обработки сигналов). Примеры использования DSP:

• Фильтрация: устранение шума из сигналов, таких как речевые сигналы и другие аудиоданные, астрономические данные, сейсмические данные, изображения.
• Синтез и манипуляции: например, синтез речи, синтез музыки, графика.
• Анализ: сейсмические данные, атмосферные данные, анализ фондового рынка.
• Голосовая связь: обработка, кодирование и декодирование для хранения и пересылки.
• Кодирование голоса, звука и изображений для сжатия.
• Активное шумоподавление: наушники, глушители в автомобилях
• Обработка изображений, компьютерное зрение
• Компьютерная графика
• Промышленное применение: анализ вибрации, химический анализ
• Biomed: МРТ, сканирование кошек, визуализация, анализы, ЭКГ, ЭМГ и т. Д.
• Радар, Эхолот
• Сейсмология.

Определение сигналов

Что такое сигнал?

Сигнал — это способ передачи информации. Жесты, семафоры, изображения, звук — все это может быть сигналами.

Технически — функция времени, пространства или другой переменной наблюдения, которая передает информацию

Распишем 3 форм сигналов:

• Непрерывный / аналоговый сигнал
• Сигнал дискретного времени
• Цифровой сигнал

Непрерывный (CT) / аналоговый сигнал

конечный , действительный , гладкий функция $ s (t) $ переменной t , которая обычно представляет время.И s , и t в $ s (t) $ являются непрерывными

Почему на самом деле ?

Обычно явления реального мира имеют реальную ценность.

Почему конечный ?

Реальные сигналы обычно имеют ограниченную энергию просто потому, что для нас нет бесконечного источника энергии.
В качестве альтернативы, особенно когда они характеризуют долговременные явления (например, солнечное излучение), они будут ограничены по мощности.
Реальные сигналы также будут ограничены по амплитуде — их значения ни в коем случае не будут бесконечными.

Чтобы утверждать, что сигнал «конечен», нам нужна некоторая характеристика его «размера». Утверждать, что сигнал конечен, значит утверждать, что размер сигнала ограничен — он никогда не стремится к бесконечности.2 (\ тау), д \ тау. $

Амплитуда = $ max | s (t) | $

Почему гладкий ?

Реальные сигналы никогда не меняются резко / мгновенно. Чтобы быть более техническим, у них есть конечная пропускная способность .

Обратите внимание, что хотя мы сделали предположения о сигналах (конечность, реальные, гладкие), при фактическом анализе и разработке методов обработки сигналов эти соображения обычно игнорируются.

Дискретный сигнал (DT)

Сигнал с дискретным временем — это ограниченная последовательность с непрерывными значениями $ s [n] $. С другой стороны, его можно рассматривать как непрерывную функцию от дискретного индекса $ n $. 2 [n].$

Амплитуда = $ max | s [n] | $

Гладкость не применяется.

Цифровой сигнал

Мы будем работать с с цифровыми сигналами, но будем развивать теорию в основном вокруг сигналов с дискретным временем .

Цифровые компьютеры имеют дело с цифровыми сигналами , а не с сигналами дискретного времени.Цифровой сигнал представляет собой последовательность $ s [n] $, где index значения $ s [n] $ не только конечны, но могут принимать только конечный набор значений. Например, в цифровом сигнале, где отдельные числа $ s [n] $ хранятся с использованием 16-битных целых чисел, $ s [n] $ может принимать одно из 2 ¹⁶ значений.

В числовом ряду $ s [n] $ значения s могут принимать только фиксированный набор значений.

Цифровые сигналы — это сигналы с дискретным временем, полученные после «оцифровки». Цифровые сигналы также обычно получают путем измерения от явления реального мира. Однако, в отличие от принятой нормы для аналоговых сигналов, цифровые сигналы могут принимать комплексные значения.

Выше представлены некоторые критерии для реальных сигналов. Теоретические сигналы не ограничены

реальный — это часто нарушается; работаем с комплексными числами

конечное / ограниченное

энергия — ВСЕГДА нарушается

. Сигналы, которые имеют бесконечную временную протяженность, , то есть , которые простираются от $ — \ infty $ до $ \ infty $, могут иметь бесконечную энергию.

мощность — почти никогда: почти все сигналы, с которыми мы столкнемся, имеют ограниченную мощность

плавность — это часто нарушается многими из рассматриваемых нами сигналов непрерывного времени.

Примеры «стандартных» сигналов

Мы перечисляем некоторые основные типы сигналов, которые часто встречаются в DSP. Мы перечисляем их версии для непрерывного и дискретного времени. Обратите внимание, что аналоговые версии с непрерывным временем некоторых из этих сигналов являются искусственными конструкциями — они нарушают некоторые из условий, которые мы указано выше для сигналов реального мира и фактически не может быть реализовано.

Типы сигналов

Мы можем классифицировать сигналы по их свойствам, и все это повлияет на наш анализ этих сигналов позже.

Периодические сигналы

Сигнал является периодическим, если он повторяется ровно через некоторый промежуток времени. Однако значение периодичности различается для сигналов с непрерывным и дискретным временем.Мы рассмотрим каждый из них по очереди.

Сигналы непрерывного времени Таким образом, в непрерывном времени сигнал, если он называется периодическим, если существует какое-либо значение $ T $ такое, что \ [ s (t) = s (t + MT), ~~~~~ — \ infty \ leq M \ leq \ infty, ~~ \ text {integer} ~ M \] Наименьшее значение $ T $, для которого указанное выше соотношение удерживает период сигнала.

Дискретные временные сигналы

Определение периодичности в сигналах с дискретным временем аналогично определению для сигналов с непрерывным временем с одним ключевым отличием: период должен быть целым числом.Как мы увидим, это приводит к некоторым неинтуитивным выводам.

Дискретный сигнал времени $ x [n] $ называется периодическим, если существует положительное целое значение $ N $ такое, что \ [ x [n] = x [n + MN] \] для всех целых $ M $. Наименьшее значение $ N $, для которого справедливо указанное выше, является периодом сигнала.

Четные и нечетные сигналы

Симметический сигнал и даже — это сигнал, который зеркально отражается в момент времени $ t = 0 $.Сигнал считается, даже если он обладает следующим свойством: \ [ \ text {Непрерывное время:} ~ s (t) = s (-t) \\ \ text {Дискретное время:} ~ s [n] = s [-n] \]

Сигнал является нечетным симметическим сигналом, если он имеет следующее свойство: \ [ \ text {Непрерывное время:} ~ s (t) = -s (-t) \\ \ text {Дискретное время:} ~ s [n] = -s [-n] \]

На рисунке ниже показаны примеры четных и нечетных симметричных сигналов.Например, косинус даже симметричен, поскольку $ \ cos (\ theta) = \ cos (- \ theta) $, что приводит к $ \ cos (\ omega t) = \ cos (\ omega (-t)) $ . С другой стороны, синус нечетно симметричен, поскольку $ \ sin (\ theta) = — \ sin (- \ theta) $, что приводит к $ \ sin (\ omega t) = — \ sin (\ omega (-t) ) $.

Разложение сигнала на четные и нечетные составляющие Любой сигнал $ x [n] $ может быть выражен как сумма четного и нечетного сигналов следующим образом. \ [ x [n] = x_ {четное} [n] + x_ {нечетное} [n] \] куда \ [ x_ {даже} [n] = 0.5 (х [п] + х [-n]) \\ x_ {odd} [n] = 0,5 (x [n] — x [-n]) \]

Управляющие сигналы

Сигналы могут быть составлены путем манипулирования и комбинирования других сигналов. Кратко рассмотрим эти манипуляции.

Масштабирование

Простое масштабирование сигнала вверх или вниз с помощью коэффициента усиления.

Непрерывное время: $ y (t) = a x (t) $

Дискретное время: $ y [n] = a x [n] $

$ a $ может быть реальным / мнимым, положительным / отрицательным. Когда $ a отрицательно, сигнал переворачивается по оси y.

Разворот времени

Переворот сигнала слева направо.

Непрерывное время: $ y (t) = x (-t) $

Дискретное время: $ y [n] = x [-n] $

Сдвиг по времени

Сигнал смещен вдоль оси индента на $ \ tau $ (или N для дискретного времени). Если $ \ tau $ положительно, сигнал задерживается, а если $ \ tau $ отрицательный сигнал продвигается.

Непрерывное время: $ y (t) = x (t- \ tau) $

Дискретное время: $ y [n] = x [n — N] $

Расширение

Саму временную ось можно масштабировать на $ \ alpha $.

Непрерывное время: $ y (t) = x (\ alpha t) $

Дискретное время: $ y [n] = x [/ alpha n] $

Расширение DT отличается от расширения CT, потому что $ x [n] $ определяется ТОЛЬКО в целом числе n, поэтому для существования $ y [n] = x [\ alpha n] $ «an» должно быть целым числом.

Однако $ x [\ alpha n] $ при $ a \ neq 1 $ проигрывает некоторым семплам. Вы никогда не сможете полностью восстановить x [n] из него. Этот процесс часто называют дециминкацией .

Для сигналов DT $ y [n] = x [\ alpha n] $ для $ \ alpha интерполировать нули для неопределенных значений, если $ an $ не является целым числом.

Составные сигналы

Сигналы могут быть составлены путем манипулирования и комбинирования других сигналов. Есть несколько способов комбинирования сигналов, и мы рассматриваем следующие два:

ДОПОЛНЕНИЕ

Непрерывное время: $ y (t) = x_1 (t) + x_2 (t) $ Дискретное время: $ y [n] = x_1 [n] + x_2 [n] $

УМНОЖЕНИЕ

Непрерывное время: $ y (t) = x_1 (t) x_2 (t) $ Дискретное время: $ y [n] = y_1 [n] y_2 [n] $

$ x_1 [n] $ и $ x_2 [n] $ сами могут быть получены путем манипулирования другими сигналами.{\ alpha t} u (t) $ для $ \ alpha

На самом деле односторонние сигналы могут быть получены умножением на u [n] (или сдвинутые / обращенные во времени версии u [n] или u (t)).

Получение основных сигналов друг от друга

Можно получить один сигнал из другого просто с помощью математических манипуляций.{\ infty} u [k] \ delta [n-k] $

На этом завершается введение в сигналы. В обзоре мы обсудили важность DSP, типы сигналов и их свойства, манипуляции с сигналами, и состав сигнала. Далее мы обсудим системы.

Сигналы, системы и связь | Электротехника и информатика

Достижения в области технологий улучшают возможности анализа различных источников информации, таких как аудио (речь, акустика, музыка), изображения (видео, мультимедиа, медицинские сканы), медицинские сигналы (частота сердечных сокращений, артериальное давление, активность мозга) и данные дистанционного зондирования ( геофизические, радиолокационные, гидроакустические).Примерами систем, которые манипулируют сигналами, являются распознавание речи, потоковое видео, сотовые сети и медицинские сканеры, такие как МРТ. Дисциплины обработки сигналов и изображений связаны с анализом и синтезом сигналов и их взаимодействием с системами. В связи цель состоит в том, чтобы передавать информацию (сигналы) от одного или нескольких источников к одному или нескольким адресатам, что требует разработки схем передачи (например, модуляции и кодирования), приемников и фильтров.Область «Сигнальные системы и связь» охватывает основы аналоговых и цифровых сигналов и систем, математические инструменты для анализа детерминированных и случайных сигналов, а также приложения для обработки цифровых сигналов, обработки цифровых изображений и цифровой / аналоговой связи. Факультет сигналов и связи штата Орегон специализируется в таких областях, как проводная и беспроводная связь, экологические и медицинские исследования, сотовая связь, обмен данными и информацией.

Возможности трудоустройства варьируются в самых разных областях, таких как промышленность мобильных телефонов, волоконно-оптическая связь, ADSL и широкополосная кабельная связь, звуковая и аудиотехника, распознавание речи, медицинские системы визуализации (рентгеновские снимки, КТ, МРТ, ПЭТ), DSP. проектирование аппаратного и программного обеспечения, полиграфическая промышленность, цифровые дисплеи (ЭЛТ, ЖК-дисплеи, плазменные панели), цифровые камеры и видеокамеры, стандарты сжатия изображений (JPEG, MPEG).

Потенциальные возможности трудоустройства

Инженер по обработке сигналов : разработка программного и аппаратного обеспечения для обработки сигналов в таких областях, как аудио, изображения, медицина и дистанционное зондирование для таких компаний, как Texas Instruments, HP, Intel, Google, Samsung, LT, MATLAB

Инженер по коммуникациям : проектирование, разработка и обслуживание систем связи для таких компаний, как Broadcom и Cisco, или национальных лабораторий, таких как Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора, MIT Lincoln Labs или MITER.

Факультет

Курсы

Ядро

• ECE 461 и 462 (Связь)
• ECE 464 (цифровая обработка сигналов)
• ECE 468 (цифровая обработка изображений)

Факультативы

• ECE 463 (сеть беспроводной связи)
• CS 325 (Анализ алгоритмов)
• CS 331 (Введение в искусственный интеллект)
• CS 434 (Машинное обучение и интеллектуальный анализ данных)
• CS 450 (Введение в компьютерную графику)
• ECE 390 (электрические и магнитные поля)
• ECE 413 (датчики)
• ECE 422 и 423 (интегральные схемы CMOS)
• ECE 473 (Конструкция микропроцессорной системы)
• ECE 482 (Оптико-электронные системы)
• ECE 451 / ME 430 (Системная динамика и управление)
• ECE 474 (Система СБИС)
• ECE 483 (Волноводная оптика)

Аналог vs.Цифровые сигналы: использование, преимущества и недостатки | Статья

.

Получайте ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Сигнал — это электромагнитный или электрический ток, по которому данные передаются из одной системы или сети в другую. В электронике сигнал часто представляет собой изменяющееся во времени напряжение, которое также является электромагнитной волной, несущей информацию, хотя он может принимать другие формы, например ток.В электронике используются два основных типа сигналов: аналоговые и цифровые. В этой статье обсуждаются соответствующие характеристики, использование, преимущества и недостатки, а также типичные применения аналоговых и цифровых сигналов.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал изменяется во времени и обычно привязан к диапазону (например, от +12 В до -12 В), но в этом непрерывном диапазоне существует бесконечное количество значений. Аналоговый сигнал использует данное свойство среды для передачи информации о сигнале, например, электричество, движущееся по проводу.В электрическом сигнале напряжение, ток или частота сигнала могут изменяться для представления информации. Аналоговые сигналы часто представляют собой рассчитанные реакции на изменения света, звука, температуры, положения, давления или других физических явлений.

При нанесении на график зависимости напряжения от времени аналоговый сигнал должен давать плавную и непрерывную кривую. Никаких дискретных изменений значения быть не должно. (см. Рисунок 1) .

Рисунок 1: Аналоговый сигнал

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал — это сигнал, который представляет данные как последовательность дискретных значений.Цифровой сигнал может принимать только одно значение из конечного набора возможных значений в данный момент времени. В случае цифровых сигналов физическая величина, представляющая информацию, может быть различной:

• Переменный электрический ток или напряжение
• Фаза или поляризация электромагнитного поля
• Акустическое давление
• Намагничивание магнитных носителей информации

Цифровые сигналы используются во всей цифровой электронике, включая вычислительное оборудование и устройства передачи данных.При нанесении на график зависимости напряжения от времени цифровые сигналы имеют одно из двух значений и обычно находятся в диапазоне от 0 В до VCC (обычно 1,8 В, 3,3 В или 5 В) (см. Рисунок 2) .

Аналоговая электроника

Большинство основных электронных компонентов — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы и операционные усилители (операционные усилители) — по своей сути являются аналоговыми компонентами. Схемы, построенные из комбинации этих компонентов, представляют собой аналоговые схемы (см. Рисунок 3) .

Рисунок 3: Аналоговая схема

Аналоговые схемы могут иметь сложную конструкцию с несколькими компонентами или могут быть простыми, например, двумя резисторами, образующими делитель напряжения. Как правило, аналоговые схемы проектировать сложнее, чем цифровые схемы, выполняющие ту же задачу. Для разработки аналогового радиоприемника или аналогового зарядного устройства для батареи потребуется проектировщик, знакомый с аналоговыми схемами, поскольку для упрощения этих конструкций были приняты цифровые компоненты.

Аналоговые схемы обычно более восприимчивы к шуму, причем «шумом» являются любые небольшие нежелательные изменения напряжения.Небольшие изменения уровня напряжения аналогового сигнала могут привести к значительным ошибкам при обработке.

Аналоговые сигналы обычно используются в системах связи, которые передают голос, данные, изображение, сигнал или видеоинформацию с использованием непрерывного сигнала. Существует два основных типа аналоговой передачи, которые основаны на том, как они адаптируют данные для комбинирования входного сигнала с сигналом несущей. Двумя методами являются амплитудная модуляция и частотная модуляция. Амплитудная модуляция (AM) регулирует амплитуду несущего сигнала.Частотная модуляция (FM) регулирует частоту несущего сигнала. Аналоговая передача может быть достигнута многими способами:

1. Через витую пару или коаксиальный кабель
2. Через оптоволоконный кабель
3. По радио
4. По воде

Подобно тому, как человеческое тело использует глаза и уши для захвата сенсорной информации, аналоговые схемы используют эти методологии для взаимодействия с реальным миром, а также для точного захвата и обработки этих сигналов в электронике.

MPS производит множество аналоговых ИС и компонентов, таких как MP2322, синхронный понижающий преобразователь с низким I _Q в крошечном корпусе QFN размером 1,5 x 2 мм.

Цифровая электроника

Цифровые схемы реализуют такие компоненты, как логические вентили или более сложные цифровые ИС. Такие ИС представлены прямоугольниками с выходящими из них выводами (см. Рисунок 4) .

Рисунок 4: Цифровая схема

Цифровые схемы обычно используют двоичную схему.Хотя значения данных представлены только двумя состояниями (0 и 1), большие значения могут быть представлены группами двоичных битов. Например, в 1-битной системе 0 представляет значение данных 0, а 1 представляет значение данных 1. Однако в 2-битной системе 00 представляет 0, 01 представляет 1, 10 представляет 2, а 11 представляет 3. В 16-битной системе наибольшее число, которое может быть представлено, равно 216 или 65 536. Эти группы битов могут быть захвачены либо как последовательность последовательных битов, либо через параллельную шину.Это позволяет легко обрабатывать большие потоки данных.

В отличие от аналоговых схем, наиболее полезные цифровые схемы являются синхронными, что означает наличие опорных часов для координации работы схемных блоков, поэтому они работают предсказуемым образом. Аналоговая электроника работает асинхронно, то есть обрабатывает сигнал по мере его поступления на вход.

В большинстве цифровых схем для обработки данных используется цифровой процессор. Это может быть простой микроконтроллер (MCU) или более сложный процессор цифровых сигналов (DSP), который может фильтровать и обрабатывать большие потоки данных, например видео.

Цифровые сигналы обычно используются в системах связи, где цифровая передача может передавать данные по каналам передачи «точка-точка» или «точка-множество точек», например, по медным проводам, оптоволоконным кабелям, средствам беспроводной связи, носителям данных или компьютерным шинам. Передаваемые данные представлены в виде электромагнитного сигнала, например микроволнового, радиоволны, электрического напряжения или инфракрасного сигнала.

В общем, цифровые схемы легче спроектировать, но они часто стоят дороже, чем аналоговые схемы, предназначенные для тех же задач.

Каталог цифровых компонентов

MPS включает MP2886A, цифровой многофазный ШИМ-контроллер с интерфейсом PWM-VID, совместимый со спецификацией NVIDIA Open VReg.

Преобразование аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового (ЦАП) сигнала

Многие системы должны обрабатывать как аналоговые, так и цифровые сигналы. Во многих системах связи обычно используется аналоговый сигнал, который действует как интерфейс для среды передачи для передачи и приема информации.Эти аналоговые сигналы преобразуются в цифровые, которые фильтруют, обрабатывают и сохраняют информацию.

Рисунок 5 показывает общую архитектуру, в которой аналоговый интерфейс RF (AFE) состоит из всех аналоговых блоков для усиления, фильтрации и усиления аналогового сигнала. Между тем, секция процессора цифровых сигналов (DSP) фильтрует и обрабатывает информацию. Для преобразования сигналов из аналоговой подсистемы в цифровую подсистему в тракте приема (RX) используется аналого-цифровой преобразователь (ADC).Для преобразования сигналов из цифровой подсистемы в аналоговую подсистему в тракте передачи (TX) используется цифро-аналоговый преобразователь (DAC).

Рисунок 5: Система связи с аналоговыми и цифровыми подсистемами

Цифровой сигнальный процессор (DSP) — это специализированный микропроцессорный чип, который выполняет операции цифровой обработки сигналов. DSP изготавливаются на интегральных микросхемах MOSFET и широко используются в обработке аудиосигналов, телекоммуникациях, цифровой обработке изображений, телевизионных продуктах высокой четкости, обычных бытовых электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, и во многих других важных приложениях.

DSP используется для измерения, фильтрации или сжатия непрерывных реальных аналоговых сигналов. Выделенные DSP часто имеют более высокую энергоэффективность, что делает их пригодными в портативных устройствах из-за ограничений по энергопотреблению. Большинство микропроцессоров общего назначения также могут выполнять алгоритмы цифровой обработки сигналов.

Работа АЦП

Рисунок 6 показывает работу АЦП. На вход поступает аналоговый сигнал, который обрабатывается схемой удержания выборки (S / H) для создания приближенного цифрового представления сигнала.Амплитуда больше не имеет бесконечных значений и была «квантована» до дискретных значений в зависимости от разрешения АЦП. АЦП с более высоким разрешением будет иметь более мелкие размеры шага и более точно представлять входной аналоговый сигнал. Последний каскад АЦП кодирует оцифрованный сигнал в двоичный поток битов, который представляет амплитуду аналогового сигнала. Цифровой вывод теперь можно обрабатывать в цифровом формате.

Рисунок 6: Типичная архитектура АЦП для преобразования аналогового сигнала в цифровой

Работа ЦАП

ЦАП обеспечивает обратную работу.Вход ЦАП представляет собой двоичный поток данных из цифровой подсистемы и выводит дискретное значение, которое аппроксимируется как аналоговый сигнал. По мере увеличения разрешения ЦАП выходной сигнал все больше приближается к истинному плавному и непрерывному аналоговому сигналу (см. Рисунок 7). Обычно в цепи аналогового сигнала есть постфильтр для дальнейшего сглаживания формы волны.

Рисунок 7: 6-битный ЦАП для цифро-аналогового преобразования сигнала

Как упоминалось ранее, многие системы, используемые сегодня, представляют собой «смешанные сигналы», что означает, что они полагаются как на аналоговые, так и на цифровые подсистемы.Эти решения требуют, чтобы АЦП и ЦАП преобразовывали информацию между двумя доменами.

Сравнение цифровых сигналов и аналоговых сигналов: преимущества и недостатки

Как и в большинстве инженерных тем, у аналоговых и цифровых сигналов есть свои плюсы и минусы. Конкретное приложение, требования к производительности, среда передачи и операционная среда могут определять, следует ли использовать аналоговую или цифровую сигнализацию (или их комбинацию).

Цифровые сигналы: преимущества и недостатки

Преимущества использования цифровых сигналов, включая системы цифровой обработки сигналов (DSP) и системы связи, включают следующее:

• Цифровые сигналы могут передавать информацию с меньшим шумом, искажениями и помехами.
• Цифровые схемы можно легко воспроизводить в массовых количествах при сравнительно небольших затратах.
• Цифровая обработка сигналов более гибкая, поскольку операции DSP можно изменять с помощью систем с цифровым программированием.
• Цифровая обработка сигналов более безопасна, поскольку цифровая информация может быть легко зашифрована и сжата.
• Цифровые системы более точны, и вероятность появления ошибок можно снизить за счет использования кодов обнаружения и исправления ошибок.
• Цифровые сигналы могут быть легко сохранены на любых магнитных или оптических носителях с использованием полупроводниковых микросхем.
• Цифровые сигналы могут передаваться на большие расстояния.

К недостаткам использования цифровых сигналов, включая систему цифровой обработки сигналов (DSP) и систем связи, относятся следующие:

• Для цифровой связи требуется более широкая полоса пропускания по сравнению с аналоговой передачей той же информации.
• DSP обрабатывает сигнал на высоких скоростях и содержит больше внутренних аппаратных ресурсов.Это приводит к более высокому рассеянию мощности по сравнению с обработкой аналогового сигнала, которая включает пассивные компоненты, потребляющие меньше энергии.
• Цифровые системы и обработка обычно более сложные.

Аналоговые сигналы: преимущества и недостатки

Преимущества использования аналоговых сигналов, включая системы обработки аналоговых сигналов (ASP) и связи, включают следующее:

• Аналоговые сигналы легче обрабатывать.
• Аналоговые сигналы лучше всего подходят для передачи аудио и видео.
• Аналоговые сигналы имеют гораздо более высокую плотность и могут предоставлять более точную информацию.
• Аналоговые сигналы используют меньшую полосу пропускания, чем цифровые сигналы.
• Аналоговые сигналы обеспечивают более точное представление изменений физических явлений, таких как звук, свет, температура, положение или давление.
• Аналоговые системы связи менее чувствительны с точки зрения электрических допусков.

Недостатки использования аналоговых сигналов, включая системы обработки аналоговых сигналов (ASP) и системы связи, включают следующее:

• Передача данных на большие расстояния может привести к нежелательным помехам сигнала.
• Аналоговые сигналы склонны к потере генерации.
• Аналоговые сигналы подвержены шумам и искажениям, в отличие от цифровых сигналов, которые имеют гораздо более высокую устойчивость.
• Аналоговые сигналы обычно имеют более низкое качество, чем цифровые сигналы.

Аналоговые и цифровые сигналы: системы и приложения

В традиционных аудиосистемах и системах связи используются аналоговые сигналы. Однако с развитием технологий обработки кремния, возможностей цифровой обработки сигналов, алгоритмов кодирования и требований к шифрованию — в дополнение к увеличению эффективности использования полосы пропускания — многие из этих систем стали цифровыми.Они по-прежнему являются некоторыми приложениями, в которых аналоговые сигналы имеют устаревшее использование или преимущества. Большинство систем, которые взаимодействуют с реальными сигналами (такими как звук, свет, температура и давление), используют аналоговый интерфейс для захвата или передачи информации. Несколько приложений аналогового сигнала перечислены ниже:

• Запись и воспроизведение аудиозаписей
• Датчики температуры
• Датчики изображения
• Радиосигналы
• Телефоны
• Системы управления

MPS предлагает широкий ассортимент аналоговых компонентов, включая MP2322, MP8714, MP2145 и MP8712.

Хотя многие оригинальные системы связи использовали аналоговую сигнализацию (телефоны), современные технологии используют цифровые сигналы из-за их преимуществ, таких как помехозащищенность, шифрование, эффективность использования полосы пропускания и возможность использования ретрансляторов для передачи на большие расстояния. Ниже перечислены несколько приложений для цифровых сигналов:

• Системы связи (широкополосная, сотовая)
• Сеть и передача данных
• Цифровые интерфейсы для программирования

Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше о цифровых компонентах MPS, таких как MP2886A, MP8847, MP8868, MP8869S и MP5416.

Заключение

В этой статье представлены некоторые основные концепции аналоговых и цифровых сигналов и их использование в электронике. У каждой технологии есть явные преимущества и недостатки, и знание потребностей вашего приложения и требований к производительности поможет вам определить, какой сигнал (ы) выбрать.

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

Как компьютеры хранят и передают данные

В этом упражнении мы будем использовать двоичное кодирование для представления путей через ряд «высоких» и «низких» вариантов, которые представляют, какой путь выбрать на логической карте.Студенты будут действовать как цифро-аналоговые преобразователи для декодирования двоичных импульсов и создания изображения путем преобразования импульсов в цветные пиксели.

Музыка, передаваемая в ваш автомобиль через спутниковое радио, и информация, хранящаяся в библиотеках данных, представляют собой цифровые сигналы, использующие двоичную систему . В двоичной системе есть только две цифры, 1 и 0. Значение или значение этих цифр могут различаться. Например, они могут представлять «истина» и «ложь», «включение» и «выключение», или «высокое» и «низкое».”

На этом рисунке показано, как двоичное кодирование может использоваться для представления путей через ряд «высоких» и «низких» вариантов. Следование двоичному коду укажет путь к логической карте и поможет найти желаемые цвета.

«1» будет указывать на «высокий» путь, а «0» будет указывать на «низкий» путь. С помощью этой карты, называемой «картой логических вентилей», двоичная последовательность из 0 и 1 может указывать, когда «идти вверх» или «идти вниз», передавая путь на карте к «кодированию» цвета.Например, используя приведенную выше логическую карту, 010 будет означать «0» — вниз, «1» — вверх, «0» — вниз. Это будет код для зеленого цвета.

Теперь попробуйте

Используйте эту таблицу, чтобы определить, какой цвет будет закодирован числом 111 ?

Если вы закончили черным, значит, вы его получили!

Цифровые сигналы передаются в компьютеры в виде электронных сигналов, отправляемых в виде импульсов. Цифровое устройство интерпретирует напряжение каждого импульса как 0 или 1.На изображении ниже показан пример оцифрованной волны.

Используя этот график, где красные линии в верхней части представляют собой «1», а красные линии в нижней части представляют «0», вы можете видеть, что вся красная линия представляет собой последовательность единиц и нулей вдоль вверху графика: 11001110111011.

Если бы мы использовали каждую группу из трех чисел, чтобы найти соответствующий цвет в таблице выше, мы бы использовали:

110 — розовый
011 — синий
101 — красный

Объяснение пикселей

В большинстве электронных устройств, таких как смартфоны, компьютеры и телевизионные экраны, используется технология жидкокристаллических дисплеев (ЖКД).Экран состоит из миллионов крошечных кусочков, которые называются пиксель . Электронное устройство получает закодированную информацию в виде цифровых сигналов и использует электричество для управления цветом пикселей. Каждый крошечный пиксель просто меняет цвет от одного цвета к другому в зависимости от электрического сигнала, но поскольку пиксели такие маленькие, ваш глаз обнаруживает движение на всем изображении. Прекрасным примером этого в природе являются шкалы или «пиксели» на изображении крыла бабочки ниже и в этом крутом видео.

Сложные узоры на крыльях моли состоят из отдельных ячеек, которые выражают разные цвета. Предоставлено: Wikimedia Commons.

Как работает деятельность?

Каждому ученику дается цифровой волновой график, подобный изображенному ниже. Используя карту логических вентилей, студенты будут декодировать сигнал в цвета пикселей для части мозаики.

Первые цифры будут введены в первую ячейку, а следующие цифры будут заполнены по порядку. Затем карта логических вентилей будет использоваться для определения их цветов.Предоставлено: Андреа ЛаРоса. Студенты будут заполнять эту таблицу, когда они расшифровывают свои цвета. В этом примере цвета, декодированные учеником №1, показаны в верхнем левом углу. Предоставлено: Андреа ЛаРоса. Сигнал каждого студента будет составлять часть общего имиджа. Предоставлено: Андреа ЛаРоса

Чтобы сделать свой собственный шедевр мозаики в классе, четыре класса завершают панно большой настенной росписи Post-it.

Фреска, созданная четырьмя классами, представляет собой сцену океана. Кредит: Андреа ЛаРоса

Материалы

— Дозиметр

— Лента

— Бумага формата Legal, разрезанная пополам по длине для сеточных этикеток

— Карта логических ворот ученика и таблицы ученической сетки

— Графы двоичной последовательности

— Восемь плакатов 22 × 28 дюймов (рекомендуется использовать по две на класс):

— 2 стикера по 2 дюйма:

— 2 упаковки стикеров Super Sticky Notes, 2 x 2 дюйма, коллекция Рио-де-Жанейро

— 1 упаковка стикеров Super Sticky Notes, 2 x 2 дюйма, Marrakesh Collection

— 1 упаковка стикеров Super Sticky Notes, 2 x 2 дюйма, яркие неоны

— Примечание для преподавателей: Из вышеперечисленных пакетов будет получена полная мозаика правильных цветов (154 стикера на плакат).Если стикеры недоступны, учащиеся могут раскрасить сетку маркерами.

Препарат

Прежде чем учащиеся создадут свои шедевры для наклеек, нарисуйте квадратную сетку 14 на 11 на каждой доске для плакатов. Строки и столбцы будут шириной два дюйма (ширина ваших стикеров). Склейте две доски для плакатов по сторонам размером 28 дюймов так, чтобы получилась сетка 22 x 11.

Распечатайте двоичные последовательности учеников и таблицы назначений.Вырежьте эти листы по пунктирным линиям и дайте каждому ученику назначенную последовательность и соответствующую таблицу. Ваша установка должна выглядеть так:

Процедура для учащихся

Decode : Вы декодируете 10-12 квадратов на сетке. Ниже приведен пример графа двоичной последовательности. Красная линия — цифровое представление сигнала. Используйте назначенный вам график сигналов и логическую карту для декодирования двоичной последовательности и цвета в таблице сетки. Перед тем, как перейти к построению мозаики, посоветуйтесь со своим учителем.

Construct : узнайте количество и цвет стикеров для вашего участка мозаики. Поместите стикеры в соответствующие квадраты сетки для плакатов.

Совет учителю: создайте доску для плакатов с предварительно нанесенными этикетками, чтобы помочь своим ученикам создать мозаику. Предоставлено: Андреа ЛаРоса

Добавьте стикеры к сетке плаката в правильном порядке. При этом думайте о каждом квадрате сетки как о пикселе, а о своем выборе цвета в результате обработки двоичного кода для получения правильного цвета!

— Что сделал ваш класс?

— Как вы думаете, можно ли создать руководство по двоичному коду, чтобы сделать фреску?

Что такое цифровые и аналоговые сигналы? — Определение и объяснение — Видео и стенограмма урока

Цифровой сигнал с двоичным

Что такое модем?

В среде связи модем представляет собой комбинацию двух сетевых устройств: модулятора и демодулятора (для краткости модема).Эти устройства одновременно выполняют алгоритмы модуляции и демодуляции, чтобы преобразовать сигнал из аналого-цифрового и из цифро-аналогового, обеспечивая передачу данных в различные вычислительные ресурсы и обратно.

Что такое модуляция / демодуляция

Давайте посмотрим на типичный поток данных, используя иллюстрацию ниже в качестве справки. Для начала лучше всего позвонить по телефону. Помните, что когда мы говорим в микрофон, звуковые волны нашего голоса передаются по телефону в виде радиоволн (аналоговых сигналов), которые обычно различаются по мощности или частоте сигнала.Аналоговые сигналы передаются от телефона в модем. Задача модема — демодулировать, то есть преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые для компьютерной обработки, а затем в конечном итоге модулировать сигнал, возвращая цифровые сигналы обратно в аналоговые.

Другими словами, требуются два модема для выполнения аналого-цифрового (демодуляция) и цифро-аналогового (модуляция) преобразования. Когда ваш звонок возвращается, цифровой сигнал принимается из телекоммуникационной сети телефонной компании и проходит по вашей телефонной линии в модем, где сигнал модулируется (преобразуется в аналоговый).Это позволяет вам услышать и, надеюсь, понять хорошие новости, которые сообщает звонящий. Не будет преувеличением сказать, что без технологии модуляции и демодуляции мы не смогли бы отправлять и получать информацию через обычную среду передачи, такую ​​как ваша телефонная линия.

Сценарий модуляции и демодуляции

Какой сигнал лучше?

Поскольку цифровая технология продолжает развиваться, аналоговая технология будет использоваться все реже, потому что цифровые сигналы более надежны и не подвержены значительному влиянию внешних помех (называемых шумом), как аналоговые сигналы.Вот почему цифровой сигнал рекомендуется перед аналоговым, когда требуется постоянный поток сигнала. Другое преимущество, и, возможно, наиболее желательное в современной связи, заключается в том, что цифровые сигналы могут передаваться с более высокой скоростью, чем аналоговые сигналы, что обеспечивает повышение скорости.

С другой стороны, аналоговые сигналы имеют свои преимущества. Одно из таких преимуществ — эксплуатационные расходы. Традиционно аналоговое оборудование и связанные с ним носители обычно дешевле при первоначальной покупке, обслуживании и замене.Кроме того, аналоговые сигналы могут нести бесконечное количество данных из-за большей плотности. Кроме того, учитывая отсутствие сложности по сравнению с цифровыми сигналами, аналоговые сигналы легче контролировать и обрабатывать по сравнению с цифровыми сигналами.

Учитывая как преимущества, так и недостатки обоих типов сигналов, считается, что цифровые сигналы имеют преимущество перед аналоговыми сигналами.

Итоги урока

Давайте рассмотрим. Аналоговые сигналы обозначаются синусоидальной волной и различаются по амплитуде и времени.Мы также обсудили цифровой сигнал и его использование двоичных (единиц и нулей), а также то, что модуляция и демодуляция (модем) необходимы для отправки и приема данных через среду передачи. Преимущества цифровых сигналов включают надежность и более высокую скорость, в то время как преимущества аналоговых сигналов включают меньшие эксплуатационные расходы, возможность передавать бесконечное количество данных и простоту управления и обработки.

Цифровое и аналоговое

Модемы принимают и преобразуют цифровые и аналоговые сигналы

Цифровой	Аналог
* Использует двоичные (0 и 1) для передачи информации * Сохраняет единую структуру * Обеспечивает четкий и последовательный сигнал * Может передаваться очень быстро	* Обозначается непрерывной синусоидой * Может различаться по мощности и частоте сигнала * Переносит бесконечное количество данных

Результаты обучения

Когда вы закончите, вы сможете:

• Описывать и сравнивать аналоговые и цифровые сигналы
• Объясните роль модема в ретрансляции аналоговых и цифровых сигналов
• Обобщите преимущества и недостатки аналоговых и цифровых сигналов

Связь и обработка сигналов • Электротехника и вычислительная техника

Компьютерный анализ изображений в основном включает области компьютерного или машинного зрения и медицинской визуализации, а также широко использует распознавание образов, цифровую геометрию и обработку сигналов.Эта область информатики развивалась в 1950-х годах в таких академических учреждениях, как MIT A.I. Lab, изначально как отрасль искусственного интеллекта и робототехники.

Компьютеры незаменимы для анализа больших объемов данных, для задач, требующих сложных вычислений, или для получения количественной информации. С другой стороны, зрительная кора головного мозга человека представляет собой превосходный прибор для анализа изображений, особенно для извлечения информации более высокого уровня, и для многих приложений, включая медицину, безопасность и дистанционное зондирование, человеческие аналитики по-прежнему не могут быть заменены компьютерами.По этой причине многие важные инструменты анализа изображений, такие как детекторы границ и нейронные сети, основаны на моделях визуального восприятия человека.

Компьютерное зрение — это наука и технология машин, которые видят. Как научная дисциплина, компьютерное зрение связано с теорией и технологиями построения искусственных систем, которые получают информацию из изображений или многомерных данных. Информация — это то, что позволяет принять решение. Поскольку восприятие можно рассматривать как извлечение информации из сенсорных сигналов, компьютерное зрение можно рассматривать как научное исследование искусственных систем восприятия из изображений или многомерных данных.

Компьютерное зрение также можно охарактеризовать как дополнение (но не обязательно наоборот) к биологическому зрению. В биологическом видении изучается зрительное восприятие людей и различных животных, в результате чего создаются модели того, как эти системы работают с точки зрения физиологических процессов. Компьютерное зрение, с другой стороны, изучает и описывает системы искусственного зрения, которые реализованы в программном и / или аппаратном обеспечении. Междисциплинарный обмен между биологическим и компьютерным зрением становится все более плодотворным для обеих областей.Приложения систем компьютерного зрения включают роботов и автономные транспортные средства, обнаружение, организацию информации и моделирование объектов.

Аналоговый сигнал — обзор

Аналоговые сигналы оцифровываются с помощью устройства, известного как аналого-цифровой (A / D) преобразователь . Это, по сути, вольтметр с компьютерным управлением, который принимает аналоговый сигнал в качестве входа и выдает машиночитаемое двоичное число в качестве выходного. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) является одним из наиболее важных компонентов системы сбора данных, его производительность определяет точность и скорость, с которой могут быть получены оцифрованные образцы.У АЦП есть три основных спецификации:

•

Диапазон входного напряжения

•

Разрешение

•

Время преобразования

Диапазон входного напряжения определяет диапазон аналоговых напряжений, которые АЦП способен оцифровывать. Этот диапазон напряжения может быть биполярным, , охватывающим как отрицательные, так и положительные напряжения, или униполярным (только положительным). Для общих лабораторных работ биполярный диапазон обеспечивает более гибкий вариант, поскольку большинство сигналов могут иметь как положительные, так и отрицательные колебания.Большинство АЦП предназначены для обработки биполярных напряжений в диапазоне ± 5 В или ± 10 В.

Точность, с которой аналоговое напряжение оцифровывается, зависит от количества битов в двоичном выходном слове, генерируемом АЦП. Это известно как разрешение АЦП . Чем больше количество битов, тем больше количество уровней квантования целых чисел и, следовательно, тем точнее разделение диапазона входного напряжения. Например, АЦП с 8-битным разрешением представляет аналоговый сигнал как двоичное число с 8 битами, обеспечивая 256 уровней квантования (0–255).Таким образом, сигнал, охватывающий почти весь диапазон напряжений, измеряется с точностью около 0,4%. Количество уровней квантования, n _q1 , связано с разрешением следующим образом:

[3.3] nql = 2nbits

, где n _битов — количество битов в двоичном слове. Для АЦП с заданным диапазоном входного напряжения и разрешающей способностью наименьшая разница напряжений, В _мин , которая может быть измерена, равна

[3.4] Vmin = V + −V − nql

, где V ₊ и В _— — это положительный и отрицательный пределы диапазона напряжений.Таким образом, наименьшая разница напряжений, которую может измерить 8-битный АЦП с диапазоном ± 5 В, составляет 39 мВ.

АЦП доступны с разрешением от 8 до 24 бит. Большинство из тех, что обычно используются в лаборатории, имеют разрешение не менее 12 бит, что дает 4096 уровней квантования. Этого — точность около 0,025% — обычно достаточно для большинства целей. Доступны АЦП с более высоким разрешением, например 20 и даже 24 бит, которые используются в приложениях, где требуется очень высокая точность, например оцифровка сигналов от ВЭЖХ (высокоэффективного жидкостного хроматографа).

Процесс аналого-цифрового преобразования не является мгновенным; определенное время требуется для измерения аналогового напряжения и генерации двоичного выходного значения. Это время преобразования устанавливает предел скорости, с которой аналоговый сигнал может быть дискретизирован. 12-битные АЦП, обычно используемые в лаборатории, имеют время преобразования в диапазоне 1–10 мкс и, таким образом, способны выполнять выборку с частотой от 100 кГц до 1 МГц. Вообще говоря, чем выше точность АЦП, тем больше времени требуется для выполнения преобразования, поэтому 16-разрядный АЦП будет иметь более длительное время преобразования, чем 8-разрядный.АЦП, предназначенные для оцифровки видеосигналов, могут иметь время преобразования 10 нс, но может быть ограничено 8-битным разрешением для достижения этой скорости. И наоборот, 24-битные АЦП, разработанные для высокоточной работы, могут потребовать 20 мс на преобразование.

3.3.1 Методы аналого-цифрового преобразования

Аналого-цифровое преобразование может быть реализовано множеством различных способов, в зависимости от того, что важнее всего — точность, скорость преобразования или стоимость. Три наиболее распространенных варианта:

•

Последовательное приближение

•

Параллельное или «флэш-преобразование»

•

Интеграция с двойным наклоном

Их характеристики производительности сравниваются в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Диапазон рабочих характеристик и применение различных конструкций АЦП

8803 0,5–2 мкс

АЦП	Разрешение (бит)	Время преобразования	Приложения
Последовательное приближение		общего назначения
Flash	7–8	10–100 нс	Высокая скорость / видео
Двойная интеграция	18–24	0.1–2 с	Высокая точность

В большинстве АЦП используется метод последовательного приближения , который обеспечивает компромисс с точки зрения скорости и точности преобразования и относительно недорог в реализации. Основные элементы 8-разрядного АЦП последовательного приближения 0–5 В показаны на рис. 3.3. Для простоты показан униполярный АЦП, но принципы в равной степени применимы к биполярным устройствам. Процесс преобразования начинается с сохранения снимка аналогового входного напряжения, В, , _в , с использованием схемы выборки и хранения.Опорное напряжение В _ref генерируется в цифровом виде из значения 8-битного слова двоичных данных путем суммирования набора из восьми фиксированных уровней напряжения (2,5, 1,25, 0,625, 0,312, 0,156, 0,078, 0,039, 0,020 В). Каждый уровень напряжения связан с определенным битом двоичного слова, установка бита определяет, добавляется ли это напряжение к опорному напряжению. Таким образом, эталонное напряжение от 0,02 В до 4,98 В с шагом 0,02 В может быть получено путем установки двоичного числа от 1 до 255.

Рисунок 3.3. Конструкции АЦП. (а) АЦП последовательного приближения. (b) Конвергенция опорного напряжения, В, , _{, ссылка} , к аналоговому входному напряжению, В, , _в , при каждом последующем сравнении во время аналого-цифрового преобразования. (c) Интеграционный АЦП с двойным наклоном. (d) Цикл заряда / разряда интегратора во время аналого-цифрового преобразования.

V _ref и V _в подаются в схему компаратора, которая позволяет АЦП определять, превышает ли V _ref V _в .Значение V, _ref регулируется для соответствия V, _в путем последовательного сравнения эффекта установки каждого бита в двоичном слове на единицу. Все биты изначально установлены в ноль. Начиная с самого старшего бита (7), который генерирует наибольшее напряжение, каждый бит устанавливается в единицу. Если это приводит к тому, что значение V _ref превышает значение V _в , бит сбрасывается обратно в ноль, в противном случае он сохраняется. Затем процесс повторяется со следующим младшим битом, пока не будут проверены все 8 бит.По сути, это процедура двоичного поиска, которая заставляет V, , _ref сходиться к V, , _в на каждом последующем шаге, как показано на рис. 3.3 (b). По завершении процедуры В _ref = В _в , с точностью до АЦП, и значение двоичного числа, представляющего это напряжение, может быть считано главным компьютером. Точность зависит от уровней опорного напряжения для каждого бита в двоичном слове, которые являются точными двоичными кратными друг другу.Любая неточность в этих уровнях вызывает разрывы в характеристике напряжения АЦП, что может привести к пропуску некоторых уровней двоичного квантования при определенных входных напряжениях. Это явление известно как пропущенных кодов , и гарантия «отсутствия пропущенных кодов» — это то, что нужно искать в спецификации высококачественного АЦП.

Скорость преобразования схемы последовательного приближения ограничена количеством сравнений напряжений, которые должны быть выполнены, каждое из которых требует короткого периода времени, чтобы позволить В _ref стабилизироваться после изменения бита.Поскольку для каждого бита требуется одно сравнение, это одна из причин, по которой АЦП с высоким разрешением имеют более длительное время преобразования. Типичный 12-битный АЦП последовательного приближения имеет время преобразования в диапазоне 0,5–2 мкс, поддерживая частоту дискретизации до 2 МГц. Параллельный или flash АЦП избегает этих ограничений, предоставляя компаратор для каждого уровня квантования и выполняя все сравнения напряжений одновременно, параллельно. Такой подход обеспечивает время преобразования в диапазоне 10 нс и частоту дискретизации до 100 МГц.Флэш-АЦП обычно используются в фреймграбберах для оцифровки видеосигналов или в высокоскоростных цифровых осциллографах. Плата цифрового осциллографа National Instruments NI 5112, например, использует флэш-АЦП, который поддерживает 8-битную аналого-цифровую дискретизацию 100 МГц. Однако высокая скорость вспышки куплена за счет разрешения. Необходимость иметь один аналоговый компаратор для каждого уровня квантования означает, что схема становится чрезмерно сложной и дорогостоящей с увеличением разрешения. Таким образом, флэш-АЦП обычно имеют разрешение всего 8 бит (256 компараторов).

С другой стороны, конструкция , объединяющая АЦП , обеспечивает повышенное разрешение за счет скорости преобразования. Вместо того, чтобы сравнивать аналоговое входное напряжение с серией фиксированных уровней опорного напряжения, как при последовательном приближении или импульсных схемах, интегрирующие АЦП измеряют время, необходимое для зарядки или разрядки конденсатора. Основные элементы интегрирующего АЦП показаны на рис. 3.3 (в, г). Конденсатор C заряжается путем подключения интегратора к аналоговому входу В, _в через резистор R в течение фиксированного периода времени, в результате чего напряжение на выходе интегратора пропорционально входному аналоговому напряжению.Затем интегратор переключается на фиксированное опорное напряжение, В, _ref , так что конденсатор начинает разряжаться с постоянной скоростью. Запускаются высокоскоростные часы, которые увеличивают двоичное выходное слово через равные промежутки времени до тех пор, пока выход интегратора снова не станет нулевым, создавая двоичное число, пропорциональное времени, необходимому для разрядки конденсатора. Поскольку время, необходимое для разряда конденсатора, пропорционально напряжению, приложенному к конденсатору во время фазы зарядки, результирующее двоичное число также пропорционально аналоговому входному напряжению.Такая схема интеграции с двойным наклоном, как она известна, обеспечивает относительно недорогое средство достижения высокой степени точности с разрешением АЦП обычно порядка 18–24 бит.

Время, необходимое для зарядки и разрядки интегрирующего конденсатора, может быть значительным, что приводит к времени преобразования в сотни миллисекунд или даже секунд по сравнению с микросекундами, достижимыми при использовании схем последовательного приближения. Однако полезной особенностью интегрирующей конструкции является ее способность автоматически отклонять сетевые помехи переменного тока частотой 50/60 Гц.И последовательное приближение, и импульсный АЦП измеряют мгновенное аналоговое напряжение, сохраняют его с помощью схемы выборки и хранения, а затем выполняют преобразование. Интегрирующий АЦП, с другой стороны, усредняет аналоговое напряжение по всей фазе зарядки своего цикла преобразования. Если это выбрано таким образом, чтобы оно было эквивалентно одному циклу частоты сети (20 / 16,7 мс), сетевые помехи будут устранены.

Интегрирующие АЦП используются в приложениях, где точность важнее скорости преобразования.Они широко используются в цифровых мультиметрах, как компьютерных, так и портативных, где точность до 5,5 десятичных разрядов (0,003%) не редкость. Существует также ряд лабораторных приложений, в которых высокая точность может быть ценна, например, ВЭЖХ (высокоэффективная жидкостная хроматография). Хроматограммы состоят из серии пиков, высота которых может меняться на порядки. АЦП с высоким разрешением позволяет точно измерять как очень большие, так и очень маленькие пики в пределах одной записи.Лабораторный интерфейс Data Translation DT2802, например, специально разработан для этой цели, в нем используется 24-битный интегрирующий АЦП, обеспечивающий точность до одной части из 16 777 216.