Мультимедиа компьютерные технологии

Мультимедиа — это совокупность компьютерных технологий, одновременно использующих несколько информационных сред: графику, текст, видео, фотографию, анимацию, звуковое сопровождение.

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

В настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код — в цифровые. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U (t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(t_j)}, j=0,1,2, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U (t) в непрерывную последовательность {U (t_j)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(t_j)}.

По методу преобразования АЦП делятся на последовательные и параллельные.

Рассмотрим работу типичного последовательного АЦП, который состоит из компаратора (К), счетчика и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) (рис. 46). На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой — сигнал обратной связи с ЦАП. Компаратор — устройство сравнения напряжения двух сигналов. Если напряжения сигнала на первом входе больше напряжения на втором входе то на выходе компаратора имеется одно значения (например, 1). Если напряжения на втором входе становится больше чем на первом, то значение на выходе меняется на противоположное (0).

Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи U_ос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется со входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.

Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов f_такт равно.

Например, при N=10 и f_такт=1 МГц t_{пр.макс}=1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц.

Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования, а недостатком является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц.

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рис. 47 показана реализация параллельного метода АЦ-преобразования для 3-разрядного числа.

С помощью трех двоичных разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих эквидистантных опорных напряжений образуются с помощью резистивного делителя. Логическое устройство, называемое приоритетный шифратор преобразует коды сигналов от компараторов в трехзначное двоичное. Например, если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от ⁵/₂h, до ⁷/₂h, где h=U_оп/7 — квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й — в состояние 0. Приоритетный шифратор устанавливает выходной двоичный сигнал 100 (3 в десятичной системе счисления).

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд. отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более 1,2 нс. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N-разрядный параллельный АЦП сдержит 2^N-1 компараторов и 2N согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость (сотни долларов США) и значительная потребляемая мощность. Тот же МАХ104, например, потребляет около 4 Вт.

Основными параметрами АЦП являются максимальная частота дискретизации (преобразования) — это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала. Измеряется числом выборок в секунду.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода.

Рассмотрим простейший ЦАП на широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Схема ЦАП с ШИМ приведена на рис. 48.

Рис. 48. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Выход ШИМ управляет ключом S. В зависимости от заданной разрядности преобразования контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток — низкое быстродействие.

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда вес будет равен 2³=8, у третьего разряда — 2²=4, у второго — 2¹=2 и у младшего разряда — 2⁰=1. Если вес младшего разряда I_МЗР=1 мА, то для старшего разряда получим I_СЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I_{вых.макс}=15 мА и соответствует коду 1111₂. Понятно, что коду 1001₂, например, будет соответствовать I_вых=9 мА и т. д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 49.

Рис. 49. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением.

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем ДR/R=2-^k. Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде — 0,05% и т. д.