Пристрої введення виведення аналогової інформації в ЕОМ аналого-цифрові інтерфейси

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

1. Пристрої введення (виведення) аналогової інформації в ЕОМ (аналого-цифрові інтерфейси)
Контроль та управління складними інформаційно-вимірювальними та технологічними процесами забезпечується шляхом аналізу досить значної кількості параметрів цих процесів. На практиці ця кількість коливається від декількох одиниць до декількох сотень, в залежності від типу процесу. Більшість процесів дозволяє зняти інформацію про їх параметри в автоматичному режимі за допомогою так званих первинних перетворювачів інформації. Як правило, первинний перетворювач інформації у якості вхідного сигналу має фізичні величини, що характеризують процес, такі, наприклад, як температура, тиск, вологість, швидкість і таке інше. Вихідний сигнал формується у вигляді напруги, струму, фази або частоти. Він додатково характеризується такими параметрами, як динамічний діапазон зміни сигналу та ширини смуги частотного спектру.
Одержані від первинних перетворювачів, як правило, безперервні (аналогові) сигнали напруги, струму, фази або частоти необхідно ввести в ЕОМ в дискретній формі, обробити за вибраним алгоритмом та вивести, можливо в аналоговій формі, для подальшого управління технологічним процесом. Необхідність виконання цих операцій обумовлює проведення ряду перетворень інформаційних сигналів з аналогової форми в дискретну та навпаки, передачу сигналів по інформаційних каналах (в тому числі по лініях зв’язку) в аналоговій або дискретній формі, комутацію інформаційних каналів від різних первинних перетворювачів, узгодження характеристик елементів і ряду інших операцій. Ця задача реалізується за допомогою деякої сукупності пристроїв та елементів, що можна визначити як аналого-цифровий інтерфейс (АЦІ) ЕОМ. Узагальнена структура аналого-цифрового інтерфейсу надана на рисунку 1.

/>
Рисунок 1. – Узагальнена структура АЦ інтерфейсу
В структурній схемі прийняті такі абревіатури:
ППІ 1-3 – первинні перетворювачі інформації; УНП –узгоджувально-нормувальні пристрої; АФ – аналогові фільтри; МС –мультиплексор; АЦП – аналого-цифровий перетворювач; МД – апаратура передачі (приймання) даних (модем); ЛЗ – лінія зв’язку; ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач; ДМС – демультиплексор сигналів; ПП – підсилювач потужності; ВО – виконавчий орган.
Аналогові фізичні величини формують на виході первинних перетворювачів інформації сигнали напруги, струму, фази або частоти, функція зміни яких пропорційна функції зміни параметрів інформаційно-технологічних процесів. Ці сигнали характеризуються, перш за все, динамічним діапазоном Dx(t) в децибелах, де
Dx(t)=20 lg Amax/ Amin
Amax— максимальне значення амплітуди сигналу X(t) в абсолютних одиницях (В, А, Гц);
Amin — мінімальне значення сигналу в абсолютних одиницях (В, А, Гц); та смугою частот в спектрі сигналу x(t) від fH, до fBв герцах (кГц, мГц).
Графічно це виглядає як показано на рисунку 2.17:
/>
Рисунок 2. – Характеристики сигналу X(t)

Окрім цих параметрів потрібно враховувати вплив вихідних імпедансів (Rвих) та похибок характеристики передачі (перш за все нелінійностей) первинних перетворювачів. Передача сигналу X(t) в схему АЦ інтерфейсу не повинна супроводжуватись додатковими похибками або їх величина не повинна перевищувати встановленої долі значення Amin(у більшості випадків це 1/4 Amin). Тому на вході АЦ інтерфейсу зазвичай встановлюють узгоджувально-нормувальні пристрої (УНП), основна функція яких полягає в забезпеченні вхідного імпедансу на рівні Rвхунп>(5/10)Rвхпп. Це дозволяє усунути вплив вхідних кіл АЦ інтерфейсу на вихідний опір ППІ, як джерела сигналу.
Окрім функції узгодження імпедансів, УНП виконує також функції нормування (підсилення або послаблення) сигналу X(t). Така необхідність виникає в тих випадках коли, вихідний сигнал ППІ має низьке значення Amax (на рівні мікровольт або мілівольт). Основні функції УНП та функції аналогового фільтра (АФ) на практиці можна інколи забезпечувати одним елементом, використовуючи операційні підсилювачі. Якщо це неможливо, то аналоговий фільтр встановлюють додатково. До функцій аналогового фільтра відносять обмеження спектру частот сигналу X(t) значеннями fHта fB. При цьому відсікаються всі складові, що не належать до сигналу X(t). Аналоговий фільтр додатково застосовується для усунення ефекту накладання спектрів при дискретизації, а також для відновлення безперервних (аналогових) сигналів з дискретної (цифрової) форми.
Якщо інформаційно-технологічний процес характеризується значною кількістю параметрів, що обробляються n-ю кількістю ППІ, то до складу АЦІ необхідно вводити мультиплексори аналогових (або цифрових) сигналів. Мультиплексори сигналів (МС) дозволяють забезпечити перетворення m-сигналів X(t) з аналогової форми в цифрову за допомогою одного аналого-цифрового перетворювача (АЦП). Для забезпечення такого перетворення необхідно мати АЦП, розрядність якого забезпечує динамічний діапазон Dx(t).

n>Dx(t)/G, де G = 20lg2=6

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

fgАЦП > m∙fg Хi(t)

Передача такої дискретної (цифрової) інформації до системної ЕОМ може здійснюватись на значні відстані, в тому числі і по телефонних мережах. Така передача забезпечується пристроями передачі даних, у якості яких можуть використовуватись модеми (МД) під управлінням схем управління (СУ) АЦІ.
У випадку необхідності організації зворотного інформаційного каналу передача цифрових даних здійснюється на значні відстані також за допомогою модему. Потім відбувається перетворення інформації з дискретної (цифрової) форми в аналогову за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП). Розділ інформації по каналах здійснює демультиплексор (ДМС) (в данній структурі — аналоговий) сигналів. Подальшу фільтрацію високочастотних складових >fBздійснює аналоговий фільтр. Сигнал x(t) підсилюється підсилювачем потужності і управляє роботою виконавчого органа (ВО). Загальне управління роботою всіх елементів АЦІ знову ж здійснює схема управління (СУ), що може бути побудована на основі мікропроцесора.

2. Сканери
Сканер — це пристрійвведення текстової абографічної інформації в комп’ютер шляхом перетворення її в цифровий вигляддля наступного використання, обробки, збереження абовиведення. Настільні сканери з’явилися в 80-х роках і відразу стали об’єктом підвищеної уваги, але складність використання, відсутність універсального програмного забезпечення, а саме головне, висока ціна не дозволяли вийти сканерам за межі спеціалізованого використання. Настільний сканер незамінний при роботі зкомп’ютером, якщо у Вас є потребаробити вставки графічних зображень аботекстів з паперових носіїв у документи, які створюютьсяза допомогою комп’ютера. Сучасні настільні сканери достатньо прості у використанні, мають інтуїтивно-зрозумілий інтерфейс. Отже будова, принцип дії сканерів та характеристики мають певні особливості. –PAGE_BREAK–
На рисунку 2.18 зображені будова та принцип дії сучасного сканера.

/>
Рисунок 3. Будова та принцип дії сканера
Лампа підсвічування і система дзеркал встановленіна каретці, що пересувається за допомогою крокового двигуна. Світловід лампи при скануванні на кожному кроці двигуна відбиваєтьсявід документа і через систему дзеркал попадаєна матрицю, що складаєтьсяз світлочутливихелементів. Ці елементи визначаютьінтенсивність відбитого світлашляхом перетворення в електричний сигнал. Такі елементи називають CCD (англійська абревіатура Couple-Charged Device), а в українському перекладіце ПЗЗ(приладіз зарядовим зв’язком). Далі відбуваєтьсяперетворення аналогового сигналу в цифровийз наступною обробкою і передачею в комп’ютер для подальшого використання. У такий спосіб на кожнім кроці каретки сканер фіксує одну горизонтальну смужку оригіналу, розбитуу свою чергу на деяку кількість пікселівна лінійці ПЗЗ. Підсумкове зображення складенеіз смужок являє собою як би мозаїку, складенуз плиток (пікселів) однакового розміру і різного кольору. По команді драйвера каретка (оптичний блок) сканера починає рухдо зазначеноїділянкиоригіналу. Переміщення блокуздійснюється кроковим двигуном за допомогою спеціального зубчатого ременя. Після прибуття в точкупризначення, починається власне процес сканування,щовідбуваєтьсяза принципом «фотографування» рядків зображення під час рухукаретки уздовж оригіналу. Цей процес складається з: підсвічування оригіналу; відбивннясвітлавід оригіналу і фокусування відбитого світлового потоку на світлочутливій матриці сканера; формування електричного заряду на елементах матриці; зчитування заряду матриці і передача сигналу на АЦП; оцифровкасигналу, оптимізація характеристик пікселів, формування рядка зображення; передача інформації в комп’ютер; онулення матриці і перехід до наступного рядка. Після закінчення сканування обраної ділянки,каретка повертається у вихідне положенняі сканер знову готовий до роботи.
У старих розробках сканерів джерелом світлає звичайна флуоресцентна лампа. Недоліктакогоджерелав слабкійстабільності характеристик висвітленняй обмежений термін служби. У сучасних моделях використовується лампа зхолодним катодом, що має кращі параметри і значно більший термін служби. При зміні характеристик джерела освітленняоригіналу змінюється падаючий на приймаючу матрицю світловий потік, що несе інформацію про оригінал, який сканується. Орієнтованіна професійну роботу зкольоромсканери містятькрім вбудованої процедури самокалібраціїпо інтенсивності світлового потоку від лампи ще й схеми підтримки стабільності потоку при зміні температури.
Світловий потік від оригіналу проектується на матрицю ПЗЗ, що перетворить йогов електричний сигнал. Звичайно використовується одинфокусованийоб’єктив (аболінза), що проектує повну ширину областісканування на повну ширину матриці. Вимоги до якості оптики для такої задачідоситьвисокі, особливо складно забезпечити прийнятнуякість проекціювання країв робочої областідля кольорових оригіналів. Оцінити якість фокусування і роздільну здатністьоптики можна візуально при скануванні спеціальної тестової мішені абозахисних ділянокбанкноти.
У найбільш якісних моделях планшетних сканерів зустрічаються змінні об’єктиви: при роботі в звичайному режимі, де оптика працює аналогічно однолінзовим механізмам, при перемиканні на другий, «посилений» режим використовується інший об’єктив, що проектує на повну ширину ПЗЗ-матриці тільки частинуширини робочого столу сканера. Таким чином, на постійне число приймальних комірок ПЗЗ-матриці проектується ділянкаменшої ширини і відповідно зростає оптичний дозвіл. Звичайно в документації зазначенечисло комірок ПЗЗ-матриці. Новітні матриці 42-бітних сканерів мають 10600 комірок(хоча в однопрохідних сканерах матриця має трипаралельних лінійки приймальних комірок— по однійна колір, вказується число елементів в одній). Поділивши число осередківна ширину поля сканування, одержимооптичний дозвіл. Деякі професійні площинні сканери мають більшедвох(до 5) об’єктивів, що переключаються.
ПЗЗ-матриця єоднимз найважливіших вузлів, щовпливають на якість сканування. Характеристика, що приводитьсядля неї в документації – число елементів на лінію (на колір). Число елементів, поділенена ширину робочої зони сканера, дорівнює оптичній роздільній здатності. На рисунку 2.19 зображений найпростіший варіант структури двовимірної матриці ПЗЗ. У ньомуможна виділити двавертикальних регістри зрушення на ПЗЗ, що утворять секцію нагромадження і секцію збереження зрівним числом рядків (коженрядок секціїутворений однієютрійкою електродів), горизонтальнийрегістр зсуву і вихідний пристрій. Розглянемодокладніше роботу такої структури.
Протягом часу прямого ходу по кадрусекція нагромадження стоїть, тобто на неїподаються незмінні напруги, щоформують потенційні ями тільки під одним електродом кожної трійки, скажемо, під електродом першої фази (VS1), причому потенційні ями утворюються у елементах усіх рядків секції. По горизонталі окремі комірки нагромадження відділені стоп-каналами (виділені на малюнку жирними чорними лініями). Зображення, що проєкціюєтьсяна секцію нагромадження, викликає фотогенерацію — утворенняэлектронно-дірковихпар. При цьому фотогенеровані електрони залишаютьсяв потенційній ямі, дірки ж, відповідно, підуть у підкладку абов уздовж поверхні в стоп-канали. Таким чином, під дією світлав осередкахнакопичується зарядовий рельєф, тобто в кожнім осередкузбирається заряд, пропорційнийїї освітленості і часові нагромадження.
/>
Рисунок 4. – Структура матриці ПЗЗ

По закінченніпрямого ходу по кадруна обидвісекції подаються тактові імпульси,щовикликають синхронний переносзаряду, при цьому важливо (і це показано на рисунку), що обидвісекції утворюють безперервний регістр зрушення. Після числа тактів, рівногочислу рядків у кожній секції (нагадаємо, що коженрядок утворений трьома електродами), весьнакопичений зарядовий рельєф цілком переміститься в секцію пам’яті, закритувід світла, а секція нагромадження буде очищена від заряду. Цей переноссекції в секцію відбуваєтьсядосить швидко (фактично він займаємалу частину часу зворотнього ходу кадра). Тепер, під час наступного циклу нагромадження (це наступне поле кадрової розгортки), секція нагромадження накопичує наступний кадр зображення, а із секції пам’яті заряди пострічково, під час зворотнього ходу по рядку, передаються в горизонтальний регістр (коженелемент регістрамає зарядовий зв’язок з відповідним стовпцем секції пам’яті, і за один раз передається одинрядок), і потім виводяться у вихідний пристрійрегістраза час прямого ходу по рядку, формуючи відеосигнал. Сканер поставляється зісвоєю унікальною картою і працює тільки знею.    продолжение
–PAGE_BREAK–
Обов’язково в комплекті зісканером йде його Twain драйвер. У середовищіDOS усісканери працювали тільки зісвоїми програмними додатками. ПояваWindows здавалося б, повинна була покласти кінець проблемам зв’язаним із сумісністю сканерів з різним програмним забезпеченням, але Microsoft на етапі створення не включив сканери в список пристроїв, стандартно підтримуваних Windows. Ведучівиробники сканерів і програмного забезпечення створили цей стандарт самотужки, і називатися він став TWAIN [6].
Зараз стандарт TWAIN підтримується усіма виробниками настільних сканерів і усіма ведучимивиробниками графічних пакетів і програм розпізнавання символів. У такий спосіб вибравши TWAIN пристрійкористувач може прямо сканувати зі своєї улюбленоїграфічної програми, запустивши з неїTWAIN драйвер сканера. TWAIN драйвер сканера – це програмний додаток із графічним інтерфейсом, що несе на собі функції панелі керуваннясканером і здійснює передачу даних від сканера в програмний додаток, з якогови викликаєте сканер. За допомогою TWAIN драйвера встановлюютьсяпараметри та ділянкисканування Попереднє сканування і перегляд забезпечує можливість корекції колборуі постобробкиодержуваного зображення. Окрім сканерів, стандарт TWAIN підтримується також і цифровими камерами.

3. Історія створення та розвитку сканерів
Перші сканери дозволяли вводити тільки чорно-білі зображення. У 1989 р. з’явилися перші сканери, що забезпечують зчитування кольорових зображень.
Використання сканерів для введення в ПЕОМ текстової і графічної інформації має як мінімум п’ятилітню історію. Зараз на ринку Заходу представлено не менш 150 різних пристроїв, від ручних портативних сканерів (Handy scanner) до складних систем оптичного розпізнавання символів OCR (Optical Character Recognition).
Розвиток відповідної техніки швидкими темпами йде не тільки на Заході, але і на Сході. Японські фірми довели технологію сканування до такої досконалості, що тепер можна передавати і вводити в ПЕОМ інформацію відразу цілими сторінками. Це єдиний реальний спосіб зчитування ієрогліфів.
Для ілюстрації зростаючої популярності сканерів досить відзначити, що їхній продаж щорічно зростає більш ніж на 200 відсотків. За кожні три роки роздільна здатність сканерів збільшується у 2-3 рази, з’явилася детальна шкала яскравості («сіра шкала») для забезпечення напівтонових зображень, стандартизувалися формати файлів.
Нове покоління таких систем дозволяє за один прохід переглядати текст, додавати коди керування форматом, виконувати розбивку на сторінки, перевіряти правильність написання тексту, видавати майже готові файли — і все це здійснюється у фоновому режимі роботи ПЕОМ.
Переважна більшість сканерів використовується в даний час для підготовки і видання різних інформаційних матеріалів, тобто споживачі зацікавлені головним чином у засобах обробки зображень і текстів. Деякі сканери успішно використовуються в САПР. В даний час сканери широко застосовуються в галузі факсимільного зв’язку.
4. Оригінали зображень
Узагалі говорячи, зображення (чи оригінали) можна умовно розділити на дві великі групи. До першої з них відносяться називані непрозорі оригінали: усілякі фотографії, малюнки, сторінки журналів і буклетів. Якщо згадати курс шкільної фізики, то відомо, що зображення з подібних оригіналів ми бачимо у відбитому світлі. Інша справа прозорі оригінали—кольорові і чорно-білі слайди і негативи; у цьому випадку очей (як оптична система) обробляє світло, що пройшло через оригінал. Таким чином, насамперед, варто звернути увагу на те, з якими типами оригіналів сканер може працювати. Зокрема, для роботи зі слайдами існують спеціальні приставки.
5. Механізм руху
Визначальним фактором для даного параметра є спосіб переміщення голівки сканера, що зчитує, і папера відносно один одного. В даний час усі відомі сканери про цей критерій можна розбити на два основних типи: ручний (hand-held) і настільний (desktop). Проте, існують також комбіновані пристрої, що сполучать у собі можливості настільних і ручних сканерів. Як приклад можна привести модельNiscan Page американської фірми Nisca.