Компьютерная обработка информации. Общая структура схем АЦП. (Ответы на экзаменационные билеты по информатике)

Обработка - одна из основных операций, выполняемых над ин­формацией, и главное средство увеличения ее объема и разнообра­зия. В общем случае при решении задач обработки информации на компьютере строится модель того аспекта реального или вообра­жаемого мира, к которому будет применяться алгоритм решения задачи. В такой модели информацию об объекте исследования пред­ставляют в формализованном виде: в виде структур данных («ин­формационных объектов»), представляющих собой некоторую аб­стракцию данного объекта. Абстракция (от лат. — отвлечение) подразумевает выделение наиболее существенных с точки зрения задачи обработки свойств и связей. Так, при решении задач учета успеваемости учащегося необходимая информация о нем может быть представлена набором таких идентифицирующих данных, как фамилия, имя, отчество, номер учебной группы, сред­ний балл. При этом несущественные для данной задачи характери­стики, например рост, вес, цвет волос, учтены не будут.

Обработка информации - преобразование одних «инфор­мационных объектов» (структур данных) в другие путем выпол­нения некоторых алгоритмов. Для механизации и автоматизации процесса обработки информации и вычислений, выполняемых в соответствии с заданным алгоритмом, используют различные типы вычислительных машин: механические, электрические, электронные (ЭВМ), гидравлические, пневматические, оптические и комбинированные.

В современной информатике основным исполнителем алгорит­мов является ЭВМ, называемая также компьютер (от англ. — вычислитель).

ЭВМ — электронное устройство, предназначенное для авто­матизации процесса алгоритмической обработки информации и вычислений.

В зависимости от формы представления обрабатываемой инфор­мации вычислительные машины делятся на три больших класса:

• цифровые вычислительные машины (ЦВМ), обрабатыва­ющие информацию, представленную в цифровой форме;

• аналоговые вычислительные машины (АВМ), обрабатыва­ющие информацию, представленную в виде непрерывно ме­няющихся значений какой-либо физической величины (элек­трического напряжения, тока и т. д.);

• гибридные вычислительные машины (ГВМ), содержащие как аналоговые, так и цифровые вычислительные устройства.

На практике преобразование аналогового сигнала в цифровую форму осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразо­вателя (АЦП). Для решения обратной задачи преобразования чис­ла в пропорциональную аналоговую величину, представленную в виде электрического напряжения, тока и т. п., служит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). В ЦАП каждая двоичная кодовая комбинация преобразуется в аналоговый сигнал, и на выходе созда­ется последовательность модулированных по амплитуде импульсов с периодом Т_д. Восстановление аналоговой структуры производится при помощи специальных схем, обеспечивающих фильтрацию либо экстраполяцию этих сигналов.

В основе построения ЦАП лежит принцип суперпозиции токов (напряжений), каждый из которых пропорционален шагу кванто­вания. При этом член суммы не равен 0, если соответствующий раз­ряд входного слова равен 1.

Схема простейшего АЦП представлена на рис. 6.13. Она вклю­чает в себя суммирующий счетчик, ЦАП, сравнивающее устройство (К-компаратор) и генератор тактовых импульсов (ГТИ).

По принципу действия такой АЦП называется последователь­ным. Временные диаграммы на рис. 6.14 поясняют принцип его ра­боты. На один вход компаратора поступает входной сигнал U_вх. На другой — формируемое ЦАП напряжение порога срабатывания компаратора. При достижении равенства данного напряжения и напряжения входного сигнала на выходе компаратора появляется сигнал, останавливающий счет и суммирование тактовых импуль­сов в суммирующем счетчике. Одновременно считывается выход­ной цифровой код х₀x₁ ...х_п.

Основной недостаток такой схемы - низкое быстродействие, так как время преобразования Т_пр пропорционально амплитуде сигнала.

Значительно большим быстродействием отличаются АЦП парал­лельного кодирования. В них для преобразования аналогового сигнала в n-разрядный двоичный код используется 2^n-l компарато­ра. На один из двух дифференциальных входов каждого компара­тора подается свое опорное напряжение, формируемое резисторным делителем. Разность между опорными напряжениями двух ближайших компараторов равна E/2, где Е — опорное напряжение, соответствующее максимальному значению преобразуемого анало­гового сигнала. Другие входы компараторов объединены, и на них подается входной сигнал. Приоритетный шифратор формирует выходной цифровой сигнал, соответствующий самому старшему сработавшему компаратору.