Архив Галактики

Практикум по NI myDAQ. #11

Копосов Д.Г. / 13.07.2015

Данным постом мы продолжаем знакомство с практикумом, который позволит использовать NI myDAQ в качестве методического инструмента учителя.
...предыдущая часть...

4.6. Digital vs. Analog
Сигнал — это любая физическая величина (например, напряжение, сила тока, давление воздуха, температура, интенсивность света и т.д.), изменяющаяся со временем. Благодаря этому изменению сигнал может нести в себе какую-то информацию.
Электрический сигнал — это электрическая величина (например, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со временем.
Вся электроника работает с электрическими сигналами.
С точки зрения науки, цифровой сигнал в сравнении с аналоговым имеет большие преимущества.

Аналоговый сигнал может принимать любые значения в определенных пределах непрерывно. Например, напряжение может плавно изменяться в пределах от 0 до 5 В.
Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми.
Можно сказать, что в природе практически все сигналы — аналоговые, и они очень чувствительны к действию всевозможных шумов, наводок, помех.
Аналоговые устройства более трудно проектировать.

Цифровой сигнал может принимать только два значения. Разрешены некоторые отклонения от этих значений. Например, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,8 В — это уровень нуля, а напряжение от 2,0 до 5 В — уровень единицы.
Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми.
Цифровые сигналы лучше защищены от воздействия шумов, наводок и помех.
Любое цифровое электронное устройство должно взаимодействовать с реальным миром, а, значит, оно будет всегда нуждаться в аналоговом интерфейсе.

Шум — это внутренние случайные слабые сигналы любого электронно-го устройства (микрофона, транзистора, резистора и т.д.). Наводки и помехи — это сигналы, приходящие на электронную систему извне (например, электромагнитные излучения) и искажающие сигнал.

Теорема Котельникова: «Любую функцию, состоящую из частот от 0 до F, можно непрерывно передавать с любой точностью при помощи чисел, сле-дующих друг за другом через 1/(2F) секунд» (1933 г.). В. А. Котельников — выдающийся ученый, инженер. Его пионерские работы положили начало развитию новых направлений науки и техники: информатики и цифрового метода передачи сигналов, статистической радиофизики, планетной радиолокации, отечественной криптографии.

Аналоговый и цифровой сигналы, ЦАП и АЦП всегда можно красиво продемонстрировать на примере звуковых колебаний.

Задание 114. Подключите ваш мобильный телефон (или MP3-плеер) к входу «Audio In» (myDAQ), а наушники — к «Audio Out». Составьте, указанную ниже, программу управления громкостью звучания. Поэкспериментируйте. Попробуйте рассказать об аналоговых и цифровых сигналах, об АЦП и ЦАП, используя программу, как наглядную демонстрацию.

4.7. Победа цифровых технологий
Есть и еще одна причина, обеспечившая бурное развитие цифровой электроники и цифровых технологий: быстрая разработка новых устройств и программно-аппаратных комплексов. Для молодых специалистов это наиболее важный фактор.
Программно-аппаратный комплекс — набор технических и программных средств, работающих совместно для выполнения одной или нескольких задач.
Состоит из двух основных частей:

аппаратная часть (Hardware) — устройство сбора и (или) обработки информации;
программная часть (Software) — специализированное программное обеспечение, обрабатывающее данные, собранные аппаратной частью.

Примером переносного (мобильного) программно-аппаратного комплекса может служить связка «myDAQ + ноутбук».
Чтобы вы почувствовали, что процесс создания цифровых устройств проще и быстрее, вы самостоятельно разработаете программно-аппаратный комплекс под названием «Эквалайзер».

Эквалайзер (equalize — выравнивать), устройство или (и) компьютерная программа, позволяющая избирательно корректировать амплитуду сигнала, в зависимости от частоты. Прежде всего, эквалайзеры характеризуются количеством регулируемых по уровню частотных фильтров (полос). Упрощенно можно сказать, что эквалайзер — это определенный набор различных типов фильтров.

Задание 115. Проект «Фильтр». Необходимо изменить программу из предыдущего задания таким образом, чтобы воспроизводить только звуки частотой выше 12000 Гц (высокие частоты). Не забудьте найти информацию про тип фильтров «Highpass», про фильтр Чебышева и т.д.

Среди применяемых фильтров: Highpass — фильтр верхних частот;
Lowpass — фильтр нижних частот; Bandpass — полосовой фильтр.

Задание 116. Проект «Эквалайзер». Создайте простую версию программно-аппаратного эквалайзера. Разделите звуковой спектр на три части: низкие (от 10 Гц до 200 Гц), средние (от 200 Гц до 5 кГц) и высокие частоты (от 5 кГц и выше).

Фильтр Чебышёва — один из типов линейных аналоговых или цифровых фильтров. Фильтр получил название в честь известного русского математика XIX века Пафнутия Львовича Чебышёва, так как характеристики этого фильтра основываются на многочленах Чебышёва.
Фильтры Чебышёва обычно используются там, где требуется с помощью фильтра небольшого порядка обеспечить требуемые характеристики АЧХ, в частности, хорошее подавление частот из полосы подавления, и при этом гладкость АЧХ на частотах полос пропускания и подавления не столь важна.

Задание 117. Проект «Графический эквалайзер». Создайте 7-полосный графический эквалайзер. Разделите звуковой спектр на:
1) низкие басы (10 Гц … 80 Гц) — самые низкие ноты, от которых резонирует комната;
2) верхние басы (80 Гц … 200 Гц) — это верхние ноты басовых инструментов и самые низкие ноты таких инструментов, как гитара;
3) низкие средние (200 Гц … 500 Гц) — здесь размещается почти весь ритм и аккомпанемент, это регистр гитары;
4) средние средние (500 Гц … 2.5 кГц) — соло скрипок, гитар, фортепиано, вокал;
5) верхние средние (2.5 кГц … 5 кГц) — много гармоник и обертонов; усиление этой части спектра позволяет достичь яркого звука, создающего эффект присутствия;
6) низкие высокие (5 кГц … 10 кГц) — в этом диапазоне мы встречаемся с самым сильным искажением высоких частот;
7) верхние высокие (10 кГц … 20 кГц) — это самые тонкие и нежные высокие частоты.

Задание 118. Улучшите созданный вами 7-полосный графический эквалайзер. Оптимизируйте блок-диаграмму, продумайте интерфейс лицевой панели. Выполнив задание, сравните работы всех учащихся между собой.

... продолжение следует...