ФОРМЫ И ВИДЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ. 1 страница

ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА ИНФОРМАЦИИ[3]

Выделяют две формы представления информации – непрерывную и дискретную. Непрерывная форма – это величина, характеризующая процесс, не имеющий перерывов или промежутков, например, температура тела человека, скорость перемещения автомобиля за определенное время на участке пути без остановок (рис. 25а).

а) аналоговый сигнал, б) цифровой (дискретный) сигнал,

(непрерывный) (импульсный)

Рис. 25. Виды представления информации

Часто возникает необходимость представить информацию в форме, отличной от привычной. Так, для передачи информации на расстояние изобретен телеграфный код Морзе, в котором буквы и цифры закодированы с помощью коротких и длинных импульсом (точка, тире). Почтовый индекс, − закодированный адрес. Дискретная форма представления информации – это последовательность символов, характеризующая прерывистую, изменяющуюся величину.

Автоматы по индексам быстро и точно сортируют конверты. Преобразование адреса почтового отделения в 6-значное число позволило заменить малопроизводительный труд человека по сортировке писем автоматами.

Код – это ключ для перевода информации из одной формы в другую. Таким образом, процесс преобразования информации в совокупность символов, определяемую кодом, называется кодированием.

Электронные элементы, применяемые в компьютерах, имеют два состояния – есть импульс или нет импульса, поэтому вся информация для компьютеров кодируется в двоичной системе исчисления (рис. 25б). Любой символ (цифра, буква, знак) получает кодированное обозначение с помощью цифр 1 и 0, составляющих основу двоичной системы исчисления.

Информацию записывают с помощью символов: десятичных цифр, букв русского, латинского или другого алфавита, специальных знаков. Для обработки на компьютере информацию сначала переносят на машинные носители. С их помощью можно многократно вводить эту информацию.

Рассмотрим основные единицы информации. Наименьшей единицей информации является бит, принимающий значение 1 или 0. Более крупная единица информации – байт. Он состоит из 8 бит.

Таблица 11

Единицы измерения информации.

Байт – основная единица количества информации, хранимой в памяти ЭВМ, − используется для обработки более крупных единиц (табл. 11).

ИНФОРМАЦИЯ И ЕЕ ПЕРЕДАЧА[6]

Под словом «информация» понимают целенаправленные конкретные сообщения, смысл которых ясен человеку и может быть прочитан устройством, воспринимающим информацию.

В технике автоматизации это преимущественно сообщения о фактическом значении величин и о состоянии отдельных процессов.

Пример: Информация о температурных параметрах процессов, протекающих в печах отжига, используется для дозирования горючего, а о параметрах давления в контейнере – для регулирования притока воздуха.

В качестве носителей информации в технике автоматизации используют НГМД, магнитофонные ленты, а также оптические диски и другие физические переменные, например, ток, сжатый воздух, электромагнитные волны (табл. 12).

Таблица 12

Примеры отображения информации с помощью различных носителей

В зависимости от того, должна ли информация незамедлительно обрабатываться внутри системы, используются различные носители и средства отображения информации.

Передача информации [6]

Принцип передачи информации можно описать на примере структурной схемы, представленной на рис. 26.

С помощью передающего устройства ПУ производится сбор информации и ее передача. Для обеспечения дальнейшей передачи информации в устройстве кодирования УК осуществляется необходимое (в большинстве случаев) преобразование носителя информации. Через канал связей КПИ осуществляется передача информации. С помощью декодера Д информация снова преобразуется в форму пригодную для восприятия (прочтения) приемным устройством ПРУ. Прием информации осуществляется приемным устройством ПРУ.

ПУ – передающее устройство (источник информации)

УК – устройство кодирования

КПИ – канал передачи информации

Д – декодер

ПрУ – приемное устройство, потребитель информации.

Рис. 26. Принцип передачи информации

Основная цель передачи информации заключается в достоверном ее
переносе с различных носителей. Канал, по которому осуществляется передача информации, называется каналом связи.

Пример. В промышленных установках с централизованными устройствами сбора результатов измерений и управляющими ЭВМ зачастую требуется передача информации на расстояния более 10 км. При выборе технологии и средств передачи информации решающими факторами являются восприимчивость оборудования к помехам и его стоимость. Применявшийся до последнего времени медный кабель уже не соответствует современным требованиям в точности, надежности и пропускной мощности. Кроме того, для его производства необходима дорогостоящая медь. Поэтому в настоящее время отдают предпочтение световодным кабелям, предназначенным для помещений с повышенной взрывоопасностью.

Такие кабели маловосприимчивы к электрическим и электромагнитным помехам промышленных предприятий. В качестве средств передачи используют оптические волокна из кварцевого стекла, производство которого имеет обширную сырьевую базу.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ [7]

Общие сведения[7]

В электросвязи все более широкое применение находят оптические системы с использованием одномодовых или многомодовых оптических волноводов. Волоконная оптика строится из волокон силикатного стекла или других подобных материалов с диаметром от 10 до 400 мкм с покрытием, имеющим несколько меньшую диэлектрическую постоянную. Такой кабель имеет исключительно малые потери: для волокна с высоким содержанием кварца потери составляют всего 0,5 дб/км. Волокна не обладают индуктивностью, поэтому они не подвержены действию электромагнитных помех.

По характеристикам и функциям в волоконно-оптической системе связи можно выделить три основные категории устройств:

1. источник света и связанную с ним схему возбуждения;

2. оптическое волокно и механическую конструкцию кабеля;

3. фотодетектор и приемную схему.

Ограничения, накладываемые на характеристики волоконно-оптических систем, в частности на расстояния между повторителями, определяется двумя параметрами: шириной полосы пропускания и мощностью оптического излучения. Поскольку каждый повторитель требует, чтобы фотодетектор и передатчик были расположены в непосредственной близости друг от друга и противоположно направлены, размещение повторителей на линии является критической характеристикой волоконно-оптической системы. Дисперсия и затухание определяется структурой волокна. Неисправности на соединителях или поврежденные волокна могут привести к тому, что на повторители будет поступать недостаточная мощность.

Следует учитывать и другие факторы, такие как частоту модуляции, оптическую яркость, чувствительность детектора, время нарастания сигнала, коэффициент шума и др.

Типы оптических волокон[7]

Существуют три основных типа волокон: многомодовые со ступенчатым изменением показателя преломления, многомодовые с плавным изменением показателя преломления и одномодовые. Имеет смысл кратко рассмотреть характеристику каждого типа.

Свет представляет собой электромагнитную волну. Распространение света по волокну требует, чтобы соединитель и волокно были правильно состыкованы.

Показатель преломления волокна зависит от расстояния по радиусу от
центра волокна. Показатель преломления равен:

n = С / V ,

где: С – скорость света в вакууме (3×10³ м/с);

V – скорость света в волокне.

Волокна со ступенчатым изменением показателя преломления[7]

На рис. 27 показано изменение показателя преломления таких волокон в зависимости от расстояния по радиусу от центра волокна. При радиусе Rс показатель преломления резко меняет величину. Поперечное сечение волокна делится на две области: круглую сердцевину и окружающую ее кольцевую оболочку. Внутри волокна оптическая энергия распространяется за счет полного внутреннего отражения на поверхности раздела сердцевина – оболочка. Показатель преломления сердцевины выше, чем оболочки. В принципе оболочкой мог бы служить и воздух, имеющий показатель 1,0. Однако оболочка служит еще для фиксации сердцевины. Типичные значения показателей преломления составляют n₁ = 1,48 и n₂ = 1,46.

Полоса пропускания волокна зависит от характеристик распространения. Строгий анализ распространения оптического излучения включает решение уравнения Максвелла с соответствующими граничными условиями. Этот анализ показывает, что распространяющаяся энергия распределена между количествами наложенных друг на друга составляющих поля, называемых модами. Различия в характеристиках распространения этих мод обуславливают дисперсию мод, которая является одним из факторов, ограничивающих полосу пропускания. Для иллюстрации причин возникновения дисперсии мод часто используют рассмотрение геометрии лучей.

По закону Снелла минимальный угол, при котором происходит полное внутреннее отражение, находят из выражения:

или

Лучи, которые падают на поверхность раздела сердцевина – оболочка под углом, меньшем 80,6º теряются в оболочке. На рис. 28 показана полная длина пути луча, падающего под таким углом составляет 1014 м.

Радиус

а) б)

Рис. 27. Профиль изменения показателя преломления для волокон со ступенчатым его изменением (а). Резкое понижение показателя преломления на границе между сердцевиной и оболочкой. (б) – поперечное сечение волокна. Центральная часть – сердцевина с показателем преломления n₁ и окружающая ее оболочка с показателем преломления n₂

Если сравнить с расстоянием, которое проходит луч, распространяющийся вдоль центральной оси волокна, получится разница в 14 м. Скорость распространения задана выражением:

м/с

Рис. 28. Отражение обратно в сердцевину происходит каждый раз при попадании луча на поверхность раздела сердцевина – оболочка; неосевые лучи света проходят зигзагообразный путь

Если оба луча поступают в волокно одновременно, многократно отражающийся луч достигает противоположного конца на 69 нс позднее осевого луча. Разность времен прохождения лучами определенного отрезка создает размытие бит или межсимвольную интерференцию в системах импульсной передачи данных и искажения. Если мы рассмотрим величину, обратную относительной временной задержке, в качестве оценки порядка ширины полосы, ограничиваемой дисперсией мод, мы получим 14,5 МГц.

Волокна с плавным изменением показателя преломления [7]

В волокнах с плавным изменением показатель уменьшается непрерывно при смещении луча от оптической оси волокна (рис. 29).

Радиус

а) б)

Рис. 29. Профиль изменения показателя преломления для волокон с плавным его изменением (а). Показатель преломления уменьшается по параболе от n₁ на оси волокна до n₂ на расстоянии радиуса R_В от оси (б). Поперечное сечение волокна показывает, что вблизи заштрихованной центральной оболочки свет проходит медленней, чем на некотором расстоянии от центра, что приводит к меньшему разбросу времени прибытия и меньшей дисперсии

Свет распространяется быстрее в областях с меньшим показателем преломления (крайние наружные участки волокна), что приводит к уменьшению разности времен прохождения, то есть меньшей дисперсии. Дисперсия минимальна, если форма профиля изменения показателя преломления приближается к параболической. Одномодовые волокна рассматриваться не будут. Разрабатываются устройства, позволяющие осуществлять передачу сигналов по световодным кабелям на расстояние до 300 км без использования промежуточных усилителей.

Существует два способа передачи информации: параллельный и последовательный.

1 – места измерений;

2 – центральный контрольно-измерительный пункт;

3 – мультиплексор.

Рис. 30. Передача информации: (а) – параллельная; (б) – последовательная

Пример: От точек измерения A – D поступает информация о температурных параметрах, которая должна быть передана на контрольно-измерительный пункт. Средством передачи информации является электрическое напряжение, по значениям которого регистрируемым токоизмерительным прибором, судят о температуре в отдельных точках измерения.

При параллельной передаче информации отображение всех параметров производится одновременно. Таким образом, для каждой точки измерения требуется канал связи с контрольно-измерительным пунктом и индикатор (рис. 30а).

При последовательной передаче информации (рис. 30б) параллельно передаваемые данные поочередно считываются специальным устройством (мультиплексором), после чего данные последовательно, то есть по общему каналу связи, передаются на контрольно-измерительный пункт, оборудованный индикационной аппаратурой. Наиболее эффективным решением является комбинированное использование обоих способов передачи.

Мультиплексор и селекторный канал [3]

В технике управления и регулирования часто встречается задача по переводу сигналов, поступающих из многих каналов, на один канал с последующим повторным распределением сигнала по различным каналам. Такой способ передачи сигналов называется многоканальным способом телеизмерений с временным разделением каналов.

По своей структуре это специализированные процессоры, которые управляют вводом или выводом информации для оператора. Мультиплексорный канал ввода-вывода обеспечивает передачу информации для внешних устройств, которые характеризуются скоростью передачи не более 500 Байт/сек.

а) б)

Рис. 31. а) Селекторный канал; б) Мульплексорный канал

К таким устройствам можно отнести: устройство ввода-вывода с перфолент, печатающие устройства, графопостроители, дисплеи. Мультиплексорный канал, имеющий более высокое быстродействие чем периферийное устройство, одновременно обслуживает несколько параллельно работающих устройств (рис. 31б), причем информация от каждого устройства передается побайтно.

Селекторный канал обеспечивает ввод или вывод информации внешних устройств, которые имеют скорость передачи 1 КБ/с и выше. К таким устройствам относятся накопители на магнитных и лазерных дисках. Селекторный канал работает в многопольном режиме и обслуживает только одно устройство (рис. 31а).

СИГНАЛ И ВИДЫ СИГНАЛОВ [6]

Общие сведения [6]

Характерным свойством сигнала является отображение с его помощью определенной временной характеристики (сигнализируемой величины) на носители информации. Для этого сам носитель информации должен иметь не менее одного характеристического параметра, значение которого зависит от сигнализируемой величины. Данный параметр называется «информационным».

Сигнал – это отображение информации с помощью ее носителей, обладающих собственными параметрами. Эти параметры отражают значения величин, информация о которых должна быть передана.

Таблица 13

Примеры информационных параметров

Изменение информационной величины	Носитель информации	Временная функция информационного параметра
Температура	Ток, проходящий через термометр сопротивления	t1 t t3 t2 I3 I1 I2 I Сила тока
Частота вращения	Ток регулирования	f t4 t3 t2 t t1 Частота колебаний

Продолжение таблицы 13

Уровень

Свечение лампы

(1) (2) (3) t4 t t3 t2 t1 E Сила света

Виды сигналов [6]

В соответствии с различными признаками сигналы можно подразделить на несколько видов, например, по типу носителя информации сигналы разделяются на электрические, акустические и т.д.

Рис. 32. Виды сигналов

Аналоговыми называются сигналы, информационные параметры которых могут в определенных границах иметь любое значение. Например, во временных функциях (табл. 13) информационные параметры (сила тока и частота колебаний) в определенных границах могут иметь любое значение в зависимости от сигнализируемой величины. Дискретными называются сигналы, информационные параметры которых могут иметь лишь ограниченное число значений.

К дискретным сигналам относятся многопозиционные и цифровые сигналы. В многопозиционных сигналах любому значению информационного параметра соответствует определенная информация.

Примеры: (двоичный сигнал). Акустический сигнал (зуммер, звонок и т.д.) обладает только двумя характерными состояниями (наличием или отсутствием звука) и поэтому может использоваться для информирования о 2 различных состояниях того или иного процесса. Например, с его помощью можно сообщать информацию о достижении или превышении предельного значения давления.

Указатели поворота служат для передачи определенной информации водителям других автомобилей. В данном случае информация передается с помощью сигнала, обладающего двумя информационными параметрами (двумя указателями поворота). Параметры (включено-включено).

Цифровые сигналы с двоичными информационными параметрами сравнительно легко поддаются обработке с помощью микроэлектронных функциональных блоков, сигналы обладают малой восприимчивостью к широким помехам, что обуславливает их широкое применение.

ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ [6]

Развитие электроники (в особенности микроэлектроники) оказывает большое влияние на различные сферы нашей жизни. Ее применение позволяет осуществить обработку информации с высокой степенью надежности, например, обработку информации, необходимой для автоматизации, организации и планирования производства; в военной, медицинской технике и т.д. Рассмотрим функциональные возможности комплексных схем на примере их принципиальных схем.