Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
Графический планшет, также называемый дигитайзером (диджитайзером), является одним из наиболее популярных устройств для ввода графической информации в персональный компьютер. Основной задачей данного устройства является достижение максимального сходства с рисованием вживую.
Дигитайзер пользуется большим спросом у людей, профессия или хобби которых связаны с дизайном, фотографиями, проектированием, архитектурой и так далее. Иногда графический планшет используется обычными пользователями в качестве замены обычной компьютерной мыши.
Графический планшет и производные от этого продукта существуют на рынке компьютерных устройств уже более 30 лет. За это время девайс превратился из специализированного манипулятора в устройство массового использования. Особое влияние на эту тенденцию оказала разработка таких редакторов, как , и . Многие пользователи, активно взаимодействующие с подобным программным обеспечением, отдают своё предпочтение в пользу графических планшетов, а не мыши, поскольку при этом обеспечивается более точная передача графической информации.
Целью работы является рассмотрение технологии, применения и моделей графических планшетов.
В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи:
изложить историю развития графических планшетов;
изучить технологию и устройство графических планшетов;
описать основные характеристики дигитайзеров;
рассмотреть некоторые модели дигитайзеров;
обозначить сферу применения графических планшетов.
1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГРАФИЧЕСКИХ ПЛАНШЕТОВ
Прототипом нынешнего графического планшета считается «телаутограф», изобретённый Элишем Греем ещё задолго до компьютерной эры – в 1887 году. Первый дигитайзер, подобный современным экземплярам, появился в 1957 году благодаря разработке Тома Даймонда под названием . Данное устройство конвертировало каждое положение стилуса в декартовы координаты и заносило их в память компьютера. Малая известность планшета не позволила ему выйти на рынок и в общее потребление. Более широкое распространение получил следующий экземпляр дигитайзера: от компании , произведённый в 1964 году. Соотношение цены и качества товара позволило использовать его в университетах, институтах и лабораториях, а также другим обладателям компьютерной техники.
Гораздо большим спросом графические планшеты стали пользоваться в 1970-х – 1980-х годах. В 1971 году появился на свет акустический планшет, который работал по принципу акустической подачи звука в сеть микрофонов под экраном устройства. В 1975 году завоёвывает популярность благодаря интеграции с -системами для узких специалистов: чертёжников, инженеров и архитекторов. В 1980-е годы появляется ещё один известный планшет: KoalaPad. Его особенностью была сцепка с восьмибитными персональными компьютерами и отсутствие любых указующих устройств (стилусов). Информация вводилась непосредственно пальцем.
Позже появляется технология, основанная на явлении электромагнитного резонанса, требующая подачи электроэнергии как на экран, так и на перо ввода. В 2000-е годы перья модернизируются и становятся способными понимать и регистрировать силу нажатия посредством элементов, измеряющих индуктивность и сопротивление. Также становится возможной фиксация наклона пера относительно поверхности дигитайзера. Эти достижения значительно устремляют прогресс развития по приближению к максимальному сходству с бумажным рисованием.
В 2005 году появляется графический планшет от производителя с новой ручкой. Её отличительно чертой является отсутствие внутренней батарейки. Это значительно облегчает саму ручку и освобождает от нужны менять батарейки. Ручка становится более органичной и одинаково удобной при работе как правой, так и левой рукой.
2012 год является переходной точкой от рядовых графических планшетов к планшетам, предназначенным для профессионалов. Эти дигитайзеры оснащены технологией — и возможностью понимать пользовательские жесты и сочетания, а также особым режимом для вывода настроек на экран.
В 2016 году тенденция меняется и ориентация происходит на планшеты для любителей, но с сохранением профессиональных характеристик. Перо и ластик по-прежнему чувствительны к нажатию и углу. Эргономичность планшета достигается благодаря ультратонкому дизайну, беспроводной работе и возможности подключения ко многим популярным устройствам.
Одной из последних модернизированных наборов считается линейка планшетов , которая обусловила переход от настольного планшета к «электронному мольберту». Последние модели обладают широкоформатным дисплеем с высоким разрешением и огромным количеством настроек под самые различные нужды. Подобные планшеты активно используются голливудскими художниками и мультипликаторами. В России такие планшеты завоевали популярность у анимационных студий и кинокомпаний.
На современном рынке представлены самые разнообразные дигитайзеры от разных компаний: , , -, , , и других. Однако наибольшей популярностью всё же пользуются планшеты фирмы как наиболее интерактивные и качественные. Данная фирма является лидером по количеству и значимости инновационных идей в области разработки графических устройств.
Таким образом, была рассмотрена хронология развития графического планшета от самых ранних экземпляров до моделей настоящих дней. Отмечены особенности устройств на каждом из этапов модернизации.
2 ТЕХНОЛОГИЯ ОРГАНИЗАЦИИ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГРАФИЧЕСКИХ ПЛАНШЕТОВ
Любой графический планшет имеет в своём составе два основных элемента: основание (рабочая поверхность) и перо, которое может перемещаться по нему. Существуют такие модели, в комплекте к которым поставляется планшетная мышь, работающая по принципу пера. Она действует исключительно на поверхности дигитайзера и имеет гораздо большую точность в отличие от обычной компьютерной мыши.
Сегодня планшет является полуавтоматическим устройством ввода графической информации посредством курсора (указателя координат), свободно перемещаемого по рабочей поверхности аппарата. Планшет чаще всего изготавливается из пластмассы и походит на толстый коврик для компьютерной мыши. Перо максимально приближено по дизайну к обычной авторучке, однако вместо чернильного стрежня с металлическим наконечником на конце у стилуса используется один из следующих видов наконечника (в составе пера):
стандартный из серого пластика, который при нажатии напоминает твёрдый карандаш или ручку;
гибкий из прорезиненного материала с повышенным трением, при работе создаётся имитация пастельного инструмента;
войлочный, максимально похожий на фломастер или мягкий карандаш;
«», выполненный из белого пластика и подпружиненный, благодаря чему создаётся ощущение работы с кистью.
При передвижении стилуса по рабочей поверхности устройства положение курсора регистрируется в каждый момент времени, конвертируется в абсолютное значение координат целевого экрана и затем передаётся на сам экран. Весь этот процесс происходит почти мгновенно, благодаря чему и достигается схожесть с «бумажным» рисованием. Профессиональный планшеты позволяют конвертировать координаты с точностью 99,9%, но и ценовой диапазон таких аппаратов значительно выше среднерыночной цены обычных дигитайзеров.
Регистрация положения курсора производится посредством встроенной сетки из печатных проводников с большим шагом (порядка 3-6 миллиметров), однако техника регистрации пера значительно точнее и составляет 200 линий на каждый миллиметр.
На рисунке 1 представлены основные виды графических планшетов по типу устройства.
Рисунок 1 – Основные виды графических планшетов
В основе пьезоэлектрических дигитайзеров лежит «тактильная чувствительность», или пьезоэлектрический эффект. Сетка проводников, которая расположена под рабочей поверхностью планшета, позволяет пластине пьезоэлектрика определять координаты точки через возникающую разность потенциалов. Такая конструкция не требует специального пера и даёт возможность использовать рабочую поверхность планшета как обычную чертёжную доску. Обычно в комплекте к планшету поставляется специальный зажим для бумаги, на которой можно рисовать обычным карандашом или ручкой. Нарисованное изображение моментально преобразуется в цифровой формат. Пьезоэлектрические планшеты являются отличным аналогом дорогих устройств, у которых электронная рабочая поверхность сразу отображает результаты работы.
В электростатических планшетах также используется измерение электрического потенциала в каждый промежуток времени на сетке непосредственно под пером, но в этом случае не перо должно быть подано питание.
Электромагнитные дигитайзеры обладают специфической сеткой, которая принимает электромагнитные волны, поданные каким-либо источником этих волн. Обычно источником волн выступает само перо, однако любые другие источники также могут оказывать воздействие на сетку дигитайзера. Такие устройства достаточно чувствительны к помехам, например, к излучениям мониторов.
Работа оптических планшетов похожа на работу обычного сканера в реальном времени. В стилус встроена цифровая микрокамера, посредством которой происходит сопоставление изображения на бумаге и на экране. Наиболее известной технологией, работающей на основе этого способа является разработка .
Лазерный дигитайзер считаются одним из самых дорогостоящих видов графических планшетов, но в то же время наиболее точным. Эти устройства используются преимущественно для автоматического считывания 3-объектов без участия человека. Трудности возникают при попытке сканировать объекты с зеркальными и прозрачными поверхностями. Главным преимуществом подобного рода устройств является быстрая оцифровка 3-модели, однако последующая её конвертация в конечное изображение занимает продолжительное время.
Пример подготовки к оцифровыванию 3-объекта приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Подготовка объекта к оцифровыванию
Итак, были рассмотрены основные виды графических планшетов, принципы устройства и особенности каждого из них.
- 3 ОБЩАЯ СВОДКА ХАРАКТЕРИСТИК ДИГИТАЙЗЕРОВ
- 4 МОДЕЛИ ГРАФИЧЕСКИХ ПЛАНШЕТОВ
- 5 СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ ДИГИТАЙЗЕРОВ
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- Правильное использование входного интерфейса для формирования сигналов
- Функции входного интерфейса дигитайзера
- Согласование сопротивления входной цепи
- Входные цепи
- Диапазоны входного напряжения
- Встроенная калибровка
- Использование пробников и датчиков с модульными дигитайзерами
- Пробники
- Датчики
- Примеры применений пробников и датчиков
- Режимы сбора, применяемые в модульном дигитайзере
- Основные конфигурации сбора
- Множество режимов записи
3 ОБЩАЯ СВОДКА ХАРАКТЕРИСТИК ДИГИТАЙЗЕРОВ
Одним из параметров дигитайзеров являются его линейные размеры, которые сегодня составляют от нескольких сантиметров до размеров листа А2. В основном большие графические планшеты необходимы специалистам для профессиональных работ. При выборе планшета ориентируются в основном на размеры рабочей области, а не на размеры самого устройства.
Основной характеристикой любого планшета является чувствительность к нажиму, которая преимущественно определяет различную толщину линий при рисовании. Дешевые модели планшетов не обладают такой возможностью и все линии будут рисоваться одинаковой толщины в зависимости от предустановленных настроек и независимо от угла или нажима пера.
Чувствительность планшета может регулироваться в панели инструментов. Для повседневных задач вполне хватает 2048 уровней давления пера, однако для большего контроля при рисовании могут использоваться планшеты с большей чувствительностью (вплоть до 8192 уровней давлений пера)
Другой немаловажной характеристикой планшетов является разрешение. В отличие от привычного разрешения дисплея (измеряется в DPI – dots per inch – количество точек (пикселей) на дюйм), разрешение дигитайзера измеряется в LPI – ines per nch – количество линий на дюйм. Фактически можно считать, что этот показатель определяет плотность датчиков под рабочей областью и чем выше это число, тем точнее планшет отражает передвижения пера. Передача характеристик линии, штриховки и любых других редактирований напрямую зависит от разрешения дигитайзера.
Практически значимой характеристикой дигитайзера является высота считывания пера. Она определяет, на каком расстоянии от рабочей области планшет способен распознать жесты пера и отреагировать на них соответствующим образом. Для комфортной работы считается приемлемой высота не менее 6-7 миллиметров
Скорость отслеживания пера, или время отклика влияет на то, как быстро появится рисуемая линия на экране. Измеряется в точках за секунду
При выборе графического планшета необходимо обращать внимание на поддерживаемые устройством операционные системы (ОС). Будет неприятно, если найденный дигитайзер обладает подходящими характеристикам, но несовместим с установленной операционной системой. Конечно, ничто не мешает написать собственный драйвер для взаимодействия внешнего подключаемого устройства и операционной системы, однако в разы экономичнее и выгоднее приобретать сразу готовый для работы продукт.
Стоит также учитывать тип подключения к персональному компьютеру (ПК). Большинство современных графических планшетов подключаются посредством интерфейса . В ряде случаях планшет может быть подключен даже к мобильному устройству через технологию . Планшеты, подключаемые исключительно по , обычно не имеют внутреннего источника питания и, соответственно, не нуждаются в зарядке.
Существуют планшеты с беспроводным подключением к компьютеру через или -, которые требуют в силу этого естественной подзарядки. Чаще всего беспроводной модуль встроен в конструкцию графического планшета, однако может и поставляться отдельно.
Особо следует отметить планшеты со смешанным типом подключения, которые могут взаимодействовать с ПК как посредством кабеля, так и в беспроводном режиме. У такого устройства имеется встроенная батарея, которая требует поддержания заряда при беспроводной работе.
На комфорте работы также сказывается тип пера (с батарейками, проводное, беспроводное магнитное, или пассивное и другие), наличие дополнительных настроек и возможностей, вызываемых программным или аппаратным образом.
В главе были рассмотрены основные характеристики и параметры графических планшетов. Каждому параметру дано развёрнутое пояснение.
4 МОДЕЛИ ГРАФИЧЕСКИХ ПЛАНШЕТОВ
Для всеобъемлющего рассмотрения графических планшетов приведём некоторые модели графических планшетов (относительно низких, средних и высоких цен) и их характеристики. Все данные взяты с сайта .
На рисунке 3 представлен графический планшет XP-PEN Deco Fun S (цена 3999 рублей). В таблице представлены его характеристики.
Рисунок 3 – Графический планшет XP-PEN Deco Fun S
Таблица 1 – Характеристики XP-PEN Deco Fun S
Поддержка многих операционных систем делает планшет универсальным средством для рисования. Он обладает высокими разрешением и чувствительностью. Подобное устройство подойдёт пользователям любого уровня квалификации и пригодно при решении некоторых видов задач профессионального уровня.
На рисунке 4 представлен графический монитор HUION KAMVAS 13 Green (цена 26999 рублей) – разновидность графического планшета, который отображает изображение сразу на дисплее во время рисования. В таблице 2 представлены его характеристики.
Рисунок 4 – Графический монитор HUION KAMVAS 13 Green
Таблица 2 – Характеристики HUION KAMVAS 13 Green
Экран устройства основан на матрице стандарта , что придаёт высокое качество детализации изображения. Как и многие другие планшеты этой ценовой категории обладает высокой чувствительностью. Совместим с популярными ОС и имеет пассивное перо в комплекте. Подойдет людям, занимающимся рисованием и моделированием на любительском и полупрофессиональном уровне.
На рисунке 5 представлен графический монитор 16 (цена 55999 рублей). В таблице представлены его характеристики.
Рисунок 5 – Графический монитор Wacom Cintiq 16
Таблица – Характеристики Wacom Cintiq 16
Планшет обладает высоким разрешением и большой чувствительностью, что обеспечивает естественное рисование высококачественных изображений. Поддержка популярных ОС, пассивное перо и знак качества делают его лидером среди конкурентов в своей ценовой категории. Продукция является выбором профессионалов.
5 СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ ДИГИТАЙЗЕРОВ
Первоначально дигитайзер использовался исключительно в системах автоматизированного проектирования (САПР), поскольку задумывался именно для этого. Позднее область применения графических планшетов начала стремительно расширяться, и устройства начали активно применяться не только инженерами, но и дизайнерами, художниками, аниматорами, а также разработчиками игровых приложений.
Основными областями применения графических планшетов сегодня считаются:
оцифровывание географических карт для работы с географическими информационными системами;
инженерное проектирование, создание прототипов и обратный инжиниринг;
Некоторые программы-мессенджеры позволяют обладателю графического планшета передавать и демонстрировать своему собеседнику интерактивные изображения. Кроме того, разработаны и уже существуют определённые протоколы (например, , ныне известный как – ), которые предоставляют возможность двум людям на расстоянии производить совместное рисование и редактирование даже при использовании разных целевых устройств.
Есть видеоигры, позволяющие использовать графический планшет в качестве игрового контроллера. Дигитайзер может применяться вместе с клавиатурой вместо привычной мыши (пример – музыкальная игра «!»).
Несомненно, область применения такого интерактивного устройства будет расширяться с годами, и дигитайзеры будут использоваться в самых необычных видах человеческой деятельности. Возможно, будет проведена прямая интеграция дигитайзера с голографическими устройствами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы была изложена история развития графических планшетов, в частности, течение модернизации дигитайзеров от первого прототипа до современных моделей, а также особенности каждого экземпляра.
Описана технология и принципы работы графических планшетов и перьевых устройств. Рассмотрены основные виды дигитайзеров и их специфика.
Выделены основные характеристики графических планшетов: размеры рабочей области, чувствительность, разрешение, высота считывания пера, время отклика, поддерживаемые ОС, тип подключения и тип пера. Даны пояснения каждому параметру.
Рассмотрены модели графических планшетов в различных ценовых категориях и от разных компаний-производителей. Приведены их основные характеристики и краткое описание с учетом применимости каждой модели.
Обозначена сфера применения дигитайзеров, в частности: мультипликация, оцифровка физических объектов, инженерной проектирование и научная визуализация. Отмечены нетривиальные способы применения графических планшетов и перспектива развития дигитайзеров.
Таким образом, все поставленные задачи выполнены, цель работы достигнута.
Правильное использование входного интерфейса для формирования сигналов
Модульные дигитайзеры и аналогичные измерительные приборы, такие как показанная на рис. 12 модель серии M4i от компании Spectrum Instrumentation, должны уметь обрабатывать широкий спектр характеристик аналогового сигнала при фиксированном входном диапазоне внутреннего аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Входные каскады дигитайзера должны минимизировать влияние на исследуемое устройство и при этом обеспечить надлежащее сопряжение с ним. Кроме того, для уменьшения воздействия широкополосного шума может потребоваться фильтрация входного сигнала. Все эти функции организуются соответствующими схемотехническими решениями, которые реализованы в цепях между входом дигитайзера и внутренним АЦП. Пользователи дигитайзера должны понимать определённые ограничения и компромиссы, на которые приходится идти для эффективного использования данных инструментов.
Блок-схема выбранного для примера модульного дигитайзера серии Spectrum M4i.44xx представлена на рис. 13.
Каждый входной канал имеет свой собственный тракт (выделен зелёным цветом), настраиваемый независимо от остальных. Более подробно на рисунке представлена структура одного канала, остальные реализованы аналогично. Входные цепи обеспечивают необходимое согласование с источником сигнала, выбор входного диапазона и фильтрацию, с некоторым ограничением полосы пропускания.
Функции входного интерфейса дигитайзера
Для достижения максимальной универсальности применения модульного дигитайзера необходимо, чтобы в его входных интерфейсных цепях были реализованы следующие функциональные возможности:
Согласование сопротивления входной цепи
Входное сопротивление измерительного прибора должно быть согласовано с выходным сопротивлением источника сигнала. Это значительно уменьшает возможные потери сигнала вследствие отражений.
Типовое значение входного сопротивления для большинства измерителей радиочастоты (RF) составляет 50 Ом. При этом показателями качества сигнала являются значения возвратных потерь или коэффициент стоячей волны по напряжению (VSWR). Любой из этих показателей определяется степенью согласованности импедансов.
Если источник сигнала имеет высокий выходной импеданс, то он должным образом согласуется с входным сопротивлением дигитайзера 1 МОм и тем самым уменьшает нагрузку цепей схемы.
Сопротивление терминального окончания 1 МОм также позволяет использовать на входе высокоимпедансные осциллографические пробники, которые ещё больше увеличивают нагрузочное сопротивление.
Согласование сопротивлений с отдельными стандартными оконечными устройствами, например, 600 Ом для аудио, может быть реализовано в виде комбинации терминального окончания дигитайзера 1 МОм с дополнительным внешним сопротивлением 600 Ом.
Некоторые модульные дигитайзеры других производителей поддерживают терминальное окончание только 50 Ом. Как следствие, в инженерном проектировании при выборе входного импеданса необходим компромисс между удобством применения и сохранением целостности сигнала.
Если необходимо устройство с высоким входным сопротивлением или с двумя значениями – высокоомным и 50 Ом, нужно убедиться, что производитель преобразователя действительно обеспечивает эту возможность. Серия Spectrum M4i.44xx была разработана с учётом возможности выбора необходимого входного терминального окончания для поддержания самого высокого уровня целостности обрабатываемого сигнала.
Входные цепи
Входные цепи в измерительном приборе предполагают возможность подключения внешних источников сигналов переменного (AC) или постоянного (DC) тока. Цепь DC передаёт весь сигнал, включая любое смещение уровня сигнала (ненулевые средние значения). Цепь AC устраняет любое среднее значение устойчивого состояния (смещения).
Цепь AC применяется, например, для измерений уровня пульсаций на выходе источника питания постоянного тока. Без AC-цепи выход постоянного тока DC потребует сильного ослабления сигнала, что усложнит точное измерение значения пульсации.
С AC-цепью, обладающей высокой входной чувствительностью, может быть получен значительно более точный результат измерения шумовых составляющих сигнала. Ключевой особенностью цепи AC является низкое граничное значение частотной характеристики, которое составляет менее –3 дБ. Это определяет, насколько сигнал низкой частоты будет ослаблен цепью AC.
С ней также связано время восстановления, являющееся интервалом, необходимым для изменения уровня входного сигнала после изменения текущего уровня его DC-составляющей. Обычно чем ниже частота среза, тем большей ёмкости требуется конденсатору во входном фильтре, и время установления сигнала увеличивается.
Некоторые модульные дигитайзеры предлагают только AC- или DC- входы без возможности выбора.
Это ещё один технический компромисс для уменьшения сложности прибора, потому что дигитайзеру с фиксированной связью не требуется работать с такими компонентами, как реле или переключатели. Однако приемлема ли фиксированная или необходима выбираемая связь, должно определять ваше приложение. Выбираемая связь предлагает больше гибкости в случае изменения требований пользовательского приложения к дигитайзеру.
Диапазоны входного напряжения
Обычно АЦП дигитайзеров имеют фиксированный входной диапазон. Простейший интерфейс дигитайзера предполагает единственный вход с постоянным входным диапазоном, соответствующим диапазону АЦП. Несмотря на простоту, наличие одного входного диапазона не очень удобно и практично в измерительном приборе при большом разнообразии уровней изменяемых сигналов. Чтобы нормализовать колебания входного сигнала, привести его в соответствие входному диапазону АЦП, требуется применить внешний аттенюатор или, наоборот, усилитель. Аттенюатор – это простой делитель напряжения, как правило, резистивный, который уменьшает амплитуду входного сигнала. Если он изготовлен из хороших прецизионных компонентов, то обычно существенно не ухудшает качество и целостность исследуемого сигнала.
Одной из проблем применения аттенюатора в сигнальной цепи является то, что при этом амплитуда внутренних шумов самого инструмента измерения масштабируется в соответствии с коэффициентом ослабления полезного сигнала. Так, если у вас есть дигитайзер с собственным среднеквадратическим уровнем шума 58 мкВ и вы используете аттенюатор 10:1, то получаете значение уровня шума, приведённое к входному сигналу 580 мкВ. Уровень шума – это относительный процент ослабленного аттенюатором полного спектра сигнала.
Усилители – другая история. Даже разработанные должным образом, они обычно добавляют шум в сигнальный тракт. Правда, это несколько компенсируется тем, что собственный шум цифровых преобразователей становится меньше относительно усиленного входного сигнала. Усилители также могут вносить искажения в форму сигнала. Другое ограничение усилителей – это зависимость коэффициента усиления (gain–bandwidth, GBW) от частоты сигнала. При повышении коэффициента усиления пропускная способность усилителя пропорционально уменьшается. Особенно это заметно в высокочувствительных диапазонах вблизи границ полосы пропускания.
Выбор диапазона входного напряжения является важнейшим моментом в проектировании модульного дигитайзера, так как имеет большое значение для сохранения целостности сигнала. Одновременно это даёт большую гибкость пользователю для оптимального выбора входного диапазона дигитайзера в соответствии с амплитудой сигнала. Для достижения данного компромисса производители используют разнообразные подходы. Они варьируются от предложения применения одного-единственного фиксированного входного диапазона, что перекладывает часть работы на плечи пользователя, который должен сам побеспокоиться о корректном усилении – нормализации сигнала, до предложения организации нескольких входных сигнальных путей (трактов).
Решение с несколькими входными путями в сочетании с буферизованным сигнальным трактом является универсальным для входных диапазонов и терминальных окончаний на высокочастотном тракте (ВЧ) 50 Ом, который обеспечивает высочайшую пропускную способность и наилучшую целостность сигнала в сочетании с минимальным количеством входных диапазонов и постоянным входным сопротивлением 50 Ом.
На рис. 14 показана архитектура модульного дигитайзера Spectrum M4i.44xx, который включает в себя двойной входной тракт. Путь ВЧ оптимизирован для обеспечения наибольшей полосы пропускания с наилучшей точностью сигнала. Буферизированный путь обеспечивает необходимую универсальность и гибкость и предлагает более широкий спектр диапазонов входного напряжения. Пользователи сами могут выбрать необходимый входной путь, соответствующий измерительным требованиям.
В табл. 3 приводятся сравнительные характеристики для каждого сигнального пути в модели M4i.445x, версии 14 бит, 500 Mсэмпл/с.
На рис. 15 показано сравнение канала ВЧ и буферизованного канала в 256 точках отсчётов в диапазоне дигитайзера 500 мВ.
Здесь мы видим пошаговую картинку по каждому тракту. Обратите внимание на то, что последовательные точки отсчёта были выбраны для каждого пути без наложения друг на друга и на то, что полный размах (peak-to-peak) напряжения шума по буферизированному пути выше, чем по ВЧ-тракту.
Схемотехнический дизайн ВЧ-тракта оптимизирован для минимизации шума и, несмотря на то что имеет вдвое большую пропускную способность, чем буферизированный тракт, он обеспечивает намного меньший уровень шума. Ценой этого является сокращение количества доступных входных диапазонов и необходимость использования 50-омных терминальных согласований.
Обратите внимание, что если вы выбираете модульный преобразователь, который предлагает только эквивалент буферизированного тракта, то получаете сигнал с более высоким уровнем шума. Если посмотреть гистограммы волны одной и той же формы, показанные на рис. 16, мы видим, что разброс относительно среднего значения для ВЧ-тракта меньше, чем для буферизованного пути.
Это означает, что ВЧ-тракт вносит меньше колебаний или шума. Мерой этого является стандартное отклонение. В рассматриваемом примере стандартное отклонение пути ВЧ составляет 0,125 мВ, в то время как для буферизированного – 0,183 мВ. Этим объясняется различие в уровне шума между показанными двумя сигнальными трактами (ВЧ и буферизованным) для одного и того же входного сигнала. Нужно отметить, что оба сигнала также содержат шумовые компоненты, как от источника сигнала, так и от самого дигитайзера.
Преимущества сохранения более высокой целостности сигнала ВЧ можно увидеть также в спектре частот синусоидальной волны, полученного дигитайзером при сравнении входного сигнала в обоих трактах.
На рис. 17 показаны сигналы, полученные в результате быстрого преобразования Фурье (FFT) через каждый входной путь.
Курсорами отмечены пиковые значения спектра и самый высокий ложный пик. В Ч-путь обеспечивает свободный динамический диапазон 80,9 дБ, а буферизированный – 60,7 дБ. Также обратите внимание на то, что в случае ВЧ-пути сигнала мы получаем меньший базовый уровень шума.
Независимо от того, какой сигнальный тракт вы выбираете для своего применения, есть некоторые общие правила, которые помогут обеспечить лучшую целостность обрабатываемого сигнала. Первое – необходимо использовать наиболее подходящий входной диапазон. Если сигнал имеет стабильную амплитуду, то выбирайте входной диапазон, при котором амплитуда сигнала будет составлять по крайней мере 90% от входного диапазона. Не перегружайте АЦП. Если вы превысите полную шкалу диапазона, то результатом этого будут искажения или отсечка сигнала, которые приведут к появлению нежелательных гармоник и ухудшат целостность сигнала.
Фильтры, ограничивающие пропускную способность, если они используются в вашем дигитайзере, помогут уменьшить уровень шумов. Для ограничения полосы пропускания во входных цепях дигитайзеров Spectrum применяется подключаемый низкочастотный аналоговый фильтр 20 МГц. Если входной сигнал не содержит частот выше указанного значения, то путём ограничения шума выше 20 МГц с помощью фильтра можно значительно улучшить соотношение сигнал–шум в вашем приложении.
Встроенная калибровка
Все каналы модульного дигитайзера Spectrum перед отправкой заказчику проходят обязательную калибровку на производстве. Так как плата модульного дигитайзера применяется в составе персонального компьютера (ПК), где могут быть различные отклонения технических характеристик, например, температуры или значений питающих напряжений, драйвер для преобразователя обеспечивает программные возможности поддержки автоматического встроенного смещения, калибровки и усиления на всех входных диапазонах для буферизованных входов. Каждая карта модульного дигитайзера имеет в своём составе высокопрецизионный встроенный калибровочный источник сигнала. Эта замечательная особенность гарантирует поддержание дигитайзера в полностью откалиброванном состоянии, независимо от изменений в характеристиках его окружения и собственного старения.
Хорошей практикой является калибровка платы в начале работы после подачи питания и нормализации рабочей температуры. Обычно эта процедура производится через 10–15 минут после включения.
Входные цепи модульного дигитайзера должны обеспечивать все необходимые возможности для получения точных и повторяемых измерений. Множественный выбор входных диапазонов, входные цепи для AC- и DC-сигналов, фильтрация и встроенная калибровка – все эти функции помогают обеспечить максимальную целостность сигнала и точность преобразования. Хорошо разработанный согласованный вход дигитайзера позволяет пользователю корректно нормализовать входной сигнал, максимально приводя его в соответствие диапазону преобразования АЦП и при этом исключая перегрузку. Только в данном случае дигитайзер может обеспечить наилучшую точность измерения.
Использование пробников и датчиков с модульными дигитайзерами
Входные пробники применяются для преобразования уровней входного сигнала, изменения импедансных уровней. Они также обеспечивают более удобные методы подключения. Преобразователи или датчики преобразуют физические величины в соответствующие им электрические сигналы. Далее приведены примеры для токовых датчиков, акселерометров и фотоумножителей. Все типы этих входных устройств поддерживаются дигитайзерами Spectrum. Следующий раздел статьи посвящён применениям пробников и датчиков с дигитайзерами Spectrum.
Пробники
Большинство пассивных осциллографических пробников совместимо с входами вашего дигитайзера. Но обязательно необходимо знать, как пробники влияют на исследуемую схему и как необходимо масштабировать полученные данные с учётом применения пробника. Первая часть указаний по применению будет относиться к пробникам, их работе и к тому, как они влияют на результаты измерений. Прямое соединение
Сначала рассмотрим, что произойдёт, если вы подключите вход дигитайзера с сопротивлением 1 МОм с помощью коаксиального кабеля к точке измерения, как показано на рис. 18.
Ёмкость входа дигитайзера порядка 35 пФ. При этом ёмкость коаксиального кабеля будет в диапазоне 10–30 пФ на фут. Это означает, что общая ёмкость всей схемы составит около 95 пФ.
Рассчитаем реактивную ёмкость (Xc) для значения 95 пФ на частоте 10 МГц: Xc = 1/(2πfC).
При частоте 10 МГц и 95 пФ общей ёмкости получаем величину ёмкостного сопротивления 168 Ом, которое может значительно ослабить величину измеряемого сигнала. Таким образом, при применении простого экранированного кабеля для подключения дигитайзера к устройству получаем неприятный эффект влияния на схему ёмкости кабеля. Высокоомные пассивные пробники
Пассивный пробник с высоким входным импедансом использует ёмкостно-компенсированный делитель напряжения с коэффициентом деления амплитуды, обычно равным 10:1. Как показано на рис. 19, результат применения такого компенсирующего делителя – это входная ёмкость минимум 10 пФ и увеличение нагрузочного сопротивления пробника приблизительно в 10 раз.
Входную ёмкость можно ещё снизить, если увеличить коэффициент деления пробника, но это приведёт к уменьшению полезного сигнала на входе дигитайзера и создаст дополнительные трудности при измерении сигналов малых уровней. На практике коэффициент деления аттенюатора 10:1 обычно обеспечивает хороший компромисс между амплитудой сигнала и сопротивлением нагрузки.
Полоса пропускания этого типа пробников может быть до 500 МГц. Однако на высоких частотах даже такое достаточно небольшое значение ёмкости зонда может оказаться чрезмерным. На частоте 500 МГц ёмкость пробника 10 пФ представляет собой сопротивление приблизительно 32 Ом, которое сильно ослабит сигнал и будет влиять на измеряемую цепь во всех схемах, кроме самых низкоимпедансных. На низких частотах этих проблем меньше.
Пробник также ослабляет уровень входного напряжения в 10 раз, и это надо соответственно учитывать при анализе измеренных дигитайзером значений. В следующем разделе статьи мы обсудим эти моменты. Линии передачи низкоёмкостных пробников
Измерения высокочастотных сигналов требуют применения пробников с очень низкой ёмкостью.
Входная ёмкость пробника может быть значительно снижена, если рассматривать коаксиальный кабель как часть линии передачи сигнала. Если вход дигитайзера имеет терминирующее сопротивление 50 Ом, то сопротивление пробника в конце кабеля тоже является постоянной величиной 50 Ом, независимо от частоты.
Этот очень низкий импеданс нагрузки может быть повышен с помощью делителя напряжения: подключённый последовательно резистор 450 Ом будет делить амплитуду в десять раз, и в результате получим относительно постоянное сопротивление нагрузки 500 Ом. Пробник линии передачи (Transmission Line Probe) с малой ёмкостью, показанный на рис. 20, использует линию передачи с терминированным окончанием.
Входная ёмкость линии передачи пробника, такой как рассматриваемая, довольно низкая, обычно составляет доли пФ. Ограничивающим фактором в применении этого пробника является его низкое входное сопротивление. Для пробника с коэффициентом деления 10:1 входное сопротивление составляет только 500 Ом и может достаточно сильно нагружать цепи. Подобные пробники находят применение в высокочастотных проектах, где схемы обычно работают на общее сопротивление 50 Ом, включающее в себя суммарный импеданс всех компонентов схемы, находящихся между источником входного сигнала и дигитайзером. Активные пробники
Активный пробник использует компенсированный делитель напряжения на входе усилителя. Буферизованный выход усилителя работает на терминированный (согласованный по волновому сопротивлению) коаксиальный кабель, как это реализовано в низкоёмкостном пассивном пробнике. Эта схема позволяет изолировать пробник от ёмкостной нагрузки кабеля и входных цепей дигитайзера. Такие пробники обычно питаются от осциллографов и работают совместно с ними. Для их использования с дигитайзером необходимо обеспечить внешний источник питания и при необходимости контрольный интерфейс. Выбор пассивного пробника
Высокоимпедансные пассивные пробники доступны в нескольких вариантах, отличающихся коэффициентом ослабления. Общеупотребительными являются значения коэффициента деления аттенюатора 10:1 и 100:1. Для работы с входом дигитайзера, терминированным 1 МОм, они обеспечивают входное сопротивление 10 МОм или 100 МОм соответственно. Дигитайзеры с разрешением от 14 до 16 бит хорошо согласуются с пробниками 100:1, так как имеют достаточный динамический диапазон для обработки небольших сигналов после их ослабления пробником.
Пробники должны соответствовать входной ёмкости дигитайзера. Для канала дигитайзера с входной ёмкостью 35 пФ необходимо выбрать пробник с достаточным для этого диапазоном компенсации ёмкости.
Большинство высокоимпедансных пробников имеют разъёмы типа BNC. Хорошо, если и дигитайзер имеет BNC-входы, но конструктивно для размещения разъёмов BNC необходимо много пространства, а передняя панель прибора часто очень мала. В этом случае вам может потребоваться дополнительный адаптер. Например, если в самом дигитайзере применяются соединители типа SMA, то для соединения с пробником будет необходим адаптер-переходник SMA в BNC.
Низкоёмкостные пассивные пробники работают на входную нагрузку дигитайзера 50 Ом. Поскольку эти пробники обычно поддерживают ширину полосы пропускания в диапазоне порядка гигагерц и более, то они обычно используют коннекторы SMA.
Датчики
Сенсоры, или датчики – это элементы, чувствительные к различным физическим воздействиям и преобразующие их в уровень напряжения, пропорциональный значению измеряемого свойства. Типичным примером является датчик тока. Он формирует выходной сигнал с величиной напряжения, пропорциональной измеряемому току. В табл. 4 представлены несколько типичных примеров датчиков, измеряемые ими физические величины, а также единицы измерения.
Интерфейс датчика
Для корректного применения сенсора или датчика с дигитайзером необходимо знать их параметры: выходной диапазон, выходное сопротивление, полосу пропускания и чувствительность. Выходной диапазон датчика должен быть в пределах диапазона входных напряжений дигитайзера, в противном случае для приведения его к соответствующим значениям диапазона дигитайзера потребуются аттенюаторы или усилители. Большинство датчиков разработано для работы с фиксированным импедансом. Дигитайзеры, как и другие измерительные приборы, как правило, имеют входное сопротивление 1 МОм или 50 МОм.
Большинство широкополосных датчиков согласуется с нагрузкой 50 Ом. Менее широкополосные датчики могут требовать 1 МОм нагрузки. Некоторые специализированные датчики могут быть предназначены для работы с другими импедансами нагрузок, например, 75 или 600 Ом. В этих случаях потребуется обеспечить дополнительное согласование сопротивлений, а также соответствующую корректировку чувствительности датчика.
Чтобы избежать уменьшения эффективной полосы пропускания всей системы датчик–дигитайзер, полоса пропускания дигитайзера должна быть значительно шире полосы пропускания датчика. Соотношение полос пропускания дигитайзера и датчика больше 7:1 даст ошибку при измерении амплитуды сигнала 1% или меньше.
Чувствительность – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Например, чувствительность акселерометра может быть определена как 10 мВ/g. Это означает, что для измеряемой физической величины в 1g (ускорение свободного падения) преобразователь выдаст сигнал 10 мВ. Представление о чувствительности датчика очень важно для калибровки показаний дигитайзера непосредственно в единицах измерения физических величин, отличных от электрической амплитуды.
Большинство преобразователей (датчиков) требуют применения отдельного источника питания, который работает как внешний по отношению к дигитайзеру.
Примеры применений пробников и датчиков
С соответствующим масштабированием осциллографические пробники и другие датчики могут использоваться с любым модульным дигитайзером, при этом данные могут быть считаны в нужных пользователю физических единицах.
Режимы сбора, применяемые в модульном дигитайзере
Модульные дигитайзеры Spectrum Instrumentation серии M4i предлагают реализацию большого количества разнообразных функций, от основной – многоканальный сбор первичной информации, до высокоскоростной передачи полученных данных в компьютер для дальнейшего анализа и обработки. Они имеют несколько режимов работы, оптимизирующих использование встроенной памяти и уменьшающих мёртвые зоны между циклами сбора информации. Это особенно важно при работе с сигналами с коротким циклом готовности в приложениях эхолокации, включая радары, гидролокаторы, лазерные локаторы и ультразвуковые медицинские аппараты, и в приложениях сбора текущих данных, таких как времяпролётный спектрометр или других, на основе анализа событий типа воздействие–реакция.
Основные конфигурации сбора
Типовые модульные дигитайзеры, как правило, предлагают два режима работы. В стандартном режиме при сборе информации память используется в качестве кольцевого буфера, точно так же, как в осциллографе. Данные записываются в кольцевую память дигитайзера до наступления триггерного события. Значения записываются после запуска триггера. Результаты до и после срабатывания триггера заносятся в зарегистрированные данные. Этот режим применяется прежде всего со специализированным программным обеспечением дигитайзера, которое используется для просмотра, регистрации и последующей обработки захваченных сигналов в реальном времени, для проверки настроек дигитайзера и предварительной обработки данных.
Другой режим, FIFO (First-In-First-Out) – это потоковый режим, предназначенный для непрерывной передачи данных между дигитайзером и внешним хост-компьютером. Рассматриваемый в этой статье дигитайзер Spectrum M4i.4451-x8 функционирует на шине PCI Express x8 Gen 2 со скоростью обмена до 3,4 Гбайт/с. Управление потоком данных осуществляется автоматически драйвером, обрабатывающим аппаратные прерывания.
Основное различие между стандартным и FIFO-режимом заключается в том, что стандартный режим ограничивается применением только встроенной памяти. В режиме FIFO нет подобного ограничения, так как он предназначен для непрерывной передачи данных по шине в память компьютера или на жёсткий диск, и поэтому может работать гораздо дольше. Здесь полная установленная память используется в качестве буфера, обеспечивая надёжную потоковую передачу данных.
Множество режимов записи
Каждый из режимов, стандартный и FIFO, предлагает три разных метода записи, которые обеспечивают более эффективное использование памяти в измерительных приложениях для сигналов с коротким рабочим циклом. Данные приложения имеют короткую продолжительность рабочих событий с полезной информацией, после которых следуют длительные интервалы покоя.
Методы сбора, оптимизированные для захвата этого типа сигнала, применяются в режимах многократной записи информации Multiple Recording (сегментами), Gated Mode (стробирование) и ABA (двойная метка времени). Все эти режимы сегментируют память и осуществляют многократный сбор данных в неё.
Режим двойной метки времени ABA уменьшает частоту дискретизации между пусками преобразования, тем самым экономит память и обеспечивает передачу собранных данных во время покоя между пусками.
Давайте посмотрим, как работают эти уникальные режимы сбора. На рис. 24 представлена работа дигитайзера в данных режимах.
Режим считывания Multiple (сегментированный) показан на рис. 24a, он позволяет записать несколько триггерных событий с чрезвычайно коротким временем перезапуска. Память сбора информации разделена на несколько отрезков равного размера. Один такой отрезок-сегмент заполняется для каждого события пуска. Между сегментами сбор данных не производится. Пользователь может сам запрограммировать необходимые интервалы до и после запуска преобразования в пределах сегмента. Количество полученных сегментов ограничено только объёмом используемой памяти и не ограничено при использовании режима FIFO. Значимые данные, связанные с многократными пусками преобразования, хранятся в памяти сбора в смежных сегментах. Данные, связанные с простоем между событиями, не фиксируются.
Каждое событие имеет временнýю метку, таким образом, известно его точное временно́е местоположение. На рис. 24б показано графическое представление работы метки времени для режима записи Multiple Recording. Временны́е метки хранятся в отдельной памяти FIFO, находящейся на плате дигитайзера. Они при необходимости могут быть считаны как данные.
Выборка данных в режиме Gated (стробирование) показана на рис. 24в, здесь для разрешения и остановки процесса отбора данных используется сигнал стробирования (разрешения), который может быть получен от другого канала или от входа внешнего запуска. Информация записывается в память, только когда разрешение активно. Как и в режиме Multiple, пользователь может программировать временныˆе интервалы до и после пуска. В режиме Gated метки времени отмечают открытие и закрытие ворот преобразования, не включая интервалы до и после окончания запуска. Количество собранных сегментов данных лимитируется объёмом памяти сбора, а при использовании режима FIFO ограничивается только объёмом основной памяти сервера.
Режим ABA, представленный на рис. 24г, – это режим двойной метки времени, сочетающий быстрый сбор данных по триггерным событиям (интервал B на оси) с небольшой частотой выборки (интервал A на оси) между событиями. Режим ABA работает подобно медленному регистратору данных в комбинации с быстрым преобразователем-дигитайзером. Точные позиции событий пуска и останова отмечены метками времени, как в режиме Multiple.
Режимы Multiple и Gated имеют следующие общие преимущества.
Режим ABA использует низкую частоту дискретизации для обработки сигнала между триггерными событиями (до и после моментов срабатывания), в то время как более высокая частота дискретизации применяется, чтобы показать сигнальные компоненты в окне самого триггерного события с большим временны́м разрешением.
Здесь память не используется так же эффективно, как в режимах Multiple или Gated, но зато этот режим предлагает возможность непрерывного просмотра событий, происходящих между срабатываниями, с использованием метки времени на медленных и быстрых данных, синхронизованной с разрешением на одну выборку.
Ни один из представленных примеров не требовал быстрого рестарта цикла преобразования. Режимы Multiple и Gated полностью контролируются аппаратными средствами. Для них характерно очень маленькое время между окончанием одного цикла и готовностью к новому преобразованию. Рассмотрим синусоидальный сигнал с периодом 88 нс, показанный на рис. 28.
Он оцифрован в режиме Multiple Recording. Временны́е метки для всех десяти сегментов отображают изменения периодического синусоидального сигнала. Это означает, что ни один период сигнала длительностью 88 нс не был потерян. Следует помнить, что время перезапуска зависит от длительности периода дискретизации и времени задержки, необходимого для подготовки нового пуска. Частота обновления равна 1/88 нс, или 11,36 МГц.
Применение рассмотренных специальных режимов сбора информации Multiple Recording, Gated и ABA значительно уменьшает объём памяти, необходимый для захвата и анализа сигналов, отличающихся небольшим рабочим циклом. Поскольку обрабатываются лишь значимые события, повышается эффективность работы. Обычно это выражается в снижении времени, затрачиваемого на передачу данных и измерение. Интеллектуальные режимы сбора позволяют гарантировать, что наиболее важные события не будут пропущены. Короткое время готовности к триггерному событию и оптимизированная эффективность сбора информации позволяют захватывать сложные пакеты сигналов даже для очень быстрых процессов. Это делает модульные дигитайзеры предпочтительными инструментами для широкого спектра измерительных приложений в области эхолокации и исследованиях сигналов типа воздействие–реакция.