Как работает цифровая. Как работает цифровая камера

Abilify MyCite поставляется с клеящим датчиком (см. в левом нижнем углу этого изображения) и смартфоном.

Новая «цифровая таблетка» может рассказать врачам о том, принял ли пациент свое лекарство. Таблетка отправляет сигнал переносимому датчику, когда пациент принимает лекарство, и эта информация затем отправляется в кабинет врача.

Вся система называется Abilify MyCite и состоит из таблетки, пригодного для носки датчика и приложения для смартфонов. Фактическим препаратом является Abilify (арипипразол), препарат, используемый для лечения шизофрении и биполярного расстройства. Препарат продается Otsuka Pharmaceutical, а датчик в таблетке был создан Proteus Digital Health.

Как работает система?

Хотя идея может показаться чем-то вроде научно-фантастического фильма, технология основана на принципе, впервые описанном более 200 лет назад, сказал д-р Джордж Сэвидж, главный медицинский работник и соучредитель Proteus Digital Health.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел батарею, состоящую из двух разнородных металлов (цинка и меди) в растворе серной кислоты и рассола. Батареи сделаны аналогичным образом по сей день.

Считается, что встроенная в таблетку система — это датчик, состоящий из кремниевого чипа с логической схемой, а также две части металла: медь и магний. Когда датчик падает в раствор воды или любой другой жидкости, которая имеет полярные молекулы (такие как соляная кислота в желудке, которая растворяет пилюлю, оставляя датчик позади), устройство будет генерировать ток. Ток очень мал, но этого достаточно, чтобы запустить чип.

«Технически, это частичный источник питания, — сказал Сэвидж. «Пациент становится батареей».

После активации чип — только 1 миллиметр на стороне и толщиной 0,3 мм — посылает очень простой сигнал, который кодирует только одно число. Это число идентифицирует таблетку и сообщает пригодному для носки, клейкому датчику, что он попал в организм.

Сигнал таблетки не является радиосигналом. Логическая схема чипа дает небольшой модулированный ток — график текущих уровней будет выглядеть как синусоидальная волна. Так как человеческий организм является проводящим, носимый датчик может поднять изменения. Модулированный ток может кодировать единицы и нули, аналогичные FM-сигналу.

Это работает так же, как электрокардиограмма. Эти машины подхватывают изменения электрического тока в корпусе для контроля сердечных сокращений. Носимый датчик делает то же самое, хотя ток меньше.

Таблетка предназначена для работы всего около 3 минут. Этого времени достаточно, чтобы отправить сигнал на носимый датчик, чтобы он проснулся и начал собирать данные. Это экономит энергию батареи, сказал Сэвидж, и позволяет носить переносимый датчик работать в течение недели за раз.

От пациента до врача

Носимый клейкий датчик может определить, насколько активен пациент, сказал Боб Маккуайд, главный специалист по стратегии в Otsuka Pharmaceutical. Он также может проверить, ложится ли человек, принимающий таблетки.

Из переносимого сенсора информация о том, что пациент принимал таблетку, отправляется в приложение для смартфонов через Bluetooth. Затем приложение спрашивает у пациента, как он себя чувствует, и записывает ответ. Если пациент соглашается, приложение может отправить время, в которое они принимали пилюлю, уровень активности и стресс доктору, который может смотреть на данные с течением времени и получить представление о том, как идет лечение пациента. Так, например, врач может знать, всегда ли пациент принимает лекарство в одно и то же время суток, или если есть тенденция забывать и принимать таблетку время от времени.

Информация, отправленная с переносимого датчика на телефон и из приложения телефона в офис врача, зашифрована, и нет реалистичного способа взломать сигнал, не находясь в очень тесном контакте с пациентом.

Даже если данные позволяют врачам следить за тем, чтобы пациенты принимали лекарство, нет никаких доказательств того, что система улучшает соблюдение режима лечения.

«Эти эксперименты еще не были сделаны», — сказал Маккуайд. Тем не менее, такие данные могут помочь врачам поговорить с пациентами об использовании лекарств и, возможно, определить хорошие привычки, сказал он.

Соблюдение режима и правильное использование являются постоянной проблемой. Например, многие люди, которые пропустили лекарство в день, что бы это ни было, на следующий день возьмут две таблетки, хотя с некоторыми лекарствами этого делать нельзя. «Люди делают то, что логично на работе, например, вы пропустите день, вы приходите и делаете больше работы, но не в фармакологии».

> Как работает цифровая камера

Цифровая камера захватывает свет и фокусирует его через объектив на сенсор, сделанный из кремния. Она состоит из сетки мелких фотоэлементов, которые чувствительны к свету. Каждый фотоэлемент называется пикселем, сокращение от «элемент изображения». Миллионы этих отдельных пикселей находятся в датчике цифровой зеркальной фотокамеры.

Цифровая камера отбирает свет нашего мира, или космического пространства пространственно, тонально и по времени. Пространственная выборка означает, что изображение в камере разбивается прямоугольной сеткой пикселей. Тональная выборка означает, что постоянно меняющиеся тоны яркости в природе разбиты на отдельные дискретные шаги тона. Если есть достаточно выборок, как в пространстве, так и тонально, мы воспринимаем их в качестве верного представления исходной сцены. Время выборки означает, что мы делаем экспозицию заданной длительности.

Наши глаза также воспринимают мир на основе нескольких десятых долей секунды, когда количество света такое же, как в дневное время. В условиях низкой освещенности, экспозиция глаза, или время интегрирования может увеличиться до нескольких секунд. Вот почему мы можем увидеть более подробную информацию с помощью телескопа, если будем смотреть на слабый объект в течение долгого времени.

Глаз является относительно чувствительным детектором. Он может обнаружить один фотон, но эта информация не передается мозгу, потому что она не превышает минимального порога соотношения сигнала к шуму в схеме шумовой фильтрации в зрительной системе. Этот порог обуславливает поступление нескольких фотонов для фиксирования их мозгом. Цифровая камера почти также чувствительна, как глаза, и оба являются гораздо более чувствительными, чем фотопленка, которая требует множество фотонов для обнаружения.

Эти временные выборки с длинными экспозициями, которые действительно делают возможным волшебство цифровой астрофотографии. Истинная мощь цифрового датчика возникает от его способности интегрировать, или собирать, фотоны в течение более длительных периодов времени, чем глаза. Вот почему мы можем записать данные в длинных выдержках, которые невидимы для глаза, даже через большой телескоп.

Каждый светочувствительный элемент на CCD или CMOD чипе состоит из светочувствительной области из кристаллического кремния в фотодиоде, которая поглощает фотоны и высвобождает электроны посредством фотоэффекта. Электроны накапливаются в потенциальной яме в качестве электрического заряда, который накапливается в течение всей экспозиции. Заряд, который генерируется, пропорционален числу фотонов, которые попадают в датчик.

Этот электрический заряд передается и преобразуется в аналоговое напряжение, которое усиливается и затем посылается в аналого-цифровой преобразователь, где оно оцифровывается (превращается в число).

CCD и CMOD датчики работают аналогично друг другу в поглощении фотонов, генерации электронов и их хранении, но отличаются тем, как заряд переносится и где он преобразуется в напряжение. И оба имеют цифровой выход.

Весь файл цифрового изображения это набор чисел, которые представляют значения яркости и местоположения для каждого квадрата в массиве. Эти цифры хранятся в файле, с которым могут работать наши компьютеры.

Не все пиксели чувствительны к свету, только фотодиодные. Процент пикселей, которые является светочувствительными, называется коэффициентом заполнения. Для некоторых датчиков, таких как CMOD, коэффициент заполнения может быть только от 30 до 40 процентов всей площади фотоэлементов. Остальная часть области на CMOD -датчике состоит из электронных схем, таких как усилители и схемы шумоподавления.

Поскольку светочувствительная площадь мала по сравнению с размером пикселей, общая чувствительность чипа снижается. Для увеличения коэффициента заполнения, производители используют микро-линзы, чтобы направить фотоны, которые поражают не чувствительные участки и остаются незамеченными, на фотодиод.

Электроны генерируются тех пор, пока фотоны воздействуют на датчик в течение продолжительности воздействия или интеграции. Они хранятся в потенциальной яме до окончания облучения. Размер ямы называют полной емкостью, и это определяет, сколько электронов может быть собрано, прежде чем яма заполнится и зарегистрирует в полном объеме. В некоторых датчиках после заполнения одной ямы, электроны могут перекинуться на прилегающие ямы, вызывая блюминг, который виден в качестве вертикальных пиков на ярких звездах. Некоторые камеры имеют антиюлюминговые возможности для сокращения или предотвращения этого явления. Большинство DSLR-камер контролируют блюминг очень хорошо, и это не является проблемой для астрофотографии.

Количество электронов, которое может накапливаться в яме, определяет динамический диапазон сенсора и также диапазон яркости от черного до белого, где камера может записывать детали как в слабых, так и в ярких областях сцены. После коррекции шума датчик с большей емкостью обычно имеет больший динамический диапазон. Датчик с низким уровнем шума помогает улучшить динамический диапазон и улучшает детализацию в слабо освещенных местах.

Не каждый фотон, попадающий на детектор, будет зарегистрирован. Количество, которое будет зарегистрировано, определяется квантовой эффективностью датчика. Квантовая эффективность измеряется в процентах. Если датчик имеет квантовую эффективность в 40 процентов, это означает, что четыре из каждых десяти фотонов, которые попадают на датчик, будут зарегистрированы и преобразованы в электроны. Согласно Roger N. Clarke, квантовый КПД в современных цифровых зеркальных камерах составляет от 20 до 50 процентов, в зависимости от длины волны. Топовые модели астрономических CCD-камер могут иметь квантовую эффективность до 80 процентов и более, хотя это относится к изображениям в градациях серого цвета.

Число электронов, собирающихся в яме, пропорционально числу фотонов, которые зарегистрированы. Электроны в яме затем преобразуется в напряжение. Этот заряд является аналоговым сигналом (непрерывного изменения) и, как правило, очень мал, и должен быть усилен, прежде чем он может быть оцифрован. Выходной усилитель выполняет эту функцию, приводя в соответствие диапазон выходного напряжения датчика к диапазону входного напряжения АЦ преобразователя. АЦ преобразователь преобразует эти данные к виду двоичного числа.

Когда АЦ преобразователь оцифровывает динамический диапазон, он разбивает его в пошаговом режиме. Общее количество шагов задается битной глубиной преобразователя. Большинство камер DSLR работают с 12 битами (4096 шагов) тональной глубины.

Выходной сигнал датчика технически называется аналого-цифрового единицей (ADU) или цифровой номер (DN). Число электронов в ADU определяется коэффициентом усиления системы. Усиление 4 означает, что АЦ преобразователь оцифровывает сигнал так, что каждый ADU соответствует 4 электронам.

Класс экспозиции ISO соответствует классу скорости пленки. Это общая оценка чувствительности к свету. Цифровые датчики камеры имеют только одну чувствительность, но позволяют использовать различные настройки ISO путем изменения коэффициента усиления камеры. Когда усиление в два раза, то число электронов в ADU понижается в 2 раза.

При увеличении ISO в цифровой камере, меньше электронов преобразуются в один ADU. Повышение ISO уменьшает динамический диапазон. При ISO 1600 может быть использовано всего около 1/16 от полной емкости потенциальной ямы датчика. Это может быть полезно для астрономических изображений тусклых предметов, электроны от которых не могут быть собраны другим способом, чтобы заполнить потенциальную яму. Камера только преобразует небольшое количество электронов из этих редких фотонов и сопоставляет этот ограниченный динамический диапазон полной битовой глубине, при этом становится возможной большая дифференциации между шагами. Это также дает больше шагов, чтобы работать с этими слабыми данными, когда они растягиваются позже при обработке, чтобы увеличить контраст и видимость.

Для каждого пикселя в датчике, данные яркости, представленные числом от 0 до 4095 для 12-разрядного АЦ конвертера, вместе с координатами местоположения пикселя, хранятся в файле. Эти данные могут временно сохраняются во встроенной буферной памяти камеры, прежде чем записываются в съемной карте памяти камеры.

Этот файл из чисел реконструируется в образ, когда он отображается на мониторе компьютера, или распечатывается.

Это те цифры, которые производятся в процессе оцифровки, с которыми мы можем работать на наших компьютерах. Цифры представлены в виде битов, а представлении «двоичных цифр». Биты используют основание 2 в двоичной системе счисления, где есть только цифры один и ноль, а не на основе 10, где есть цифры от 0 до 9, с чем мы, как правило, работаем. Компьютеры используют двоичные числа, потому что транзисторы, из которых они сделаны, имеют только два состояния включено и выключено, которые представляются цифрами один и ноль соответственно. Все числа могут быть представлены таким образом. Это то, что делает компьютеры настолько мощными при работе с числами, транзисторы это делают очень быстро.

Пространственная выборка

Светочувствительный элемент в матрице камеры соответствуют один к одному с пикселями в цифровом изображении, когда он поступает на выход. Многие люди также называют такие элементы в матрице камеры общим термином "пиксели". Эти элементы расположены в прямоугольном массиве. В Canon 20D, массив 3504 х 2336 пикселей, что в общей сложности 8,2 миллиона пикселей. Эту сетку можно представить как шахматную доску, где каждый квадрат очень мал. Квадраты настолько малы, что, если смотреть с расстояния они заставляют глаз и мозг думать, что изображение является непрерывным. Если вы увеличите любое цифровое изображение до достаточно большого размера, вы сможете увидеть отдельные пиксели. Когда это происходит, мы называем изображение "нечетким".

Цветное изображение на самом деле состоит из трех отдельных каналов, по одному для красного, зеленого и синего цвета. Из-за способа ощущения цвета глазом и мозгом, все цвета радуги могут быть созданы из этих трех основных цветов.

Хотя цифровая камера может записывать 12 бит или 4096 шагов яркости информации, почти все выходные устройства могут отображать только 8 бит или 256 шагов в цветовой канал. Изначальные 12-битные (2 в 12 степени = 4096) входные данные должны быть преобразованы в 8 битные (2 в 8 степени = 256) данные для вывода.

В приведенном выше примере, номинальный пиксель имеет уровень яркости 252 в красном канале, 231 в зеленом канале, и 217 в канале сигнала синего цвета. Яркость каждого цвета может варьироваться от 0 до 255, при 256 общего количества шагов в каждом цветовом канале, когда он отображается на мониторе компьютера, или для вывода на настольном принтере. Ноль означает чистый черный цвет, а 255 указывает чистый белый.

256 цветов каждый из красного, зеленого и синего может показаться не много, но на самом деле это огромное количество, потому что 256 х 256 х 256 - это более 16 миллионов отдельных цветов.

Тональная выборка

Свет и тона в мире изменяются непрерывным образом. После захода Солнца в ясный день небо на западе варьируется от яркого вблизи горизонта до темно-голубого цвета над головой. Эти оттенки синего цвета постоянно меняться. Они плавно переходят от светлого к темному.

Цифровые камеры при измерении света разрывают его непрерывно изменяющиеся сигналы в дискретные шаги, которые могут быть представлены числами (цифры). Они оцифровывают изображение.

64 шага

32 шага

16 шагов

Благодаря способу, который использует наша визуальная система, если мы разделим непрерывные сигналы в достаточном количестве малых дискретных шагов мы можем обмануть глаз, думая, что это непрерывный сигнал, даже если это не так.

В приведенных выше примерах, мы можем увидеть эффект от различного числа тонов, когда мы переходим от черного цвета к белому. Мы можем четко дифференцировать небольшое количество тонов как прерывистость. Но когда число увеличивается, где-то около 128 шагов, они, кажутся непрерывными для нашего восприятия.

Компьютеры и цифры

Поскольку компьютер является очень мощным инструментом при манипулировании с цифрами, мы можем выполнять различные операции над этими цифрами быстро и легко.

Например, контраст определяется как разница в яркости между соседними пикселями. Для контрастности, должна быть разница, так чтобы один пиксель был ярче, а другой пиксель был темнее. Мы можем очень легко увеличить контрастность, просто добавив количество шагов по яркости для яркого пикселя и вычитания числа шагов из значения яркости темного пикселя.

Цвет в изображении представлен значением яркости пикселя в каждом из трех цветовых каналов - красным, зеленом и синем - которые составляют информацию о цвете. Мы можем так же легко изменить цвет пикселя, или группу пикселей, просто изменив число.

Мы можем выполнять другие трюки, такие как увеличение кажущейся резкости изображения за счет увеличения контрастности краевых границ объектов на изображении с помощью процесса, называемого нерезким маскированием.

Представление изображение в виде числа позволяет нам всецело управлять им. И, поскольку изображение является набором чисел, оно может быть дублировано любое количество раз без потери качества.

Линейные или нелинейные данные

Реакция записи цифрового датчика пропорциональна числу фотонов, которые попадают в него. Реакция является линейной. В отличие от фотопленки, цифровые датчики увеличивают записанный сигнал в два раза, когда в два раза увеличивается число фотонов попавших на датчик. Цифровые датчики также являются взаимозаместимыми, как и большинство фотопленок.

Данные, полученные с помощью датчика CMOS в цифровой зеркальной фотокамере и записанные в сыром файле, являются линейными. Линейные данные, как правило, выглядят очень темными по сравнению с нормальным фотографиями (см. рисунок ниже).

Линейная кривая

Человеческое визуальное восприятие яркости лучше описывается логарифмической кривой, чем линейной кривой. Другие человеческие чувства, такие как слух, и даже вкус, также логарифмические. Это означает, что мы лучше различаем разницу на нижнем конце шкалы восприятия, чем мы на высоком конце. Например, мы можем очень легко отличить по весу один фунт и два фунта, когда мы их поднимем. Но у нас возникают трудности при попытке отличить вес в 100 фунтов и 101 фунтов. Тем не менее, разница же, один фунт.

Логарифмическая кривая

Нормальные фотографии на пленке также записаны в нелинейной манере, которая похожа на способ человеческого восприятия. Вот почему мы можем держать слайд к свету, и это выглядит как разумное представления исходной сцены без каких-либо дополнительных модификаций.

Из-за того, что человеческая визуальная система восприятия не работает в линейном порядке, нелинейный закон должен быть применен при "растяжке" линейных данных из цифровой зеркальной фотокамеры, чтобы тональность фотографий лучше соответствовала нашему визуальному восприятию. Эти нелинейные поправки делаются с помощью программного обеспечения внутри камеры при записи изображения в файл в формате JPEG. Если сырой файл сохраняется в камере, эти нелинейные корректировки делаются в программном обеспечении позже, когда данные открыты в программе обработки изображений.

В примерах изображений, показанных выше, снимок экрана диалога Curves в Photoshop был включен в изображении, чтобы мы могли увидеть сравнение между линейными данными и теми же данными с нелинейной корректировкой. Кривая в темном изображении является линейной, то есть прямая линия. Кривая в светлом изображении показана при растяжке, которая должна быть применена к данным, чтобы сделать их ближе к нашему зрительному восприятию.

Кривая представляет входные и выходные значения яркости пикселей в изображении. Черные в левом нижнем углу, а белые в правом верхнем углу. Серые тона между ними. Когда линия прямая, входной сигнал, который проходит горизонтально вдоль дна, соответствует выходному сигналу, который проходит вертикально вдоль левой стороны.

На вставке показано, что когда прямую тянут вверх, так что ее наклон увеличивается, контрастность этой части кривой и соответствующих тонов в изображении увеличивается. В изображенном выше примере видно, что тон в указанной точке создается намного легче. Все тона в изображении ниже этой точки на кривой, и соответствующих тонов в изображении, растягиваются друг от друга и их контраст увеличился.

Вот почему важно работать с высоко битной глубиной при работе с необработанными изображениями. Из-за сильного натяжения и увеличения контраста, которые необходимы, тоны растягивают. Если у нас есть много тонов и глубина высокого тона позволяет, то их можно гладко перераспределять. Если у нас мало тонов для работы, мы рискуем получить постеризацию и полосы при растяжке данных.

В ярком изображении наклон верхней части кривой уменьшается в светлых областях изображения. Это сжимает тона и уменьшает контраст этих тонов в изображении.

Это то, что позволяет обращаться к этим данным в линейной форме в высокой битной глубине, что делает изображения с цифровых зеркальных камер и CCD такими мощными для создания астрофотографий. Это позволяет нам вычесть фон неба и светового загрязнения. Это дает нам возможность контролировать нелинейные корректировки и растягивать данные. Эти настройки позволяют выявить детали астрономических объектов, которые скрыты глубоко в том, что мы считаем теневыми участками нормальной фотографии.

Для полного контроля над процессом получения цифрового изображения необходимо хотя бы в общих чертах представлять себе устройство и принцип работы цифрового фотоаппарата.

Единственное принципиальное отличие цифровой камеры от плёночной заключается в природе используемого в них светочувствительного материала. Если в плёночной камере это плёнка, то в цифровой – светочувствительная матрица. И как традиционный фотографический процесс неотделим от свойств плёнки, так и цифровой фотопроцесс во многом зависит от того, как матрица преобразует свет, сфокусированный на неё объективом, в цифровой код.

Принцип работы фотоматрицы

Светочувствительная матрица или фотосенсор представляет собой интегральную микросхему (проще говоря, кремниевую пластину), состоящую из мельчайших светочувствительных элементов – фотодиодов.

Существует два основных типа сенсоров: ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью, он же CCD – Charge-Coupled Device) и КМОП (Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник, он же CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Матрицы обоих типов преобразовывают энергию фотонов в электрический сигнал, который затем подлежит оцифровке, однако если в случае с ПЗС матрицей сигнал, сгенерированный фотодиодами, поступает в процессор камеры в аналоговой форме и лишь затем централизованно оцифровывается, то у КМОП матрицы каждый фотодиод снабжён индивидуальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и данные поступают в процессор уже в дискретном виде. В целом, различия между КМОП и ПЗС матрицами хоть и принципиальны для инженера, но абсолютно несущественны для фотографа. Для производителей же фотооборудования имеет значение ещё и тот факт, что КМОП матрицы, будучи сложнее и дороже ПЗС матриц в разработке, оказываются при этом выгоднее последних при массовом производстве. Так что будущее, скорее всего, за технологией КМОП в силу чисто экономических причин.

Фотодиоды, из которых состоит любая матрица, обладают способностью преобразовывать энергию светового потока в электрический заряд. Чем больше фотонов улавливает фотодиод, тем больше электронов получается на выходе. Очевидно, что чем больше совокупная площадь всех фотодиодов, тем больше света они могут воспринять и тем выше светочувствительность матрицы.

К сожалению, фотодиоды не могут быть расположены вплотную друг к другу, поскольку тогда на матрице не осталось бы места для сопутствующей фотодиодам электроники (что особенно актуально для КМОП матриц). Восприимчивая к свету поверхность сенсора составляет в среднем 25-50 % от его общей площади. Для уменьшения потерь света каждый фотодиод накрыт микролинзой, превосходящей его по площади и фактически соприкасающейся с микролинзами соседних фотодиодов. Микролинзы собирают падающий на них свет и направляют его внутрь фотодиодов, повышая таким образом светочувствительность сенсора.

По завершении экспонирования электрический заряд, сгенерированный каждым фотодиодом, считывается, усиливается и с помощью аналого-цифрового преобразователя превращается в двоичный код заданной разрядности, который затем поступает в процессор фотоаппарата для последующей обработки . Каждому фотодиоду матрицы соответствует (хоть и не всегда) один пиксель будущего изображения.

Спасибо за внимание!

Василий А.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект , внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

После перехода эфирного вещания с аналогового стандарта на цифровой появилась необходимость приобретать специальные устройства для старых телевизоров. Все современные модели ТВ-приемников оснащаются соответствующим тюнером. Однако не каждый человек готов из-за этого менять свой телевизор. Зная, как работает цифровая приставка к телевизору и особенности выбора устройства, можно купить недорогое и эффективное устройство.

Назначение девайса

Благодаря цифровой приставке к телевизору можно не только смотреть эфирное вещание в новом стандарте, но и существенно расширить возможности ТВ-приемника. В продаже находится большое количество моделей, отличающихся стоимостью и функциональными возможностями. Среди основных функций, выполняемых приставкой, можно отметить:

Воспроизведение мультимедиа-файлов с флэш-накопителя, подключаемого к порту USB.
Запись телетрансляции в формате ts на внешний накопитель.
Возможность остановки просмотра в реальном времени.
Благодаря функции TimeShift трансляцию телепрограммы можно отложить.

Некоторые бюджетные современные модели телевизоров обладают значительно меньшим функционалом, хотя и оснащены тюнером DVB-T2. В такой ситуации приставка сможет значительно расширить его возможности.

Также следует сказать еще об одном виде тюнеров - приставках Смарт ТВ. Они предоставляют пользователям еще больше возможностей.

Работать эти девайсы могут одним из двух способов:

Все файлы хранятся на встроенном носителе, для запуска необходимого софта его требуется предварительно инсталлировать.
Для хранения рабочей информации используются облачные сервисы, и устройство может функционировать только при подключении к интернету.

Главным преимуществом Смарт-приставок является возможность получения доступа к различным ресурсам в интернете и вывод информации на экран ТВ.

Такие тюнеры могут оснащаться сразу несколькими разъемами для подключения карт памяти, поддерживают большое количество мультимедиа-форматов.

Критерии выбора

Следует признать, что приставка к телевизору для просмотра цифрового телевидения не является самым сложным бытовым электронным прибором.

Но даже учитывая сравнительно невысокую стоимость этих устройств, необходимо сделать правильный выбор. Есть несколько критериев, которые необходимо обязательно иметь в виду, отправляясь в магазин.

Стандарты вещания

Именно этот вопрос является самым важным при выборе девайса. Так как в России используется стандарт DVB-T2 цифрового телевидения, приставка к телевизору должна его поддерживать . Это универсальное решение, которое подходит пользователям всех регионов страны. Кроме этого, качество изображения у DVB-T2 лучше, чем у DVB-T1.

Также нужно отметить еще два стандарта - DVB-S и DVB-S2. Они используются для трансляции спутникового телевидения. Если приставка их поддерживает, то пользователь может подсоединить ее к спутниковой антенне и транслировать полученный сигнал сразу на телевизор без использования ресивера.

Сегодня многие провайдеры кабельного ТВ используют стандарт DVB-C . Это дает им возможность кодировать сигнал. Для получения доступа к нему необходимы специальные модули. Если девайс будет использоваться для приема кабельного телевидения, то он должен поддерживать и этот стандарт.

Способы подключения

Если тюнер приобретается для работы со старым телевизором, то в нем должны быть три разъема типа «тюльпан» или RCA . Один из них используется для вывода видеосигнала, а два других передают звук в стереоформате. Большинство моделей приставок сегодня оснащены разъемом HDMI. Это современный стандарт, используемый для одновременной передачи видео- и аудиосигнала.

Наличие портов USB говорит о том, что устройство можно использовать в качестве мультимедиа-плеера. Кроме этого, к ним подключается внешний накопитель для записи телепрограмм, если такая функция поддерживается приставкой.

Также стоит обратить внимание на сквозной антенный выход, благодаря которому к приставке можно подключить сразу два ТВ-приемника без применения разветвителей.

Функциональные возможности

Так как цифровые тюнеры способны не только принимать сигнал требуемого стандарта, стоит познакомиться с их полезными функциями. Одной из них является TimeShift (отложенный просмотр). Благодаря ей трансляцию ТВ-передачи можно поставить на паузу и не пропустить интересный момент.

Также стоит обратить внимание на опцию Personal Video Recorder (PVR). С ее помощью можно записывать передачи, если нет возможности смотреть их в прямом эфире. Вполне очевидно, что для этого потребуется внешний накопитель . Многие современные модели приставок могут использоваться в качестве мультимедиа-плеера благодаря поддержке популярных форматов. Функция ТВ-гид позволяет узнать программу передач на неделю для всех доступных каналов.

Структура цифрового устройства

Почти в каждом цифровом устройстве встречаются типовые элементы, из комбинации которых оно состоит. Какие-то элементы совсем простые, какие-то более сложные, а какие-то совсем сложные. В любительской практике чаще всего встречаются: триггеры, таймеры, счетчики, регистры, микроконтроллеры, компараторы и др.

Давай выберем что-нибудь из этого списка и посмотрим, как оно устроено. Пусть это будет микроконтроллер (МК)! Ладно, признаюсь. Микроконтроллер я выбрал неспроста. Дело в том, что именно появление микропроцессоров произвело настоящую революцию в электронике и выдвинуло её развитие на новый уровень.

МК является наиболее многочисленным и популярным видом микропроцессоров в мире. Особенным его делает то, что микроконтроллер представляет собой микро-PC -- целый компьютер в одной микросхеме. Представь себе компьютер размером, например, с копейку. Вот это и есть МК.

Микроконтроллеры используются повсеместно: в современных телевизорах, холодильниках, планшетах, охранных системах. Везде, где требуется чем-то управлять, микроконтроллер может найти своё место. А всё благодаря тому, что, как и любой микропроцессор, МК можно программировать. В итоге один и тот же вид микросхем можно использовать в сотнях различных устройств.

В наше время наибольшей популярностью пользуются, к примеру, микроконтроллеры AVR, PIC, ARM. Каждая из компаний, что выпускает перечисленные виды МК, производит десятки, если не сотни, разновидностей микроконтроллеров, предназначенных под все мыслимые и немыслимые задачи.

Как работает микроконтроллер

Несмотря на всю сложность конструкции настоящего микроконтроллера, рассказать, как он функционирует можно всего одним предложением: "В память микроконтроллера записывается текст программы, МК считывает команды из этой программы и выполняет их", -- вот и всё.

Конечно, МК не может выполнить какие угодно команды. У него есть базовый набор команд, которые он понимает и знает как выполнить. Комбинируя эти команды, можно получить практически любую программу, с помощью которой устройство будет делать именно то, что от него хотят.

В современном мире микропроцессор (МК тоже микропроцессор, но специализированный) может иметь либо очень много базовых команд, либо очень мало. Это такое условное разделение, для которого даже придумали два термина: CISC и RISC. CISC -- это много разных видов команд на все случаи жизни, RISC -- это только наиболее необходимые и часто использующиеся команды, т.е. сокращенный набор команд.

Большинство микроконтроллеров исповедуют RISC. Объясняется это тем, что при использовании сокращенного набора команд микроконтроллеры проще и дешевле для производства, их легче и быстрей осваивают разработчики аппаратуры. Между CISC и RISC много различий, но сейчас принципиально важно запомнить только то, что CISC -- много команд, RISC -- мало команд. Глубже с этими двумя идеями познакомимся как-нибудь в другой раз.

Что происходит, когда включается микроконтроллер?

Итак, давай представим идеальный мир, в котором у тебя есть МК и в его память уже записана программа. Или, как обычно говорят, МК "прошит" (при этом программу называют "прошивкой") и готов к бою.

Что произойдёт, когда ты подашь питание на свою схему с МК? Оказывается, ничего особенного. Там нет вообще никакой магии. Происходить будет следующее:

После подачи питания микроконтроллер пойдёт смотреть, что находится в памяти. При этом он "знает", куда следует смотреть, чтобы найти первую команду своей программы .

Местоположение начала программы устанавливается при производстве МК и никогдане меняется. МК считает первую команду, выполнит её, затем считает вторую команду, выполнит её, затем третью и так до последней. Когда же он считает последнюю команду, то всё начнётся сначала, так как МК выполняет программу по кругу, если ему не сказали остановится. Так вот он и работает.

Но это не мешает писать сложные программы, которые помогают управлять холодильниками, пылесосами, промышленными станками, аудиоплеерами и тысячами других устройств. Ты тоже можешь научиться создавать устройства с МК. Это потребует времени, желания и немножко денег. Но это такие мелочи, правда?

Как устроен типичный МК

Любая микропроцессорная система стоит на трёх китах:

Процессор (АЛУ + устройство управления),
Память (ROM, RAM, FLASH),
Порты ввода-вывода .

Процессор с помощью портов ввода-вывода получает/отправляет данные в виде чисел, производит над ними различные арифметические операции и сохраняет их в память. Общение между процессором, портами и памятью осуществляет по проводам, которые называются шиной (шины делятся на несколько видов по назначению). Это общая идея работы МП-системы. Вот как на картинке ниже.

МК, как я уже писал, тоже микропроцессор. Просто специализированный. Физическая структура микросхем МК разных серий может существенно различаться, но идейно они будут похожи и будут иметь такие, например, блоки как: ПЗУ, ОЗУ, АЛУ, порты ввода/вывода, таймеры, счетчики, регистры.

ПЗУ	Постоянная память. Всё, что в неё записано, остаётся в ПЗУ и после того как устройство было отключено от питания.
ОЗУ	Временная память. ОЗУ -- это рабочая память МК. В неё помещаются все промежуточные результаты выполнения команд или данные от внешних устройств.
АЛУ	Математический мозг микроконтроллера. Именно он складывает, вычитает, умножает, а иногда и делит, сравнивает нолики и единички в процессе выполнения команд программы. Один из важнейших органов МК.
Порты I/O	Просто устройства для общения МК с внешним миром. Без них ни во внешюю память записать, ни данные от датчика или клавиатуры получить нельзя.
Таймеры	Готовил торт или курицу? Ставил таймер, чтобы он тебя оповестил, когда блюдо будет готово? Вот в МК таймер выполняет схожие функции: отсчитывает интервалы, выдаёт сигнал о срабатывании и т.д.
Счетчики	Пригождаются, когда требуется что-либо подсчитать.
Регистры	Самое непонятное слово для тех, кто хоть раз пытался освоить Асемблер самостоятельно. А между прочим они своего рода выполняют роль быстрой ОЗУ МК. Каждый регистр представляет собой своего рода ячейку памяти. И в каждом МК их всего несколько десятков.

Современный масштаб развития цифровой электроники настолько огромен, что даже по каждому пункту из этой табилцы можно написать целую книгу, а то и не одну. Я же опишу базовые идеи, которые помогут дальше самостоятельно разобраться более подробно в каждом из устройств.

Мозг микроконтроллера

Микропроцессор/микроконтроллер всегда работает по заложенной в него программе. Программа состоит из последовательности операций, которые МК умеет выполнять. Операции выполняются в ЦПУ -- это мозг микроконтроллера. Именно этот орган умеет производить арифметические и логические операции с числами. Но есть ещё четыре важных операции, которые он умеет делать:

чтение из ячейки памяти
запись в ячейку памяти
чтение из порта В/В
запись в порт В/В

Эти операции отвечают за чтение/запись информации в память и во внешние устройства через порты ввода/вывода. И без них любой процессор проверащается в бесполезный хлам.

Технически процессор состоит из АЛУ (калькулятор процессора) и управляющего устройства, которое дерижирует взаимодействием между портами ввода-вывода, памятью и арифметико-логическим устройством (АЛУ).

Память микроконтроллера

Ранее в таблице с типичными устройствами, входящими в МК, я указал два вида памяти: ПЗУ и ОЗУ. Различие между ними заключается в том, что в ПЗУ данные сохраняются между включениями устройства. Но при этом ПЗУ (ROM) довольно медленная память. Поэтому и существует ОЗУ (RAM), которая довольно быстра, но умеет хранить данные только тогда, когда на устройство подано питание. Стоит выключить устройство и все данные оттуда...пшик и нету.

Если у тебя есть ноутбук или персональный компьютер, то тебе знакома например такая ситуация: писал гору текста, забыл сохранить его на жесткий диск, внезапно пропало электричество. Включаешь компьютер, а текста нет. Всё верно. Пока ты его писал, он хранился в ОЗУ. Поэтому текст и пропал с выключением компьютера.

В зарубежном мире ОЗУ и ПЗУ называют RAM и ROM:

RAM (Random Access Memory) -- память со случайны доступом
ROM (Read Only Memory) -- память только для чтения

У нас же их еще называют энергозависимой и энергонезависимой памятью. Что на мой взгляд более точно отражает природу каждого вида памяти.

ПЗУ

Сейчас всё больше получила распространение ПЗУ память типа FLASH (или, по-нашему, ЭСПЗУ). Она позволяет сохранять данные даже тогда, когда устройство выключено. Поэтому в современных МК, например в МК AVR в качестве ПЗУ используются именно FLASH-память.

Раньше микросхемы ПЗУ-памяти были однократно-программируемыми. Поэтому если были записаны программа или данные с ошибками, то такую микросхемы просто выкидывали. Чуть позже появились ПЗУ, которые можно было перезаписывать многократно. Это были чипы с ультрафиолетовым стиранием. Они довольно долго прожили и даже сейчас встречаются в некоторых устройствах из 1990-х...2000-х годов. Например, вот такая ПЗУ родом из СССР.

У них был один существенный минус -- при случайно засветке кристалла (тот, что виден в окошечке) программа могла быть повреждена. А также ПЗУ до сих пор работает медленней, чем ОЗУ.

ОЗУ

Оперативная память в отличие от ПЗУ, ППЗУ и ЭСПЗУ является энергозависимой и при выключении питания устройства все данные в ОЗУ пропадают. Но без неё не обходится ни одно микропроцессорное устройство. Так как в процессе работы требуется где-то хранить результаты вычислений и данные, с которыми работает процессор. ПЗУ для этих целей не подходит из-за своей медлительности.

ПАМЯТЬ ПРОГРАММ И ПАМЯТЬ ДАННЫХ

Помимо разделения на энергозависимую (ОЗУ) и энергонезависимую память в микроконтроллерах есть разделение на память данных и память программ. Это значит, что в МК есть специальная память, которая предназначена только для хранения программы МК. В нынешние времена обычно это FLASH ПЗУ. Именно из этой памяти микроконтроллер считывает команды, которые выполняет.

Отдельно от памяти программ существует память данных, в которую помещаются промежуточные результаты работы и любые другие данные, требующиеся программе. Память программ -- это обычное ОЗУ.

Такое разделение хорошо тем, что никакая ошибка в программе не сможет повредить саму программу. К примеру, когда по ошибке МК попытается записать на место какой-нибудь команды в программе случайное число. Получается что программа надёжно защищена от повреждения. Кстати, у такого разделения есть своё особо название -- "гарвардская архитектура".

В 1930-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. В конце 1930-х годов в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была разработана архитектура компьютера Марк I, в дальнейшем называемая по имени этого университета.

Ниже я схематично изобразил гарвардскую архитектуру:

Таким образом программа и данные, с которыми она работает, физически храняться в разных местах. Что касается больших процессорных систем подобных персональному компьютеру, то в них данные и программа во время работы программы хранятся в одном и том же месте.

ИЕРАРХИЯ ПАМЯТИ

КАК УСТРОЕН МОЗГ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Ты уже значешь, что мозгом МК является ЦПУ -- центральный процессор, который состоит из АЛУ (арифметико-логическое устройство) и устройства управления (УУ). УУ дерижирует всем оркестром из памяти, внешних устройств и АЛУ. Благодаря ему МК может выполнять команды в том порядке в каком мы этого хотим.

АЛУ -- это калькулятор, а УУ говорит АЛУ что, с чем, когда и в какой последовательности вычислять или сравнивать. АЛУ умеет складывать, вычитать, иногда делить и умножать, выпонять логические операции: И, ИЛИ, НЕ (о них будет чуть позже)

Любой компьютер, МК в том числе, умеет сегодня работать только с двоичными числами, составленными из "0" и "1". Именно эта простая идея привела к революции в области электроники и взрывному развитию цифровой техники.

Предположим, что АЛУ надо сложить два числа: 2 и 5. В упрощенном виде это будет выглядеть так:

При этом УУ знает в каком месте памяти взять число "2", в каком число "5" и в какое место памяти поместить результат. УУ знает обо всём этом потому, что оно прочитало об этом в команде из программы, которую в данный момент прочитало в программе. Более подробно про арефмитические операции с двоичными числами и как устроен сумматор АЛУ изнутри я расскажу чуть позже.

Хорошо, скажешь ты, а что если нужно получить эти числа не из программы, а из вне, например, с датчика? Как быть? Вот тут в игру и вступают порты ввода-вывода, с помощью которых МК может принимать и передавать данных на внешние устройства: дисплеи, датчики, моторы, задвижки, принтеры и т.д.

ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ

Тебе наверняка хорошо знакомо шуточное высказывание про "женскую логику"? Но речь пойдет не о ней, а логике в принципе. Логика оперирует причинно-следственными связями: если солнце взошло, то стало светло. Причина "солнце взошло" вызвала следствие "стало светло". При этом про каждое утверждение мы можем сказать "ИСТИНА" или "ЛОЖЬ".

Например:

"Птицы плавают под водой" -- это ложь
"Вода мокрая" -- при комнатной температуре это утверждение истинно

Как ты заметил, второе утверждение при определённых условиях может быть как истинным, так и ложным. В нашем компьютере есть только числа и инженеры с математичками придумали обозначать истину "1", а ложь "0". Это дало возможность записывать истинность утверждения в виде двоичных чисел:

"Птицы плавают под водой" = 0
"Вода мокрая" = 1

А ещё такая запись позволила математикам выполнять с этими утверждениями целые операции -- логические операции. Первым до этого додумался Джордж Буль. По имени которого и названа такая алгебра: "булева алгебра", которая оказалась очень удобной для цифровых машин.

Вторая половина АЛУ -- это логические операции. Они позволяют "сравнивать" утверждения. Базовых логических операций всего несколько штук: И, ИЛИ, НЕ, -- но этого достаточно, так как более сложные могут комбинироваться из этих трёх.

Логическая операция И обозначает одновременность утверждений, т.е. что оба утверждения истинны одновременно. Например утверждение будет истинно только тогда, когда оба более простых утверждения будут истинны. Во всех остальных случаях результат операции логического И будет ложным

Логическая операция ИЛИ будет истинно, если хотя бы одно из участвующих в операции утверждений будет истинно. "Птицы плавают под водой" И "Вода мокрая" истинно, так как истинно утверждение "вода мокрая"

Логическое операция НЕ меняет истинность утверждения на противоположное значение. Это логическое отрицание. Например:

Солнце всходит каждый день = ИСТИНА

НЕ (Солнце всходит каждый день) = НЕ ИСТИНА = ЛОЖЬ

Благодаря логическим операция мы можем сравнивать двоичные числа, а так как наши двоичные числа всегда что-то обозначают, например, какой-нибудь сигнал. То получается, что благодаря булевой алгебре мы можем сравнивать настоящие сигналы. Этим логическая часть АЛУ и занимается.

УСТРОЙСТВО ВВОДА-ВЫВОДА

Наш МК должен общаться с внешним миром. Только тогда он будет представлять из себя полезное устройство. Для этого у МК есть особые устройства, которые называются устройствами ввода-вывода.
Благодаря этим устройствам мы можем посылать в микроконтроллер сигналы от датчиков, клавиатуры и других внешних приборов. А МК после обработки таких сигналов отправит через устройства вывода ответ, с помощью которого можно будет регулировать скорость вращения двигателя или яркость свечения лампы.

Подведу итоги:

Цифровая электроника -- верхушка айсберга электроники
Цифровое устройство знает и понимает только числа
Любая информация: сообщение, текст, видео, звук, -- могут быть закодированы с помощью двоичных чисел
Микроконтроллер -- это микрокомпьютер на одной микросхеме
Любая микропроцессорная система состоит из трёх частей: процессор, память, устройства ввода-вывода
Процессорс состоит из АЛУ и управляющего устройства
АЛУ умеет выполнять арифметические и логические операции с двоичными числами

Оставайся с нами. В следующих статьях я расскажу более подробно как устроена память МК, порты ввода-вывода и АЛУ. А после этого мы пойдём ещё дальше и в итоге дойдём до аналоговой электроники.

p.s.
Нашёл ошибку? Сообщи мне!

/blog/tsifrovaya-elektronika-chto-eto/ В этом рассказе первые шаги в мир электроники делаются с необычного направления. Своё путешествие по электронике ты начинаешь с мира цифровой схемотехники, с микроконтроллеров 2016-11-17 2016-12-26 цифровая электроника, цифровая схемотехника, микроконтроллер, логические элементы

Большой радиолюбитель и конструктор программ

Арабские	Римские	Двоичные
0	-	00
1	I	01
2	II	10
3	III	11

АВТОМИР