Характерной чертой современного этапа развития науки, техники, экономики является широкое внедрение различных классов вычислительных машин

Вид материала

Документы

Подобный материал:

• Конкурентоспособный человеческий капитал как ключевой фактор инновационного развития, 140.08kb.
• Нп «сибирская ассоциация консультантов», 98.85kb.
• Особенностью современного этапа развития науки является возникновение приоритетных, 40.24kb.
• Юридический архив, 608.56kb.
• Реферат по концепции современного естествознания на тему: «Кибернетика наука ХХ века», 268.34kb.
• Переход мирового сообщества к инновационному типу экономики является одной из ведущих, 211.38kb.
• Характерной чертой роста благосостояния советского народа является возросший спрос, 1438.04kb.
• О журнале «Национальные интересы: приоритеты и безопасность», 15.62kb.
• I. Педагогические технологии с. 5-11, 387.64kb.
• Комкова Основы Государства и права учебное пособие, 5274.68kb.

Основные особенности ферромагнитных материалов.

(На основе кристаллов переходных материалов Fe, Co, Ni).


Регистрация информации на магнитном носителе сводится к намагничиванию небольших по площади участков магнитного слоя носителя под воздействием внешнего магнитного поля.

Вихрем (т.е. источником, характеризующимся не только величиной, но и направлением) напряжённости магнитного поля может быть ток, протекающий по некоторому проводнику, или постоянный магнит. Для бесконечного проводника с током I [A] напряжённость магнитного поля в анизотропной среде определяется как


где r – расстояние от проводника [м].

Под действием внешнего поля элементарные магнитные моменты (вектора намагниченности доменов) ориентируются по вектору H. В результате образуется “внутреннее” поле ферромагнетика J, которое может значительно превышать поле Н. Физически поля J и Н отличаются лишь своими вихрями (источниками). Напряжённость J, равная сумме элементарных магнитных моментов единицы объема (при равномерной его намагниченности), характеризует степень намагниченности ферромагнетика.

Суммарное магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции


где µ₀ – магнитная постоянная для вакуума (µ₀ = 4π*10^-7 Гн/м).

Ферромагнетики характеризуются способностью создавать значительные поля J под воздействием относительно слабого внешнего поля Н, т.е. характеризуются большим J=χ∙H, где χ – коэффициент магнитной восприимчивости. Кривая намагничивания ферромагнитного материала имеет вид:

Представленная зависимость отражает связь между J и Н для относительно медленно меняющегося внешнего поля Н в материале тороидальной формы. В области I увеличение намагниченности происходит в основном за счёт роста объема доменов, вектор намагниченности которых совпадает с направлением поля H. В области II намагниченность увеличивается благодаря повороту векторов намагниченности доменов, “невыгодно” расположенных относительно поля Н. Область III – область технического насыщения.

Нелинейная связь J и Н является характерной чертой ферромагнетиков, что предопределяет нелинейность зависимости В= f(Н), которая для ферромагнетиков имеет вид петли гистерезиса. Для представленной предельной петли гистерезиса отмечают характерные точки:

+Вz и –Вz – остаточная индукция;

+Нс и –Нс – коэрцитивная сила;

+Вs и –Вs – индукция насыщения.





Индукция насыщения, в отличие от намагниченности насыщения J_s, не остаётся постоянной при увеличении величины Н. Поэтому, отмечая величину В_s, следует оговориться, какому полю Н она соответствует. Обычно принимают В=В_s при Н=(4÷5)Нс.

Аналитическая зависимость B = (Н) приводится обычно лишь в самом общем виде. Переходя от векторной записи к скалярной (для одинаково ориентированных векторов _), имеем


Так как J = χН, можно записать


где µ_отн =1+χ – относительная магнитная проницаемость – безразмерный коэффициент, мало отличающийся по физическому смыслу от коэффициента χ. Произведение _обозначают через µ_абс – абсолютную магнитную проницаемость. Таким образом, в общем виде



Магнитная индукция интерпретируется замкнутыми кривыми – магнитными силовыми линиями, тогда как линии, интерпретирующие поле Н, могут начинаться или кончаться на границе двух сред (двух неоднородностей), где образуются полюсы. Наличие полюсов, например, на торцах тора, в котором прорезана щель, приводит к появлению размагничивающего поля H_p. В этом случае индукция B уменьшается. При известном коэффициенте размагничивания N_p (теоретически этот коэффициент получить сложно, так как он зависит от геометрической формы материала и его положения относительно поля Н; коэффициент N_p берётся из справочных таблиц).



В практических расчётах удобнее использовать коэффициент размагничивания по магнитной индукции _. При известном коэффициенте N_p или N_B можно перестроить гистерезисную кривую B = f(Н) с учётом этого коэффициента.


Запись цифровой информации на магнитный носитель.


Предполагает создание в магнитном слое носителя участков, остаточное магнитное состояние которых отлично (по величине намагниченности или направлению) от первоначального состояния. Источником магнитного поля записи может быть проводник с током. Однако в этом случае магнитное поле оказывается сильно рассеянным в пространстве, что делает невозможным получение намагниченных участков малого размера, т.е. высокой плотности записи. К тому же требуемые поля записи для современных магнитных покрытий должны иметь величину (20÷80)*10³ А/м, для чего необходимы значительные токи, получение и коммутация которых технически затруднены.

Для создания локального концентрированного магнитного поля используется магнитная головка. МГ представляет собой незамкнутый магнитопровод из магнитомягкого материала, на который помещается обмотка. Ширина рабочего зазора δ. Поле записи, воздействующее на магнитный носитель, является полем рассеивания, создаваемым у рабочего зазора. Напряжённость поля вне рабочего зазора меньше напряжённости H₀ в зазоре. Величина поля H₀ может быть определена при известных параметрах МГ. Для случая, когда магнитный носитель не шунтирует магнитный поток в рабочем зазоре, на основании закона полных токов имеем



Это выражение предполагает, что напряжённость поля в сердечнике головки Н_сг одинакова на всей длине магнитной силовой линии _; поля Н_g и Н_о в дополнительном и рабочем зазорах неизменны.

Дополнительный (технологический) зазор на практике, как правило, отсутствует (магнитопровод сведён), поэтому




Принимая индукцию В неизменной в любой точке рассматриваемой магнитной цепи, можно записать


где µ_с и µ_р – абсолютные магнитные проницаемости материалов сердечника и рабочего зазора. Так как µ_с>>µ_р, то Н_о>>Н_сг. При этом условии даже при ℓ_с > δ может оказаться, что


Поэтому имеют место зависимости:

_,
откуда

_.
Эти выражения показывают, что при принятых допущениях практически вся энергия электрического тока I, протекающего через обмотку МГ с числом витков W, трансформируется в энергию магнитного поля в зазоре, причём при его малой ширине можно получить высокую концентрацию этого поля даже при относительно невысоких значениях магнитодвижущей силы IW.

Если указанные выше допущения не могут быть приняты, поле Н_о может быть определено по более сложным выражениям.

Несмотря на относительную простоту магнитной цепи МГ и носителя, точное определение закона изменения поля рассеяния вызывает значительные трудности, поэтому приведём лишь относительно простые выражения, полученные при некоторых допущениях. В основном эти допущения сводятся к следующим ограничениям:

1. 
   µ_отн.с → ∞. Физический смысл первого допущения очевиден: сердечник МГ должен быть выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью, а энергетическими потерями на его перемагничивание можно пренебречь, т.е. поле в основном определяется магнитным сопротивлением рабочего зазора.
   
2. µ_{отн.нос.} = 1. Второе допущение даёт возможность не учитывать влияние материала носителя на форму и величину поля записи. Реальная величина µ_{отн.нос}. не превышает нескольких единиц.
   
3. в>>δ, где в – толщина сердечника МГ. Третье допущение, обычно имеющие в практике место, даёт возможность рассматривать поле рассеяния как двумерное поле.
   

Для случая у>>0,25δ горизонтальную составляющую поля записи можно определить из выражения:



Для вертикальной составляющей поля выражение имеет вид:



Так как вертикальная составляющая поля при рассматриваемой продольной записи не оказывает существенного влияния на сигнал воспроизведения, то её детального рассмотрения производить не будем.

Для точек, расположенных на оси у (х=0) поле записи описывается выражением:


и графически зависимость выглядит так:




По сути дела это зависимость поля рассеяния магнитной головки от величины неконтакта МГ с поверхностью носителя. Таким образом, скорость изменения максимального поля записи особенно велика при у<δ. Этот вывод важен с практической точки зрения.

В случае контактной записи, когда магнитный слой носителя касается полюсных наконечников МГ и при малом значении δ возможен случай, когда периферийные слои магнитного слоя окажутся в недостаточно сильном поле, носитель не будет перемагничен на всю глубину. Как следствие, уменьшится сигнал при воспроизведении информации. За счёт неконтакта МГ и магнитного слоя из-за колебания носителя при попадании посторонних частиц (величиной в несколько микрометров) магнитный слой может оказаться в записывающем поле в 2÷3 раза меньшем поля Н₀. При у>>δ поле рассеяния уменьшается не так интенсивно с увеличением неконтакта. Для этого случая выражение для Н_х(0,у) может быть упрощено, так как в этом случае _



Подставив значение _, получим:



При указанном условии намагничивающее поле обратно пропорционально расстоянию от слоя до МГ, а ширина зазора δ не оказывает существенного влияния на величину и форму поля.

Последнее выражение (*) аналогично по своему виду выражению для определения напряжённости магнитного поля проводника с током. Следовательно, при условии у>>δ допустимо рассматривать МГ как проводник с током, а магнитные силовые линии представлять в виде концентрических полуокружностей как показано на рисунке. Поэтому выражение (*) может быть сведено к более простому:


где и = x/у . Графически эта зависимость выглядит так:







1,0

0,5

0,2

0,1

0

1

2

3

-1

-2

-3

Протяжённость поля (с точностью до 10% от его максимального значения) занимает участок, простирающийся вправо и влево от центра зазора МГ на три величины неконтакта.

При значениях у << δ вершина кривой Н_х(х,у) уплощается, влияние величины δ становится всё более заметным:





Однако следует иметь в виду, что из-за неидеальности рабочей поверхности МГ и поверхности магнитного слоя даже при контактной записи величина неконтакта достигает одного микрометра, следовательно магнитный слой оказывается под воздействием поля, меньшего Н₀. Форма поля Н_х(х,у) зависит также от закругления граней рабочего зазора. Поэтому при изготовлении МГ обращается особое внимание на качество обработки рабочей поверхности и зазора МГ. Выбором соответствующей геометрии полюсных наконечников также можно влиять на величину и форму поля записи.


Форма и величина магнитного отпечатка.


Участок магнитного слоя носителя, попадающий в магнитное поле записи, оказывается намагниченным. Определим протяженность намагниченного участка тонкого слоя носителя, т. е. слоя, для которого напряжённость воздействующего на слой поля можно считать постоянной.

В идеализированном случае, когда поле нарастает мгновенно и также мгновенно исчезает, магнитный отпечаток имеет конкретные размеры, которые могут быть найдены графическим методом:

Графическая зависимость остаточной напряжённости J_r(Н) берётся из справочника, а зависимость Н_х(х) получается рассмотренным ранее способом при известной величине неконтакта у=const. Предполагается, что первоначальное состояние магнитного слоя характеризовалось нулевым значением намагниченности.





Графическая модель является приближённой, так как она не учитывает саморазмагничивания отпечатка. Ожнако даже в таком виде графическая модель позврляет сделать следующие практические выводы:

1. Длина отпечатка даже при мгновенном изменении тока (или скорости носителя V_Н=0) конечна и по уровню 0,1 составляет 2х_max.
   
2. Длина отпечатка существенно зависит от крутизны поля записи и зависимости Jr(Н); протяжённость переходной зоны намагничивания всегда конечна и составляет l_пер.
   

В реальных устройствах импульс тока записи имеет конечные значения времени нарастания t_н и спада t_с, а также может иметь плоскую вершину длительностью Т. Поэтому полная длина магнитного отпечатка L_отп окажется равной:



где V_н – скорость движения носителя;

V_нt_н – увеличение “передней” переходной зоны;

V_нt_н – увеличение “заданной” переходной зоны.

После создания магнитного отпечатка – элементарного постоянного магнэтика – его поле ослабляется полем саморазмагничивания Нср, которое пропорционально величине остаточной намагниченности Jr:


Nср – коэффициент саморазмагничивания, приближённо оцениваемый из выражения:


d – толщина магнитного слоя носителя.

Это выражение показывает, что коэффициент Nср возрастает при уменьшении длины отпечатка Lотп. Например, если отношение _, то Nср →1. При увеличении длины отпечатка наблюдается быстрое уменьшение Nср. Так, например, для значения Lотп= d/2 коэффициент саморазмагничивания равен Nср = 0,5.

Процесс саморазмагничивания можно представить графически: Материал носителя не сохраняет остаточную индукцию В_r, а размагничивается и переходит в состояние, соответствующее рабочей точке А.

Физический смысл коэффициента саморазмагничивания N_ср вытекает из выражения N_ср = - Н₀/ В_r.

Таким образом, для предохранения сформированного перехода от одного состояния намагниченности к другому носитель должен пройти расстояние по крайней мере l_пер прежде чем начнёт формироваться следующий перепад намагниченности. Длина перехода l_пер определяет предел плотности записи, который может быть достигнут, т.е. определяет разрешающую способность записи. Однако влияние саморазмагничивания приводит к тому, что между двумя зонами намагниченности появляется дополнительный переход, что ограничивает плотность при продольном способе записи. Эффект саморазмагничивания существенно ниже при способе записи, когда вектор остаточной намагниченности отпечатка перпендикулярен поверхности носителя. Использование перпендикулярного (вертикального) способа приводит к значительному увеличению плотности записи.


Воспроизведение информации


сводится к преобразованию остаточного поля магнитного отпечатка в электрический сигнал с помощью МГ.

При движении отпечатков носителя относительно МГ часть остаточного магнитного потока Ф_г отпечатка замыкается через её сердечник, в результате обеспечивается магнитная связь между отпечатком и обмоткой сердечника МГ. Так как магнитный поток изменяется во времени, то в обмотке возникает ЭДС – сигнал воспроизведения е(t), в общем виде определяемый в соответствии с законом эктромагнитной индукции Фарадея как:


где W – количество витков в катушки.

Сигнал е(t) в основном определяется горизонтальной составляющей магнитного потока отпечатка, поэтому здесь и далее под потоком будем подразумевать его горизонтальную составляющую.

Изменение магнитного потока отпечатка вызывается движением со скорростью V_н магнитного слоя относительно МГ. Если предположить, что в рассматриваемый момент времени граница отпечатка магнитного слоя находится на расстоянии _ от центра зазора МГ, причём х = VН∙t.





то выражение для ЭДС можно представить в виде:



Для определения величин Ф_г можно воспользоваться теоремей взаимности. Ток записи I вызывает поток Ф через произвольное сечение ds = b∙dy магнитного слоя, который перемагничивается полем Н_х(х). В соответствии с теоремой взаимности тот же ток I, обтекая это сечение, вызывает идентичный поток Ф_г через сердечник МГ. Ток I, обтекающий сечение ds, может рассматриваться как сумма микротоков отдельных элементарных объёмов b∙dx∙dy, которая эквивалентна намагниченности J_z.





Таким образом, для единичного тока элементарный поток dФ’ при µотн=1 определяется как


С учётом конечной намагниченноти J_Z объёма bdxdy потоком увеличивается в Jz раз, т.е.


причём величина _– безразмерный множитель. Полныё поток Ф_г(_) выражается как:


Это выражение показывает, что поток, замыкающийся через сердечник МГ, зависит от объёма намагниченного слоя и его остаточной намагниченности. Поэтому член Н_х(х,у) в данном случае удобно рассматривать как безразмерную функцию чуствительности МГ, определяющую ту часть потока магнитного отпечатка, которая при воспроизведении воздействует на обмотку МГ.

Подставив значение _ в выражение для ЭДС, получим:



Предполагая, что знаком изменения намагниченности на участке носителя l_пер линеен, определим


на интервале _{ }.

Учитывая что на других интервалах изменения намагниченности нет, имеем:


и выражение для ЭДС может быть представлено в виде:


Используя теорему о среднем, интеграл может быть заменён простым выражением:



Координаты _ и _ обозначают некоторые величины, заключённые в интервалах

_{ } и y_y+d.

Очевидно, что при l_пер→0 и d→0, _ →х и _→у, т.е. для тонкого слоя носителя (d<


Это выражение удобно использовать для практических расчётов, так как оно позволяет определить сигнал е(_) и для случая, когда слой имеет конечную толщину d. При этом сколь угодно толстый слой можно рассматривать как композицию из n тонких слоёв. Для i-го слоя:



Суммарный сигнал воспроизведения может быть получен в виде суммы сигналов еi от каждого тонкого слоя:


так как в данном случае применим принцип суперпозиции.

Покажем пример, когда магнитное покрытие “расслаивается” на три слоя:





Сравнивая показанные на рис. сигналы воспроизведения от наиболее близкого к МГ слоя е₁ и удалённого слоя е₃ можно сделать важный вывод: высокую разрешающую способность системы можно получить лишь при использовании тонких магнитных покрытий, малоудалённых от МГ. Это обстоятельство заставляет конструкторов и технологов постоянно решать задачу получения тонких и сверхтонких магнитных покрытий и создания системы «головка – носитель», всё более приближающейся к системам контактной записи.

Выражение (*) для ЭДС удобно тем, что оно даёт возможность изучить влияние ряда конструктивных параметров – величины зазора МГ, формы полюсных наконечников и др. – на величину и форму сигнала воспроизведения.

Если амплитуда сигнала е(_) определяется перепадом намагниченности 2J_Z, шириной дорожки сигналограммы b, толщиной слоя d, скоростью движения носителя VН и числом витков катушки W, то форма сигнала определяется формой поля рассеяния головки _, причём сигнал оказывается максимальным при _ =0, т.е. в момент, когда переход намагниченности проходит под зазором МГ.





Следует подчеркнуть, что значение функции _), полученной при изучении процесса записи, может быть использовано в выражении (*) для ЭДС только в случае неизменной системы записи – воспроизведения. Если же это условие не выполняется, когда МГ записи конструктивно отличается от МГ воспроизведения, то функция _ должна соответствовать системе воспроизведения. Так как ширина поля вдоль оси х определяется неконтактом у, то форма сигнала воспроизведения в первую очередь определяется его значением и на уровне 0,1 своего максимального значения составляет время:


Перепад намагниченности обратного знака (-2J_r), очевидно вызовет появление сигнала воспроизведения обратной полярности.


Плотность магнитной записи.


Плотность записи информации Р – это степень использования поверхности носителя, выражаемая в битах, приходящихся на единицу площади поверхности носителя (например, на 1 мм²).

Различают поперечную РП и продольную Рпр плотности записи информации:

РП · Рпр = Р

Поперечная плотность характеризуется числом дорожек записи, приходящихся на единицу длины, в направлении, перпендикулярном направлении записи.

Продольная плотность записи определяется количеством бит информации приходящихся на единицу длины вдоль дорожки (в направлении записи).

Рассмотрим основные причины, ограничивающие плотность записи информации на магнитный носитель. Ширина дорожки записи определяется в основном шириной набора сердечника МГ. Стремление уменьшить ширину дорожки ведёт, с одной стороны, к усложнению конструкции МГ при её миниатюризации, с другой – к уменьшению сигнала воспроизведения. На носителе дорожки разделяются некоторым промежутком, достаточным для того, чтобы ослабить в необходимой мере взаимное влияние соседних дорожек (уменьшить перекрёстные помехи). Если полезный сигнал воспроизведения линейно изменяется при уменьшении ширины дорожки, то сигнал помехи (от неравномерности магнитного слоя, посторонних включений, краевых эффектов и т.д.) уменьшается лишь по закону квадратного корня, т.е. уменьшение ширины дорожки ведёт, как правило, к ухудшению отношения сигнал/помеха, являющемуся одним из основных параметров, определяющих надёжностные характеристики всей системы записи-воспроизведения.

Для уменьшения влияния дорожек друг на друга может быть использовано туннельное стирание. В этом случае сигналограмма после записи проходит через “туннельную” головку, которая сужает запись, как бы подтирая её размытые края.

На гибких носителях (МЛ, ГМД) ширина дорожки выбирается относительно большой (1-2 дорожки на 1 мм). Это обеспечивает получение удовлетворительного сигнала воспроизведения в условиях относительно невысокой линейной скорости носителя и даёт возможность снизить требования к стабильности совмещения полюсных наконечников МГ с дорожкой носителя. Сложность поддержания этой стабилизации определяется эластичной основой носителя.

В накопителях с жёсткими дисками ширину дорожки выбирают много меньше (несколько десятков микрометров). Это определяет строгие требования к точности работы механизмов, управляющих установкой (юстировкой) МГ в системах с подвижными МГ, так как не совмещение МГ с сигналограммой резко ухудшает отношение сигнал/помеха.

Увеличение плотности продольной записи достигается уменьшением длины магнитного отпечатка. Однако такое уменьшение может привести к уменьшению амплитуды сигнала воспроизведения и изменению его формы.





Пусть на носителе сделана некоторая запись (два перепада намагниченности
-J_rmax→+J_rmax→ -J_rmax). Предположим, что при считывании эти перепады напряжённости воздействуют на обмотку МГ независимо друг от друга. Сигнал е(t) от каждого перепада показан пунктом. Реальный сигнал воспроизведения получается по принципу суперпозиции – сложением сигналов от отдельных перепадов (сплошная линия). Амплитуда сигнала оказывается меньше на ∆e по сравнению с максимальной, которая могла быть получена при большой длине отпечатка. Кроме того максимумы пиков сигнала смещаются по временной оси на ±∆t, что затрудняет синхронизацию воспроизводимой информации.

Более сложное чередование перепадов намагниченности приводит к появлению постоянной составляющей в сигнале воспроизведения, которая к тому же может быть и знакопеременной:





Как видим, длина отпечатка и интервал между соседними отпечатками лимитируется временными параметрами сигнала воспроизведения. Таким образом, критическая частота f_кр записи (записи без заметного перекрытия сигналов) должна выбираться из соотношения:



При некотором неконтакте у=const _ – протяжённость функции _ на уровне 0,1 причём эта функция соответствует системе воспроизведения.


Способы записи цифровой информации на магнитный носитель.


Прежде чем рассматривать способы записи информации на магнитный носитель договоримся о следующем. Говоря о продольной плотности записи, будем подразумевать физическую плотность, измеряемую предельным числом перепадов намагниченности на 1мм вдоль дорожки носителя при заданных отношениях сигнал/помеха или достоверности записи. Эта характеристика может существенно отличаться от информационной плотности (числа битов на 1мм), так как для записи одного бита может понадобиться до двух переключений потока. Участок дорожки, выделяемый для записи одного бита информации, будем называть ячейкой. Время записи одного бита информации, определяемое отношением длины ячейки к скорости движения носителя, называется периодом записи Т_зп, а величина 1/Т_зп = f_зп – частота записи.

Сравнение способов записи будем проводить при условии неизменности параметров системы “головка – носитель”.

Общим для всех способов является то, что в качестве физической величины, несущей информацию, принимается остаточная намагниченность магнитного слоя носителя. Для кодирования могут быть использованы три состояния магнитного слоя, характеризуемые остаточным полем (+Jr, 0, -Jr) или индукцией (+Br, 0, -Br). Однако, в практике получили распространение и продолжают развиваться лишь способы, использующие для кодирования два уровня +Br и –Br. Такие способы называются способами без возвращения к нулю. Они не требуют размагничивания носителя перед записью, что упрощает процесс записи.

Значительная часть известных способов отличается алгоритмом, используемым для преобразования исходной двоичной последовательности в комбинацию переключений магнитного потока. При воспроизведении производятся обратные преобразования. В некоторых способах, разработанных в последние годы, предполагается дополнительное перекодирование исходной информации.


Способ с возвратом к фиксированному уровню.

В этом способе запись производится на предварительно намагниченный носитель до уровня –Br.




Магнитный слой перемагничивается лишь в ячейках, предназначенных для записи “1”. Каждой “1” соответствует участок перемагниченного материала с двумя перепадами намагниченности. Логическая схема тракта записи проста и содержит усилитель записи, на вход которого поступают импульсы только при записи “1”. Однако такая логика работы канала записи не позволяет осуществлять повторную запись без предварительного стирания МН постоянным полем стирания. Устраняется этот недостаток путём введения в канал дополнительного усилителя записи, который производит запись “0” и посылает импульс записи во вторую обмотку МГ, включённую встречно относительно первой.

При воспроизведении каждой “1” соответствует двухполярный сигнал на обмотке М/Г воспроизведения. Далее этот сигнал ограничивается на уровне U_пор (U_пор выше уровня помех) и формируется до стандартной формы. Такой способ называется амплитудным детектированием. Изменение формы и величины сигнала воспроизведения е(t) под воздействием дестабилизирующих факторов может привести к искажению выходного сигнала. Чтобы избежать этого, целесообразно при амплитудном детектировании использовать усилители воспроизведения с автоматической регулировкой усиления. Для распознавания последовательности нулей требуется синхронизация. В данном случае она может быть только внешней, так как при неограниченном числе нулей в кодовой последовательности самосинхронизация невозможна.


Для синхронизации может быть использована последовательность синхросигналов СИ, которые подаются на один вход конъюнктура в моменты ожидаемого максимума сигнала е(t). На другой вход конъюнктура подаётся усилённый и сформированный сигнал воспроизведения. Сигнал на выходе конъюнктура соответствует “1” воспроизводимой информации, его отсутствие в момент прихода сигнала синхронизации означает воспроизведение “0”. Синхронизация позволяет также сделать канал нечувствительным к каким-либо помехам в промежутках между СИ. Очевидно, что СИ должны точно совпадать по времени с воспроизводимыми сигналами, тогда как частота воспроизведения fвоспр. не является величиной постоянной в силу электромеханического характера самого ЗУ. Поэтому СИ записывается на специальной дорожке того же накопителя, воспроизводятся и формируются отдельным каналом. Важно лишь, чтобы относительное смещение основной и служебной МГ и другие факторы не приводили к чрезмерному расхождению (выхода за пределы допуска – окна детектирования) фаз основного и служебного сигналов.


Способ записи с фазовой модуляцией.

В основу кодирования информации по этому способу положена фазовая модуляция (ФМ) – различие направлений перепадов намагниченности при записи “1” или “0”.





Условимся, что единице соответствует переход намагниченности в середине ячейки от –Br к +Br, а нулю – обратное направление. Для получения непрерывной сигналограммы необходимы дополнительные перемагничивания в моменты времени t1 и t5 (для кодовой последовательности примера).

Как видим, логика работы канала записи оказывается более сложной про сравнению с предыдущим способом: при записи информации требуется проводить анализ двух бит информации, чтобы производить дополнительное переключение тока в МГ.

Как и в предыдущем способе, в способе ФМ для записи одному биту может соответствовать до двух перепадов намагниченности, что в значительной мере определяет достижимую плотность записи. Существенная особенность способа в том, что сигнал воспроизведения е(t) не имеет промежутков, а интервалы между его пиковыми значениями могут принимать значения Т_зп и 2Т_зп (Т_зп –период записи). Поэтому способ ФМ является типичным двухинтервальным способом записи. Это обстоятельство позволяет при дешифрации сигнала воспроизведения использовать пиковые детекторы, а также получать СИ из самой информации, т.е. способ обладает свойством самосинхронизации.

Предпочтение, которое отдаётся в практике пиковому детектированию, объясняется тем, что при значительном непостоянстве амплитуды сигнала е(t) моменты его перехода через нуль оказываются более постоянными. Для выделения этих моментов могут быть применены дифференцирование сигнала е(t) и последующее сильное двустороннее ограничение сигнала _, например с помощью компаратора с уровнями ограничения в единицы милливольт.


Частотно – модулированный способ.

При этом способе единица от нуля отличаются частотой переключения тока записи и, следовательно, промежутком между перепадами остаточной намагниченности магнитного слоя носителя:





Анализируя сигналограмму B_r(t) замечаем, что нулям соответствуют дополнительные перепады в середине ячейки, хотя направление этих перепадов может быть различным. Как и предыдущий способ, частотно-модулированный способ (ЧМ) является типичным двухинтервальным способом записи; по всем своим основным характеристикам он совпадает со способом ФМ, хотя логические схемы их каналов записи различны.


Способ записи с переключением тока для каждой двоичной единицы.

Этот способ получил название способ без возвращения к нулю модифицированный. Каждой записываемой единице здесь соответствует переключение тока в обмотке МГ и, следовательно, перепад остаточной намагниченности на носителе:





Таким образом, для записи одного бита информации необходимо не более одного перепада намагниченности, что по сравнению с предыдущими способами позволяет увеличить продольную плотность записи в два раза.




Логическая организация канала записи проста: она совпадает с логикой работы триггера со счётным входом, к выходам которого подключены два усилителя записи УЗп. Прерывистость сигнала воспроизведения является причиной того, что в этом способе невозможна самосинхронизация, а для выделения сигнала воспроизведения может быть использовано лишь амплитудное детектирование. Канал воспроизведения включает линейный усилитель воспроизведения, двусторонний ограничитель, дизъюнктор и конъюнктор. Работу канала поясняет временная диаграмма.




Временные интервалы между соседними сигналами воспроизведения могут сильно изменяться в зависимости от записываемого кода, что при записи с перекрытием приводит к нестабильным амплитудным и фазовым искажениям. Ослабить этот недостаток можно, если на записываемые коды наложить некоторые ограничения, например между соседними единицами должно быть не менее d, но не более k нулей. Коды, в которых приняты dk-ограничения, называют dk-кодами. Запись dk-кодов может вестись рассмотренным БВНМ-способом, но с большей плотностью. К тому же при воспроизведении импульсы от единицы могут быть использованы для запуска генератора синхроимпульсов, точность работы которого на протяжённости k переходов воспроизведения обеспечит её правильность. Использование dk-кодов требует дополнительной операции перекодирования исходной информации при записи и обратного перекодирования при воспроизведении. Способы записи с таким перекодированием данных называются способами группового кодирования. На практике числа d и k выбираются равными нескольким единицам.

Очевидно, что групповое кодирование требует заметного усложнения каналов записи и воспроизведения. Однако эти затраты компенсируются значительным ростом характеристик накопителей, в частности обеспечивают почти предельную плотность записи информации (до нескольких сот бит на мм). Известно и много других способов записи информации на магнитный носитель, но они имеют много общего с уже рассмотренными способами.


Магнитные головки.


К магнитным головкам предъявляются высокие требования по точности изготовления, небольшим габаритам, идентичности характеристик, высокой стойкости рабочих поверхностей, хорошей помехозащищённости.

Материал сердечника МГ должен иметь высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения, малую коэрцитивную силу, высокое удельное электрическое сопротивление для снижения частотных потерь; хорошо обрабатываться, чтобы обеспечить геометрическую форму и малую шероховатость полюсных наконечников. Всему комплексу указанных требований не отвечает ни один известный материал. Поэтому на практике приходится соглашаться на компромиссные решения.

Для изготовления сердечников широко используются ленточный материал (толщиной до 0,02мм) – пермаллои (железо-никелевые сплавы), обладающие высокими магнитными характеристиками. Их недостатки – невысокое электрическое сопротивление, недостаточная твёрдость, снижение магнитных свойств от механических деформаций, которым подвергается материал при обработке. Лучшими механическими свойствами обладает другой ленточный материал – альфенол. Однако он уступает пермаллоям по магнитным характеристикам. Лучшими электрическими характеристиками обладают ферритовые сердечники. Поэтому при высоких частотах записи (10 МГц и выше) используются ферритовые МГ. Хрупкость ферритов, большая абразивность и трудность обработки выдвигают сложные задачи по их изготовлению и использованию.

Одна из сложнейших операций при изготовлении МГ – получение рабочего зазора, величина которого не превышает микрометров. Для его образования может быть использована фольга из бронзы, а в ферритовых МГ – стекло, вводимое в зазор в расплавленном виде.

В накопителях с жёсткими магнитными дисками используются бесконтактные плавающие МГ, обеспечивающие в условиях неизбежного торцевого биения поверхности МД относительно постоянный зазор (неконтакт) между поверхностью МД и полюсными наконечниками МГ величиной 0,2–3 мкм. Для этого МГ устанавливается на несущем элементе НЭ плоской формы.





Поверхность МД движется со скоростью V_Н, увлекает за собой воздух и создаёт воздушный поток. Подъёмная сила F_п зависит от скорости воздушного потока V, площади и формы несущего элемента. Например, для простейшей формы НЭ – квадратной пластины и при соблюдении условия h₁=2h₂ подъёмная сила по законам аэродинамики равна


т.е. обратно пропорциональна расстоянию от движущейся поверхности МД до несущего элемента. (ρ – плотность воздуха; С – коэффициент подъёмной силы, зависит от формы НЭ и его положения в потоке.) Чтобы поддержать заданный зазор ∆ сила F_п уравновешивается внешними уравновешивающими силами F_y (например, с помощью пружины). Если вследствие биения МД величина ∆ увеличивается, плавающий элемент оказывается в потоке меньшей скорости, сила F_п уменьшается и уменьшается величина ∆. И наоборот, уменьшение величины ∆ ведёт к увеличению F_п, а следовательно, к подъёму НЭ, т.е. стабилизации величины ∆. Разумеется, малая и стабильная величина ∆ может достигаться лишь при небольших величинах биения МД, высокой чистоте поверхностей МД и НЭ, на котором укреплены одна или несколько МГ.


Магнитные носители.


В качестве магнитных носителей информации используются магнитные ленты, диски, барабаны, карты. Магнитные ленты обычно изготавливаются на лавсановой основе, толщиной 25÷50 мкм, на которую нанесено магнитное покрытие толщиной 5-12 мкм из ферролака на основе гамма – оксида железа γFe₂O₃ (γ – двухвалентный ион какого – либо металла Cu, Zn, Ni) или двуокиси хрома и полимерных связующих. Концентрация оксида, имеющего игольчатую структуру с величиной частицы не более 1 мкм, составляет 30÷50%.

Типичные магнитные параметры МЛ следующие: остаточная индукция В_r=0,09÷0,14Тл, коэрцитивная сила Нс=22500 А/м, коэффициент прямоугольности 0,7÷0,8.

Традиционное магнитное покрытие магнитных дисков – ферролаковое с толщиной покрытия 0,5÷3 мкм которое имеет следующие параметры: B_r=0,3÷0,5Тл, Нс=(3÷5)·10⁴А/м. Ферролаковое покрытие дисков в последнее время заменяется тонкоплёночными металлическими покрытиями на основе кобальта, никеля и других материалов. Толщина таких покрытий до 30 нм, В_r=1,5 Тл, Н_С= до 12·10⁴ А/м. Гибкие магнитные диски чаще всего изготавливаются на лавсановой основе толщиной 0,12мм, на которую наносится ферролаковое покрытие.


Память на магнитных сердечниках.


В
качестве элементов памяти используются кольцевые тороидальные сердечники из феррита с прямоугольной петлёй гистерезиса. Запоминающий элемент представляет собой сердечник с двумя обмотками: входной и выходной.


В зависимости от направления тока, протекающего через входную обмотку, сердечник намагничивается до +В_r (состояние «1») или до –B_r(состояние «0»).

Для считывания информации во входную обмотку подают импульс тока, достаточный для создания размагничивающего поля – H_m (ток записи «0»). Тогда если в сердечнике была записана «1», магнитная индукция в нем изменится от значения +B_r до -B_m. Если же был записан «0», то изменение индукции будет небольшим от -B_r до –B_m.

Изменение индукции означает изменение магнитного потока, следовательно, в выходной обмотке сердечника возникает ЭДС индукции. Амплитуда выходного сигнала в одновитковой выходной обмотке может быть рассчитана по формуле:


,

где D – наружный диаметр сердечника;

d – внутренний диаметр сердечника;

h – высота сердечника;

τ – время изменения магнитного состояния;

∆B – изменение индукции магнитного сердечника.

Малый ток в выходной обмотке означает, что сердечник находится в состоянии «0», а большой ток указывает на то, что сердечник находился в состоянии «1». После считывания сердечник всегда оказывается в состоянии «0», т. е. информация в нем стирается, и если она должна быть сохранена, то необходимо предпринимать специальные меры для ее восстановления.

Время перемагничивания τ составляет доли микросекунд. В основном оно определяется коэффициентом переключения S_w:

,
где H₀ – пороговая напряженность поля перемагничивания, которая ненамного отличается от коэффициента силы H_c.



Т. о. время перемагничивания τ тем меньше, чем меньше S_w и чем на большую величину отличается H_m от H₀. Если магнитное поле создается током I_m , проходящим по одиночному проводу в центре сердечника, то на расстояниях D и d от проводника возникает магнитное поле _соответственно. Отсюда следует, что уменьшение диаметра D ведет к уменьшению амплитуды перемагничнвающих токов I_m при сохранении времени перемагничивания.

Т.о. уменьшение размеров сердечника позволяет повысить быстродействие ЗУ, кроме того снизить потребляемую мощность, уменьшить токи управления, получить более плотную упаковку ЗУ. На практике используют сердечники с внешним диаметром 0,20,5 мм и внутренним – до 0,1 мм.


Интегральные магнитные элементы памяти.


Изготовление сердечников малых размеров и их прошивка проводами сопряжены с серьезными трудностями. Преодоление трудностей изготовления блоков памяти достигается применением методов интегральной технологии.