Как перевести цифровой сигнал в аналоговый самоделка

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 18.09.2024

Как происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой

В электронике сигналы делят на: аналоговые, дискретные и цифровые. Начнем с того, что все, что мы чувствуем, видим, слышим в большинстве своем является аналоговым сигналом, а то, что видит процессор компьютера – это цифровой сигнал. Звучит не совсем понятно, поэтому давайте разбираться с этими определениями и с тем как один вид сигналов преобразовывается в другой.

Содержание статьи

Типы сигналов

Отсюда следует, что у аналогового сигнала две особенности:

1. Непрерывность во времени.

2. Число величин сигнала стремится к бесконечности, т.е. аналоговый сигнал нельзя точно поделить на части или проградуировать, разбив шкалу на конкретные участки. Способы измерения – основаны на единице измерений, и их точность зависит лишь от цены деления шкалы, чем она меньше, тем точнее измерение.

Дискретные сигналы – это сигналы, которые представляют собой последовательность отчетов или измерений какой-либо величины. Измерения таких сигналов не непрерывны, а периодичны.

Попытаюсь объяснить. Если вы установили термометр где-нибудь он измеряет аналоговую величину – это следует из вышеописанного. Но вы, фактически следя за его показаниями, получаете дискретную информацию. Дискретный – значит отдельный.

Например, вы проснулись и узнали, сколько градусов на термометре, в следующий раз вы на него посмотрели на градусник в полдень, и третий раз вечером. Вы не знаете, с какой скоростью изменялась температура, равномерно, или резким скачком, вы знаете только данные в тот момент времени, который наблюдали.

Бит – это минимальная величина представления информации в цифровом виде, в нём может храниться только два типа значений 1 (логическая единица, высокий уровень), или 0 (логический ноль, низкий уровень).

В электронике бит информации представляется в виде низкого уровня напряжения (близкое к 0) и высокого уровня напряжения (зависит от конкретного устройства, часто совпадает с напряжением питания данного цифрового узла, типовые значения – 1.7, 3.3. 5В, 15В).

Все промежуточные значения между принятыми низким и высоким уровнем являются переходной областью и могут не обладать конкретным значением, в зависимости от схемотехники, как устройства в целом, так и внутренней схемы микроконтроллера (или любого другого цифрового устройства) могут иметь разный переходный уровень, например для 5-тивольтовой логики за ноль могут приниматься значения напряжения от 0 до 0.8В, а за единицу от 2В до 5В, при этом промежуток между 0.8 и 2В – это неопределенная зона, фактически с ее помощью отделяется ноль от единицы.

Чем более точные и ёмкие значения нужно хранить, тем больше нужно бит, приведем таблицу-пример с отображением в цифровом виде четырёх значений времени суток:

Ночь – Утро – День – Вечер

Для этого нам нужно уже 2 бита:

Аналогово-цифровое преобразование

В общем случае аналогово-цифровым преобразованием называется процесс перевода физической величины в цифровое значение. Цифровым значением является набор единиц и нолей воспринятых обрабатывающим устройством.

Такое преобразование нужно для взаимодействия цифровой техники с окружающей средой.

Он представляет собой сумму волн с различными частотами. Которые, при разложении по частотам (подробнее об этом смотрите преобразования Фурье), так или иначе, можно приблизить к похожей картинке:

Другим примером необходимости преобразования аналоговой величины в цифровую, является её измерение: электронные термометры, вольтметры, амперметры и прочие измерительные приборы взаимодействую с аналоговыми величинами.

Как происходит преобразование?

Сначала посмотрите на схему типового преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно. Позже мы к ней вернемся.

Фактически это сложный процесс, который состоит из двух основных этапов:

1. Дискретизация сигнала.

2. Квантование по уровню.

Дискретизация сигнала это определения промежутков времени, на которых измеряется сигнал. Чем короче эти промежутки – тем точнее измерение. Периодом дискретизации (Т) называется отрезок времени от начала считывания данных до его конца. Частота дискретизации (f) – это обратная величина:

После считывания сигнала происходит его обработка и сохранение в память.

Получается, что за время, которое считываются и обрабатываются показания сигнала, он может измениться, таким образом, происходит искажение измеряемой величины. Есть такая теорема Котельникова и из нее вытекает такое правило:

Частота дискретизации должны быть как минимум в 2 раза больше чем частота дискретизируемого сигнала.

Это скриншот из википедии, с выдержкой из теоремы.

Для определения численного значение необходимо квантование по уровню. Квант – это определенный промежуток измеряемых значений, усреднено приведенный к определенному числу.

Т.е. сигналы величиной от X1 до X2, условно приравнивается к определенному значению Xy. Это напоминает цену деления стрелочного измерительного прибора. Когда вы снимаете показания, зачастую вы их равняете по ближайшей отметке на шкале прибора.

Так и с квантованием по уровню, чем больше квантов, тем более точные измерения и тем больше знаков после запятой (сотых, тысячных и так далее значений) они могут содержать.

Точнее сказать число знаков после запятой скорее определяется разрядностью АЦП.

На картинке изображен процесс квантования сигнала с помощью одного бита информации, как я описывал выше, когда при превышении определенного предела принимается значение высокого уровня.

Количество уровней квантования определяется по формуле:

Где n — количество разрядов, N — уровень квантования.

Вот пример сигнала разбитого на большее число квантов:

Отсюда очень хорошо видно, что чем чаще снимаются значения сигнала (больше частота дискретизации), тем точнее он измеряется.

Аналогово-цифровые преобразователи

АЦП или Аналогово-цифровой преобразователь может выполняться в виде отдельного устройства или быть встроенным в микроконтроллер.

Ранее в микроконтроллеры, например семейства MCS-51, не содержали в своем составе АЦП, использовалась для этого внешняя микросхема и возникала необходимость писать подпрограмму обработки значений внешней ИМС.

Сейчас они есть в большинстве современных микроконтроллеров, например AVR AtMEGA328, который является основой большинства популярных плат Ардуино, он встроен в сам МК. На языке Arduino чтение аналоговых данных осуществляется просто – командой AnalogRead(). Хотя в микропроцессоре, который установлен в той же не менее популярной Raspberry PI его нет, так что не все так однозначно.

Фактически существует большое число вариантов аналогово-цифровых преобразователей, у каждого из которых есть свои недостатки и преимущества. Описывать которые в пределах этой статьи не имеет особого смысла, так как это большой объём материала. Рассмотрим лишь общую структуру некоторых из них.

Если говорить о современных АЦП прямого преобразования имеют следующую схему:

Отсюда видно, что вход представляет собой цепочку из компараторов, которые на выходе своем выдают сигнал при пересечении какого-то порогового сигнала. Это и есть разрядность и квантование. Кто хоть немного силен в схемотехнике, увидел этот очевидный факт.

Кто не силен, то входная цепь работает таким образом:

Urefi=(1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16)*Uref

В скобках через запятую указано, какую часть от общего опорного напряжения Uref подают на вход каждого входного напряжения.

Такой компаратор хорош скоростью обработки данных, все элементы входной цепи срабатывают параллельно, основная задержка этого вида АЦП формируется из задержки 1 компаратора (все же одновременно параллельно срабатывают) и задержки шифратор.

Однако есть огромный недостаток параллельных цепей – это необходимость большого числа компараторов, для получения АЦП высокой разрядности. Чтобы получить, например 8 разрядов, нужно 2^8 компараторов, а это целых 256 штук. Для десятиразрядного (в ардуино 10-разрядный АЦП, кстати, но другого типа) нужно 1024 компаратора. Судите сами о целесообразности такого варианта обработки, и где он может понадобиться.

Есть и другие виды АЦП:

Преобразование аналогового сигнала в цифровой нужно для считывания параметров с аналоговых датчиков. Есть отдельный вид цифровых датчиков, они представляют собой либо интегральные микросхемы, например DS18b20 – на его выходе уже цифровой сигнал и его можно обрабатывать любыми микроконтроллерами или микропроцессорами без необходимости применения АЦП, или аналоговый датчик на плате на которой уже размещен свой преобразователь. У каждого типа датчиков есть свои плюсы и минусы, такие как помехоустойчивость и погрешность измерений.

Знание принципов преобразование обязательно для всех кто работает с микроконтроллерами, ведь не в каждой даже современной системе встроены такие преобразователи, приходится использовать внешние микросхемы. Для примера можно привести такую плату, разработанную специально под GPIO-разъём Raspberry PI, с прецизионным АЦП на ADS1256.

Обучение программированию и созданию устройств на микроконтроллерах AVR

У электронщиков, специализирующихся на проектировании микроконтроллерных устройств, существует термин "быстрый старт " . Относится он к случаю, когда надо в короткий срок опробовать микроконтроллер и заставить его выполнять простейшие задачи.

Цель состоит в том, чтобы, не углубляясь в подробности, освоить технологию программирования и быстро получить конкретный результат. Полное представление, навыки и умения появятся позже в процессе работы.

Освоить работу с микроконтроллерами в режиме "быстрый старт", научиться их программировать и создавать различные полезные умные электронные устройства можно легко с помощью обучающих видеокурсов Максима Селиванова в которых все основные моменты разложены по полочкам.

Методика быстрого изучения принципов работы с микроконтроллерами основывается на том, что достаточно освоить базовую микросхему, чтобы затем достаточно уверенно составлять программы к другим ее разновидностям. Благодаря этому первые опыты по программировании микроконтроллеров проходят без особых затруднений. Получив базовае знания можно приступать к разработке собственных конструкций.

На данный момент у Максима Селиванова есть 4 курса по созданию устройств на микроконтроллерах, построенные по принципу от простого к сложному.

Программирование микроконтроллеров на языке Си

Курс для тех, кто уже знаком с основами электроники и программирования, кто знает базовые электронные компоненты, собирает простые схемы, умеет держать паяльник и желает перейти на качественно новый уровень, но постоянно откладывает этот переход из-за сложностей в освоении нового материала.

Курс замечательно подойдет и тем, кто только недавно предпринял первые попытки изучить программирование микроконтроллеров, но уже готов все бросить от того, что у него ничего не работает или работает, но не так как ему нужно (знакомо?!).

Курс будет полезен и тем, кто уже собирает простенькие (а может и не очень) схемы на микроконтроллерах, но плохо понимает суть того как микроконтроллер работает и как взаимодействует с внешними устройствами.

Курс посвящен обучению программирования микроконтроллеров на языке Си. Отличительная особенность курса - изучение языка на очень глубоком уровне. Обучение происходит на примере микроконтроллеров AVR. Но, в принципе, подойдет и для тех, кто использует другие микроконтроллеры.

Курс рассчитан на подготовленного слушателя. То есть, в курсе не рассматриваются базовые основы информатики и электроники и микроконтроллеров. Но, что бы освоить курс понадобятся минимальные знания по программированию микроконтроллеров AVR на любом языке. Знания электроники желательны, но не обязательны.

Курс идеально подойдет тем, кто только начал изучать программирование AVR микроконтроллеров на языке С и хочет углубить свои знания. Хорошо подойдет и тем, кто немного умеет программировать микроконтроллеры на других языках. И еще подойдет обычным программистам, которые хотят углубить знания в языке Си.

Этот курс для тех, кто не хочет ограничиваться в своем развитии простыми или готовыми примерами. Курс отлично подойдет тем, кому важно создание интересных устройств с полным пониманием того, как они работают. Курс хорошо подойдет и тем, кто уже знаком с программированием микроконтроллеров на языке Си и тем, кто уже давно программирует их.

Материал курса прежде всего ориентирован на практику использования. Рассматриваются следующие темы: радиочастотная идентификация, воспроизведение звука, беспроводной обмен данными, работа с цветными TFT дисплеями, сенсорным экраном, работа с файловой системой FAT SD-карты.

Дисплеи NEXTION представляют собой программируемые дисплеи с тачскрином и UART для создания самых разных интерфейсов на экране. Для программирования используется очень удобная и простая среда разработки, которая позволяет создавать даже очень сложные интерфейсы для различной электроники буквально за пару вечеров! А все команды передаются через интерфейс UART на микроконтроллер или компьютер. Материал курса составлен по принципу от простого к сложному.

Этот курс рассчитан на тех, кто хотя бы немного имеет опыта в программировании микроконтроллеров или arduino. Курс отлично подойдет и для тех, кто уже пытался изучать дисплеи Nextion . Из курса вы узнаете много новой информации, даже если думаете, что хорошо изучили дисплей!

NEXTION

Приближается осень, а вместе с ней наступит День знаний! Это отличная пора для новых дел, идей и начинаний и самое время для обучения. Используйте это время с пользой для прокачки своих знаний!

Полный курс обучения программированию микроконтроллеров со скидкой: Все 4 курса со скидкой

Устройства для преобразования данных из цифрового формата в аналоговый и обратно — это устройства, способные преобразовать дискретный (цифровой) сигнал в непрерывный (аналоговый) сигнал, а также устройства, способные преобразовать непрерывный (аналоговый) сигнал в цифровой.

Основные типы сигналов

Проблемы аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей считаются достаточно важными в электротехнике, так как практически все устройства, взаимодействующие с компьютерным оборудованием, имеют аналоговый вход/выход, а компьютер способен осуществлять обработку только цифровых сигналов.

Известны следующие основные типы сигналов:

  1. Аналоговый тип сигналов.
  2. Дискретный тип сигналов.
  3. Цифровой тип сигналов.

Аналоговыми являются сигналы, которые являются непрерывными во времени, то есть, они определены в каждый момент времени. Дискретными считаются сигналы, которые представлены последовательностью отсчётов, то есть значениями сигналов в каждый дискретный момент времени.

Цифровыми являются сигналы, которые дискретны во времени (или в пространстве) и, при этом, квантованы по уровню. Вычислительные операции в компьютерах реализуются именно с цифровыми сигналами.

Устройства для преобразования данных из цифрового формата в аналоговый и обратно.

Для того, чтобы компьютер смог осуществить обработку сигналов, требуется сначала реализовать преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую. А по завершении обработки необходимо выполнить обратное преобразование, так как практически все бытовые устройства управляются при помощи аналоговых сигналов.

Блок-схема цифровой обработки сигнала в общем виде может быть представлена следующим образом:

Блок-схема цифровой обработки сигнала. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 1. Блок-схема цифровой обработки сигнала. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Готовые работы на аналогичную тему

Аналого-цифровое преобразование сигналов состоит из следующих этапов:

  1. Процесс дискретизации сигнала (во времени или пространстве).
  2. Процесс квантования сигнала по уровню.

На этапе дискретизации следует брать отсчёты сигнала с определённым периодом дискретизации (Т). Частота дискретизации может быть определена по следующей формуле:

Процесс считывания отсчёта входного сигнала необходимо выполнить так, чтобы он занимал сравнительно небольшую часть периода дискретизации. Это позволяет уменьшить динамические ошибки преобразования, которые обусловлены изменениями сигнала за время снятия отсчёта.

Частота дискретизации должна выбираться согласно теореме Котельникова. А именно, для того чтобы по отсчётам сигнала имелась возможность достаточно точного восстановления непрерывного сигнала, необходимо чтобы частота дискретизации была по крайней мере в два раза больше верхней частоты спектра сигнала, подлежащего дискретизации.

Каждый сигнал обладает своим спектральным представлением. Каждое представление сигнала является представлением в формате суммы (или интеграла) гармонических составляющих, то есть набора синусоид и косинусоид, различных частот, которые взяты с определёнными весовыми коэффициентами, то есть, обладающими определённой амплитудой. Для периодических сигналов это будет сумма, а для непериодических сигналов, это будет интеграл. Переход к спектру сигнала может быть осуществлён при помощи прямого преобразования Фурье.

А принцип действия ЦАП состоит в нахождении суммы аналоговых сигналов (тока или напряжения). Вычисление суммы выполняется с коэффициентами, которые могут быть равны нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь формат тока, напряжения или заряда. ЦАП с токовыми выходами применяются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах.

ЦАП с выходным напряжением являются самыми распространенными. Следует отметить, что максимальное выходное напряжение на один МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Отдельные ЦАП предоставляют возможность использования всей шкалы.

Преобразование цифровых сигналов, а аналоговую форму является относительно простим процессом. Когда операционный усилитель в инвертирующем включении охвачен обратной связью, входной резистор и резисторы обратной связи определяют

его коэффициент усиления G:

сигнал самого малого разряда будет передан с коэффициентом 1/8. Схему подобною типа часто называют сумматорам. Выходной сигнал, таким образом, пропорционален значению цифрового

кода на входе схемы.

Главная проблема такой схемы заключается в том, что точность выходного сигнала зависит от разброса сопротивления резисторов. Имеются и другие типы цифро-аналогового преобразователя,

например, матрицы R-2R, но принцип их действия похож на описанный выше.

Рис. 2.29. Схема цифро-аналогового преобразователя

Эта схема служит для преобразования аналогового сигнала, например, сигнала от термистора, в цифровой сигнал для обработки компьютером или логической схемой.

Рис. 2.30. АЦП с последовательным счетчиком

Большинство схем работают по принципу сравнения выходного сигнала цифро-аналогового преобразователя (ЦДЛ) с входным

напряжением. На рис. 2.30 схематически изображен аналого-цифроасй преобразователь (АЦП) линейноготипа. АЦП этого типа действуют медленнее, чем другие, но зато у них очень простая логика работы.

Выход двоичного счетчика соединен с входом ЦАП, выход которою служит эталоном. Это напряжение сравнивается с входным напряжением, и как только оба напряжения будут равны, счетчик останавливается. Значение кода счетчика, таким

образом, является цифровым представлением входного напряжения. Действие других цифровых компонентов данной схемы будет объяснено в следующем разделе.

АЦП доступны в виде интегральных схем и могут работать с очень высокой скоростью при типовых разрешениях до 1/4096 (12 разрядов). Скорость работы АЦП критична при преобразовании

переменных или осциллирующих входных сигналов. Как правило, скорость считывания кода должна быть по крайней мере вдвое больше частоты входного сигнала.

Введение в цифровые схемы

1. Это сигнал включения ручного тормоза?

2. Это низкий уровень в резервуаре тормозной жидкости?

счет технологии интегральных схем теперь стало возможным создавать сотни тысяч, если не миллионы, базовых элементов на одном кристалле. Это обеспечило подъем уровня современных систем управления автомобилем настолько, что все они без исключения снабжаются компьютером:

Символы и таблицы истинности для базовых логических вентилей показаны на рис. 2.31. Таблица истинности описывает, какой комбинации входных сигналов будет соответствовать определенный выходной сигнал.

Каждая из схем И г ИЛИ может бить скомбинирована с вентилем НЕ, чтобы образовать схему И-НЕ (NAND) и схему ИЛЙ-НЕ (NOR), соответственно.

Оказалось, что эти две схемы являются наиболее универсальными и позволяют конструировать сложные логические цепи. Выходкой

сигнал этих схем сеть инверсия выходного сигнала первоначальных схем И и ИЛИ.

представлены диаграммой состояний с N входами и Z выходами. Первая стадия в процессе создания схемы комбинационной логики заключается в том, чтобы определить требуемые соотношения между входами и выходами.

таких как электронный блок управления системой антиблокировки колес (ABS). Логическая схема может быть выполнена таким образом, чтобы включать индикатор предупреждения, если возникает расхождение между двумя схемами безопасности.

На рис. 2.32 приведена блок-схема и возможный вариант се реализации.

Комбинации вентилей могут быть сконфигурированы для решения любой задачи. Одно из популярных применений —сумматор для выполнения операции сложения двух двоичных чисел. Вычитание достигается преобразованием вычитания в сложение (4 —3 = 1 то же самое, что 4 + (-3)=1). Сумматоры

также используют для того, чтобы выполнять операции умножения и деления чисел, потому что фактически это операции многократного сложения и вычитания.

Логические схемы, описанные выше, были очень простыми комбинациями различных вентильных схем. Выходной сигнал каждой схемы однозначно определялся текущим состоянием входов. Схемы, которые обладают способностью запоминать предыдущие входные сигналы или логические состояния, известны как схемы последовательной лотки. В этих схемах последовательность предыдущих входных сигналов определяет текущий выходной сигнал. Поскольку последовательные схемы сохраняют информацию и после тот, как входные сигналы

Существует три основных схемы триггеров: RS- трипер, D-триггер и JK -триггер. Триггер RS-памяти может быть сконструирован при помощи двух элементов И-НЕ и двух вентилей НЕ, как это показано на рис. 2.33. Если мы начинаем работу с

Второй тин триггеров—D-триггер. Он имеет два входа, маркированных как С К —вход для синхронизации (СК —от англ. clock), и D —вход данных. Выходы обозначены как Q и Q. Часто их

называют Q и НЕ-Q. Выход Q принимает логическое состояние D-входа в момент поступления синхроимпульса. Ж-триггер является комбинацией двух предыдущих триггеров. Аналогично RS-

типу, он имеет два установочных входа, но в данном случае маркируемых как J и К, и управляется импульсом синхронизации подобно D-триггеру. Выходы обозначаются так же: Q и Q.

Схема запоминает последний входной сигнал, чтобы изменить состояние таким же образом, как это делал RS-триггер. Основное отличие состоит в том, что изменение выходов происходит только

Таймеры и счетчики

Прибор, используемый в качестве таймера, называют

моностабильной схемой, так как она имеет только одно устойчивое состояние. На основе этого устройства делают точные и легко управляемые таймеры. Для установки времени задержки используют конденсатор и резистор. На рис. 2.34 показана схема таймера с присоединенными резистором и конденсатором.

Чтобы преодолеть проблему асинхронного переключения, можно сконструировать синхронизируемый счетчик из JK-триггеров в сочетании с некоторой комбинационной логикой. На рис. 2.36

адрес для каждого регистра, чтобы осуществлять выборку али сохранение данных в определенном регистре.

На рис. 2.38 показана блок-схема системы 4-байтной памяти. Там же показана адресная шина, поскольку каждая область этой памяти располагается по своему уникальному адресу. Как поясняется ниже, понадобится также и шина команд.

Для того чтобы в показанной системе сохранить (записать) информацию или получить информацию (прочитать), сначала нужно выбрать регистр, содержащий требуемую информацию. Эта задача достигается установкой адреса для каждого регистра.

Этот пример может показаться слишком сложным способом выборки четырех байтов данных. На самом деле он лишь демонстрирует принцип этого техническою приема, что очень важно, поскольку тот же самый способ может быть применен

Память, которая была только что описана, вместе с приемами, используемыми для выборки данных, является типичной для большинства вычислительных систем. Этот тип памяти известен

как нанять с произвольным доступом (random access memory — RAM). Данные могут быть записаны и прочитаны из этой памяти, но заметим, что такая память не постоянна, другими словами, она

памяти. Информация в ней может быть изменена с помощью специального оборудования (некоторые типы стираются ультрафиолетовым излучением), но для всех прочих целей эта

память является постоянной. В электронном блоке управления двигателем (electronic control \mit^ ECU) информация о функциях и программы управления хранятся о постоянной памяти, в то время как оперативная информация (скорость вращения, нагрузка, температура и т.д.) сохраняются в оперативной памяти RAM.

Статьи к прочтению:

Badnaam Episode 23 — 21st January 2018 — ARY Digital Drama


Похожие статьи:

Поток информации в телекоммуникационной системе передается в виде электронных сигналов. Сигналы бывают двух типов аналоговые и цифровые. Аналоговый…

Для изучения источника сигнала Digclock соберите схему, представленную на рис. 2-16. Для этого нажмите кнопку выбора компонентов и в раскрывшемся окне…

Как после оцифровки прослушивать звук? То есть, как преобразовывать его обратно из цифрового вида в аналоговый?

Для преобразования дискретизованного сигнала в аналоговый вид, пригодный для обработки аналоговыми устройствами (усилителями и фильтрами) и последующего воспроизведения через акустические системы, служит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Процесс преобразования представляет собой обратный процесс дискретизации: имея информацию о величине отсчетов (амплитуды сигнала) и беря определенное количество отсчетов в единицу времени, путем интерполирования происходит восстановление исходного сигнала (рис. 4).

В современном компьютере звук воспроизводится и записывается с помощью звуковой карты, подключаемой либо встроенной в материнскую плату компьютера. Задача звуковой карты в компьютере – ввод и вывод аудио. Практически это означает, что звуковая карта является тем преобразователем, который переводит аналоговый звук в цифровой и обратно. Если описывать упрощенно, то работа звуковой карты может быть пояснена следующим образом. Предположим, что на вход звуковой карты подан аналоговый сигнал и карта включена (программно) в режим записи. Сначала входной аналоговый сигнал попадает в аналоговый микшер, который занимается смешением сигналов и регулировкой громкости и баланса. Микшер необходим, в частности, для предоставления возможности пользователю управлять уровнями записи. Затем отрегулированный и сбалансированный сигнал попадает в аналогово-цифровой преобразователь, где сигнал дискретизуется и квантуется, в результате чего в компьютер по шине данных направляется бит-поток, который и представляет собой оцифрованный аудио сигнал. Вывод аудио информации почти аналогичен вводу, только происходит в обратную сторону. Поток данных, направленный в звуковую карту, преодолевает цифро-аналоговый преобразователь, который образует из чисел, описывающих амплитуду сигнала, электрический сигнал; полученный аналоговый сигнал может быть пропущен через любые аналоговые тракты для дальнейших преобразований, в том числе и для воспроизведения. Надо отметить, что если звуковая карта оборудована интерфейсом для обмена цифровыми данными, то при работе с цифровым аудио никакие аналоговые блоки карты не задействуются.


Способы хранения цифрового звука

Первый - PCM (Pulse Code Modulation - импульсно-кодовая модуляция) - способ цифрового кодирования сигнала при помощи записи абсолютных значений амплитуд (бывают знаковое или беззнаковое представления). Именно в таком виде записаны данные на всех аудио CD.

Кодирование данных без потерь (lossless coding) - это способ кодирования аудио, который позволяет осуществлять стопроцентное восстановление данных из сжатого потока. К такому способу уплотнения данных прибегают в тех случаях, когда сохранение оригинального качества данных критично. Например, после сведения звука в студии звукозаписи, данные необходимо сохранить в архиве в оригинальном качестве для возможного последующего использования. Существующие сегодня алгоритмы кодирования без потерь (например, Monkeys Audio) позволяют сократить занимаемый данными объем на 20-50%, но при этом обеспечить стопроцентное восстановление оригинальных данных из полученных после сжатия. Подобные кодеры – это своего рода архиваторы данных (как ZIP, RAR и другие), только предназначенные для сжатия именно аудио.

Как мы сказали, современных lossy-кодеров существует достаточно много. Наиболее распространенный формат – MPEG-1 Layer III (всем известный MP3). Формат завоевал свою популярность совершенно заслуженно – это был первый распространенный кодек подобного рода, который достиг столь высокого уровня компрессии при отличном качестве звучания. Сегодня этому кодеку имеется множество альтернатив, выбор остается за пользователем. К сожалению, рамки статьи не позволяют привести здесь тестирования и сравнения существующих кодеков, однако авторы статьи позволят себе привести некоторую информацию, полезную при выборе кодека.


Преимущества и недостатки цифрового звука

С точки зрения профессионала цифровой звук открывает поистине необъятные возможности. Если раньше звуковые и радио студии размещались на нескольких десятках квадратных метров, то теперь их может заменить хороший компьютер, который по возможностям превосходит десять таких студий вместе взятых, а по стоимости оказывается многократно дешевле одной. Это снимает многие финансовые барьеры и делает звукозапись более доступной и профессионалу и простому любителю. Современное программное обеспечение позволяет делать со звуком все что угодно. Раньше различные эффекты звучания достигались с помощью хитроумных приспособлений, которые не всегда являли собой верх технической мысли или же были просто устройствами кустарного изготовления. Сегодня, самые сложные и просто невообразимые раньше эффекты достигаются путем нажатия пары кнопок. Конечно, вышесказанное несколько утрировано и компьютер не заменяет человека – звукооператора, режиссера или монтажера, однако с уверенностью можно сказать, что компактность, мобильность, колоссальная мощность и обеспечиваемое качество современной цифровой техники, предназначенной для обработки звука, уже сегодня почти полностью вытеснило из студий старую аналоговую аппаратуру.

Впрочем, у цифрового представления данных есть одно неоспоримое и очень важное преимущество – при сохранном носителе данные на нем не искажаются с течением времени. Если магнитная лента со временем размагничивается и качество записи теряется, если пластинка царапается и к звучанию прибавляются щелчки и треск, то компакт-диск / винчестер / электронная память либо читается (в случае сохранности), либо нет, а эффект старения отсутствует. Важно отметить, мы не говорим здесь об Audio CD (CD-DA – стандарт, устанавливающий параметры и формат записи на аудио компакт диски) так как несмотря на то, что это носитель цифровой информации, эффект старения его, все же, не минует. Это связано с особенностями хранения и считывания аудио данных с Audio CD.

Читайте также: