Проектирование промежуточного усилителя для звуковой карты

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство просвещения ПМР

Тираспольский Техникум Информатики и Права

Дипломная работа

Тема: Проектирование промежуточного усилителя для звуковой карты

Тирасполь 2014 г.

РЕФЕРАТ

В данной дипломной работе рассмотрено исследование устройства для обработки и воспроизведения звука. Целью работы является анализ схемотехнических решений устройств для исследований работы промежуточного усилителя для звуковой карты, рассмотрение структуры устройства, разработка структурной и принципиальной схемы устройства, изготовление макета.

Рассмотрены принципы работы как звуковой система в целом, так и ее составных частей, а также проделана работа по изготовлению действующего макета стенда для исследования промежуточного усилителя для звуковой карты.

Разрабатываемое устройство позволяет получить коэффициент усиления не менее 300-400 можно с помощью микрофонного усилителя. Микрофонный усилитель выполнен на одном транзисторе, включенном по схеме «общий эмиттер». Размеры печатной платы очень малы, что позволяет легко разместить микрофон с усилителем в любом подходящем корпусе.

В дипломной работе изложено также применение устройства для обработки и воспроизведения звука.

ВВЕДЕНИЕ

Необходимой частью современного компьютера является Sound Blaster. Он позволяет получить звуковое сопровождение программ. В мире в последнее время большинство звуковых карт для компьютеров семейства IВМ выпускаются без мощного оконечного усилителя и рассчитаны на подключение активных колонок или любого усилительного комплекса. Это позволяет получить более высокое качество звука и исключает перегрузку внутреннего источника питания компьютера.

Актуальность данной дипломной работы обусловлена тем, что мультимедийный продукт позволяет собрать воедино огромные и разрозненные объемы информации, дает возможность с помощью интерактивного взаимодействия выбирать, интересующие в данный момент, информационные блоки, повышает эффективность восприятия информации.

Целью данной дипломной работы является разработка промежуточного усилителя для звуковой карты.

Для реализации данных целей необходимо решить следующие задачи:

*Исследовать предметную область, выделить основные задачи, решаемые в рамках данной предметной области.

*Разработать устройство промежуточного усилителя для звуковой карты.

Предметом исследования является проектирование промежуточного усилителя для звуковой карты. Объектом исследования является изучение основных способов получения звука на компьютере, а также основных принципов формирования и отличия цифрового звука от аналоговово.

Использованы следующие методы сбора материала: анализ литературы; интерпретация данных; отбор необходимого материала; разработка проекта.

ГЛАВА 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНОГО УСИЛИТЕЛЯ ДЛЯ ЗВУКОВОЙ КАРТЫ

1.1 Основы построения вычислительной техники

Конструктивно персональный компьютер выполняется в виде системного блока.

Системный блок. Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

В системный блок входят следующие необходимые составляющие:

Системная плата;

Процессор;

Оперативная память;

Корпус;

Источник питания (блок питания);

Дисковод для гибких дисков;

Жесткий диск;

Накопитель СО-КОМ, СБ-КЛУ , БУБ-КОМ или

Видеоадаптер;

Звуковая плата;

Акустическая система;

Модем;

1.1.1 Описание основных компонентов системного блока

Материнские платы и их составляющие.

Материнская плата - основной компонент системы, к которой присоединяются все остальные элементы системного блока.

На материнской плате размещаются:

разъем процессора -- предназначен для подключения процессора.

микропроцессорный комплект (чипсет) -- набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

шины -- наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) -- микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;

разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Гнезда процессоров

На данный момент существует достаточно много типов разъемов для установки процессора такие как Sоскеt 7, Sоскеt 370, Sоскеt FС-РGА, Slot I, Slot А, Sоскеt 478, Sоскеt 750 (новый) и так далее.

Понятие Сhipset:

Chip Set - набор микросхем. Это одна или несколько микросхем, специально разработанных для "обвязки" микропроцессора. Они содержат в себе контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти, таймеры, систему .правления памятью и шиной - все те компоненты, которые в целом и обеспечивают согласованную работу всех аппаратных средств ПК. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени СMOS-памятью и иногда - клавиатурный контроллер, однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных чипов. В последних разработках в состав микросхем наборов для интегрированных плат стали включаться и контроллеры внешних устройств, а так же подсистемы мониторинга физических параметров.

ВIOS

Basic Input/Output - базовая система ввода/вывода, зашитая в ПЗУ («постоянное запоминающее устройство» - отсюда и название RОМ ВIOS). Она представляет собой набор программ проверки и обслуживания аппаратуры компьютера, и выполняет роль посредника между DOS и аппаратурой. ВIOS получает управление при включении и сбросе (reset) системной платы, тестирует саму плату и основные блоки компьютера (как правило - лишь наличие) - видеоадаптер, клавиатуру, контроллеры дисков и портов ввела/вывода, настраивает Chipset платы и запускает загрузку операционной системы. При работе под DOS/Windows ВIOS управляет основными устройствами, при работе под 9x/NT/2000/ХР ВIOS тактически не используется, выполняя лишь начальную проверку оборудования и настройку чипсета.

Шины ISA, РСI, РСМСIА, USB, АGР, АСРI

Все перечисленные стандарты - это аппаратные, программные или комбинированные комплексы, объединяющие в единую, согласованно работающую систему аппаратные составляющие любого ПК.

ISA (Industry Standard Architecture) - архитектура промышленного стандарта) - основная шина на компьютерах типа РС АТ (другое название - АТ-Вus). Является расширением ХТ-Вus, разрядность - 16/24 (16 Мб), тактовая частота - 8 МГц, предельная пропускная способность - 5.55 Мб/с. Конструктив - 62- контактный разъем ХТ-Вus с прилегающим к нему 36-контактным разъемом расширения.

РСI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних компонент) - шина периферийных устройств. Не совместима ни с какими другими, разрядность - 32/32 (расширенный вариант - 64/64), тактовая частота - до 33 МГц (РСI 2.1 - до 66 МГц), пропускная способность - до 132 Мб/с (264 Мб/с хотя 32/32 на 66 МГц и 528 Мб/с для 64/64 на 66 МГц), поддержка Вus Mastering и автоконфигурации. Самая популярная шина в настоящее время, используется также на других, «не ПиСи», платформах. 64-разрядный разъем имеет дополнительную 64-контактную секцию с собственным ключом.

РСМСIА (Personal Computer Memory Card International Association - ассоциация производителей плат памяти для персональных компьютеров) - внешняя шина компьютеров класса Ыо1еВоок. Современное название модуля РСМСIА - РС Саrd. Предельно проста, разрядность - 16/26 (адресное пространство - 64 Мб), поддерживает автоконфигурацию, возможно подключение и отключение устройства в процессе работы компьютера (то есть без отключения питания компьютера). Конструктив - миниатюрный 68- контактный разъем. Контакты питания сделаны более длинными, что позволяет вставлять и вынимать карту при включенном питании компьютера.

USВ (Universal Serial Bus - универсальная последовательная магистраль) - современный интерфейс для подключения различных внешних устройств. Предусматривает подключение до 127 внешних устройств к одному USВ - каналу (по принципу общей шины), реализации обычно имеют по два канала на контроллер. Обмен по интерфейсу - пакетный, скорость обмена - от 12 Мбит/с в версии 1.0 до 480 Мбит/с в версии 2.0.

АСР (Ассеlerated Graphics Post - ускоренный графический порт) - интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали АGР, имеющей выход непосредственно на системную память. В системной памяти размешаются преимущественно текстуры трехмерных объектов, требующие быстрого доступа со стороны как процессора, так и видеоадаптера. Интерфейс заполнен в виде отдельного разъема, в который устанавливается АОР- видеодаптер.

АСРL (Advanced Configuration Power Interface - интерфейс расширенной конфигурации по питанию) - предложенная Microsoft единая система управления питанием для всех компьютеров, наподобие используемой в NoteBook. В частности, позволяет предусмотрено сохранение состояния системы перед отключением питания, с последующим его восстановлением без полной перезагрузки.

Понятие кэш памяти.

Cache (запас) в контексте терминов материнской платы обозначает быстродействующую буферную память между процессором и основной памятью. Кэш служит для частичной компенсации разницы в скорости процессора и основной памяти - там хранятся наиболее часто используемые данные. Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения в скором времени может быть с гораздо большей скоростью выбрано из малого, но очень быстродействующего кэша, чем из относительно медленной основной памяти.

Джампер (Jumper) - съемная перемычка, устанавливаемая на торчащие из печатной платы штырьковые контакты. Джамперы используются для конфигурирования различных компонентов, которые не требуют оперативного управления. Джамперы переставляют с помощью пинцета при выключенном питании.

Разъемы оперативной памяти.

Это несколько разъемов расположенных на материнской плате, назначенных для подключения модулей оперативной памяти.

Разъемы для подключения внешних устройств.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная магистраль) - Одни из современных интерфейсов для подключения внешних устройств. Предусматриваеи подключение до 127 внешних устройств к одному USB- каналу, принципиально сделан по принципу общей шины, реализации обычно имеют по два канала на контроллер. Обмен по интерфейсу - пакетный, скорость обмена до 12 Мбит/с.

LРТ порт - первоначально был предназначен для подключения к нему принтера, но в дальнейшем появился ряд устройств способных работать через LPT порт (сканеры, принтеры, и так далее.). LPT порт конструктивно представляет из себя параллельный восьми разрядный порт плюс 4 разряда состояния.

СОМ порт - последовательный порт. Скорость обмена до 115кбит/с. Возможно подключения лишь одного устройства к порту. В основном используется для подключения манипулятора мышь или модема. Стандартно материнскую плату встроено два последовательных порта.

PS/2 порты. Практически полный аналог СОМ порта. Служит для подключения клавиатуры или манипулятора мышь.

Разъем процессора.

Слот (Slot) представляет собой щелевой разъем, в который устанавливается какая-либо печатная плата. Слот расширения (Expansion Slot) в ПК представляет собой разъем системной шины в совокупности с прорезью в задней стенке корпуса компьютера - то есть посадочное место для остановки карты расширения.

Разъемы для подключения дисковых устройств.

FDD (Floppy Disk Drivers - Накопитель на Гибких Магнитных Дисках). Конструктивно представляет из себя 12x2 контактный игольчатый разъем с возможностью подключения двух дисководов. Устройство подключенное к перевитому шлейфу будет диском А:, к прямому В:. Реализовано одновременное обращение только к одному устройству.

HDD (Hard Disk Drivers - Накопитель на Жестких Магнитных Дисках). Конструктивно может быть выполнен в нескольких вариантах: IDE, SCSI.

IDE - более дешевый и в настоящее время самый распространенный интерфейс. Конструктивно представляет из себя 2x20 контактный игольчатый разъем. Стандартно контролер IDE имеет один такой разъем, к которому можно подключить до 2х дисковых устройств. Стандартно на материнской плате собраны 2f IDE контролера Primary и Secondary. Существуют также несколько протоколов обмена данными: UDMA/33 - 33 МБ/сек и UDMA/66 - 66 МБ/сек. Протокол UDMA/66 обладает вдвое большей скоростью передачи данных за счет того, что данные передается по обоим фронтам тактирующего сигнала в отличии от UDMA/33, в следствии чего необходим шлейф в котором бы отсутствовали помехи от 2х параллельно идущих проводников. Для решения этой проблемы применяется 80 жильный шлейф каждый второй проводник которого соединен с общим проводом для уменьшения помех.

SCSI - Более дорогой и в настоящее время менее распространенный Интерфейс. Один контролер может обслуживать от 1 до 32 устройств в зависимости от конструкции. Конструктивно различаются два типа SCSI: Контролер SCSI внешне представляет из себя плату расширения либо он встроен в материнскую плату и тогда мы можем видеть лишь 25x2 игольчатый разъем. Скорость обмена до 20МБ/с.

Соединительные шлейфы - предназначены для подключения к материнской плате таких устройств, как дисководы жёстких и гибких дисков, устройство для чтения компакт - дисков и т.п.

Таймер - это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключение машины от сети его продолжает работать.

Процессоры.

Микропроцессор - это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

Устройство управления - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; норную последовательность импульсов устройство управления получает от (генератора тактовых импульсов;

Арифметико-логическое устройство - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информкцей (в некоторых моделях персональных компьютеров для ускорения выполнения операций к арифметико-логическому устройству подключается дополнительный математический сопроцессор)',

Микропроцессорная память - служит для кратковременного характера, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в Нижайшие такты работы машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессор. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

Интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface)- совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O - Input/Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Память персонального компьютера.

Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени . Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке) . В качестве недостатка ОЗУ следует отменить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины ( энергозависимость).

Внешняя память. Относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких и гибких магнитных дисках.

Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК. Характеризуется максимальной отдаваемой мощностью в среднем 250-300 Вт.

Жесткий диск

Жесткий диск (винчестер) - это устройство предназначенное для хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой мощностью по запросу в оперативное запоминающее устройство.

Строение жесткого диска:

Жесткий диск состоит из нескольких дисков, насажанных на одну ось. На каждую сторону каждого диска приходится одна головка считывания/записи данных. Диски, в свою очередь, разделены на цилиндры, а на их дисках, поверхностях расположены дорожки, состоящие из секторов. Общее количество секторов можно высчитать по формуле: С*Н*S, где С - количество цилиндров, Н - количество головок, S - количество секторов на дорожке. Если, допустим, Ваш винт имеет 600 цилиндров, 8 головок и 100 секторов (цифры взяты с потолка), то в случае со старыми, до IDE/ATA, жесткими дисками дорожке. Важно лишь то, чтобы общее количество секторов не менялось.

Рис. 1. Конструкция жесткого диска.

Накопитель CD-ROM, CD-RW, DVD-ROW или DVD-RW

Накопители на компакт дисках - это устройства которые предназначены Шил чтения компакт дисков (CD-ROM, DVD-ROW), либо для записи и считывания компакт дисков (CD-RW, DVD-RW). Эти устройства могу быть использованы, как для резервного хранения данных, так и для считывания музыкальных и видео файлов.

Принцип работы персонального компьютера.

Все функциональные узлы персонального компьютера связаны между собой через системную магистраль, представляющую из себя более трёх десятков упорядоченных микропроводников, сформированных на печатной плате.

Микропроцессор служит для обработки информации: он выбирает команды из внутренней памяти (ОЗУ или ПЗУ), расшифровывает и затем исполняет их, производя арифметические и логические операции. Получает данные из устройства ввода и посылает результаты на устройства вывода. Он вырабатывает также сигналы управления и синхронизации для согласованной работы его внутренних узлов, контролирует работу системной магистрали и всех периферийных устройств.

Обработка информации осуществляется по программе, которая представляет собой последовательность команд, направляющих работу компьютера. Команда состоит из кода операции и адреса. Код операции сообщает микропроцессору, что нужно сделать, какую выполнить операцию: сложить, сравнить, переслать, очистить и т.д. Адрес указывает место, где находятся данные, подлежащие обработке. Команды бывают безадресные, одноадресные и двухадресные.

Выполнение любой команды состоит из двух фаз: фазы выборки и фазы исполнения. Фаза выборки начинается по сигналу начала цикла команды. При этом содержимое счетчика команд указывает на ее адрес в ОЗУ (например, 1000). Как только сигнал по шине адресов поступит в ОЗУ, содержимое счётчика команд изменится на 2 и укажет адрес следующей команды. Из ОЗУ по шине данных команда поступает в регистр команд микропроцессора. В данном случае это команда АDD(R0), R1. Фаза исполнения начинается с расшифровки полученной команды. В нашем примере код операции ADD предписывает АЛУ сложить содержимое, находящееся по адресу источника, хранимому в регистре R0, с содержимым, размещенным по адресу приёмника R1, и результат поместить в регистр приёмника R1. На этом кончается фаза исполнения данной команды и микропроцессор готов к выполнению следующей команды, указанной в счётчике команд (СК+2) и т.д. Следует обратить внимание на особенность записи адреса источника R0. Этот адрес в команде взят в круглые скобки. В этом случае в регистре R0 хранятся не сами данные, а номер адреса, в котором находятся искомые данные.

1.2 Организация мультимедийных устройств ЭВМ

Средства мультимедиа (multimedia - многосредовость) - это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию.

Мультимедиа представляет большие возможности для создания виртуальной реальности, интерактивного режима, когда пользователь становится не пассивным наблюдателем событий, а их активным участником. Это касается не только компьютерных игр, но и другого специального программного обеспечения. Кроме того, на РС, оборудованных средствами мультимедиа, можно создавать и обрабатывать динамические изображения в реальном масштабе времени. Мультимедийный продукт должен обеспечивать:

Акустические эффекты качества Нi-Рi;

Визуальные динамические и ЗD - эффекты;

Взаимодействие с пользователем таким образом, чтобы акустические и визуальные эффекты комбинировались друг с другом .

Аудио.

С появлением в 1989 г. звуковой карты перед пользователями открылись новые возможности РС. Появилась новая (звуковая) подсистема РС - комплекс программно-аппаратных средств, предназначенных для:

Записи звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например, микрофона или магнитофона. В процессе записи входной аналоговые звуковые сигналы преобразуются в цифровые и далее могут быть сохранены на винчестере;

Воспроизведение записанных ранее звуковых данных с помощью внешней системы или головных телефонов (наушников) (звуковой сигнал считывается с винчестера, преобразуется из цифрового в аналоговый и направляется к акустической системы);

Микширование (смешивание) при записи или воспроизведении сигналов от нескольких источников;

Одновременной записи и воспроизведение звуковых сигналов;

Обработка звуковых сигналов: редактирование, объединение или разделение фрагментов сигналов, фильтрация его уровня и т.п.

Управление панорамой стереофонического звукового сигнала;

Обработка звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного (трехмерного - ЗD Sound) звучания, что позволяет получить объемное звуковое поле даже при использовании обычной стереофонической акустической системы.

Генерация с помощью синтезатора звучание музыкальных инструментов (мелодичных и ударных), а также человеческой речи и любых других звуков;

Управление работой внешних электронных музыкальных инструментов (ЭМИ) через специальный интерфейс MIDI;

Воспроизведение звуковых компакт-дисков.

Звуковая карта. Назначение, состав и принцип работы.

Изначально, звуковые карты разрабатывались лишь для озвучивания компьютерных игр, хотя этим они занимаются и по сей день. Однако, теперь, работы у звуковых плат прибавилось гораздо больше: это озвучивание презентаций, звуковые письма, звук и музыка в студии и дом.

Сейчас есть множество типов звуковых карт: универсальные, карты- синтезаторы, оцифровщики звука, многоканальные аудио-интерфейсы, МГО1- интерфейсы, семплеры и др. Мы займемся именно универсальными мультимедийными платами, так как они наиболее распространены.

Рис.2. Схема мультимедийной звуковой карты

Звуковая карта "начинается" с входов (Рис. 1.2), которые расположены на металлической панели, выходящей на заднюю стенку системного блока. Ко входам подключаются внешние аудиоустройства - микрофоны, магнитофоны, электрогитары и т.д. На рисунке показаны 4 входа. Линейный вход Line In и микрофоны Mic In обычно заполнены на разъемах типа "мини-Джек" (такие разъемы используются для подключения наушников в портативных плеерах). Отдельный вход Mic In предусмотрен из-за того, что у микрофонов сигнал имеет низкий уровень и его нужно усиливать до нормального уровня (0 дБ), перед тем, как направлять на преобразователь. Поэтому на микрофонных входах звуковой карты всегда установлен предусилитель - небольшая схема, повышающая уровень сигнала, но нормального (линейного) уровня.

На некоторых типах звуковых плат установлен дополнительный вход Аux In. Если мы посмотрим на (Рис. 2.), то увидим, что сигнал с этого входа минует основные устройства звуковой платы и поступает на выходной микшер, а оттуда - сразу на выход. Этот вход позволяет упростить коммутацию внешних устройств и использовать внутренний микшер звуковой платы для смешивания сигналов с внешнего и внутренних источников. Например, если у нас есть автономный синтезатор, то можно его выход подключить в Аux In и все, что мы играем будет слышно в колонках, подключенных к звуковой карте. Аux In тоже обычно делается на разъеме типа "мини джек".

Вход проигрывателя компакт-дисков, как правило, расположен не на задней панели звуковой платы, а прямо на ней, среди микросхем и других радиодеталей. Если у нас есть привод СD-RОМ, то можно связать его выход с этим входом звуковой карты. Такое соединение позволит слушать аудио компакт-диски и оцифровывать звук прямо с привода. Чтобы обнаружить на звуковой карте вход СD-RОМ надо всего лишь прочитать руководство пользователя.

Кроме всех перечисленных входов, на задней панели звуковой карты: Зычно есть 15-пиновый разъем МIDI/джойстик порта, который служит для подключения любых внешних МIDI-устройств (синтезаторов, М1Б1-клавиатур и так далее) или джойстика, если карта используется для игр.

На специализированных звуковых картах МIDI-порт может иметь не стандартный 15-пиновый разъем, а любой другой. Но в этих случаях всегда прилагается особый переходник. А для подключения внешних МIDI-устройств с стандартному порту практически во всех магазинах, торгующих мультимедийной техникой продается стандартный переходник.

Все сигналы с внешних аудиоустройств поступают на входной микшер звуковой платы. Он работает точно так же, как и обычные пульты, той только разницей, что все управление происходит программно. В комплект cлужебных программ любой звуковой карты входит программа микшера. Она есть и в стандартных комплектах поставки Windows XP, 7.

Входной микшер нужен для того, чтобы установить оптимальный уровень записи. Следует помнить, что цифровая техника очень чувствительна к превышению уровня 0 дБ - при этом возникают неприятные искажения. А слишком же низкий уровень записи не позволит передать весь динамический диапазон записываемого музыкального инструмента. То есть любая работа по записи "живого" звука в домашней студии будет начинаться именно с регулировки уровня сигнала при помощи входного микшера звуковой карты.

Блок цифровой записи/воспроизведения, называемый также цифровым каналом, или трактом, карты, осуществляет преобразования аналог->цифра и цифра->аналог в режиме программной передачи . Состоит из узла, непосредственно выполняющего аналогово-цифровые преобразования, и узла управления. Анлого-цивровой преобразователь/Цифро-аналоговый преобразователь либо интегрируется в состав одной из микросхем карты, либо применяется отдельная микросхема. От качества применяемого АЦП/ЦАП во многом зависит качество оцифровки и воспроизведения звука; не меньше зависит она и от входных и выходных усилителей. Аналого-цифровой преобразователь через определенные промежутки времени замеряет амплитуду поступающего от микрофона или магнитофона непрерывного аналогового сигнала и кодирует соотношения колебаний последовательностью битов. Таким образом, получаются близкие к оригиналу записи, которые можно произвольно обрабатывать.

После аналого-цифрового преобразования (через АЦП), данные поступают в сигнальный процессор (Digital Signal Processor) - сердце звуковой платы. Этот процессор управляет обменом данными со всеми остальными устройствами компьютера через шину ISА или РСI. Так как преимущество шины РСI заключается в более высокой пропускной способности и прямым доступом к оперативной памяти, что позволяет хранить образцы инструментов (samples) там, а не в RОМ, на самой плате подгружая их при необходимости (формат DLS - downloadable sample). Тем самым, теоретически снимается ограничение по объему инструментов. Так же значительно снижается загрузка процессора. Все это должно сказаться на качестве звука очень даже положительно.

Если центральный процессор выполняет программу записи звука, то цифровые данные поступают либо прямо на жесткий диск, либо в оперативную память компьютера (это зависит от выполняемой программы). Если в дальнейшем присвоить этим данным любое имя - получится звуковой файл. Следует также отметить, что существуют и специализированные.

АSР (Advanced Signal Processor - продвинутый (усиленный) сигнальный процессор) и СSР (Creative Signal Processor - сигнальный процессор Creative) - названия одного и того же специализированного процессора фирмы Creative Labs (микросхема СТ1748), используемого в некоторых картах типа Sound Blaster. Его наличие позволяет использовать дополнительные методы сжатия звука, увеличить скорость сжатия, повысить скорость и надежность опознавания речи. В ранних моделях SВ на АSР при помощи программной загрузки параметров был реализован QSound - алгоритм обработки звука для придания ему большей пространственности; в новых моделях SВ РпР это делает процессор ЗDSound.

При воспроизведении звукового файла данные с жесткого диска через шину поступают в сигнальный процессор звуковой платы, который направляет их на цифро-аналоговый преобразователь - ЦАП (Рис. 1.2). Он переводит последовательности битов в аналоговый сигнал с переменной амплитудой и частотой который, в свою очередь, поступает на выходной микшер. Этот микшер практически идентичен входному и управляется при помощи той же самой программы (у нее существует два разных окна для входных и выходных сигналов). Качество записи и воспроизведения зависит от частоты дискретизации входного аналогового сигнала. Для достижения качества записи на компакт - диске эта частота должна равняться 44,1 кГц.

Чтобы работать с современными музыкальными программами звуковая карта должна поддерживать запись в режиме full duplex [фулл дуплекс]. При записи в этом режиме сигнальный процессор одновременно может работать с двумя потоками цифровых аудиоданных: идущих с АЦП через шину к другим устройствам компьютера, и поступающих с жесткого диска на ЦАП. То есть режим full duplex - это запись одновременно с воспроизведением. Благодаря этому режиму можно использовать звуковую карту как многоканальный магнитофон.

На любой универсальной мультимедийной звуковой карте есть синтезатор. Последнее время практически на всех картах устанавливается не один, а два синтезатора: FМ (Frequency Modulation - частотная модуляция) - для сохранения совместимости с Sound Blaster и Ad Lib (Wave Table - таблица волн) - для получения качественного звука. Именно эти синтезаторы показаны на рисунке.

Исторически так сложилось, что FМ-синтезаторы звуковых плат звучат не очень хорошо. В них используется принцип синтеза нескольких генераторов сигнала (обычно синусоидального) с взаимной модуляцией. Каждый генератор снабжается схемой управления частотой и амплитудой сигнала и образует "оператор" - базовую единицу синтеза. Как правило, на современные мультимедийные карты устанавливаются наборы микросхем (чипсеты) FМ- синтезаторов производства Yamaha под названием ОPL-2 (УМ3812), ОРL-3 (УМ262) или совместимые с ними. (Чаще всего применяется 2-операторный (ОРL2) синтез и иногда - 4-операторный (ОРL3)). Схема соединения операторов (алгоритм) и параметры каждого оператора (частота, амплитуда и закон их изменения во времени) определяет тембр звучания; количество операторов и степень тонкости управления ими определяет предельное количество синтезируемых тембров. В музыкальных приложениях такие синтезаторы не применяются - они нужны исключительно для звукового сопровождения игр. Так как их основными недостатками являются - очень малое количество "благозвучных" тембров во всем возможном диапазоне звучаний, отсутствие какого-либо алгоритма для их поиска, крайне грубая имитация звучания реальных инструментов, сложность реализации тонкого правления операторами, из-за чего в звуковых картах используется сильно упрощенная схема со значительно меньшим диапазоном возможных звучаний.

Мультимедийные Wave Table синтезаторы (GF1, WaveFron, EMU8000 и т.н.), позволяют получить уже более приличный звук. Принцип их работы основан на воспроизведение заранее записанных в цифровом виде звучаний - самплов (samples). Инструменты с малой длительностью звучания обычно записываются полностью, а для остальных может записываться лишь начало/конец звука и небольшая "средняя" часть, которая затем проигрывается в цикле в течение нужного времени. Для изменения высоты звука оцифровка проигрывается с разной скоростью, а чтобы при этом сильно не изменялся характер звучания - инструменты составляются из нескольких фрагментов для разных диапазонов нот. В сложных синтезаторах используется параллельное проигрывание нескольких самплов на одну ноту и дополнительная обработка звука (модуляция, фильтрование, различные "оживляющие" эффекты и т.п.). Большинство плат содержит встроенный набор инструментов в постоянно запоминающее устройство, некоторые платы позволяют дополнительно загружать собственные инструменты в ОЗУ, а платы семейства GUS (кроме GUS РпР) содержат только ОЗУ и набор стандартных инструментов на диске.

На Рис. 2 можно видеть, что у Wave Table синтезатора есть не только постоянная память (RОМ), но и оперативная (RАМ). Оперативной памятью обладают семплеры, и используется она для загрузки любых звуковых файлов, которые проигрываются с разной высотой при нажатии клавиш на подключенной клавиатуре или поступлении команд от секвенсера. То есть Wave Table синтезатор, имеющий оперативную память помимо постоянной - это ни что иное, как комбинация синтезатора и семплера, которая может выполнять функции обоих устройств. Это означает, что можно использовать :-:ак образцы звучания, хранящиеся в постоянной памяти, так и загружать в оперативную память дополнительные библиотеки или создавать свои собственные звуки. Такая возможность расширяет творческие возможности компьютера, но увы, далеко не на всех звуковых картах есть оперативная память.

Достоинства Wave Table синтезаторов - предельная реалистичность звучания классических инструментов и простота получения звука. Недостатки - наличие жесткого набора заранее подготовленных тембров, многие параметры которых нельзя изменять в реальном времени, большие объемы памяти для самплов (иногда - до мегабайт на инструмент), различия в звучаниях разных синтезаторов из-за разных наборов стандартных инструментов. Надо заметить, что в большинстве музыкальных плат, для которых заявлен метод синтеза Wave Table в том числе - наиболее популярных семейств GUS и AWE32, на самом деле реализован более старый и простой "самплерный" метод, поскольку звук в них формируется из непрерывных во времени самплов, отчего атака и затухание звука звучат всегда с одинаковой длительностью, и только средняя часть может быть произвольной длительности. В "настоящем" WT звук формируется как из параллельных, так и из последовательных участков, что дает значительно большее разнообразие, а главное - выразительность звуков.

1.3 Видеокарта. Назначение, состав, и принцип работы по функциональной схеме

Мультимедиа не ограничивается только аудио. В области видео развитие техники идет значительно быстрее по сравнению с развитием средств цифровой обработки звука. Сделать обзор существующих методов и средств цифровой обработки видеоизображений гораздо труднее поскольку нет не только стандартов но и каких-либо окончательно сформированных норм.

Упорядочить состояние дел в этой сфере трудно еще и потому, что видеосигналы, используемые в качестве источника для дискретизации, имеют различные системы кодирования цвета и различные параметры сигналов синхронизации. Общим является лишь то, что в качестве источника видео - сигнала всегда выступает аналоговое устройство - телевизионный тюнер, видеомагнитофон, видеокамера и т. п.

Цифровое видео - новой вид искусства. Но чтобы им заниматься на компьютере, необходимы специальные аппаратные средства. Видеозапись до сих пор остается аналоговой, поэтому перед тем, как вы сможете сделать хоть что-нибудь с видеофрагментом, вы должны его оцифровать.

Для этого нужны карты ввода/вывода, принимающие входящий аналоговый видеосигнал и оцифровывающие его в реальном времени, затем эти данные ее зло сохранить на жестком диске. Для этого необходимы накопители, обеспечивающие скорость чтения 3-9 Мбит/с, как правило, с интерфейсом SCSI.

Как только видео оцифровано и сохранено, можно приступать к редактированию и наложению эффектов, но огромный объем данных означает, что процесс создания окончательной версии видеофрагмента высокого качества будет очень медленным.

Работа с цифровым видео сродни работе с цифровыми изображениями или звуком оригиналы могут быть многократно использованы, клипы в электронном виде могут храниться длительное время в отличие от аналогового видео на магнитной ленте или кинопленке. А главное, целый ряд дополнительных возможностей становится доступным, как только данные попадают в компьютер.

В настоящее время применяются два способа формирования изображения на экране монитора: построчная и чересстрочная развертки. В телевизионной технике используется чересстрочный способ, когда за первый цикл сканирования электронным лучом экрана формируется изображение нечетных строк, а за второй - четных. В результате чего полный кадр изображения формируется из двух полукадров (полей), т. е. 625 строк развертываются за 1/25 (при частоте полей 50 Гц для систем РАL и SЕСАМ). Применение такого способа формирования телевизионного изображения обусловлено необходимостью сужения спектра телевизионного сигнала. Однако чересстрочность развертки приводит к заметному мерцанию изображения, даже, несмотря на инерционные свойства человеческого глаза и относительно высокую частоту полей (50/60 Гц).

Разрешение графических карт стандарта VGА: 640x480, 800x600, 1024x600 и 1024x768 точек.

Перевод видеоданных в цифровую форму

Перевод видеоданных в цифровую форму можно выполнить с помощью специальных устройств ввода видеосигналов и программ Меdia Player и Video for Windows.

Прежде всего, необходимы программные продукты. Видеоданные, обработанные с помощью выше, упомянутых программных средств, могут быть изображены только в окне определенного размера - 160x120 точек изображения. На стандартном мониторе с кинескопом размером 14" такое окно занимает всего лишь 1/16 его полной величины. Хотя имеется возможность увеличивать размер изображения, но при этом автоматически включается драйвер Windows Desktop и выбирается более низкое разрешение. Этого может быть вполне достаточно для того, чтобы составить общее представление о мультимедиа. Для серьезной же работы все эти средства не пригодны.

В принципе, видеоклип всегда может быть воспроизведен с качеством, с которым он был записан. Цифровая обработка делает возможной технику увеличения размера окна (без потери качества), для чего необходимы только соответствующие графические возможности системы.

Для создания окон более крупных форматов, например, размером 320x240 или 480x360 пикселей, необходимо несколько большее количество информации. Карты типа Оverlay, такие как Video Blaster Pro, miro Movie Pro, Screen Machine и т. п., обрабатывают входные видеосигналы от аналоговых источников так, что эти сигналы могут преобразовываться в изображение на экране монитора с помощью обычной графической карты РС.

Таким образом, большинство карт типа Оverlay работает совместно с обычной картой стандарта VGА, не подменяя ее. Обе карты связываются через разъем Feature Connector VGA-карты или/и через внешние разъемы обеих карт.

Иногда электронные схемы, обеспечивающие функцию Оverlay, интегрируются непосредственно на карту VGА.

Устройства захвата видеосигнала

С момента появления первого видеобластера сингапурской фирмы Creative Labs, ознаменовавшего начало эры массового распространения устройств ввода телевизионных сигналов в РС. Подобные устройства должны обеспечивать:

Прием низкочастотного видеосигнала (от видеокамеры, магнитофона или телевизионного тюнера) на один из выбираемых программно видеовходов (не менее трех).

Отображение принимаемого видео в реальном времени в масштабируемом окне среды Windows (VGA-монитор можно использовать вместо телевизора).

Замораживание кадра оцифрованного видео.

Сохранение захваченного кадра на винчестере или другом доступном устройстве хранения информации в виде файла в одном из принятых графических стандартов (ТIР, ТGA, РСХ, GIF и другие.).

Эти видеоплаты называются захватчиками изображений, устройствами ввода видео, ТВ-грабберами, имидж - кепчерами, просто видеобластерами. Обобщенная структурная схема этих устройств состоит из четырех базовых элементов, реализованным соответствующими наборами микросхем (Рис . 3)



Рис. 3. Обобщенная структурная схема видеобластера

Первым из них является видеодекодер, обеспечивающий прием сигнала с одного из входов, его оцифровку, цифровое декодирование согласно ревизионному стандарту и передачу полученных YUV-данных видеоконтроллеру.

Видеоконтроллер выполняет ключевую роль в организации потоков шифрованных данных между элементами видеоплаты. Он осуществляет необходимые цифровые преобразования данных (например, YUV в RGВ, масштабирование), организует их хранение в буфере собственной памяти - третьем элементе видеоплаты, пересылку данных по шине компьютера при сохранении на винчестере, а также их передачу цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП) с YUV-выходом. Последний совместно с видеоконтроллером участвует в формировании "живого" ТВ - окна на экране монитора УОА. Он выполняет обратное аналоговое преобразование цифрового захваченного изображения и в соответствии с ключевым сигналом, вырабатываемым видеоконтроллером, осуществляет передачу YUV-сигнала от YUV-адаптера, либо RGB-сигнала из буфера памяти на монитор/

Рассмотрим работу этих элементов более подробно. Наиболее важными характеристиками видеобластера являются:

Формат принимаемых низкочастотных видеосигналов;

Поддерживаемые телевизионные стандарты;

Частота и глубина оцифровки;

Возможность регулировки оцифрованного сигнала.

Входы видеобластеров

Ранние модели видеобластеров были основаны на декодере Рhilips SAA9051 и имели три композитных входа, в то время как в современных видеоплатах нормой считается наличие одного S-Video и двух композитных входов, и задерживаемых, например, декодером Рhilips SАА7110. Для S-Video он обеспечивает параллельную оцифровку Y- и С-сигналов. Если SАА9051 "нанимает" сигналы только стандартов РАL/NTSC, то SАА7110 позволяет декодировать и SЕСАМ. Более того, он имеет встроенную схему автоматического распознавания системы кодирования сигналов цветности.

Полезной особенностью декодера является возможность регулировки принимаемого видеосигнала по яркости, насыщенности, контрастности. Это позволяет учитывать конкретные условия съемки и в определенных рамках компенсировать недостатки изображения до его сохранения. При этом визуальный контроль процесса настройки можно осуществлять по формируемому видеоизображению в окне VGА-монитора.

Организация хранения элементов изображения

Хранение элементов изображения организовано в виде матрицы, например, 512x512, 1024x512 или 1024x1024, В зависимости от конкретного способа кодировки размер буфера памяти может меняться от 256 Кб до 2 Мб, и в то же время при одном и том же размере буфера эффективность использования памяти может быть различной. Таким образом, даже если декодер и обеспечивает оцифровку входного видеосигнала без ухудшения качества, но объем памяти недостаточен, результирующее изображение окажется некачественным (размытые детали, цветовые пятна и т. д.). Обратное также верно. Например, если память организована как 1024x512 и достаточна для размещения в ней 768 элементов строки, но частота оцифровки 13,5 МГц, то результирующий размер изображения не может быть более 702x512. Впрочем, качество видеосигнала многих бытовых видеокамер столь невысоко, что возлагать вину за плохое качество захваченного изображения только на видеобластер было бы несправедливым.

Мультимедиа-ускорители

Под мультимедиа-ускорителями понимают совокупность программно- аппаратных средств, которые объединяют базовые возможности графических укорителей с одной или несколькими функциями мультимедиа, требующими обычно установки в компьютер дополнительных устройств. Например, к мультимедиа функциям относятся:

Цифровая фильтрация и масштабирование видеоизображений (далее - видео).

Аппаратная цифровая компрессия и декомпрессия видео.

Ускорение графических операций, связанных с ЗБ графикой.

Поддержка видео в реальном масштабе времени на экране монитора.

Формирование полного цветового видеосигнала для передачи его во внешние устройства (видеомагнитофон, телевизор).

Вывод телевизионного сигнала на монитор.

В настоящее время большинство хороших графических карт-ускорителей в состоянии выполнять ряд мультимедийных функций. В частности, сигнал изображения из пространства RGВ может преобразовываться в пространство YUV, над ним могут выполняться такие операции, как сжатие, билинейное масштабирование, линейная интерполяция, фильтрация и растрирование. Многие современные видеопроцессоры ускоряют процессы декомпрессии стандартных кодеков, включая, например, Indeo, Cinepak и MPEG-1.

Мультимедиа-ускорители, как правило, представляют собой 32- и 64- разрядные графические контроллеры с чередованием блоков памяти. Кроме того, эти карты оснащаются объемом видеопамяти 2 Мб и более и характеризуются поддержкой повышенных частот обновления изображения (100 Гц и более), новых стандартов DPMS, DDС и DCI, поддержкой воспроизведения цифрового видео и ускорением трехмерных (ЗD) графических операций.

Функции ЗБ-акселераторов

Для создания наиболее реалистичного изображения используются различные методы.

Закраска Гуро выглядит реалистичнее простой плоской закраски, получаемой при интерполяции значений цветов вдоль поверхностей многоугольников. Отображение текстуры подразумевает наложение шаблонов, представляемых битовыми картами на поверхности объектов с учетом эффектов перспективы.

Функция сглаживания интерполирует цвета смежных пикселей для устранения ступенчатости на границах объектов. Другие специальные приемы, такие как дымка, альфа-смешение цветов и пространственное упорядочение, помогают улучшить правдоподобность изображения.

Функция Z-буферизации использует информацию о пространственном положении каждого пикселя, чтобы определить, нужно ли выводить данный пиксель или он закрыт более близким объектом. Двойная буферизация обеспечивает более плавную анимацию путем нормирования следующего кадра во внутреннем буфере одновременно с выводом на экран текущего кадра. Двойная и 2-буферизация иногда дополняются механизмами быстрого вывода на экран и пространственного удаления. Шаблоны, маски и информация об отсечении частей объекта или целых объектов, невидимых в зависимости от ракурса, используются для определения атрибутов каждого пикселя и сужения пространства графического вывода, а также дополняют основные приемы визуализации.

1.4. Изготовление промежуточного усилителя для звуковой карты компьютера

1.4.1 Выбор элементной базы. Описание элементов

Для реализации промежуточного усилителя необходимы высокочастотные транзисторы с большим коэффициентом усиления.

Поэтому были взяты два вида биполярных высокочастотных транзистора, КТ 3102Б (п-р-п) и КТ3107Ж (р-п-р).

Принцип действия биполярного транзистора:

Биполярный транзистор - трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя, расположенными на близком расстоянии параллельными р-п - переходами. Конструкции биполярного транзистора схематически показаны на рис. 1.3.1.1., там же приведены соответствующие обозначения. Как видно из рис. 1.3.1.1. транзистор состоит из трех основных областей: эмиттерной, базовой и коллекторной. К каждой из областей имеется омический контакт. Для того, чтобы транзистор обладал усилительными свойствами толщина базовой области должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда, т.е. большая часть носителей инжектированных эмиттером должна не должна рекомбинировать по дороге к коллектору.

Рис. 4. Структура и обозначения р-п-р и п-р-п биполярных транзисторов.

На границах между р- и п- областям возникает область пространственного заряда, причем электрические поля в эмиттерном и коллекторном переходе направлены так, что для рпр транзистора базовая область создает энергетический барьер для дырок, стремящихся перейти из эмиттера в коллектор, для п-р-п транзистора базовая область создает аналогичный барьер для электронов эмиттерной области. При отсутствии внешнего смещения на переходах потоки носителей заряда через переходы :компенсированы, и токи через электроды транзистора отсутствуют.

Для того, чтобы транзистор работал в режиме усиления входного сигнала, эмиттерный переход смещают в прямом направлении, коллекторный в обратном. Приложенное к эмиттерному переходу смещение уменьшает потенциальный барьер из эмиттера в базу, инжектируются дырки (в р-п-р транзисторе) или электроны (в п-р-п транзисторе), инжектированные носители проходят и достигают коллектора. Между базой и коллектором барьера нет, поэтому все дошедшие до коллектора носители заряда переходят через коллекторный переход и создают коллекторный ток. Поскольку коллекторный переход расположен близко от эмиттерного основная часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллектора, таким образом инжекционный ток эмиттера примерно равен току коллектора. В то же время мощность, затраченная во входной эмиттерной цепи на создание тока меньше мощности, которая выделяется в выходной коллекторной цепи, то есть, имеет место усиление мощности. Таким образом входной сигнал изменяя высоту потенциального барьера модулирует поток не основных носителей создающий коллекторный ток и соответственно усиленный за счет энергии коллекторной старей выходной сигнал.