Цифровые приборы. Их отличие от аналоговых.

[OlegD]

Данную тему решил поднять по той причине, что многие из обычных пользователей не совсем понимают ( если не сказать совсем не понимают ) что такое цифровой прибор, принцип его работы и чем вся эта "всячина" отличается от привычных аналоговых приборов. Кто-то вообще впервые слышит подобные слова: аналоговый, цифровой. А для кого-то это пройденный этап в самообразовании и всё, что написано ниже таких людей вообще должно бы было не интересовать от слова СОВСЕМ. Именно по этой причине прошу не критиковать особо тех, кто уже понимает и знает о чём идёт речь. Эта небольшая статейка предназначена не для вас, друзья. А сугубо для тех, кто пока что "в танке". Что ж? Будем по мере сил и возможностей пытаться таких "достать" и "вытащить" на свет Божий. Итак, поехали...
Многие люди, занимающиеся приборным поиском часто и густо путают понятия цифровой и аналоговый прибор. Встречал таких, которые судят о том, цифровой ли прибор или аналоговый по тому
Начну с азов. И скажу такую крамольную и, возможно пока что непонятную многим читателям вещь: наш мир - аналоговый! От слова совсем и по своей природе. Что же это такое АНАЛОГОВЫЙ ? Аналоговый - значит изменяемый во времени непрерывно. Например, наши глаза видят непрерывно, наши уши слышат тоже непрерывно во времени. Двигаемся мы с вами тоже плавно и непрерывно. Взглянем на этот рисунок ( Рис. 1 ) На нём схематично изображена парабола ( не точно конечно, я не художник далеко ) , ну, например, так летит снаряд, выпущенный из пушечного ствола. Что можно сказать, глядя на этот рисунок ? Сама линия или траектория полёта снаряда - непрерывная во времени линия. Если считать координату снаряда функцией времени ( как это и отображено на рисунке 1 ), то в любой момент времени мы с вами можем сказать где находился снаряд, с какой скоростью двигался и прочее, и прочее, и прочее.

Главное для нас здесь осознать, что сигнал изменяется во времени НЕПРЕРЫВНО !!!
Мы нигде на графике не найдём таких координат на оси t, чтобы мы не могли сказать какое же значение в этот момент времени имеет функция y=f(t). Говорят, что функция определена на всём промежутке временных интервалов. И не имеет разрывов. Любой аналоговый сигнал, с которым мы с вами можем столкнуться в жизни выглядит именно так с точки зрения его непрерывности во времени. Например, осцилограмма сердечного ритма, называемая кардиограммой выглядит тоже полностью непрерывной во времени.

На кардиограмме мы видим также различные значения сигнала, которые изменяются во времени НЕПРЕРЫВНО. А именно это сигналы электро активности сердечной мышцы. На графике отчётливо видно, что нигде не происходит никакаих разрывов данной функции. Она полностью определена на всей временной шкале.

 

[OlegD]

Теперь перейдём к рассмотрению цифровых сигналов и попытки вникнуть в мир "цифры", а также понять коренные отличия одного от другого.
Первое и основное, что скажу и на чём заострю внимание читателя: Цифровой мир - ДИСКРЕТЕН ! Что это значит ? Это значит, что в цифровом мире нужно забыть о НЕПРЕРЫВНОСТИ. Как так? - спросите вы. А вот так. Взять и попросту ЗАБЫТЬ! Как же тогда всё, что мы имеем сейчас, на данном этапе развития человечества, в эпоху, как раз-таки, цифровых технологий мы имеем столь широкий набор различных устройств, которые нас целиком и полностью удовлетворяют именно в "аналоговом" отношении. Выражусь более конкретно. В настоящий момент нас окружает огромное количество устройств и различной техники, которая является по сути своей цифровой, но служат и работают с аналоговыми сигналами. А как это может быть ? Ведь с первого взгляда одно к другому никак не вяжется. На помощь приходит сначала математика - мать всех наук, потом и физика.
Не буду долго, глубоко и неинтересно для большинства из нас объяснять азы математического аппарата и прочих премудростей. А просто нарисую цифровой сигал и попытаюсь на пальцах объяснить прицнипы и теорию того, как преобразовать аналоговый сигнал в цифровой, а главное - зачем это делать. Мало кто из собеседников может ответить на простой вопрос: "А зачем?" Я попытаюсь развеять этот момент.
Итак, цифровой сигнал. Для удобства я нарисую ту же самую параболу, но так, как будто бы она прошла преобразование в АЦП ( аналого-цифровом преобразователе), о котором или о которых я расскажу чуть позже. Посмотрим на рисунок 2.

Здесь по оси Х мы также видим время. По оси Y мы видим значения сигнала. Но... И вот здесь начинается "оцифровывание" нашего аналогового сигнала. Для представления нашего сигнала в виде чисел ( ну, чтобы можно было в компьютеры вводить, считать, сохранять и т.п. ) мы вынуждены сделать какое-то определённое, а главное - ФИКСИРОВАННОЕ число значений нашего сигнала. Этот процесс называется КВАНТОВАНИЕМ сигнала по уровню.
На рис. 2 мы видим всего-навсего 8 уровней квантования, которые нам смогут обеспечить 3х битные (разрядные) устройства. Не важно сколько разрядов имеет цифровая система. Принцип остаётся одним и тем же. Что для 3х разрядной системы, что для 32х, что для 64х разрядной, да хоть для 1000000000 разрядной! Принцип - один и тот же! Итак, мы имеем фиксированный набор уровней, отложенных в виде дискрет по оси Y, а по оси Х мы таже делаем такой финт: будем брать отсчёты сигнала не на протяжении всего времени и непрерывно, как это было бы в аналоговой системе, а только в определённые промежутки времени, называемые временными отсчётами. Эти промежутки времени выбираются определённым образом, о чём мы поговорим позже. А пока что нужно понять, что сигнал "измеряется" не на протяжении всей длительности его следования, а лишь в определённые кванты времени, выбранные специальным образом и период ( или частота - как удобнее ) их следования называется периодом дискретизации сигнала. Или, если говорить о частоте - то ЧАСТОТОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИИ. Из рисунка 2 чётко видно, что в любой отсчёт периода дискретизации Тn мы можем определить искомую функцию ( или сигнал ) лишь с точностью, которую нам определяет шаг квантования. Который, в свою очередь, как не трудно догадаться, зависит только от количества уровней отсчёта, полностью определяемого битностью ( или разрядностью - так более правильно ) системы. В сущности, мы посмотрели "на пальцах" как работает Аналого-Цифровой Преобразователь ( АЦП ) ADC - англ. Analog to Digital Convertor. Таким образом непрерывную функцию y=f(t) мы преобразовали в дискретную последовательность y=f'(T) , где Т - период дискретизации. Период - величина обратная частоте. Значения, которые мы получили на выходе нашего "виртуального" АЦП трёхразрядные и надписаны красным на "полочках" сигнала. Эти самые значения ( заметьте , уже ЦИФРОВЫЕ ) мы вполне можем сохранить в памяти компьютера, в памяти микроконтроллера, передать по цифровым каналам связи, передать на обработку, записать куда-либо ещё, применить к ним математический аппарат ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ, который сам по себе являет интереснейший мир и находит крайне широкое применение в нашей аналоговой, в общем то, жизни.
Итак... Я надеюсь, что отличия аналоговых сигналов по сравнению с цифровыми мы так или иначе осознали и некоторые знания получили. Разумеется, обо всём этом можно почитать сейчас чуть ли не на каждом столбе. Так что, кому интересна эта тема - гугл в помощь, как говорится. А также я - чем смогу, тем помогу. Стоит только попросить.
Но... Не это была цель затевать столь интересный разговор. Так ведь ? Нас интересуют аналоговые и цифровые приборы поиска реликвий.

 

[OlegD]

Так в чём же их отличие, скажете вы и чем поможет этот небольшой экскурс в азы цифровой техники?
Дело в том, что большинство приборов поиска излучают или облучают цели непрерывными, как правило, гармоническими ( или синусоидальными ) сигналами. В этом они без исключения все аналоговые. Но вот когда речь заходит о приёме отражённого сигнала и о его дальнейшей обработке - тут начинаются различия. Давайте возьмём примеры. Например сравним два прибора: Квазар и Фортуну. Причём сравнения будем проводить не по конкретной какой-то реализации, версии или модернизации, а в общем, так сказать , рассмотрим сами идеи приборов. Начнём с Фортун.
Сразу скажу, что крайне огромное число людей почему-то ( и я понимаю почему ) считают Фортуны - цифровым прибором. Ну, а как же ? - там ведь есть процессор, даже два, а вся информация выводится на дисплей в виде алфавитно-цифрового поля. Стало быть и прибор цифровой. Ан нет !
Все фортуны - отличные представители цифро-аналоговых приборов ( бывают и такие симбиозы ). Более того, что касается самого определения цели, дискриминации, всех балансов грунта и пр. , то все Фортуны работают практически строго в аналоговом режиме. Судите сами. Выходной усилитель мощности накачки Тх - полностью аналоговый тракт. Да оно и понятно, а каким ему ещё быть, если излучать синусоидальный сигнал нам нужно непрерывно, на определённой частоте. Далее.. Входной усилитель-фильтр - также полностью аналоговый узел, который в некоторых ревизиях и модификациях Фортун лишь управляется при помощи цифровых потенциометров со стороны центрального процессора (ЦП). Далее идём... Основное..., так сказать сердце прибора - Фазовый Детектор. Именно он производит определение цели и кроме того именно он "различает" цели. И он тоже полностью аналоговый. Его пара выходов выходов АХ и АY и "сообщают" ( кстати в аналоговой форме ) ЦП о том что под катушкой находится в данный момент и какова мощность ( стало быть величина цели или глубина - что прибор не различает , кстати ). И лишь будучи принятым на борт ЦП аналоговый сигнал проходит внутри контроллера Аналого-Цифровое Преобразование и дальше принимается решение о том, что, когда и как вы видите на экране прибора. Справедливости ради, стоит отметить, что минимальные фильтры входных сигналов АХ и АY имеются. Именно их вы переключаете , когда заходите в меню прибора и включаете так называемый фильтр "импульсных помех". Здесь на помощь приходит , как раз-таки , цифровые "мозги" процессора и именно он включается в работу и берёт эстафету по обработке принятого сигнала. И только обработав оцифрованный своим внутренним АЦП сигналы с выходов Фазового Детектора АХ и АY процессор выводит информацию в виде тех или иных показателей на экран прибора. И мы с вами можем там наблюдать и ВДИ, и мощность принятого отражённого сигнала, и измеренное напряжение питающей батареи и много чего ещё. Но в сущности, самую основную работу для по детектированию сигнала для нас выполнил ФД. Роль процессора была лишь "причесать" и "показать". Ну, ещё, справедливости ради, стоит отметить, что процессор также берёт на себя функции по управлению всеми режимами работы прибора, запоминанию настроек, формированию облучающего сигнала и пр. Именно по этой причине Фортуну можно и нужно называть ЦИФРО-АНАЛОГОВЫМ прибором. В какой степени она цифровая, а в какой аналоговая - судить не мне. Я софт не писал и внутри не был. Не скажу. Но по опыту, примерно, могу сказать, что процентов на 90 это аналоговый прибор и лишь на 10% - цифровой.
Теперь разберём также работу Квазаров.
Что же имеем у Квазаров? А у Квазаров всё очень просто, как всё цифровое. Есть пару аналоговых узлов, но они никак не включаются в работу по детектированию принятого сигнала. Это выходной усилитель накачки - на IRF7105 или TC4420 - кто во что гаразд. Я рекомендую вторую. Ну, и входной усилитель-фильтр. Он тоже, разумеется, аналоговый. Далее сигнал с усилителя поступает сразу на вход АЦП микроконтроллера и вуа-ля. Там себе скрывается в недрах его силиконовых мозгов. Ни единого аналогового узла у Квазара вы больше не найдёте. Я имею в виду аналогового узла, который бы помимо процессора участвовал бы в дискриминации цели. Всё дальше входного тракта происходит уже в цифровом виде. Вся обработка: фильтрация, масштабирование, определение сдвига фаз и тому подобные вещи делаются програмным путём, манипуляцией потока данных, которые преобразовал нам наш встроенный в STM32 АЦП. Всё. На этом всё. Вся обработка и последующая индикация происходит программно! Точка!

Что ж? Теперь пару слов о преимуществах и недостатках...
Ведь правильно нас учили в школе и институте, что если где-то убыло, то где-то точно прибыло. Так и здесь... Есть ли недостатки у приборов этих двух существенно разных классов? Конечно есть. Какие ? Ну, у аналоговых приборов самый главный недостаток - сложность реализации всей обработки. И, в общем то, это не касается ТОЛЬКО и СУГУБО приборного поиска. Так устроен мир. Что аналоговое - то, как правило, сложное. Какие преимущества имеют аналоговые приборы по сравнению с цифровыми. В принципе только одно существенное - НЕТ НЕОБХОДИМОСТИ ПИСАТЬ СОФТ, а стало быть нанимать дорогих программистов и т.п. На этом, пожалуй, все преимущества и оканчиваются, как только начались.
Что же скажем о цифровых приборах? Есть ли у них недостатки? Да конечно же. Мы же их только что назвали в противоположном стане - необходимость писать программу обработки и управления прибором. Что может делать не каждый разработчик аналоговой техники. Это достаточно дорогостоящая и ответственная процедура, зачастую почти на 100% определяющая все качества прибора: как потребительские, так и технические.
Какие же преимущества имеют цифровые приборы по сравнению с аналоговыми. А оно, в общем то, основное одно , но ради него я бы бросил всё - отпадает необходимость что-либо переделывать аппаратно, если Вы решили что-либо изменить в работе своего устройства. Просто садитесь, берёте в руку "карандаш и бумагу" ( утрированно конечно ) и пишите новый алгоритм обработки. Потом "прошили" новым кодом свой прибор и вуа-ля - у Вас совершенно другое устройство в руках. С характеристиками, порой , полностью противоположными тем, что были до этого. В общем, программно можно решить любую задачу. От слова СОВСЕМ любую. Нет, я не стану опровергать тот факт, что без поддержки аналоговых собратьев мы и программно никуда не продвинемся, но всё же... Например, захотели вы изменить фильтр и вместо , скажем фильтра Баттерворта 4го порядка поставить фильтр 7го или 8 го порядка, если позволяет мощность ЦП - пожалуйста! Переписываете программу и имеете ещё более тихий прибор.
Конечно, всё это в теории. И по отношении к одному классу приборов и в отношении к другому. Но, в общем и целом эти рассуждения и краткое изложение абсолютно верны для всех случаев жизни.
Если кто-то имеет что-либо дополнить или сказать - милости прошу.
Возможно кто-то хотел бы продолжить такую , скажем, рубрику , ликбеза для поисковиков?
Жду обратной связи.
С уважением,
ваш Олег Дьяков.

 

[Игорь]

Была такая мысль,попросить Вас о чем то подобном!!!!!...сделать раздел для ликбеза)