В мире электроники сервоприводы часто используются в силовой части различных устройств и механизмов. Все сервоприводы можно чётко разделить на две группы – цифровые и аналоговые сервомашинки.

Сегодня мы рассмотрим достоинства и недостатки каждого типа серво, управляемых библиотекой Servo, которая входит в стандартный комплект поставки ПО ArduinoIDE–одной и самых популярных средств разработки ПО для микроконтроллеров.

Различие между цифровым и аналоговым серводвигателем

Буквально десяток лет назад подавляющее большинство сервомоторов составляли аналоговые сервоприводы, но сейчас всё большую популярность приобретают цифровые сервомашинки. Внешне эти два вида серво неотличимы друг от друга, все их отличия заключаются во внутренней электронике.

В аналоговых сервоприводах, как правило, установлена специальная микросхема, конфигурируемая аналоговыми элементами, как резисторы и конденсаторы, тогда как в цифровых серводвигателях– микроконтроллер с кварцевым генератором и зашитым ПО, вследствие чего цифровые сервомашинки могут воспринимать сигнал с большей частотой, чем аналоговые.

Некоторые продвинутые сервоприводы имеют возможность обновления прошивки, управления с ПК…Но основное отличие всё-таки заключается в электронике, а остальные составляющие механики, как то мотор и редуктор, могут быть одинаковыми.

Обработка управляющего сигнала сервоприводами разных видов

ArduinoServo – специальная библиотека для пакета ArduinoIDE, обеспечивающая точную работу серводвигателей с контроллерами Arduino. Давайте рассмотрим, как сервоприводы воспринимают информацию, поступающую от контроллера Arduino. Сервомотор, вне зависимости от его вида, получает управляющий сигнал от контроллера.

Если это аналоговый серводвигатель, то во время поступления нового сигнала происходит его сравнение с текущим положением (которое узнаётся с помощью потенциометра), а затем, в случае необходимости, сигнал проходит преобразование и направляется с двигателю, который перемещает вал на требуемый угол.

Стандартный параметр сигнала для аналогового сервопривода – частота 50Гц (1/50 секунды), то есть время реакции серво должно составлять чуть менее 20мксек. В течение этого промежутка времени, теоретически, положение вала может быть изменено неким внешним воздействием, поэтому такой промежуток называется мёртвой зоной.

Цифровой же сервопривод способен воспринимать управляющий сигнал с частотой до 300Гц, поэтому он способен быстрее реагировать на изменение сигнала и имеет очень маленькую по сравнению с аналоговым сервоприводом мёртвую зону; более быстрый и более точный микроконтроллер также позволяет точнее позиционировать вал и точно удерживать вал на нужном углу. Такие сервоприводы, как правило, имеют высокий крутящий момент.

А практически единственным, но существенным недостатком является увеличенное потребление энергии по сравнению с аналоговым серводвигателем.

Особые области использования сервоприводов разных видов

Цифровые сервомоторы показывают улучшенные характеристики (скорость быстродействия, усилие) по сравнению с аналоговыми, но имеют более высокое энергопотребление и стоимость.

В случае установки цифрового сервопривода на какое-либо автономное устройство, его стоимость обслуживания увеличится, ведь придётся добавить более ёмкие (и более дорогие) батареи и потратить ресурс на их подзарядку. Вес батарей уменьшит автономность прямо-таки кардинально.

В общем, цифровые сервоприводы стоит использовать, если хочется получить:

• Высокую точность позиционирования (до долей градуса)
• Максимально высокое разрешение
• Практически незаметную мёртвую зону
• Почти мгновенную реакцию на поступающий сигнал
• Постоянное усилие на валу

Но стоит учесть, что мало одного желания, ещё придётся выложить немаленькую сумму за новый цифровой сервомотор.

Цифровые сервоприводы часто применяются в:

• Упаковочных машинах
• Управляющих механизмах «беспилотников»
• Манипуляторах
• Радиоуправляемых моделях премиум-класса

А аналоговые сервоприводы, не имеющие как преимуществ, так и “цифровых” недостатков, применяются в:

• Подъёмных механизмах
• Металлообрабатывающих станках
• Несложных конвейерных линиях

К основным недостаткам цифровых систем передачи, обработки и хранения аудиосигналов можно отнести:

1) расширение полосы частот. Передача аналоговых сигналов требует полосы частот, ширина которой не больше полосы исходного сигнала. Необходимость расширения полосы для прохождения цифровых сигналов определяется тем, что отсчеты представляются в виде двоичных кодовых комбинаций, при передаче которых каждый бит кодовой комбинации отображается отдельным импульсом. Поэтому одними из главных недостатков цифрового представления сигналов являются высокие требования к пропускной способности каналов связи и емкости запоминающих устройств;

2) аналого-цифровое преобразование. При реализации АЦП стремятся найти компромисс между точностью представления исходного сигнала в цифровой форме, которое достигается увеличением числа уровней квантования и частоты дискретизации, и степенью расширения полосы частот, необходимой для передачи цифрового сигнала, или емкости запоминающего устройства, необходимой для его хранения. Обычной является практика АЦП аудиосигналов с достаточно высокой степенью точности (порядка 16 разрядов на 1 отсчет) с последующим снижением количества битов, приходящихся на отсчет путем использования различных схем цифровой компрессии;

3) необходимость временной синхронизации. Синхронизация определяет моменты времени, когда нужно отсчитывать поступающий сигнал с тем, чтобы решить, какое значение было передано. Для оптимального обнаружения сигнала генератор импульсов должен быть синхронизирован с моментами поступления импульсов с линии. Проблема усугубляется в случаях, когда сеть образована несколькими коммутационными станциями и необходимо решать задачи внутренней и общесетевой синхронизации;

4) несовместимость с существующими аналоговыми устройствами. Цифровое оборудование, которое используется, например, в локальных телефонных сетях, обязательно обеспечивает стандартный аналоговый «стык» с остальной частью сети. Поэтому до тех пор, пока все сети не станут полностью цифровыми, добиться максимальных преимуществ цифровых телефонных систем в отношении качества передачи сигналов и предоставления «неречевых» видов обслуживания практически не удастся.

Основные технические преимущества цифровых систем обработки, передачи и хранения аудиосигналов следующие:

1) возможность регенерации сигнала. Главным достоинством цифровой системы является то, что вероятность возникновения ошибки в линейном тракте при передаче сообщения можно сделать весьма небольшой, вводя регенераторы в промежуточных точках линий передачи. Промежуточные узлы будут выявлять и регенерировать цифровые сигналы прежде, чем искажения, возникающие в канале, достигнут такого уровня, который приведет к ошибкам при приеме, т.е. исключается влияние этих искажений. В противоположность этому в аналоговых системах происходит накопление помех и искажений по мере прохождения сигнала от одного участка к другому. Если число пунктов регенерации в проектируемой цифровой системе связи достаточно для того, чтобы исключить ошибки в канале, то качество передачи в сети связи определяется лишь процессом преобразования сигнала в цифровую форму, а не системой передачи;

2) возможность работы при малых значениях отношения сигнал-шум (помеха). Шум и помехи при передаче звуковых сигналов в аналоговых сетях проявляются в наибольшей степени во время пауз, когда амплитуда сигнала мала. Еще одной из основных проблем при проектировании и эксплуатации аналоговых сетей, например, в телефонии, является необходимость исключить переходные помехи между цепями, по которым идет передача речи. Проблема становится еще более острой в те периоды, когда в одном канале имеется пауза в разговоре, а в другом, влияющем, идет передача сигнала с максимальным уровнем мощности. В цифровых системах во время пауз идет передача определенных кодовых комбинаций, причем уровень мощности передаваемых во время пауз сигналов такой же, как и при передаче полезной информации. Поскольку регенерация сигнала при цифровой передаче исключает практически все шумы, возникающие в среде передачи, то шум свободного канала (при паузе) определяется лишь процессом кодирования, а не линией передачи. Таким образом, паузы не определяют максимальные уровни шума, как это имеет место в аналоговых системах, а переходные помехи малого уровня исключаются в процессе регенерации в цифровых регенераторах или приемниках.

Линии цифровой передачи обеспечивают возможность практически безошибочной передачи сообщений по каналам связи при значениях отношения сигнал-шум порядка 15-25 дБ в зависимости от способа кодирования (принятое значение отношения сигнал-шум при передаче от одного оконечного устройства до другого в аналоговой сети составляет 46 и 40 дБ соответственно для местных и международных линий связи), что обеспечивает конкурентоспособность цифровых систем в сравнении с аналоговыми при использовании в условиях низкого уровня принимаемого сигнала и наличия переходных помех;

3) простота передачи управляющей информации. Управляющая информация является по своей природе преимущественно цифровой и, следовательно, может быть легко введена в цифровую систему передачи. Независимо от способа введения управляющей информации в цифровой тракт (группообразование с временным разделением, введение специальных управляющих кодовых комбинаций) по отношению к системе передачи управляющая информация оказывается неотличимой от информационных сообщений. В противоположность этому аналоговые системы передачи располагают меньшими, зачастую весьма ограниченными, возможностями осуществления передачи управляющей информации, что привело к появлению множества различных типов форматов управляющих сигналов и необходимости проектирования устройств распознавания и преобразования этих форматов;

4) приспосабливаемость к другим видам обслуживания. Использование аналоговой сети, например, телефонной, для организации других видов связи, не предназначенных для передачи речевой информации, может потребовать специальных мер для приспособления к условиям передачи речевого сигнала (в частности, соответствовать полосе частот до 4 кГц). Напротив, в цифровой системе любое сообщение имеет стандартный формат, принятый в системе передачи. Таким образом, система передачи не должна производить анализ вида передаваемой информации и может быть вообще индифферентной к характеру нагрузки, которую она обслуживает;

5) цифровая обработка сигналов. Обработкой сигналов обычно называют такие операции над сигналами, при которых улучшаются или трансформируются их характеристики. Основные преимущества обработки сигналов цифровыми методами следующие:

Программируемость. Одна базовая структура с изменяемым алгоритмическим или параметрическим описанием в цифровой памяти может быть использована для обработки сигналов различного типа;

Совместное использование. Одно устройство цифровой обработки сигналов может быть использовано для обработки многих сигналов благодаря запоминанию промежуточных результатов каждого процесса в запоминающем устройстве (ЗУ) с произвольной выборкой и обработке последовательности сигналов некоторым циклическим способом в режиме разделения времени;

Автоматический контроль. Поскольку на входах и выходах устройства цифровой обработки сигналов используются цифровые данные, то проверку правильности работы устройства можно осуществлять стандартным путем, сравнивая реакцию на его выходе на некоторую тестовую последовательность данных, записанных в ЗУ;

Универсальность. Поскольку цифровая обработка сигналов реализуется цифровыми логическими схемами, то процесс обработки может включать много различных функций, реализация которых в аналоговой форме могла бы оказаться невозможной или непрактичной.

Примерами операций, связанных с обработкой сигналов и реализуемых более эффективно при цифровой обработке, являются: обнаружение (генерация) определенных частот, усиление (ослабление), коррекция, фильтрация, компандирование, преобразование различных форматов сообщений;

6) Простота группообразования. Суть методов группообразования (многоканальной передачи сигналов) состоит в том, что сообщения от различных источников информации объединяются, образуя групповой сигнал, который и передается по линии связи. При использовании аналоговых систем связи обычно используется принцип частотного разделения каналов (ЧРК), при котором каждому каналу системы предоставляется определенный участок частотного диапазона, по ширине равный полосе частот абонентского канала или превышающий ее. В цифровых многоканальных системах связи, обычно построенных по принципу временного разделения каналов (ВРК), осуществляется поочередная передача сигналов по линии связи от различных источников сообщений с использованием полной полосы частот линейного тракта во время передачи сигналов каждого источника.

Оборудование ЧРК обычно дороже, чем оборудование ВРК даже в том случае, когда учитывается стоимость аналого-цифрового преобразования. Следует отметить, что формирование групповых аналоговых сигналов при ВРК также достаточно просто реализуется, однако недостаток аналоговых систем с ВРК состоит в их низкой помехозащищенности, обусловленной подверженностью узких аналоговых импульсов воздействию помех, искажений, переходных помех и межсимвольной интерференции;

7) простота засекречивания. В отличие от аналоговых сообщений, шифрование которых является достаточно трудоемкой задачей, а надежность шифрования – зачастую недостаточной, реализация скремблирования и дескремблирования цифрового потока отличается более высокой простотой и эффективностью.

Многие из преимуществ цифровой передачи (по сравнению с аналоговой) можно отнести и к цифровой записи. Первым из этих преимуществ является возможность определения качества воспроизведения во время записи и поддержания этого качества бесконечно долго путем периодического копирования (регенерации) записанной цифровым образом информации, что невозможно при аналоговой записи.

Другое достоинство цифровых систем запоминания состоит в возможности использовать низкокачественный (нелинейный) носитель записи с меньшим соотношением сигнал-шум по сравнению с аналоговым носителем. Вследствие этого цифровые устройства воспроизведения станут экономически привлекательными для потребителей из-за снижения стоимости электронных изделий и носителей записи.

8) анализ и синтез аудиосигналов, в особенности, речи, является областью широко распространенных исследований, тесно связанных с преобразованием речи в цифровую форму. В некоторых из кодеров и декодеров речи, работающих на самых низких скоростях передачи, применяется в определенной степени анализ и синтез речевых сигналов, представленных в цифровой форме.

9) высокая надежность и степень интеграции с другими устройствами (в первую очередь с цифровыми), удобство сопряжения с ЭВМ.

Особенно быстрыми темпами внедрение ЦОС идет в различных видах средств связи, в частности, беспроводной. К числу таких средств следует отнести цифровые коммутаторы для АТС, средства распознавания речи в системах управления голосом, средства кодирования речи и уплотнения каналов в системах телефонной и сотовой радиотелефонной связи, средства сжатия изображений в видеотелефонии, средства защиты информации от несанкционированного доступа. Новые технические требования к системам связи 3G поколения заключаются в использовании более высоких частотных диапазонов (2-3 ГГц), расширения полосы пропускания каналов и пакетов, высокой скорости передачи данных (до 2Мбит/с). Мобильные терминалы нового поколения должны обеспечивать полноценную работу в Интернет с возможностью обмена аудио/видеоинформацией.

Ускорители на базе цифровых сигнальных процессоров (DSP) на порядок и более повышают производительность компьютера, а в сочетании с интерфейсами аналогового ввода/вывода превращают ПК в рабочую станцию для решения задач акустики, радиолокации, телерадиовещания, медицины и др. Во многом именно возможности эффективной обработки речи, аудио и видеоинформации в аппаратных схемах на основе ЦСП позволили совершить качественный скачок в использовании компьютерной техники.

0

Имеются научные статьи (например, Chakrapani & Palem) и устройства (например, Lyric), которые используют так называемую вероятностную логику. Я полагаю, идея состоит в том, что выходы такого устройства, учитывая некоторые входы, сходятся к некоторому распределению вероятности. В чем разница между этими устройствами и аналоговыми сигналами? То есть, эти устройства по-прежнему считаются цифровыми, аналоговыми, смешанными сигналами?

• 1 ответ

Сортировка:

Активность

0

Эта статья, похоже, описывает новую (вероятностную) логическую логику, и речь идет не о реализации. Я только просматривал газету, но, похоже, это еще одна из этих теорий. Существует, кстати, простая причина, почему вероятностные логики не дают вам то, что классические логики дают вам, а именно, они не являются функционалом истины (т.е. значение A & B не зависит исключительно от значения A и значение B).

Что касается реализации такой вещи на чипе: я думаю, что оба возможны. Если вы делаете это в цифровом виде, тогда вы вычисляете вероятности, и вы можете точно также запустить некоторый код на процессоре. Я действительно не знаю об аналоговых реализациях, но, я думаю, любая элементарная аналоговая составляющая (транзистор, операционная система и т. Д.) Можно рассматривать как выполнение какой-либо базовой арифметической операции по напряжениям и токам. Является ли схема выводами, которые придерживаются или приближают законы вероятности Колмогорова, это еще один вопрос, но я предполагаю, что это возможно, и возможно, это было сделано.

4. Указать на основные преимущества (не менее пяти) цифровых систем связи по сравнению с аналоговыми системами. Представить аргументы, за счет чего достигаются эти преимущества?

Основные преимущества цифровых систем:

1) Высокое качество передачи информации (цифровой сигнал может принимать фиксированные значения. Например, если при аналоговой передаче данных сигналы слабого уровня больше подвержены помехам, то в цифровом виде уровень сигнала задается кодом и возможность ошибки при одинаковом шуме и виде модуляции зависит только от степени различия между уровнями символов, которыми передается код. При цифровой связи задача состоит лишь в различении фиксированных уровней. в аналоговой связи любое отклонение при приеме будет ошибкой. а цифровой сигнал, даже если и отклонился от изначального уровня, но это отклонение не достаточно велико, чтоб "угадать" (определить) символ, то он будет принят без ошибки).

2) Стабильность характеристик (в отличие от цифрового, аналоговый фильтр имеет дело с аналоговым сигналом, его свойства не дискретны, соответственно передаточная функция зависит от внутренних свойств составляющих его элементов.).

3) Высокая помехозащищенность (возможность применения помехоустойчивого кодирования).

4) Управление качеством передачи информации (возможность выбора скорости передачи в зависимости от качества канала. (количество позиций многоуровневого кода) большое количество позиций - больше скорость, но выше вероятность ошибки из-за уменьшения "расстояния" между позициями).

5) Экономичность (передача и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать оборудование на единых аппаратных платформах. Это позволяет резко снижать трудоемкость изготовления оборудования, значительно снижать его стоимость, потребляемую энергию и габариты. Кроме того, существенно упрощается эксплуатация систем и повышается их надежность.).

5. Дайте характеристику ведомственным информационно-коммуникационным системам. Нарисовать обобщенную структуру системы Центра обслуживания вызовов службы «102» МВД и указать, какие задачи она решает?

Постоянно растущие требования к оперативности и точности реагирования в экстремальных ситуациях выдвигают новые концептуальные задачи по техническому оснащению служб общественной безопасности.

Появляется необходимость передачи больших объемов цифровой информации с места чрезвычайной ситуации, обеспечения оперативного доступа к базам данных, идентификации личности по отпечаткам пальцев, фото - и видеоматериалам и т.д. Узкополосные ведомственные системы передачи цифровой информации не могут полностью справиться с передачей больших объемов информации, что часто необходимо в экстремальных ситуациях.

Одним из новых направлений развития ведомственных телекоммуникационных сетей является создание центров обслуживания вызовов (ЦОВ), позволяющих повысить эффективность работы экстренных служб МВД Украины.

Структурная схема ВСС:

Основой станционного оборудования службы «102», является программно-аппаратный комплекс на основе IP-технологий (AVAYA), который предусматривает интеллектуальную маршрутизацию вызовов, поступающих в центр, распределенную архитектуру рабочих мест операторов и управление мультимедийными контактами по IP-сети.

Программно-аппаратный IP комплекс объединяет в себе сразу несколько устройств:

полнофункциональную телефонную станцию;

коммутатор/концентратор локальной сети;

маршрутизатор и межсетевой экран;

средства доступа к Интернет и поддержки VPN;

сервер приложений (call-centre, интеграция с CRM).

Задачи : с внедрением ЦОВ появляются новые возможности приема и обработки тревожных сообщений: прием и учет каждого звонка службы «102», обеспечение взаимодействия экстренных служб с населением и между собой, регистрация всей необходимой информации по происшествиям, а также незамедлительное оповещение соответствующих подразделений и служб.