Патрик Гёлль - Магнитные карты и ПК

При считывании записанной таким образом информации носитель, перемещаясь около магнитной головки, создаст в ее сердечнике магнитный поток. Этот поток вызовет появление на выводах обмотки магнитной головки напряжения, пропорционального интенсивности потока.

Из вышеизложенного принципа магнитной записи следует два важных вывода. Во-первых, амплитуда возникающего на клеммах обмотки напряжения (милливольты) растет вместе с увеличением скорости прохождения носителем головки. Во-вторых, напряжение на клеммах появляется только в случае изменения наводимого в сердечнике магнитного потока. Если носитель намагничен сильно, но равномерно по всей длине, то при его движении с постоянной скоростью напряжения на клеммах не будет.

Исключение из этого правила составляет группа специальных считывающих головок, называемых магниторезистивными. Они не используются для записи. Сердечники таких головок изготавливаются из материала, меняющего свое магнитное сопротивление в зависимости от интенсивности пересекающего их магнитного потока. Несмотря на свои достоинства, этот материал не получил широкого распространения.

Описанный выше принцип магнитной записи применяется также и для записи непрерывно изменяющихся во времени сигналов (аналоговых), например звуковых.

Непрерывное изменение тока, проходящего по обмотке возбуждения магнитной головки, приводит к изменению выходящего из зазора магнитного потока. Пульсация магнитного потока отражается, в свою очередь, на ориентации доменов, перемещающихся вместе с носителем перед зазором головки.

При считывании магнитный поток в сердечнике будет меняться в зависимости от ориентации доменов, непрерывно проходящих перед головкой. Возникающего при этом слабого переменного напряжения вполне достаточно, чтобы восстановить записанный ранее сигнал. Для этого сигнал, получаемый с обмотки считывающей головки, необходимо усилить и подкорректировать с учетом скорости перемещения носителя.

При работе же с цифровыми сигналами имеют место определенные сложности.

Так, если запись цифровых данных (последовательностей нулей и единиц) не создает никаких проблем, то их считывание вызывает некоторые трудности. Как различить несколько последовательных нулей или единиц, если переход между двумя аналогичными состояниями намагниченности вызывает лишь короткую смену амплитуды напряжения на выводах обмотки считывающей головки?

Это пример классической задачи на использование цифровых данных в средствах связи или записывающих устройствах.

Для решения этой проблемы используется частотная модуляция. Она реализуется при передаче информации с помощью модемов, MFM-кодирование применяется для записи на дискеты и т. д.

Самый простой способ записать информацию по принципу «есть или нет» на магнитный носитель заключается в подведении к записывающей головке переменного тока определенной величины. Тогда каждое изменение направления тока приводит к изменению направления магнитного потока в зазоре.

Таким образом, векторы магнитных моментов доменов соседних участков разворачиваются в диаметрально противоположных направлениях. Обеспечивает такой разворот ток намагничивания соответствующей величины.

Если кристаллы намагничиваемого материала уже были ориентированы в указанных направлениях при нанесении покрытия на носитель, то процесс намагничивания упрощается. В этом случае кристаллам необходимо лишь придать сильную продольную намагниченность с различным направлением поля, как это показано на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Запись с изменением направления магнитного потока

При считывании сигнал, снимаемый с выводов обмотки, изменяется. Подобное изменение происходит с прямоугольным электрическим сигналом, прошедшим через дифференцирующую схему (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Считывание и восстановление записанного сигнала

К счастью, простые электронные схемы позволяют по форме этих импульсов восстановить форму сигнала. Но для точного определения количества записанных нулей и единиц необходим синхронизирующий, или тактовый, сигнал.

При отсутствии такого сигнала невозможно точно выяснить, какому количеству единиц соответствует продолжительность импульса напряжения. Ситуация еще более усложняется при использовании ручного считывающего устройства. В этом случае скорость считывания нельзя определить заранее. Если же поменять местами выводы головки или использовать при считывании инвертирующий усилитель, то все нули превратятся в единицы, и наоборот.

Не решит проблему и использование при записи старт-бита и стопбита, как это делается при асинхронном методе передачи данных.

В данной ситуации может помочь метод кодирования F/2F, основанный на удвоении несущей частоты сигнала.

Основа данного типа исключительно надежного кодирования заключается в идентичности длительности (другими словами, в одинаковой длине, занимаемой на дорожке) всех битов вне зависимости от их состояния: 1 или 0. Однако полезная информация заключена не в собственно полярности намагничивания, а только в частоте изменений направления магнитного потока или переходов. На рис. 1.7 показано, что каждый записанный бит независимо от предшествующего и следующего за ним битов всегда находится в «окружении» двух изменений направления магнитного потока, что позволяет декодеру уверенно выделить его.

Рис. 1.7. Кодирование по принципу удвоения частоты

В том случае, если каждая запись начинается, по крайней мере, с десятка последовательных 0 (или, по договоренности, 1), то соответствующему декодеру удается без труда синхронизировать свой внутренний тактовый генератор с тактовой последовательностью поступающих битов. Затем он может поддерживать такую синхронизацию бит за битом, даже если скорость прохождения магнитного носителя перед записывающей головкой сильно изменяется. В этом состоит одно из главных преимуществ данного типа кодирования, особенно удобного в случае прокручивания вручную.

Важная характеристика любого магнитного материала — его коэрцитивная сила Нс, которую также иногда называют напряженностью размагничивания. Речь здесь просто идет о его сопротивлении к размагничиванию, или, иными словами, о величине магнитного поля Н, необходимого для того, чтобы после полного намагничивания, свести индукцию В к нулю. Графически коэрцитивная сила Нс соответствует пересечению петли гистерезиса с осью абсцисс. Таким образом, в соответствии с рис. 1.8, можно выделить два значения упомянутого коэрцитивного поля, равных по абсолютному значению, но имеющих разные знаки.

Рис. 1.8. Определение коэрцитивной силы магнитного материала

В частном случае магнитных карт или билетов величина напряженности Нс, соответствующая используемому в них материалу, напрямую обуславливает их устойчивость к случайному стиранию, которое могут вызвать предметы, намагниченные в той или иной степени. Такое стирание, по некоторым источникам информации, зафиксировано во многих случаях замены неисправных банковских карт! Тем не менее существует и негативная сторона — имеется в виду сложность изготовления таких плёнок с высокой коэрцитивной силой и записи на них информации. В то же время считывание информации с них практически не вызывает никаких проблем. Хотя единицей СИ магнитного поля является ампер на метр (А/м), но напряженность магнитного поля материала практически всегда выражается в эрстедах (Э). Этой старой единице, официально не используемой, отдают предпочтение многие физики, которые находят, что ею проще манипулировать. Соотношение между двумя системами:

1 Э = 79,618 А/м или 1 А/м = 0,01256 Э.

Учитывая все вышесказанное, приведем несколько примеров, иллюстрирующих величину коэрцитивной силы различных материалов. У наиболее распространенных магнитных покрытий на базе окислов железа эта величина составляет около 300 Э. Что касается магнитомягких материалов (LoCo), в частности, ферритов, из которых изготавливают сердечники записывающих головок, то у них величина Нс колеблется в диапазоне между 0,004 и 12 Э. Они легко размагничиваются, причем чаще всего самопроизвольно от простого контакта с записанной дорожкой. Магнитотвердые материалы (HiCo), применяемые особенно для изготовления постоянных магнитов, могут иметь напряженность Нс в пределах от 125 до 40000 Э.