По сравнению с аналоговыми. Сравнение между аналоговой и цифровой формами представления сигналов

Приветствую Вас, уважаемые друзья, коллеги и партнеры!

«Какие тензодатчики лучше - цифровые или аналоговые? И для кого они лучше?»

Эти вопросы в последнее время я слышу все чаще и чаще. И ответы на них все чаще и чаще имеют противоположные значения - кто-то доказывает, что цифровые датчики – это панацея от всех проблем в работе весов, другие наоборот - их источник.

В рядах спорящих можно выделить несколько основных заинтересованных групп специалистов, обеспечивающих различные этапы жизненного цикла весовых систем:

• разработчики-производители-продавцы датчиков и других компонентов весов;
• разработчики-производители-продавцы самих весов и весоизмерительных систем в целом;
• служащие метрологических центров;
• специалисты ремонтных организаций;
• потребители-покупатели весов.

Ежедневный контакт со всеми перечисленными группами специалистов, а так же бизнес-модель руководимого мною предприятия, осуществляющего одновременно коммерческую, инновационную, проектную, производственную и эксплуатационную деятельность, заставляет меня постоянно выступать и отстаивать интересы то одной, то другой группы.

В данной статье я постараюсь описать основные особенности применения аналоговых и цифровых датчиков с минимально возможным количеством технических терминов и усложненной технической информации.

Но прежде, чем начать описывать все «за» и «против», давайте сначала в упрощенной форме разберемся с принципом работы весов с аналоговыми и цифровыми тензодатчиками .

Как правило, при использовании аналоговых датчиков используется следующая схема подключения (упрощенный вариант на примере автомобильных или вагонных весов):

Схема 1: Подключение аналоговых тензодатчиков в автомобильных весах.

Информация с аналоговых тензометрических датчиков по кабелю поступает в соединительную клемную коробку. В коробке, как правило, установлены прецизионные резисторы для выравнивания чувствительностей каждого датчика и их аналогового суммирования. После этого суммарный сигнал поступает в весовой индикатор, где с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) сигнал оцифровывается. В этом же индикаторе имеется программа калибровки весов, которая присваивает цифровому коду значения в единицах массы (кг, граммах, тоннах или др.)

Упрощенная структура весоизмерительной системы при использовании цифровых датчиков представлена ниже:

Схема 2: Подключение цифровых тензодатчиков в автомобильных весах.

При использовании цифровых тензодатчиков измерение происходит точно также как и при использовании аналоговых. Отличие только в том, что оцифровка происходит не в весовом индикаторе, а в каждом датчике в отдельности и далее уже цифровой код передается в соединительную коробку и в весовой индикатор или компьютер. Если весовой индикатор не используется, то калибровка системы и визуализация результатов происходит с помощью специального программного обеспечения (ПО) на компьютере.

Теперь давайте последовательно рассмотрим основные отличия применения цифровых и аналоговых тензодатчиков и как следствие их преимущества и недостатки.

1. Способ передачи данных от тензодатчика в систему (отличие цифрового сигнала от аналогового).

Отличие способов передачи сигналов аналоговыми и цифровыми тензодатчиками в систему весов состоит в следующем.

Тут конечно выигрывают цифровые датчики по сравнению с аналоговыми. Цифровой сигнал может быть передан на 1000 – 1200 метров, без существенного ухудшения качества, в отличии от аналогового: до 200 метров. Тут нужно просто определиться необходимо ли такое расстояние от датчиков до весового терминала именно Вам?!

3. При замене цифровых тензодатчиков не требуется калибровка и поверка весов. Так ли это?

И да, и нет! То есть теоретически можно поменять цифровой датчик, и зная определенные коэффициенты калибровки (информации о характеристиках преобразования из сопроводительной документации на датчик) прописать их в весовом приборе. Этого достаточно для восстановления работоспособности весов. Работать весы будут, стремясь к среднему классу точности. Но без калибровки весов образцовым грузом, работать на таких весах противозаконно (согласно существующим техническим регламентам и ГОСТов). Все номера датчиков, установленных в автомобильные весы, записываются в паспорт, в котором поверитель ставит свою подпись и печать, свидетельствующую о том, что весы соответствуют среднему классу точности и готовы к применению.

И при замене любого из датчиков необходимо приглашать метролога (поверителя) с образцовым грузом и заново делать поверку весов. И после этого внести изменения в паспорт на весы, записав там новый номер установленного датчика.

4. Какие же тензодатчики точнее, цифровые или аналоговые?

Это изначально неправильный вопрос. Точность датчиков веса, как и весов в целом, определяется границами допускаемых абсолютных погрешностей измерения выраженных в единицах массы через е – цену поверочного деления. И не зависит от того аналоговый датчик или цифровой.

Точность датчиков выражается Классом Точности (по OIML это С2, С3, С4, С5), и определяется уровнем разработки, технологическими и метрологическими возможностями предприятия – производителя датчиков.

То есть точность цифровых и аналоговых датчиков одинакова, при условии, что эти датчики одного класса точности.

5. В каких системах можно видеть показания каждого датчика в отдельности? И зачем это?

Как я писал выше, информация с аналоговых тензодатчиков оцифровывается только после того как просуммируется в соединительной коробке. То есть получить данные в цифровом виде от каждого датчика мы не можем. Мы видим цифровой код, а в дальнейшем вес, со всех датчиков, а не с каждого по отдельности. В цифровых датчиках оцифровка сигнала происходит сразу в тензодатчике, то есть данные мы получаем от каждого датчика.

Зачем это нужно? Если необходимо сравнивать или анализировать значения веса с каждого тензодатчика, например в вагонных или автомобильных весах определить центр тяжести или ровнозагруженность вагона, аналоговые датчики без дополнительных устройств нам не подойдут.

6. Взаимозаменяемость тензодатчиков разных производителей и работа с разными весовыми индикаторами.

В настоящее время не существует взаимозаменяемых цифровых тензодатчиков разных производителей. По взаимозаменяемости датчиков разных производителей аналоговые датчики являются предпочтительными.

Цифровые тензодатчик и разных производителей имеют свои протоколы обмена данными, следовательно, при замене необходимо менять датчик только на такой же. И работают данные датчики только со «СВОИМ» фирменным цифровым индикатором или программным обеспечением.

В аналоговых системах все существенно унифицированнее. Мало того, что датчики почти всех известных мировых производителей взаимозаменяемы, так и весовой прибор с ними можно использовать любого производителя, лишь бы он подходил по техническим характеристикам.

7. Какие тензодатчики более надежные: аналоговые или цифровые?

Мы все знаем, что чем меньше элементов в системе, тем меньше вероятность выхода ее из строя. Наличие дополнительной электронной платы в конструкции цифрового датчика потенциально ухудшает его надежность.

Однако, надежность электронных компонентов встроенных аналого-цифровых и процессорных элементов, по сравнению с эксплуатационной надежностью упругих элементов, тензорезисторных структур и электронных плат настройки аналоговых датчиков, существенно выше.

По этому необходимо признать, что надежность аналоговых и цифровых датчиков «примерно» равна, несмотря на то, что в цифровых датчиках используется больше электронных элементов.

8. Цена.

Как правило, все компании утверждают, что цена цифровых датчиков выше, чем аналоговых. И они все почти правы. Точнее немного неправы. Если сравнивать стоимость аналогового датчика немецкого или американского производителя с цифровым датчиком китайского производства, то имеется большая вероятность, что цифровой датчик китайского производителя стоит дешевле. И это абсолютно не говорит о том, что он хуже. На это влияют другие факторы, о которых написано в .

Ну а если сравнивать стоимость аналоговых и цифровых датчиков одного производителя, то конечно цифровой будет дороже.

В этом пункте я хочу объединить сразу несколько преимуществ цифровых датчиков, таких как:

9. Удобство настройки весов, диагностики поломок, сервисное обслуживание.

Давайте по очереди. Начнем с того, что установка тензодатчиков в весы происходит одинаково, так как габаритные размеры одной и той же модели совпадают. Отличается именно настройка самих весов.

Как это происходит? Первым что нужно сделать после установки всех датчиков – это так называемое «выравнивание по углам». Как я писал ранее, в аналоговых датчиках это происходит с помощью резисторов в соединительной суммирующей коробке. Изменяя сопротивление одного из резисторов, мы приводим систему к одинаковым данным. (это делается для того, чтобы в любом месте, где бы не находился груз на платформе, показатели были одинаковы). В цифровых датчиках такая настройка делается с помощью специальных коэффициентов, которые настройщик вводит в память весового индикатора. Вот и все. Разница именно в этом.

Что касается диагностики весов. В цифровых датчиках это очень просто. Весовой прибор сам «покажет» какой именно датчик вышел из строя, так как постоянно опрашивает каждый датчик на работоспособность (так называемая «самодиагностика»).

При выходе из строя аналогового датчика необходимо будет определить поломку отключая из соединительной коробки по одному датчику. Или отключить все и продиагностировать их по очереди. Но, как правило, даже эта усложненность процедуры не займет более получаса у специалиста.

Сервисное обслуживание или замена сломанного датчика происходит одинаково. Отличие заключается в том, что при использовании аналогового датчика необходимо будет снова «подстроить» систему с помощью резисторов, как я писал выше. В цифровых – вновь ввести коэффициент. А после необходимо будет провести поверку весов, независимо от вида датчика.

Также многие утверждают, что при выходе из строя одного цифрового датчика, автомобильные весы будут продолжать работать. Безусловно будут, но не один уважающий себя производитель или метролог не возьмет на себя ответственность утверждать, что система работает без дополнительной погрешности. Эта погрешность зависит, прежде всего, от расположения груза на весовой платформе. И если большая часть веса этого груза будет приходится на неработоспособный датчик – погрешность может увеличиваться в разы.

Давайте теперь вкратце отобразим отличия аналоговых тензодатчиков от цифровых в таблице.

Критерий	Аналоговые тензодатчики	Цифровые тензодатчики
Помехоустойчивость	Хорошая до 200м	Хорошая до 1200 метров
Расстояние от весов до прибора		До 1200 метров
Калибровка весов при замене датчика	Требуется	Требуется
Точность		Определяется классом точности (По OIML С2, С3, С4, С5…)
Возможность «видеть вес» с каждого датчика	Нет возможности	Имеется возможность
Взаимозаменяемость	Взаимозаменяемы тензодатчики разных производителей и возможна работа с разными весовыми индикаторами.	Датчики взаимозаменяемы только на такие же. Работа с весовыми приборами только этого же производителя.
Надежность	Примерно одинаковая, но имеет более простую структуру	Примерно одинаковая, но имеет более сложную структуру
	Ниже, при сравнении одного и того же производителя	Выше, при сравнении одного и того же производителя
Удобство настройки весов, диагностики поломок, сервисное обслуживание	Менее удобен	Более удобен

Итог:

Безусловно, с точки зрения удобства диагностики, настройки и обслуживания, цифровые датчики лучше и предпочтительнее в применении. Но лучше и предпочтительнее в большей степени для производителя и ремонтно-обслуживающих организаций.

Для потребителей (покупателей) электронных весов явных преимуществ при использовании в весах цифровых датчиков по сравнению с аналоговыми нет.

Основное преимущество аналоговых датчиков :

Ценовое преимущество. При создании весов и замене аналоговых датчиков при поломках (молния, перегруз…) делают их применение более выгодным.

Явные два преимущества цифровых тензодатчиков :

• определение не только общего веса взвешиваемого товара, но и его распределения (разность загрузки тележек железнодорожного вагона, определение положение смещения центра масс и др.). При построении таких весовых систем на цифровых датчиках, можно знать информацию о действующих нагрузках на каждый датчик в отдельности.
• передача информации от датчиков до электронной обрабатывающей аппаратуры на расстояние до 1200 м. Это связано с тем, что цифровые каналы передачи информации с точки зрения сохранения точностных свойств сигналов являются более эффективными.

И в заключении необходимо рассмотреть гибридные аналого-цифровые системы, которые позволяют при применениианалоговых датчиков получать потоки информации от каждого отдельного датчика и при необходимости организовать цифровые каналы передачи информации в весах. Структурные схемы преобразований в таких системах можно представить следующим образом:

Схема 3: Подключение аналоговых тензодатчиков через 8-канальное АЦП.

Схема 4: Подключение аналоговых тензодатчиков через 8-канальное АЦП, втроенное в весовом индикаторе.

Реализация таких структурных преобразований возможна при применении многоканальных аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Конструктивно они не объединены с датчиками и могут находиться как в цифровом весовом индикаторе при этом информация от каждого датчика к индикатору передается в аналоговом виде, так и непосредственно рядом с датчиками (например, под весоприемной платформой) при этом информация передается в весовую систему в цифровом виде.

Таким образом можно получить преимущества систем как на цифровых тензодатчиках,так и на аналоговых.

Надеюсь, что мои рассуждения дополнят Ваши представления о современных схемах построения весовых тензометрических систем и будут Вам полезны в практической деятельности!

Много других интересных статей про тензодатчики и их применения вы можете посмотреть на нашем сайте в разделе СТАТЬИ .

Генеральный директор группы компаний «Мир Весов» (Украина),

генеральный директор ООО «ЗЕМИК СНГ» (Россия),

В мире электроники сервоприводы часто используются в силовой части различных устройств и механизмов. Все сервоприводы можно чётко разделить на две группы – цифровые и аналоговые сервомашинки.

Сегодня мы рассмотрим достоинства и недостатки каждого типа серво, управляемых библиотекой Servo, которая входит в стандартный комплект поставки ПО ArduinoIDE–одной и самых популярных средств разработки ПО для микроконтроллеров.

Различие между цифровым и аналоговым серводвигателем

Буквально десяток лет назад подавляющее большинство сервомоторов составляли аналоговые сервоприводы, но сейчас всё большую популярность приобретают цифровые сервомашинки. Внешне эти два вида серво неотличимы друг от друга, все их отличия заключаются во внутренней электронике.

В аналоговых сервоприводах, как правило, установлена специальная микросхема, конфигурируемая аналоговыми элементами, как резисторы и конденсаторы, тогда как в цифровых серводвигателях– микроконтроллер с кварцевым генератором и зашитым ПО, вследствие чего цифровые сервомашинки могут воспринимать сигнал с большей частотой, чем аналоговые.

Некоторые продвинутые сервоприводы имеют возможность обновления прошивки, управления с ПК…Но основное отличие всё-таки заключается в электронике, а остальные составляющие механики, как то мотор и редуктор, могут быть одинаковыми.

Обработка управляющего сигнала сервоприводами разных видов

ArduinoServo – специальная библиотека для пакета ArduinoIDE, обеспечивающая точную работу серводвигателей с контроллерами Arduino. Давайте рассмотрим, как сервоприводы воспринимают информацию, поступающую от контроллера Arduino. Сервомотор, вне зависимости от его вида, получает управляющий сигнал от контроллера.

Если это аналоговый серводвигатель, то во время поступления нового сигнала происходит его сравнение с текущим положением (которое узнаётся с помощью потенциометра), а затем, в случае необходимости, сигнал проходит преобразование и направляется с двигателю, который перемещает вал на требуемый угол.

Стандартный параметр сигнала для аналогового сервопривода – частота 50Гц (1/50 секунды), то есть время реакции серво должно составлять чуть менее 20мксек. В течение этого промежутка времени, теоретически, положение вала может быть изменено неким внешним воздействием, поэтому такой промежуток называется мёртвой зоной.

Цифровой же сервопривод способен воспринимать управляющий сигнал с частотой до 300Гц, поэтому он способен быстрее реагировать на изменение сигнала и имеет очень маленькую по сравнению с аналоговым сервоприводом мёртвую зону; более быстрый и более точный микроконтроллер также позволяет точнее позиционировать вал и точно удерживать вал на нужном углу. Такие сервоприводы, как правило, имеют высокий крутящий момент.

А практически единственным, но существенным недостатком является увеличенное потребление энергии по сравнению с аналоговым серводвигателем.

Особые области использования сервоприводов разных видов

Цифровые сервомоторы показывают улучшенные характеристики (скорость быстродействия, усилие) по сравнению с аналоговыми, но имеют более высокое энергопотребление и стоимость.

В случае установки цифрового сервопривода на какое-либо автономное устройство, его стоимость обслуживания увеличится, ведь придётся добавить более ёмкие (и более дорогие) батареи и потратить ресурс на их подзарядку. Вес батарей уменьшит автономность прямо-таки кардинально.

В общем, цифровые сервоприводы стоит использовать, если хочется получить:

• Высокую точность позиционирования (до долей градуса)
• Максимально высокое разрешение
• Практически незаметную мёртвую зону
• Почти мгновенную реакцию на поступающий сигнал
• Постоянное усилие на валу

Но стоит учесть, что мало одного желания, ещё придётся выложить немаленькую сумму за новый цифровой сервомотор.

Цифровые сервоприводы часто применяются в:

• Упаковочных машинах
• Управляющих механизмах «беспилотников»
• Манипуляторах
• Радиоуправляемых моделях премиум-класса

А аналоговые сервоприводы, не имеющие как преимуществ, так и “цифровых” недостатков, применяются в:

• Подъёмных механизмах
• Металлообрабатывающих станках
• Несложных конвейерных линиях

Использование цифровых технологий в охранном телевидении постоянно возрастает. Рассмотрим различия между цифровым и аналоговым телевидением.
Началом и концом любого процесса является аналоговый сигнал. Промежуточные значения можно преобразовывать к цифровому формату, что дает многие преимущества. Органы чувств человека (ухо, глаз, нос, кожа и т.д.) реагируют только на непрерывный аналоговый сигнал.

Аналоговые системы

Аналоговый сигнал - это непрерывный электрический сигнал напряжения, представляющий физический процесс, подобный свету, звуку или любой другой переменной. Хотя аналоговый процесс более легок в понимании, он имеет много ограничений.

Шум и помехи

Все электронные цепи и устройства производят некоторое количество случайного шума. Кроме того, существуют также внешние электромагнитные помехи. Так как аналоговый сигнал является непрерывной функцией, этот шум и помехи становятся частью сигнала и не могут быть полностью устранены. Шумовые составляющие возрастают с увеличением числа электрических цепей.

Искажения

Аналоговый сигнал зависит от пропорциональности между физическим процессом и соответствующим ему электрическим напряжением. Большинство аналоговых цепей является нелинейными, а это означает, что выходной сигнал неточно соответствует входному. Обычно это положение нельзя полностью откорректировать. Кроме того, в большой системе эти искажения накапливаются. Во всех аналоговых цепях в результате влияния внешних факторов, подобно температурным изменениям, происходят небольшие изменения уровня сигнала. Они не могут быть исправлены, поскольку неотделимы от самих сигналов.

Цифровые системы

Цифровая система является более сложной, но она имеет много преимуществ по сравнению с аналоговой системой.

Точное представление

После того, как аналоговый сигнал преобразован в цифровой сигнал, его параметры можно поддерживать неизменными в пределах всей системы независимо от ее размеров (кроме случая, когда используется сжатие). Это происходит вследствие невосприимчивости цифровой системы к внешнему шуму и помехам.

Передача сигналов без потери информации

Все системы передачи сигнала главным образом являются аналоговыми и имеют свойственные им проблемы шума и искажений. Однако для цифровых сигналов можно организовать защиту от ошибок, позволяя передавать цифровые сигналы без искажений.

Сложность процесса

В аналоговой системе для каждого шага сложного процесса обработки сигнала обычно требуется отдельная схема. В цифровой системе один центральный процессор (CPU) может быть запрограммирован так, что используя соответствующее программное обеспечение он может выполнять различные шаги. Это позволяет цифровой системе обрабатывать намного больше процессов.

Низкая стоимость

Интегральные схемы (IC) для цифровых систем производить намного дешевле, чем для аналоговых систем.

Хранение в цифровом виде было одним из первых применений цифрового видео. Цифровые видеосигналы могут быть запомнены в памяти с быстрым поиском. Эта память также делает возможным отображение сигналов в различных форматах, независимо от формата поступающего сигнала. Возможно отображение сигналов с различной разрешающей способностью и форматом (PAL, NTSC и т.д.).

Недостатки цифровых видеосистем

• Более сложны для понимания и проектирования
• Требуют более широкой полосы пропускания (однако, различные методы сжатия позволяют преодолеть этот недостаток).
• Не бывает постепенного ухудшения цифрового сигнала - даже маленькая ошибка может исказить все изображение.

Перевод: Ю.М.Гедзберг

Введение

Целью данной работы является рассмотрение преимуществ цифровой техники и их причин.

Цифровые технологии, как таковые, основаны на представлении сигналов дискретными полосами аналоговых уровней, а не в виде непрерывного спектра. Все уровни в пределах полосы представляют собой одинаковое состояние сигнала.

С конца 90-х годов прошлого века принято считать, что именно за цифровыми технологиями стоит будущее. В этой работе я попытаюсь осветить основные причины и тезисы такой точки зрения.

1. Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал - сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений. Такие сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом.

Свойства аналоговых сигналов в значительной мере отражают их непрерывность:

·Отсутствие чётко отличимых друг от друга дискретных уровней сигнала приводит к невозможности применить для его описания понятие информации в том виде, как она понимается в цифровых технологиях. Содержащееся в одном отсчёте «количество информации» будет ограничено лишь динамическим диапазоном средства измерения.

·Отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений следует, что любая помеха, внесенная в сигнал, неотличима от самого сигнала и, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена. В действительности фильтрация возможна, например, частотными методами, если известна какая-либо дополнительная информация о свойствах этого сигнала (в частности, полоса частот).

Рассмотрим этот вид сигнала на простом примере. Во время разговора, наши голосовые связки излучают определенную вибрацию различной тональности (частоты), и громкости (уровня звукового сигнала). Эта вибрация, пройдя некоторое расстояние, попадает в человеческое ухо, воздействуя там, на так называемую слуховую мембрану. Эта мембрана, начинает вибрировать с такой же частотой и силой вибрации какую излучали наши звуковые связки, с одним лишь отличием, что сила вибрации за счет преодоления расстояния, несколько ослабевает.

Так вот, передачу голосовой речи от одного человека к другому, можно смело назвать аналоговой передачей сигнала , и вот почему.

Здесь дело в том, что наши голосовые связки, излучают такую же звуковую вибрацию, какую и воспринимает само человеческое ухо (что говорим, то и слышим), то есть, передаваемый и принимаемый звуковой сигнал, имеет схожую форму импульса, и такой же частотный спектр звуковых вибраций, или по другому сказать, «аналогичной» звуковой вибрации.

Теперь, рассмотрим более сложный пример. И за этот пример, возьмем упрощенную схему телефонного аппарата, то есть того телефона, которым люди пользовались задолго до появления сотовой связи.

Во время разговора, речевые звуковые вибрации передаются на чувствительную мембрану телефонной трубки (микрофона). Затем, в микрофоне, звуковой сигнал преобразуется в электрические импульсы, и далее поступает по проводам ко второй телефонной трубке, в которой, с помощью электромагнитного преобразователя (динамика или наушника) электрический сигнал преобразуется обратно в звуковой сигнал.

В приведенном выше примере, используется, опять же, «аналоговое » преобразование сигнала. То есть, звуковая вибрация имеет такую же частоту, как и частота электрического импульса в линии связи, а так же, звуковой и электрический импульсы, имеют схожую форму (то есть, аналогичную).

В передаче телевизионного сигнала, сам аналоговый радиотелевизионный сигнал имеет достаточно сложную форму импульса, а так же, достаточно высокую частоту этого импульса, ведь в нем передается на большие расстояния, как звуковая информация, так и видео.

2. Цифровой сигнал

Цифровой сигнал - сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.

Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала. Цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания - это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно принимать и передавать. Узкополосные системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты.

Дискретный цифровой сигнал сложнее передавать на большие расстояния, чем аналоговый сигнал, поэтому его предварительно модулируют на стороне передатчика, и демодулируют на стороне приёмника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации.

Следует иметь в виду, что реальный цифровой сигнал по своей физической природе является аналоговым. Из-за шумов и изменения параметров линий передачи он имеет флуктуации по амплитуде, фазе / частоте поляризации. Но этот аналоговый сигнал (импульсный и дискретный) наделяется свойствами числа. В результате для его обработки становится возможным использование численных методов (компьютерная обработка).

За пример, «цифрового сигнала» , возьмем принцип передачи информации с помощью достаточно известной «азбукой Морзе». Для тех, кто не знаком с таким видом передачи текстовой информации, далее вкратце поясню основной принцип.

Раньше, когда передача сигнала по воздуху (с помощью радиосигнала), еще только развивалась, технические возможности приемо-передающей аппаратуры не позволяли передавать речевой сигнал на большие расстояния. Поэтому, вместо речевой информации использовали текстовую. Так как текст состоит из букв, то эти буквы передавались с помощью коротких и длинных импульсов тонального электрического сигнала.

Такая передача текстовой информации называлась - передача информации с помощью «Азбуки Морзе».

Тональный сигнал, по своим электрическим свойствам, имел большую пропускную способность, чем речевой, и вследствие этого радиус действия приемо-передающей аппаратуры увеличивался.

Единицами информации в такой передаче сигнала, условно назывались «точка» и «тире». Короткий тоновый сигнал означал точку, а длинный тоновый сигнал тире. Здесь, каждая буква алфавита состояла из определенного набора точек и тире. Так например, буква А обозначалась комбинацией».- » (точка-тире), а буква Б «- … » (тире-точка-точка-точка), ну и так далее.

То есть, передаваемый текст, кодировался с помощью точек и тире в виде коротких и длинных отрезках тонового сигнала. Если слова «АЗБУКА МОРЗЕ» выразить с помощью точек и тире, то это будет выглядеть так:

В основу цифрового сигнала, положен очень похожий принцип кодирования информации, только сами единицы информации там уже другие.

Любой цифровой сигнал состоит из так называемого «двоичного кода». Здесь, за единицы информации используются логический 0 (ноль), и логическая 1 (единица).

Если за пример, мы возьмем обычный карманный фонарик, то если включить его, то это как бы будет означать логическую единицу, а если выключим, то логический ноль.

В цифровых электронных микросхемах за единицы логической 1 и 0, принимают определенный уровень электрического напряжения в вольтах. Так, к примеру, логическая единица будет означать 4,5 вольта, а за логический ноль 0,5 вольт. Естественно для каждого типа цифровых микросхем, значения величины напряжений логического нуля и единицы, разные.

Любая буква алфавита, как и на примере с описанной выше азбукой Морзе, в цифровом виде, будут состоять из определенного количества нулей и единиц, располагающиеся в определенной последовательности, которые в свою очередь, входят в пакеты логических импульсов. Так например, буква А будет одним пакетом импульсов, а буква Б другим пакетом, но в букве Бпоследовательность нулей и единичек будет уже другой чем в букве А (то есть, различной комбинации расположения нулей и единичек).

В цифровой код, можно закодировать практически любой вид передаваемого электрического сигнала (включая и аналоговый), и не важно, будет это картинка, видеосигнал, аудио сигнал, или текстовая информация, причем можно передавать эти виды сигнала, практически одновременно (в едином цифровом потоке).

3. Аналоговые приборы

С появлением электричества у людей появилась возможность использовать технику, работающую от тока. С каждым днем появлялось все больше новых приборов, наука развивалась, техника совершенствовалась. Тогда все изобретения считались аналоговыми. Слово «аналоговый» означало, что прибор работает по аналогии чего-то. Чтобы было понятнее, рассмотрим измерительный прибор. Допустим, нужно построить график измерений, сами данные измерений известны. Прибор сначала выведет уравнение по известным данным, которое описывает поведение графика, а затем попытается построить график. Он работает по аналогии уравнения, строго подчиняется его законам. А насколько точно уравнение описывает график, прибору это неважно. Таким образом, аналоговые электронные устройства - это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. Следует выделить две большие группы, по которым можно классифицировать аналоговые электронные устройства:

·Усилители - это устройства, которые за счет энергии источника питания формируют новый сигнал, являющийся по форме более или менее точной копией заданного, но превосходит его по току, напряжению или по мощности.

·Устройства на основе усилителей - в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений.

Преобразователи электрических сигналов (активные устройства аналоговой обработки сигналов) - выполняются на базе усилителей, либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями обратных связей, либо путем некоторого их видоизменения. Сюда относят устройства суммирования, вычитания, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др. Преобразователи сопротивлений выполняются на основе усилителей с обратными связями. Они могут преобразовывать величину, тип, характер сопротивления. Используют их в некоторых устройствах обработки сигналов. Особый класс составляют всевозможные генераторы и связанные с ними устройства.

4. Цифровые приборы

Цифровыми называются измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и дающие показания в цифровой форме. Под дискретными понимают сигналы, значения которых выражены числом N импульсов. Система правил для представления информации с помощью дискретных сигналов называется кодом. Дискретные сигналы в отличие от непрерывных имеют лишь конечное число значений, определяемое выбранным кодом.

Главными и обязательными функциональными узлами электронных цифровых измерительных приборов являются аналого-цифровые преобразователи, в которых измеряемая аналоговая, т.е. непрерывная во времени, физическая величина X автоматически преобразуется в эквивалентный ей цифровой код, а также цифровые отсчётные устройства, в которых полученные кодовые сигналы N преобразуются в цифровые символы десятичной системы счисления, удобные для визуального восприятия. Цифровая форма представления результата измерения по сравнению с аналоговой ускоряет считывание и существенно уменьшает вероятность субъективных ошибок. Так как большинство цифровых измерительных приборов содержат предварительные аналоговые преобразователи, предназначенные для изменения масштаба измеряемой входной величины х или её преобразования в другую величину Y = f(x), более удобную для выбранного метода кодирования, то в общем случае структурная схема прибора представляется в виде рис.

Структурная схема цифрового измерительного прибора

Современные цифровые приборы содержат аналого-цифровые преобразователи, способные производить сотни и более преобразований в секунду, что позволяет регистрировать быстро протекающие физические процессы и легко сопрягать объекты исследования с ЭВМ. Цифровые приборы - новая ступень эволюции техники, работающей по цифровым данным.

Для наглядности рассмотрим тот же случай - нужно построить график по заданным измерениям. Прибор не станет составлять уравнение, он разобьет график на мелкие кусочки, и по известным данным для каждого кусочка рассчитает координаты. Затем прибор построит каждый кусочек по полученным координатам, и из-за того, что таких кусочков огромное количество, они будут представлять непрерывный график. Вот так работает цифровая техника.

5. Основные преимущества цифровых приборов перед аналоговыми

Цифровой сигнал, по своим электрическим свойствам (также как и в примере с тональным сигналом), имеет большую пропускную способность передачи информации, нежели аналоговый сигнал. Также, цифровой сигнал, можно передавать на большее расстояние, чем аналоговый, причем без снижения качества передаваемого сигнала. Например, непрерывный звуковой сигнал, передающийся в виде последовательности 1 и 0, может быть восстановлен без ошибок при условии, что шума при передаче было не достаточно, чтобы предотвратить идентификацию 1 и 0. Час музыки может быть сохранен на компакт-диске с использованием около 6 млрд. двоичных разрядов. Это особенно актуально в последнее время, с учетом огромного роста передаваемой информации (увеличение количества теле-, радиоканалов, увеличение количества телефонных абонентов, увеличение числа пользователей интернета и скорости интернет линий).

Хранение информации в цифровых системах проще, чем в аналоговых. Помехоустойчивость цифровых систем позволяет хранить и извлекать данные без повреждения. В аналоговой системе старение и износ может ухудшить записанную информацию. В цифровой же, до тех пор, пока общие помехи не превышают определенного уровня, информация может быть восстановлена совершенно точно.

Цифровыми системами с компьютерным управлением можно управлять с помощью программного обеспечения, добавляя новые функции без замены аппаратных средств. Часто это может быть сделано без участия завода-изготовителя путем простого обновления программного продукта. Подобная функция позволяет быстро адаптироваться к изменяющимся требованиям. Кроме того, возможно применение сложных алгоритмов, которые в аналоговых системах невозможны или же осуществимы, но только с очень высокими расходами.

При передаче цифрового телевизионного сигнала, телезритель уже не увидит такого дефекта как «изображение снежит», как было в аналоговом сигнале при плохом приеме. В цифровой передаче телеканалов, качество картинки может быть только хорошим, или изображения совсем не будет если прием плохой (то есть, или да, или нет).

Что касается цифровой передачи телефонных разговоров, то здесь, с хорошим качеством может передаваться как шепот, так и крик, как нижние тона, так и высокие, и тут уже неважно на каком расстоянии находятся телефонные абоненты.

Цифровая техника всегда превосходила аналоговую по точности. Например, сравним аналоговый и цифровой диктофоны. При необходимости записать голосовую информацию, цифровой прибор справится с задачей лучше аналогового. Это будет заметно в качестве записи. Дело в том, что аналоговый диктофон не так точно воспроизводит информацию, в запись будут намешаны шумы, а цифровой будет отсеивать ненужные шумы, соответственно звучание будет правдоподобнее.

Цифровая техника миниатюрнее. Приборы построены на микросхемах, способных проводить операции сложения и вычитания над числами, отсюда и малые размеры. Данные современных приборов могут в отличие от аналоговых быстро обрабатываться компьютерами. Конечно, данные аналоговых тоже могут быть помещены в компьютер, но ему предварительно потребуется их переводить на «свой» цифровой язык.

Цифровая техника экономичнее и дольше служит. Микросхемы потребляют меньше энергии и могут долгое время исправно работать, в то время как механическая техника будет быстро выходить из строя.

Также цифровые приборы могут похвастаться:

·Малая погрешность. Точность аналоговых приборов ограничивается погрешностями измерительных преобразователей, самого измерительного механизма, погрешностями шкалы и т.д.

·Высокое быстродействие (число измерений в единицу времени);
При измерении изменяющихся во времени величин быстродействие играет важную роль. Если для показывающих приоров не требуется высокого быстродействия, так как возможности работающего с ними оператора ограничены, то напротив, требование быстродействия становится важным при обработке информации с помощью ЭВМ, к которым часто подключаются цифровые приборы.
·Отсутствие субъективной ошибки отсчетов результата измерения - субъективных погрешностей, связанных с особенностями зрения человека, из-за параллакса, из-за разрешающей способности глаза.

6. Цифровой фильтр

Цифровой фильтр - в электронике любой фильтр, обрабатывающий цифровой сигнал с целью выделения и / или подавления определённых частот этого сигнала. В отличие от цифрового, аналоговый фильтр имеет дело с аналоговым сигналом, его свойства недискретны , соответственно передаточная функция зависит от внутренних свойств составляющих его элементов.

Преимуществами цифровых фильтров перед аналоговыми являются:

·Высокая точность (точность аналоговых фильтров ограничена допусками на элементы).

·Стабильность (в отличие от аналогового фильтра передаточная функция не зависит от дрейфа характеристик элементов).

·Гибкость настройки, лёгкость изменения.

·Компактность - аналоговый фильтр на очень низкую частоту (доли герца, например) потребовал бы чрезвычайно громоздких конденсаторов или индуктивностей.

Но также имеются и недостатки:

·Трудность работы с высокочастотными сигналами. Полоса частот ограничена частотой Найквиста, равной половине частоты дискретизации сигнала. Поэтому для высокочастотных сигналов применяют аналоговые фильтры, либо, если на высоких частотах нет полезного сигнала, сначала подавляют высокочастотные составляющие с помощью аналогового фильтра, затем обрабатывают сигнал цифровым фильтром.

·Трудность работы в реальном времени - вычисления должны быть завершены в течение периода дискретизации.

·Для большой точности и высокой скорости обработки сигналов требуется не только мощный процессор, но и дополнительное, возможно дорогостоящее, аппаратное обеспечение в виде высокоточных и быстрых аналого-цифровых преобразователей.

7. Аналого-цифровой преобразователь

Как правило, аналого-цифровой преобразователь - электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к этому виду, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным преобразователем является компаратор.

Разрешение АЦП - минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным прибором - связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью преобразователя.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных приборах измеряется в битах, в троичных- в тритах. Например, двоичный 8-ми разрядный преобразователь способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку . Троичный 8-ми разрядный способен выдать 6561 дискретное значение, поскольку .

Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до миллиарда операций в секунду (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Шум квантования - ошибки, возникающие при оцифровке аналогового сигнала. В зависимости от типа аналого-цифрового преобразования могут возникать из-за округления (до определённого разряда) сигнала или усечения (отбрасывания младших разрядов) сигнала.

Для обеспечения дискретизации синусоидального сигнала частотой 100 кГц с погрешностью 1% время преобразования АЦП должно быть равно 25 нс. В то же время с помощью такого быстродействующего АЦП принципиально можно дискретизировать сигналы, имеющие ширину спектра порядка 20 МГц. Таким образом, дискретизация с помощью самого прибора приводит к ощутимому расхождению требований между быстродействием АЦП и периодом дискретизации. Это расхождение может достигать 2…3 порядков и сильно удорожает и усложняет процесс дискретизации, так как даже для узкополосных сигналов требует достаточно быстродействующие преобразователи. Для относительно широкого класса быстро изменяющихся сигналов эту проблему решают с помощью устройств выборки-хранения, имеющих малое апертурное время.

8. Цифровое и аналоговое копирование

Начиная с конца 90-х годов, на рынке широкоформатных копировальных аппаратов и инженерных систем прослеживается четкая тенденция перехода от аналоговой техники к цифровой. В настоящее время большинство производителей модифицировали свою продуктовую линейку. Многие из них полностью отказались от выпуска аналоговых копировальных аппаратов.

Тенденция перехода к цифровой технике совершенно понятна. Во-первых, многие предприятия, желающие идти в ногу со временем и быть конкурентоспособными, решают задачи перевода документооборота в электронный вид. В-вторых, возрастают требования к качеству документов, которое определяет имидж предприятия в глазах партнеров и заказчиков.

В этой связи многофункциональная цифровая техника имеет существенные преимущества перед аналоговой, обусловленные, в первую очередь, самими принципами цифрового и аналогового копирования.

Преимущества:

·Возможность подключения к компьютеру

·Цифровая техника может не только копировать документы, но и распечатывать файлы с компьютера, а также сканировать оригиналы и переводить их в электронный вид, например, для сохранения в электронном архиве. Аналоговые аппараты умеют только копировать.

·Качество копий

·Цифровая техника позволяет получать копии более высокого качества, поскольку отсканированный в память аппарата файл можно подвергнуть цифровой обработке. Самое полезное применение такой возможности - очистка фона при копировании синек. Кроме того, цифровые аппараты поддерживают работу в фоторежиме и на порядок качественнее передают оттенки серого и полутона. При копировании цветных изображений цифровые аппараты могут различить разные цвета, напечатав их различными оттенками серого.

·Вдобавок к этому цифровая техника не использует оптики передающей отраженный от оригинала свет на фотобарабан. Эта оптика у аналоговых аппаратов требует регулярного ухода, поскольку пылиться, что также сказывается на качестве отпечатков.

·Широкая функциональность

·Цифровая обработка оригинала позволяет не только улучшать качество копий, но также и преобразовывать оригинал, например, масштабировать, применять инверсию, негатив и пр.

·Надежность

·Более высокая надежность цифровой техники связана не только с отсутствием оптики и лампы подсветки, которую нужно регулярно менять, но и с иным способом тиражирования. При изготовлении тиража на аналоговом аппарате оригинал требуется не только протягивать в направлении сканирования, но и возвращать в исходное положение перед следующей копией. Цифровой аппарат протягивает оригинал один раз, запоминает его и дальше изготавливает тираж, печатая копии из памяти.

9. Цифровое и аналоговое музыкальное оборудование

Уже давно в наше время цифровых технологий мы перестали задумываться о том, насколько более удобны цифровые аппаратные ресурсы по сравнению с аналоговыми. В принципе, когда только начинался переход с аналогового оборудования на цифровое, было очень много дебатов на тему удобства работы, технических преимуществ и, наоборот, минусов цифры перед аналоговыми. Но сейчас время от времени все же этот вопрос встает в различных ситуациях, как в различных студиях звукозаписи, так и в клубах. Какие все же преимущества цифрового оборудования перед аналоговым и чем цифра уступает старым конструкциям?

Для начала коротко о том, по каким принципам строится оцифровка звука.

Для преобразования аналогового звука в цифровой существуют аналогово-цифровые преобразователи, именно эти устройства способны преобразовывать непрерывный аналоговый сигнал в последовательность отдельных чисел, то есть сделать его дискретным. Преобразование происходит следующим образом: цифровое устройство много раз в секунду производит измерение амплитуды аналогового сигнала и выдает результаты этих измерений уже непосредственно в виде чисел. При этом, результат измерений не является точным аналогом непрерывного электрического сигнала. Полнота соответствия зависит от количества измерений и их точности. Частота, с которой производятся измерения, называется частотой дискредитации, а точность измерений амплитуды указывает число бит, использующихся для показаний результата измерений. Этот параметр и есть разрядность.

Итак, преобразование аналогового сигнала в цифровой состоит из двух этапов: дискредитации по времени и квантования (выравнивания) по амплитуде. Дискредитация по времени означает, что сигнал представляется рядом своих отсчетов (сэмплов), взятых через равные промежутки времени. Например, когда мы говорим, что частота дискредитации (чаще используется название частота сэмплирования), равна 44,1 кГц, то это означает, что сигнал измеряется 44100 раз в течение секунды. Как правило, основной вопрос на первом этапе преобразования аналогового сигнала в цифровой (оцифровки) состоит в выборе частоты дискредитации аналогового сигнала, так как от этого еще зависит и непосредственно качество результата преобразования. Считается, что диапазон частот, которые слышит человек, составляет от 20 до 20000 Гц, а для того, чтобы аналоговый сигнал можно было точно восстановить по его отсчетам, частота дискредитации должна быть как минимум вдвое больше максимальной звуковой частоты. Таким образом, если реальный аналоговый сигнал, который в дальнейшем будет преобразован в цифровую форму, содержит частотные компоненты от 0 кГц до 20 кГц, то частота дискредитации такого сигнала должна быть не меньше, чем 40 кГц. В процессе дискредитации частотный спектр аналогового звука претерпевает весьма значительные изменения. После дискредитации относительно низкочастотный исходный аналоговый сигнал представляет собой последовательный временной ряд очень узких импульсов с различной амплитудой и с очень широким спектром до нескольких мегагерц. Поэтому спектр дискредитированного сигнала значительно шире спектра исходного аналогового сигнала. Отсюда вывод: наиболее целесообразная оцифровка происходит на повышенной частоте дискредитации и с высокой разрядностью.

Принципы работы аналогового же оборудования строятся на непрерывности сигнала в электрической цепи. Причиной перехода производства технологий от аналоговых к цифровым стала потребность, прежде всего в повышении качества звучания, хранения, а также автоматизации процесса работы. Но при этом, по причине сжатия исходного сигнала после процесса оцифровки, компакт-диск уступает качеством общего звучания винилу, так как диапазон частот оригинального сигнала при аналоговой записи практически не претерпевает никаких изменений (что касается шумоподавления, это также зависит и от игл на проигрывателях). Поэтому профессионалы предпочитают звучание винила компакт-дискам.

10. Недостатки цифровых приборов

Хотелось бы еще пару слов уделить недостаткам цифровой техники, которые могут быть весьма важны при массовом производстве.

В некоторых случаях цифровые схемы используют больше энергии, чем аналоговые для выполнения одной и той же задачи, выделяя больше тепла, что повышает сложность схем, например, путем добавления кулера. Это может ограничить их использование в портативных устройствах, питающихся от батареек.

Например, сотовые телефоны часто используют маломощный аналоговый интерфейс для усиления и настройки радиосигналов от базовой станции. Тем не менее, базовая станция может использовать энергоемкую, но очень гибкую программно-определяемую радиосистему. Такие базовые станции можно легко перепрограммировать для обработки сигналов, используемых в новых стандартах сотовой связи.

Цифровые схемы иногда дороже аналоговых.

Возможна также потеря информации при преобразовании аналогового сигнала в цифровой. Математически это явление может быть описано как ошибка округления.

В некоторых системах при потере или порче одного фрагмента цифровых данных может полностью измениться смысл больших блоков данных.

Список литературы

аналоговый цифровой сигнал прибор

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х т: Т. 2. Пер. с англ. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - 371 с.

Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров. США, 1969. / Пер. с англ., под ред. А.Е. Знаменского. М.: Сов. радио, 1974. - 288 с.

. «Цифровая обработка сигналов». Л.М. Гольденберг, Б.Д. Матюшкин - М.: Радио и связь, 1985

Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах /Бирюков С.А..-М.: Радио и связь, 2007.-129 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1132).

Горбачёв Г.Н. Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника / Под ред. проф. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

Шкритек П. Справочное руководство по звуковойсхемотехнике: Пер. с нем.-М. Мир, 1991. - 446 с.: ил

Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник /Шило В.Л.-М.: Металлургия, 2008.-349 с. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1111).

Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства: Учебник для вузов /Гольденберг Л.М.-М.: Связь, 2009.-495 с.: ил..-Библиогр.:с. 494-495.

Букреев И.Н. Микроэлектронные схемы цифровых устройств /Букреев И.Н., Мансуров Б.М., Горячев В.И.. - 2-е изд., перераб. и доп..-М.: Сов. радио, 2008.-368 с.

0

Имеются научные статьи (например, Chakrapani & Palem) и устройства (например, Lyric), которые используют так называемую вероятностную логику. Я полагаю, идея состоит в том, что выходы такого устройства, учитывая некоторые входы, сходятся к некоторому распределению вероятности. В чем разница между этими устройствами и аналоговыми сигналами? То есть, эти устройства по-прежнему считаются цифровыми, аналоговыми, смешанными сигналами?

• 1 ответ

Сортировка:

Активность

0

Эта статья, похоже, описывает новую (вероятностную) логическую логику, и речь идет не о реализации. Я только просматривал газету, но, похоже, это еще одна из этих теорий. Существует, кстати, простая причина, почему вероятностные логики не дают вам то, что классические логики дают вам, а именно, они не являются функционалом истины (т.е. значение A & B не зависит исключительно от значения A и значение B).

Что касается реализации такой вещи на чипе: я думаю, что оба возможны. Если вы делаете это в цифровом виде, тогда вы вычисляете вероятности, и вы можете точно также запустить некоторый код на процессоре. Я действительно не знаю об аналоговых реализациях, но, я думаю, любая элементарная аналоговая составляющая (транзистор, операционная система и т. Д.) Можно рассматривать как выполнение какой-либо базовой арифметической операции по напряжениям и токам. Является ли схема выводами, которые придерживаются или приближают законы вероятности Колмогорова, это еще один вопрос, но я предполагаю, что это возможно, и возможно, это было сделано.