Общие характеристики сигналов

СИГНАЛЫ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

Общие характеристики сигналов

Форма и способы преобразования электрических сигналов неразрывно связаны с принципами построения электронных устройств автоматики и управления и в большой степени определяют их характеристики и особенности.

Электрические сигналы в электронных устройствах по своей физической сути можно разделить аналоговые и дискретные. Аналоговые сигналы представляют собой непрерывные во времени функции напряжения или тока и, в свою очередь, делятся на постоянные и переменные.

Постоянные аналоговые сигналы представляют собой однополярные медленно изменяющиеся во времени напряжения или токи.

Переменными аналоговыми сигналами называются функции напряжения или тока, изменяющиеся во времени как по амплитуде, так и по знаку. Частным случаем переменного сигнала является гармонический или синусоидальный.

Дискретными называются такие электрические сигналы, которые представляют собой разрывные во времени функции напряжения или тока и могут принимать ограниченное число уровней. Наиболее часто в электронике используются дискретные сигналы, которые имеют только два уровня – высокого напряжения (тока) и низкого напряжения (тока). Такие сигналы называют импульсными или двоичными. Представление информации с помощью таких сигналов имеет ряд преимуществ, обусловленных высокой надежностью и простотой устройств, которыми они генерируются и преобразуются. Два дискретных значения, которые принимают двоичные сигналы, обычно обозначают двумя цифровыми символами – «1» и «0». Поэтому двоичные дискретные сигналы также называют цифровыми, а раздел электроники, изучающий формирование, преобразование и передачу двоичных сигналов – цифровой техникой.

Аналоговая или дискретная формы представления электрических сигналов существенно влияют на принципы построения и особенности работы электронных устройств, которые формируют, усиливают и преобразуют эти сигналы.

Электронные устройства, оперирующие с аналоговыми сигналами, как правило, работают в линейном режиме и составляют класс аналоговых устройств. Особенность их заключается в том, что входные и выходные сигналы связаны линейными или близкими к линейным зависимостями. Примерами аналоговых устройств являются усилители постоянных, переменных и импульсных сигналов, работающие без насыщения, активные фильтры, генераторы гармонических сигналов, линейные электрические цепи с сосредоточенными или распределенными параметрами типа R, L, С, импульсные трансформаторы, работающие в линейном режиме без насыщения, линии задержки и т. п.

Линейные элементы используются для усиления, фильтрации, дифференцирования, интегрирования, укорочения, расширения и других преобразований аналоговых и дискретных сигналов.

Электронные устройства, оперирующие с дискретными сигналами, работают в существенно нелинейном режиме. Основу их структуры составляют нелинейные (ключевые) элементы, которые осуществляют под воздействием управляющих сигналов различные коммутации, подключение и отключение пассивных и активных элементов, источников питания и т. п. В статическом режиме ключевая схема находится в одном из двух состояний – замкнутом (включенном) или разомкнутом (выключенном). Коммутации ключа создают на его выходе перепады напряжения с амплитудой, близкой к амплитуде источника питания. Тем самым на выходе ключа формируется последовательность импульсных сигналов, форма которых зависит как от скорости переключения ключа, так и от параметров линейных элементов, входящих в схему.

Цифровые устройства осуществляют логическое преобразование сигналов, их запоминание, суммирование; шифрацию и дешифрацию цифровых кодов; деление частоты импульсов, а также ряд других операций. Цифровые устройства играют ведущую роль во многих областях науки и техники, и, прежде всего в автоматике, телемеханике, вычислительной технике, спутниковой связи, радиолокации, робототехнике, телевидении, системах радио и проводной связи. Это объясняется тем, что элементы и узлы цифровой техники благодаря широкому применению в них ключевых режимов при существующем уровне развития электроники являются наиболее надежными, помехоустойчивыми и поэтому позволяют обеспечить высокую надежность работы сложных аппаратных комплексов, например АСУ, робототехнических систем, гибких автоматизированных производств, вычислительных машин.

Важным фактором, определяющим широкое внедрение цифровой техники, является также ее экономическая эффективность, которая, с одной стороны, определяется технологичностью при изготовлении и простотой при настройке и эксплуатации, а с другой – возможностью решения задач, невыполнимых ранее на базе узлов аналоговой техники.

Элементы и узлы цифровой техники при правильном проектировании не требуют индивидуальной регулировки и настройки, позволяют организовать массовое производство с применением современных средств автоматизации, сократить затраты труда и получить большой экономический эффект.

Цифровые устройства достаточно просто подвергаются автоматизации проектирования, для них легко строятся математические модели, которые с высокой степенью точности соответствуют характеристикам реальных устройств, они достаточно просто перестраиваются (перепрограммируются) на реализацию других функций. Цифровая техника позволяет также широко использовать микроминиатюризацию, уменьшить массу и габаритные размеры аппаратуры, что в ряде случаев является одним из решающих факторов при проектировании.

Импульсная и цифровая техника, будучи тесно связаны друг с другом, отражают различные характеристики функционирования одних и тех же устройств. Импульсные сигналы являются носителями цифровой информации, причем импульсная техника занимается формированием, усилением и преобразованием импульсных сигналов по их физическим параметрам (длительности, частоте, амплитуде, мощности), а цифровая техника, абстрагируясь от этих физических параметров, занимается преобразованием информации, которую несут в себе последовательности импульсных сигналов, чередование высоких и низких уровней напряжения или совокупности различных напряжений, выраженных условными параметрами 0 или 1, Ā или А и т. д. Импульсные сигналы являются, таким образом, носителями цифровой информации, а импульсные устройства лежат в основе реализации любых цифровых схем.

Различная физическая суть импульсных и цифровых сигналов предопределяет и различные методы их исследования и описания.

В основе анализа и синтеза импульсных устройств, которые представляют собой электрические и электронные цепи, лежат известные законы электрических и электромагнитных цепей, дополненные электрическими моделями отдельных электронных элементов, представляющих собой совокупность пассивных элементов и источников напряжения. В основе анализа и синтеза цифровых устройств, состояние которых описывается абстрагированными от конкретных физических параметров переменными и функциями, лежат методы дискретной математики, алгебры логики и теории цифровых автоматов.

Информация, передаваемая с помощью электрических сигналов, заключается в изменении их электрических параметров и формы или в условном взаимном расположении элементов этих сигналов.

При передаче информации путем изменения физических параметров электрических сигналов в качестве информативного параметра могут использоваться амплитуда, частота или фаза гармонического сигнала, амплитуда, полярность, длительность импульса или паузы.