Основи теорії сигналів

Ключові поняття розділу Завдання аналізу сигналів під час проектування ЕПУ. Класифікація сигналів: аналогові, імпульсні, дискретні, цифрові. Випадкові сигнали, особливості їхнього опису.

На початковій стадії розвитку електронні пристрої виконували функції вимірювання та реєстрації результатів, у міру вдосконалення елементної бази та підвищення її надійності область застосування почала включати автоматизовані (за участю людини) і повністю автоматичні керуючі системи. Одне з перших та найважливіших завдань управління – регулювання стану об'єктів. Регулювання включає послідовність операцій, основними з яких є:

• отримання відомостей про стан об'єкта чи процесу (вимірювання);
• отримання ззовні командних впливів, що визначають необхідний стан об'єкта або процесу (що впливає);
• обробка отриманих сигналів з метою вироблення найбільш ефективного впливу, що управляє;
• формування управляючих впливів, які з допомогою виконавчих органів змінюють стан об'єкта.

За останні роки способи управління, апаратура та підхід розробника до створення автоматів істотно змінилися, що пов'язано з цифровим поданням інформації та програмною реалізацією алгоритмів. Це стало можливим завдяки інтенсивному розвитку мікроелектроніки, що спричинило збільшення кількості електронних компонентів на одиницю площі кристала. Що, своєю чергою, дозволило розмістити обчислювач плюс контролер однією кристалі напівпровідника, укладеному в єдиний корпус. Така інтегральна схема називається мікропроцесором.Основні зміни у проектуванні електронних систем полягають у наступному:

• найбільш суттєві операції над сигналами проводяться після представлення їх у формі двійкових багаторозрядних чисел;
• замість лінійних перетворень над аналоговими (безперервними у часі) сигналами стали використовуватися кінцево-різнисні перетворення (цифрове управління);
• відбулася централізація функцій: замість кількох керуючих пристроїв для складного об'єкта може використовуватися один процесор, який по черзі виконує їх функції в режимі розподілу часу;
• внаслідок цього посилилася увага до алгоритмічної сторони управління (тобто до написання ефективного та надійного програмного забезпечення);
• посилення уваги до створення вбудованих засобів самодіагностики пристроїв.

Завдання, які вирішуються у процесі проектування електронних систем

На початковій стадії проектування електронної системи (ЕС) зазвичай вирішуються задачі збору та первинної обробки інформації.

• обчислення та перетворення спектрів сигналів, наприклад, для правильного вибору характеристик квантування аналогових сигналів (частота і число рівнів квантування);
• нормалізація, посилення чи ослаблення сигналів;
• попередня цифрова або аналогова фільтрація сигналів з метою виділення з них корисної складової, що використовується на наступних етапах обробки;
• квантування аналогових сигналів за часом та рівнем.

На наступних стадіях проектування вирішуються завдання вимірювання та обробки інформації про керований процес. Можна виділити такі типові завдання:

• визначення поточних параметрів вимірюваних процесів (наприклад, швидкостей та прискорень їхнього протікання);
• прогнозування ходу керованих процесів, кодування;
• цифроаналогові перетворення тощо.

Таким чином, електронні пристрої управління та контролю пов'язані з перетворенням та обробкою інформації.

Інформацією називається сукупність будь-яких відомостей про досліджуваний процес (об'єкт), що є об'єктом передачі, розподілу, перетворення, зберігання або безпосереднього використання. Інформація у процесі взаємодії з ЕС з метою керування деяким об'єктом проходить кілька фаз. Сприйняття у тому, що формується образ об'єкта, виробляються його упізнання і оцінка. В результаті сприйняття виходить сигнал у формі, зручній передачі або обробки. У фазу сприйняття можуть включатися операції підготовки інформації, її нормалізації, квантування, кодування, модуляції сигналів та побудови моделей.

Передача інформації полягає у перенесенні її на відстань за допомогою сигналів різної фізичної природи відповідно по механічних, гідравлічних, пневматичних, акустичних, оптичних, електричних або електромагнітних каналах. Прийом інформації з іншого боку каналу має характер вторинного сприйняття з властивими йому операціями боротьби з шумами. Обробка інформації полягає у вирішенні завдань, пов'язаних з перетворенням інформації, незалежно від їхнього функціонального призначення.Застосування ЕОМ узагальнює і централізує функції обробки, що стосуються головним чином моделей ситуації і прийняття рішень під час управління. Обробка проводиться за допомогою пристроїв або машин, що здійснюють аналогові або цифрові перетворення поступаючих величин і функцій. Проміжним етапом обробки може бути зберігання в пристроях, що запам'ятовують. Вилучення інформації з пристроїв також має характер сприйняття і пов'язане з боротьбою з перешкодами.

Подання (або відображення) інформації потрібно тоді, коли у циклі звернення інформації бере участь людина. Воно полягає у демонстрації перед людиною умовних зображень, що містять якісні та кількісні характеристики вихідної інформації. Для цього використовуються пристрої, здатні впливати на органи чуття людини.

З пристрою обробки інформація може виводитися як оператору, а й безпосередньо на формування на об'єкт управління. Дія полягає в тому, що сигнали, що несуть інформацію, роблять регулюючі або захисні дії, викликаючи зміни в самому об'єкті. Не всі інформаційні системи замкнуті. Існують і розімкнуті системи, в яких інформація передається від джерела до приймача або споживача. Активний вплив на відбирається від джерела інформацію може чи сам джерело, чи споживач. Частину системи, що надає активний вплив на її роботу, називають суб'єктом, а пасивну – об'єктом.

Об'єкт як джерело інформації невичерпний.Але переважна частина потоків інформації, що відображають його стан розсіюється і тільки невелика частина, що відповідає потреби і визначається прийнятою в інформаційній системі мовою, відгалужується до приймача у вигляді параметрів спостереження.

Класифікація сигналів

Джерело інформації має здатність змінювати у часі чи просторі свій стан. Джерелом інформації можуть бути різні фізичні величини та процеси, наприклад: ЕРС термопари (величина), струм фотодіода (фототранзистора), напруга тензодатчика, горіння сигнальної лампи тощо. буд. Відомості про стан джерела називаються повідомленнями. Для передачі використовуються сигнали, які з наявних каналах надходять до приймача повідомлення.

Мал. 2. Класифікація сигналів

Таким чином, сигналом називається фізичний процес, параметри якого містять інформацію (повідомлення) та який придатний для обробки та передачі на відстань. Одне й те повідомлення може бути передано різними сигналами. Сигнал може бути електричним, акустичним, оптичним та ін. - Залежно від властивостей джерела, приймача та середовища, в якому передається повідомлення. Основну увагу будемо приділяти електричним сигналам, хоча все частіше застосовуються пристрої, в яких повідомлення передаються деяким набором сигналів, наприклад, оптрон електричний сигнал на вході перетворюється на світлове випромінювання, яке потім піддається зворотному перетворення. При всіх перетвореннях сигналу зберігається інформація, що міститься в ньому, хоча деякі втрати її можливі (спотворення, поява шумів та інших видів перешкод).

Так як повідомлення передбачає зміну стану джерела, сигнал також повинен мати якийсь один або групу параметрів, що зазнають зміни, модуляції. Сигнал, де нічого не змінюється, не може нести інформації.

Класифікація сигналів за різними ознаками наведено на рис. 2.

Імпульсні схеми - Сигнал

Сигнал не тільки несе інформацію, а й представляє стан ланцюга. p align="justify"> Функціонування будь-якого ланцюга може бути вивчено за сигналом, який вона виробляє. Отже, ми почнемо цей урок із короткого введення у сигнали.

Електронний сигнал

Електронний сигнал подібний до звичайного сигналу, з яким ми стикаємося, який вказує на щось або повідомляє про щось. Графічне подання електронного сигналу дає інформацію про періодичні зміни параметрів, таких як амплітуда або фаза сигналу. Він також надає інформацію про напругу, частоту, період часу і т.д.

Це подання надає деяку форму інформації, що передається, або отриманого сигналу. Така форма сигналу для формування відповідно до певним зміною може мати різні назви, такі як синусоїдальний сигнал, трикутний сигнал, сигнал зубця пилки і сигнал прямокутної форми тощо.

Ці сигнали переважно бувають двох типів, званих односпрямованими і двоспрямованими сигналами.

• Односпрямований сигнал — сигнал, коли він тече лише одному напрямку, який є позитивним чи негативним, такий сигнал називається односпрямованим сигналом. приклад - Імпульсний сигнал.
• Двонаправлений сигнал — сигнал, коли змінюється як і позитивному, і негативному напрямах, пересекающих нульову точку, такий сигнал називається двунаправленным сигналом. приклад синусоїдальний сигнал.

Односпрямований сигнал — сигнал, коли він тече лише одному напрямку, який є позитивним чи негативним, такий сигнал називається односпрямованим сигналом.

приклад - Імпульсний сигнал.

Двонаправлений сигнал — сигнал, коли змінюється як і позитивному, і негативному напрямах, пересекающих нульову точку, такий сигнал називається двунаправленным сигналом.

приклад синусоїдальний сигнал.

У цьому розділі ми збираємось обговорити імпульсні сигнали та їх характерні риси.

Імпульсний сигнал

Форма імпульсу формується швидким або раптовим перехідним переходом від базового значення до більш високого або нижчого значення рівня, яке повертається до того ж базового значення через певний період часу. Такий сигнал можна назвати імпульсним сигналом.

На наступному малюнку показано серію імпульсів.

Імпульсний сигнал - це односпрямований несинусоїдальний сигнал, який схожий на квадратний сигнал, але не є симетричним, як прямокутний сигнал. Послідовність безперервних імпульсних сигналів називається послідовністю імпульсів. Послідовність імпульсів вказує на раптовий високий рівень та раптовий перехід низького рівня від базового рівня, який можна розуміти як ВКЛ/ВИМКЛ відповідно.

Отже, імпульсний сигнал вказує на включення та вимкнення сигналу. Якщо електричний вимикач отримує імпульсний вхід, він вмикається/вимикається відповідно до заданого імпульсного сигналу.Ці перемикачі, що генерують імпульсні сигнали, можуть бути обговорені пізніше.

Терміни, що відносяться до імпульсних сигналів

Існує кілька термінів, пов'язаних з імпульсними сигналами, які слід знати.

З наведеного вище малюнка

• Ширина імпульсу - Довжина імпульсу
• Період сигналу - Вимірювання від будь-якої точки на одному циклі до тієї ж точки на наступному циклі
• Робочий цикл - Відношення ширини імпульсу до періоду.
• Час наростання – час, необхідний підйому з 10% до 90% максимальної амплітуди.
• Час спаду – час сигналу падає від 90% до 10% його максимальної амплітуди.
• Overshoot — Відбувається, коли передній фронт сигналу перевищує його максимальне значення.
• Undershoot — Сказано, що відбувається коли задній фронт сигналу перевищує його нормальне максимальне значення.
• Дзвін — як за недольотом, так і за розмахом ідуть загасаючі коливання, відомі як дзвін.

Ширина імпульсу - Довжина імпульсу

Період сигналу - Вимірювання від будь-якої точки на одному циклі до тієї ж точки на наступному циклі

Робочий цикл - Відношення ширини імпульсу до періоду.

Час наростання - час, необхідний підйому з 10% до 90% максимальної амплітуди.

Час спаду – час сигналу падає від 90% до 10% його максимальної амплітуди.

Overshoot — Відбувається, коли передній фронт сигналу перевищує його максимальне значення.

Undershoot — Сказано, що відбувається коли задній фронт сигналу перевищує його нормальне максимальне значення.

Дзвін — як за недольотом, так і за розмахом ідуть загасаючі коливання, відомі як дзвін.

Затухаючі коливання - це зміни сигналу, які вказують на зменшення амплітуди та частоти сигналу, які не є корисними і небажаними. Ці коливання є простими перешкодами, відомими як дзвін .

У наступному розділі пояснимо концепцію перемикання в електроніці, виконаної з використанням BJT. Ми вже обговорювали перемикання з використанням діодів у нашому посібнику з електронних схем. Будь ласка, зверніться.