Обработки сигналов различными устройствами

Основные функции, выполняемые на основе

в приборах медицинской электроники.

Важнейшие функции, выполняемые различными устройствами в РЭА, направлены на преобразование сигналов, запись и хранение информации, ее отображение, замыкание, размыкание цепей и т. д.

Все радиотехнические сигналы, за исключением случайных, регулярны и выражены определенной функцией времени. Регулярные сигналы разделяются на периодические и непериодические. Периодические сигналы несут информацию только в одном периоде.

Сигналы могут быть синусоидальными, несинусоидальными, прямоугольными, дискретными управляющими сигналами в виде периодической последовательности прямоугольных и трапецеидальных импульсов, случайными сигналами и сигналами, полученными амплитудной модуляцией колебаний несущей частоты.

Синусоидальный сигнал характеризуется амплитудой U_m, периодом T или частотой ω =2π / T, начальной фазой – ψ. Если начало синусоиды смещено по оси на t₀ , но начальная фаза ψ =ω t₀ . Знак этой фазы отрицательный при сдвиге синусоиды вправо. Мгновенное значение синусоидального напряжения U=U_m sin(ω t+ ψ).

Характеристики импульсных сигналов: длительность фронта τ_ф; среза τ_с (заднего фронта); импульса τ; период следования Т_с; частота следования F_с; отношение Т_с / τ , называемое скважностью.

Анализ периодических сигналов производят не только временным способом, но и спектральным, который основан на разложении сигналов в тригонометрический ряд Фурье. Цель временного анализа определить – изменение формы сигнала по отклику цепи на оказываемое воздействие. Спектральный анализ позволяет выявить изменение сигнала по преобразованию спектра данной цепью.

Мгновенное значение сигналов можно записать в виде ряда Фурье:

_{∞ ∞}

U=U₀+∑U'_nm sin nω t+ ∑U''_nm cos nω t

^{n=1 n=1}

где U₀ – постоянная составляющая; U_nm – амплитуда n – гармоники;

U'_nm= U_nm cos ψ_n ; U''_nm= U_nm sin ψ_{n .}

Такая запись удобна для сигнала с четной или нечетной временными функциями. Спектральная функция "четного" сигнала содержит только постоянные и косинусовые составляющие, а "нечетного" – только постоянные и синусовые составляющие. Спектр периодических сигналов не сплошной, а линейчатый, т. е. между соседними линиями спектра имеются "просветы" шириной в частоту следования сигналов F_с = I / Т_с (рис. 1.1).

Фильтрация – это такой вид преобразования сигналов, который предназначен для выделения ряда гармонических составляющих из спектра частот несинусоидальных колебаний. Фильтр должен пропустить колебания в определенном интервале частот, который называется полосой прозрачности, и максимально ослаблять их на других частотах, образующих полосу задерживания, или непрозрачности. Величину ω_с, разделяющую эти полосы, называют частотой среза, или граничной частотой фильтра. Различают фильтры нижних частот (НЧ), ВЧ, полосовые пропускающие (полосовые) и полосовые задерживающие (заграждающие, режекторные) фильтры

U

U_1m

U_2m U_3m F₁ 2F₁ ψ3

0 0 0

t F₁ 2F₁ 3F₁ f ψ₁ ψ₂ 3F₁ f

Т_с

Рис. Форма периодического сигнала и его частотный и фазовый спектры

а) б) в) г)

Рис. Частотные характеристики идеального (а) и реального

фильтров НЧ (б), ВЧ (в) и полосового фильтра (г)

Фильтры на дискретных электрорадиоэлементах (ЭРЭ) строятся в виде цепочки линейных четырехполюсников – Г-образные, Т– образные, П – образные.

Электромеханические фильтры – пьезоэлектрические, магнитострикционные и на поверхностных акустических волнах позволяют получить весьма узкую полосу пропускания, достигающую 0,1% ω_0. В области высоких частотфильтрами могут служить цепи с распределенными параметрами – длинные волны, согласованные с нагрузкой. На высоких частотах фильтр НЧ приобретает свойства интегрирующей цепи.

Усиление сигналов. Усилителем называется четырехполюсник, предназначенный для увеличения за счет энергии источника питания интенсивности колебаний при неизменной, по возможности, их форме. Различают усилители напряжения, тока и мощности. В усилителях напряжения сигнал одновременно усиливается и по мощности. Тем самым усилитель принципиально отличается от трансформатора или колебательного контура, которые способны повышать интенсивность колебаний только по напряжению или току, но не по мощности.

Временная задержка сигнала осуществляется в РЭА с помощью линий задержки (ЛЗ). ЛЗ называется четырехполюсник, который задерживает сигнал на заданное время ( τ_з ) без искажения его формы. Допускается изменение амплитуды сигнала на выходе ЛЗ.

Основными характеристики линий задержки, кроме τ_з являются – полоса пропускания, линейность фазовой характеристики, волновое сопротивление, добротность, коэффициент передачи.

Коммутация и разъединение цепей. В зависимости от вида коммутируемых цепей соединительные изделия подразделяются на 5 групп; низкочастотные, низковольтные соединители (разъемы), высоковольтные соединители, радиочастотные соединители, импульсные соединители и комбинированные соединители.

Электропитание РЭА. К устройствам электропитания предъявляются следующие требования: надежность при различных режимах работы основных блоков РЭА; малые габариты и вес; низкая стоимость составляющих компонентов, высокая стабильность параметров; отсутствие импульсных нагрузок при включении и выключении.

Для выполнения указанных 9 типов преобразований сигналов в аппаратуре и ее устройствах используются элементы с разными электрическими, магнитными и электромагнитными свойствами, соединенные между собой по определенной схеме. В общем случае рекомендуется следующее определение элемента системы: часть системы, выполняющая заданные функции и не подлежащая дальнейшему расчленению на части при данной степени подробности рассмотрения системы. Элементами могут быть детали, узлы, агрегаты, аппараты, машины, приборы. Применительно к РЭА под элементом следует понимать начальную, неразделяемую составную часть целого, выполняющую заданное преобразование сигналов.

Элементы, предназначенные для преобразования сигналов, могут выполнять разные функции и будут рассматриваться ниже. Те элементы РЭА, которые выполняют механические функции (крепление, увеличение жесткости) и не принимают непосредственного участия в преобразовании сигналов, рассматриваться не будут. Каждый элемент основан на определенном принципе действия и описывается электрическими, конструктивно-технологическими, экономическими параметрами и характеристиками.

Совокупность нескольких элементов, объединенных в одной конструктивной единице (микросхема, ее часть, узел, блок и т. д.), и выполняющая заданную функцию, называется компонентом.

Между аппаратурой, элементами и компонентами существует принципиальное отличие, состоящее в том, что аппаратура является человеко-машинной системой, т. е. предназначена для ее самостоятельного использования в условиях эксплуатации персоналом, который обеспечивает функционирование аппаратуры и получение требуемой информации. Элементы и компоненты не предназначены для самостоятельного использования в эксплуатации, но могут быть очень сложными, например, большие интегральные схемы (БИС). Таким образом, элементы аппаратуры входят в сложную многоуровневую иерархическую систему, которой является РЭА. Они представляют начальный (первый) уровень РЭА.

Деление на элементы, компоненты, узлы, блоки и т. д. в зависимости от сложной элементной базы и изделия в целом является условным.