1. Электрические сигналы
Сигнал − это физический носитель сообщения о каких-либо событиях, состояниях объекта, командах управления и т. п. Сигнал имеет две стороны: содержание и форму. Содержание определяется сообщением (информацией). Форма сигнала определяется характером изменения его параметров, в соответствии с информацией, которая подлежит передаче или хранению. Выбор той или иной формы представления информации называется кодированием и зависит от способа ее дальнейшей обработки. Обратная операция − выявление закодированной в сигнале информации − называется декодированием.
Наряду с сигналами в исследованиях электронных устройств широко применяют воздействия − сигналы специального вида. Их подбирают так, чтобы нужные характеристики устройств получались наиболее просто (чаще всего это воздействия вида единичного скачка, либо дельта-функция).
В рассматриваемых электронных цепях носителями информации являются электрические колебания. Процесс изменения параметров электрических колебаний принято называть модуляцией. Модуляция может быть выполнена различными способами. Если сообщение передается за счет непрерывного изменения параметра электрических колебаний, то говорят о непрерывной, или аналоговой, модуляции. При этом переносчиком информации (информативным параметром колебаний) могут быть амплитуда, частота, фаза или их комбинация. На рис. 1.1 приведены наиболее употребительные в автоматике сигналы для передачи непрерывных величин. Это могут быть напряжение или ток с медленноменяющимся уровнем и изменяющимся направлением (рис 1.1, а), либо гармонические колебания с изменяющейся амплитудой (AM) (рис 1.1,б), частотой (ЧМ) или фазой (ФМ), (рис 1.1, в), или с тем и другим одновременно (АФМ) (рис 1.1, г). Амплитудно-фазовая модуляция характерна для устройств автоматики, где значение входного воздействия определяет амплитуду гармонических колебаний, а изменение знака этого воздействия на противоположный меняет на 180° фазу колебаний. Синусоидальные колебания высокой, так называемой несущей, частоты играют роль переносчика информации. Передаваемый низкочастотный сигнал заложен в изменениях какого-либо параметра колебаний несущей частоты. Обратное преобразование − отделение сигнала от его переносчика называют демодуляцией или детектированием
Рисунок 1.1 − Сигналы для передачи непрерывных величин:
В качестве переносчика сигнала можно использовать не только постоянный (медленно-меняющийся) или синусоидальный ток. Поскольку В.А. Котельниковым [1] было показано, что для большинства непрерывных функций достаточно передать определенный ряд их мгновенных значений, чтобы на приемном конце системы связи можно было восстановить первоначальную функцию х(t) с наперед заданной точностью, для передачи сообщения можно также использовать периодические последовательности импульсов, обычно прямоугольной формы (рис. 1.2). Применяют амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ) (рис.1.2, в), частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ) (рис.1.2, е), фазо-импульсную модуляцию (ФИМ) (рис. 1.2, г), широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) (рис. 1.2, д). Здесь исходная информация передается за счет модуляции длительности импульсов tи при постоянной частоте следования импульсов.
Рисунок 1.2 − Периодическая последовательность прямоугольных импульсов
Как правило, модуляция-демодуляция используется там, где необходимо через один физический канал передавать одновременно несколько сообщений, т.е. осуществить «уплотнение канала». Таким образом, например, можно по одной паре проводов передать телефонный разговор нескольких пар абонентов, или информацию в систему управления от нескольких датчиков. При выборе типа модуляции необходимо учитывать как достоинства, так и недостатки, присущие каждому типу. Так амплитудная модуляция (АМ), которая широко используется, например, для вещательных станций в диапазонах длинных, средних и коротких волн, а также в трехпрограммной ретрансляционной радиосети отличается простотой реализации устройств и передатчика и приемника (генератора несущей частоты, модулятора, демодулятора, усилителя). Сигналы, прошедшие процедуру амплитудной модуляции можно смешивать и передавать в один общий канал связи, а в приемнике выделить из пришедшей смеси свой сигнал с помощью частотного фильтра, и затем демодулировать его. Но такой способ передачи информации отличается низкой помехоустойчивостью. На полезный сигнал легко накладываются помехи от атмосферных электрических разрядов, промышленных электрических сетей. Кроме того, качество приема сильно зависит от свойств проводящей среды (атмосферы или проводной линии), которые изменяют амплитуду принимаемого сигнала, и могут иметь сильные колебания, например, суточной или годовой периодичности.
Частотная модуляция по помехоустойчивости значительно превосходит АМ, поскольку частоту принимаемого сигнала невозможно изменить колебаниями электрических и магнитных свойств проводящей среды. Но требования к точности работы передающей и приемной аппаратуры гораздо выше, что влечет повышение сложности и удорожание аппаратуры. ЧМ используется в УКВ (ФМ) диапазоне радиовещания и в телевидении.
Фазовая модуляция позволяет еще больше уплотнить канал, поскольку несущие частоты передатчиков требуется разносить на значительно меньшую величину. Однако ФМ требует еще большей точности и стабильности аппаратуры. Кроме того ФМ уже «чувствует» скорость взаимного перемещения приемника и передатчика (эффект Доплера).
Импульсная модуляция обладает рядом преимуществ, важнейшее из которых – экономичность. Если в аналоговой модуляции усилительные элементы практически все время работают в активном режиме, рассеивая в виде тепла до 50% энергии источника питания, то в режиме импульсной модуляции транзисторы работают в режиме ключа. Особенность этого режима заключается в том, что усилительный элемент (транзистор) большую часть времени находится либо в режиме отсечки, когда ток через него практически равен нулю, либо в режиме насыщения, когда напряжение на открытом транзисторе составляет десятые доли вольт. И в том и в другом случае доля мощности, рассеиваемая на транзисторных ключах не превышает 10% от мощности, потребляемой устройством от источника питания.
Переход к импульсным системам позволяет простыми аппаратными средствами достичь уплотнения канала за счет введения, так называемого релейного режима связи. Для этого все N непрерывных сигналов подвергаются, например, амплитудно-импульсной модуляции. Затем в канал циклически посылается по одному импульсу от 1, 2, …, N источника сигнала последовательно. В канале образуется смесь импульсов, «принадлежащих» разным источникам. Чтобы восстановить на приемной стороне исходную информацию необходимо выбирать из канала «свои» импульсы в такой же последовательности, в какой они посылались (что требует соответствующей синхронизации работы всей системы), и подвергнуть их демодуляции. Особо необходимо отметить, что нарушение порядка выборки «своих» импульсов приводит к полному хаосу на принимающей стороне. Эта особенность может использоваться для «засекречивания» информации.
Система частотно-импульсной модуляции обладает значительно большей помехоустойчивостью, но не допускает вышеописанного способа уплотнения канала.
Фазо-импульсная модуляция лишена недостатков АИМ и ЧИМ, но требует очень точной синхронизации и высокой стабильности работы передающей и принимающей аппаратуры.
Широтно-импульсная модуляция не имеет прототипа в аналоговой модуляции. Благодаря простоте реализации и высокой помехоустойчивости ШИМ получила широкое распространение в устройствах автоматики. Заметим, что в ряде систем автоматики передаваемые импульсы могут иметь высокочастотное заполнение. Сначала непрерывный сигнал подвергается, например, широтно-импульсной модуляции, а затем полученным видеоимпульсом модулируют высокочастотный гармонический сигнал, т.е. используется комбинация импульсной и аналоговой модуляции.
Сообщение может быть также передано в виде кода, т.е. составленных по определенным правилам комбинаций дискретных сигналов (импульсов). В этом случае передаваемая информация не зависит от частоты, амплитуды и длительности импульсов.
Наконец, сообщение может быть передано в цифровой форме, когда оно описывается упорядоченной совокупностью цифр с конечным (заранее выбранным) числом разрядов. В свою очередь, каждая цифра может быть закодирована определенной комбинацией импульсов.
При кодировании передаваемая информация не зависит от частоты, амплитуды и длительности импульсов. Процесс кодирования неразрывно связан с преобразованием непрерывных величин в дискретные. Такое преобразование основывается на операциях дискретизации (квантования по времени), квантования по уровню и совокупности этих операций − комбинированному квантованию.
Дискретизация, или квантование по времени, представляет собой преобразование непрерывного сигнала х (t) (рис. 1.3) в последовательность мгновенных значений этого сигнала хд (kT), соответствующих определенным, обычно равноотстоящим, или переменным отрезкам времени Т. Промежуток времени между двумя соседними моментами дискретизации называется шагом дискретизации или шагом квантования по времени.
Рисунок 1.3 – Дискретизация по времени
Шаг квантования Т выбирается таким образом, чтобы дискретная функция по возможности точно отражала непрерывную функцию. Иначе говоря, чтобы при квантовании как можно меньше терялась информация, содержащаяся в непрерывной функции. Согласно теореме Котельникова, функция времени х (t), не содержащая составляющих частоты выше f Гц, полностью определяется своими значениями в моменты времени, отстоящими друг от друга на 1/2f секунд. И если полезный сигнал х (t) не содержит частот выше f, то, после квантования с шагом Т = 1/2f, можно быть уверенным, что дискретная функция точно отобразит непрерывную функцию, т. е. потери информации при квантовании не произойдет, т. е.
(1.1)
где k =1, 2, …, n.
Квантование по уровню − это преобразование непрерывно изменяющейся величины в ступенчато изменяющуюся с заданными постоянными или переменными размерами ступеней (рис. 1.4). Ступенью квантования, или шагом квантования по уровню Х, называется разность между двумя соседними заданными значениями квантованной величины.
Рисунок 1.4 – Квантование по уровню
Число разрешенных уровней квантования т определяется максимальным уровнем сигнала Хmaх и шагом квантования по уровню Х по формуле:
т = Хmaх / Х. (1.2)
При комбинированном квантовании непрерывный сигнал x (t) квантуется по времени и по уровню, т.е. функция непрерывного сигнала заменяется дискретными значениями в моменты времени, отстоящими друг от друга на шаг квантования по времени Т, их амплитуды определяются ближайшими уровнями квантования.
Восстановление квантованного сигнала получается с погрешностью, которая определяется разностью между значениями квантованных дискретных импульсов и функцией непрерывного сигнала в точках отсчета. Погрешность квантования, или шум квантования, принято приближенно оценивать мощностью шума квантования σ 2 =U 2 /12.
Дискретное кодирование непосредственно используется в дельта-модуляции (ДМ) и импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). При ДМ непрерывный исходный сигнал x (t) аппроксимируется следящим ступенчатым сигналом G (t) (рис. 1.5). Степень соответствия функций x (t) и G (t) определяется значениями шагов квантования по времени Т и по уровню Х. В соответствии с функцией ступенчатого сигнала G (t) в моменты ее скачкообразного изменения получают модулированный сигнал хдм в виде одиночных импульсов (постоянной длительности и амплитуды) положительной или отрицательной полярности в соответствии с направлением изменения функции G (t). Импульсы отражают знак разности между текущей выборкой и ее прогнозированным значением, в качестве которого берется квантованное значение предшествующей выборки. Таким образом, при ДМ значение сообщения в каждой точке кодируется одноразрядным двоичным кодом.
При ИКМ непрерывный сигнал х (t) предварительно квантуется по времени и по уровню, а затем каждому дискретному значению уровня сигнала присваивается соответствующая кодовая комбинация. Таким образом, исходное сообщение передается кодовыми комбинациями, соответствующими дискретным значениям, которые отражают непрерывный сигнал х (t).
Количество единичных элементов кодовой комбинации п определяется основанием кода и количеством уровней квантования T. Так как, для ИКМ обычно используется двоичный код, то
п = log2m. (1.3)
Величина шага квантования по времени Т выбирается в соответствии с теоремой Котельникова, а количество уровней квантования т − необходимой степенью точности воспроизведения сигнала с учетом того, что значение п должно быть целым числом. Примером является ИКМ с использованием трехразрядного двоичного кода п = 3, где наличие импульса соответствует числу 1, а отсутствие − 0. Модулируемый непрерывный сигнал х (t) разбит на 2 n = 2 3 = 8 уровней. Каждому уровню соответствует свой двоичный код. На временной оси этот код отражается комбинацией из трех импульсов, каждый из которых в соответствии с занимаемой позицией на одном отрезке квантования Т имеет свой «вес»: 2°, 2 1 или 2 2 . Наличие на данном шаге квантования импульсов с тем или иным весом определяет уровень квантования. Например, при наличии всех трех импульсов (двоичный код 111) уровень квантования равен 7.
Рисунок 1.5 – Дельта-модуляция
Выбирая метод дискретизации, необходимо учитывать особенности последующей передачи информации. Так, при дискретизации по времени канал связи легко мультиплексировать. Но канал будет периодически задействоваться, даже если никакой новой информации о состоянии объекта передаваться и не будет. Например, если измерять температуру объекта, которая в силу неизменности внешних условий на длительное время застабилизировалась, то многократные сообщения о температуре объекта ничего нового содержать не будут. С другой стороны, при квантовании по уровню достигается высокая экономичность устройства, хотя канал мультиплексировать намного труднее, и длительное «молчание» в этом случае можно спутать с отказом датчика или передающей аппаратуры.
К характеристикам, с помощью которых обычно описываются электрические сигналы, относят динамический диапазон, время установления и ширина спектра сигнала. Динамическим диапазоном называют отношение наибольшей мгновенной (так называемой пиковой) мощности сигнала к его наименьшей (пороговой) мощности. Помимо сигналов, несущих нужную информацию, из окружающего пространства поступают посторонние электромагнитные сигналы, так называемые шумы и помехи, которые подавляют, маскируют полезный сигнал. Для удовлетворительного приема сообщений необходимо иметь возможность различать полезный сигнал на фоне помех и шумов, что диктует ограничения по наименьшей (пороговой) мощности полезного сигнала. Говорят о необходимом отношении сигнал-помеха, точнее − отношении средних мощностей сигнала и помехи. Необходимо повышать его за счет повышения энергии передаваемого сигнала и снижения уровня помехи, хотя чрезмерное увеличение мощности сигнала может привести к искажению его формы, а следовательно, и содержащейся в нем информации из-за ограниченной выходной мощности систем передачи. Появление таких искажений ставит предел наибольшей (пиковой) мощности сигнала.
Оценка по времени установления, т. е. времени, в течение которого сигнал (с заданной точностью) достигает установившегося значения, необходима для суждения об искажениях, которые могут возникнуть из-за инерционности реальных датчиков, устройств передачи и приема сигналов. Подобные оценки получают двояким способом: заданием либо функции времени (временной характеристики), описывающей реальный процесс, либо ряда гармонических колебаний, т, е. спектра, который есть функция частоты. Оба представления равносильны и взаимно дополняют друг друга, а переход от одного к другому осуществляется с помощью прямого и обратного преобразований Фурье и Лапласа.
Например, назначение всякого фильтра состоит в том, чтобы пропустить колебания одних частот и задержать колебания других частот. Поэтому свойства фильтра принято описывать с помощью спектральных представлений. Если разработчика интересуют искажения формы импульсов в цифровых схемах преобразования или передачи импульсов, то их удобно представить функциями времени. Таким образом, выбор способа описания системы зависит не столько от ее устройства, сколько от ее назначения.
Электрический сигнал
Сигнал — это физический процесс, содержащий в себе некоторую информацию. На практике чаще всего используются электрические сигналы. При этом носителем информации является изменяющиеся во времени ток или напряжение в электрической цепи. Электрические сигналы легче обрабатывать, чем другие, они хорошо передаются на большие расстояния. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несет полезную информацию, является шум — обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путем сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учетом шума.
Выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы.
Содержание
Аналоговый сигнал (АС)
Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.
Пример АС — гармонический сигнал — s(t) = A·cos(ω·t + φ).
Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.
Дискретный сигнал
Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчетами. Δt называется интервалом дискретизации.
Квантованный сигнал
При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N-1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичный чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log2(N).
Цифровой сигнал
Для того чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое «Электрический сигнал» в других словарях:
электрический сигнал — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN electric signal … Справочник технического переводчика
Электрический сигнал АЭ — 1.4.2. Электрический сигнал АЭ D. Elektrischen Schallemissionssignal E. Electrical AE signal Электрический сигнал на выходе приемного преобразователя, возникающий при воздействии на него механического сигнала АЭ Источник: МИ 198 79: Акустическая… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
электрический сигнал — elektrinis signalas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electrical signal vok. elektrisches Signal, n rus. электрический сигнал, m pranc. signal électrique, m … Fizikos terminų žodynas
электрический сигнал акустической эмиссии — Сигнал АЭ на выходе преобразователя АЭ. [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология неразрушающего контроля. Термины и определения (справочное пособие). Москва 2003 г.] электрический сигнал акустической эмиссии Электрическое… … Справочник технического переводчика
электрический сигнал типа, стандартизованного в Рекомендации МСЭ-Т G.703, со скоростью передачи порядка q — электрический сигнал типа стандартизованного в Рекомендации МСЭ Т G.703, со скоростью передачи порядка q (q = 11, 12, 21, 22, 31, 32, 4) (МСЭ Т G.783). [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные… … Справочник технического переводчика
электрический силоизмеритель испытательной машины — Силоизмеритель, в котором измеряемое усилие преобразуется в электрический сигнал, воздействующий на показывающий или регистрирующий прибор. Примечание В зависимости от вида преобразователя электрические силоизмерители могут быть: тензометрические … Справочник технического переводчика
электрический — 3.45 электрический [электронный, программируемый электронный]; Е/Е/РЕ (electrical/electronic/ programmable electronic; Е/Е/РЕ) основанный на электрической и/или электронной, и/или программируемой электронной технологии. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
сигнал — 3.4 сигнал (signal): Воздействие на органы чувств оператора, характеризующее состояние или изменение состояния производственного оборудования. Настоящий стандарт описывает сигналы, распознаваемые органами зрения (видеодисплей), слуха… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
электрический импульс — 4.20 электрический импульс (elektrischer Impuls): Электрический сигнал (напряжение, ток или сопротивление), который за ограниченный промежуток времени отклоняется от начального значения, а затем возвращается к этому значению. Источник: ГОСТ Р ЕН… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
сигнал акустической эмиссии — 3.8 сигнал акустической эмиссии: «Полезный» сигнал, возбуждаемый дефектом в процессе АЭ контроля и имеющий акустическую природу. Источник: ГОСТ Р 52727 2007: Техническая диагностика. Акустико эмиссионная диагностика. Общие требования … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
4 Формы и характеристики электрических сигналов, Исследование формы сигнала
Часто в электронных схемах требуется сгенерировать разные типы сигналов, имеющих различные частоты и формы, такие как меандры, прямоугольные, треугольные, пилообразные сигналы и различные импульсы.
Эти сигналы различной формы могут использоваться в качестве сигналов синхронизации, тактирующих сигналов или в качестве запускающих синхроимпульсов. В первую очередь необходимо понять основные характеристики, описывающие электрические сигналы.
С технической точки зрения, электрические сигналы являются визуальным представлением изменения напряжения или тока с течением времени. То есть, фактически — это график изменения напряжения и тока, где по горизонтальной оси мы откладываем время, а по вертикальной оси — значения напряжения или тока в этот момент времени. Существует множество различных типов электрических сигналов, но в целом, все они могут быть разбиты на две основные группы.
- Однополярные сигналы — это электрические сигналы, которые всегда положительные или всегда отрицательные, не пересекающие горизонтальную ось. К однонаправленным сигналам относятся меандр, тактовые импульсы и запускающие импульсы.
- Двухполярные сигналы — эти электрические сигналы также называют чередующимися сигналами, так как они чередуют положительные значения с отрицательными, постоянно пересекая нулевое значение. Двухполярные сигналы имеют периодическое изменение знака своей амплитуды. Наиболее распространенным из двунаправленных сигналов, является синусоидальный.
Будучи однонаправленными, двунаправленными, симметричными, несимметричными, простыми или сложными, все электрические сигналы имеют три общие характеристики:
- Период — это отрезок времени, через который сигнал начинает повторяться. Это временное значение также называют временем периода для синусоид или шириной импульса для меандров и обозначают буквой T.
- Частота — это число раз, которое сигнал повторяет сам себя за период времени равный 1 секунде. Частота является величиной, обратной периоду времени, ( *** QuickLaTeX cannot compile formula: f = 1/T *** Error message: Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.) These links might help in finding solution: https://wordpress.org/extend/plugins/core-control/ https://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37 ). Единицей измерения частоты является Герц (Гц). Частотой в 1Гц, обладает сигнал, повторяющий 1 раз за 1 cекунду.
- Амплитуда — это величина изменения сигнала. Измеряется в Вольтах (В) или Амперах (А), в зависимости от того, какую временную зависимость (напряжения или тока) мы используем.
См. также
- Электрический сигнал
- Вольтметр
- Амперметр
- Частотометр
- Спектрометр
- фигуры Лисажу
- метод калиброванных шкал;
- компенсационный метод;
- метод сравнения.
- Метод интерференционных фигур (фигур Лисажу)
- Метод круговой развертки с модуляцией яркости
К сожалению, в одной статье не просто дать все знания про исследование формы сигнала. Но я — старался. Если ты проявишь интерес к раскрытию подробностей,я обязательно напишу продолжение! Надеюсь, что теперь ты понял что такое исследование формы сигнала,форма сигнала и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ
Что такое сигнал?
Сигнал — это что-то такое, что можно передать через пространство и время. Итак, какие условия должны быть, чтоб назвать сигнал «сигналом»?
Во-первых, сигнал должен кем-либо создаваться (генерироваться).
Во-вторых, сигнал должен для кого предназначаться.
В-третьих, кто-то должен принять этот сигнал и сделать для себя какие-либо выводы, то есть правильно трактовать сигнал.
Окунемся в Дикий Запад.
Думаю, не секрет, что индейцы разжигали костер, и дым от костра использовался для передачи сигнала. Значит, в нашем случае костер — генератор сигнала. Итак, первый пункт работает). Для кого же был предназначен дым от костра? Для ковбоев? Конечно же нет! Для своих же индейцев. Значит, работает пункт два. Ну ладно, вы увидели два столба дыма, возвышающихся в небо. Вам это что-то говорит? Кто-то, наверное, жарит шашлыки? Может быть. Но если вы подойдете к этим кострам, то шашлык сделают именно из вас). Для индейцев эти два столба дыма означали, что их отряд благополучно поохотился на ковбоев ;-). Ну вот и выполнилось третье правило ;-).
Время и электрический сигнал
Как я уже сказал, сигнал передается во времени и в пространстве. То есть время — важный параметр для электрического сигнала. Сейчас нам придется немного попотеть и вспомнить курс математики и физики за среднюю школу. Вспоминаем декартову систему координат. Как вы помните, по вертикали мы откладывали ось Y, по горизонтали Х:
В электронике и электротехнике по Х мы откладываем время, назовем его буквой t, а по вертикали мы отложим напряжение, обозначим его буквой U. В результате наша система координат будет выглядеть вот таким образом:
Прибор, который показывает нам изменение напряжения во времени называется осциллографом, а график этого напряжения называется осциллограммой. Осциллограф может быть цифровым:
Передача электрических сигналов
Итак, для передачи сигнала через пространство мы будем использовать провода. Чуть выше мы разобрали условия возникновения сигнала. Значит, первым делом, нам нужен генератор этих сигналов! То есть это может быть какая-либо батарея или схемка, которая бы генерировала электрический ток. Далее, должен быть кто-то, кто бы принимал этот сигнал. Это может быть какая-нибудь нагрузка, типа лампочки, нагревательного элемента или целой схемы, которая бы принимала этот сигнал. Ну и в-третьих, нагрузка должна как-то среагировать на этот сигнал. Лампочка должна источать свет, нагревательный элемент — греться, а схема исполнять какую-либо функцию.
Как вы поняли из всего выше сказанного, главный козырь сигнала — это его генератор. Итак, как мы уже разобрали, по проводам можно передавать два параметра электрического тока — это напряжение и сила тока. То есть мы можем создать генератор, который бы менял или свое напряжение или силу тока в нагрузке, которая бы цеплялась через провода к этому генератору. В основном в электронике используют именно параметр «напряжение», так как напряжение легко получить и менять его значение.
Электрический сигнал
Но что же из себя представляет электрический сигнал? Терзают меня смутные сомнения, что где-то здесь замешан электрический ток :-). Чем характеризуется электрический ток? Ну конечно же, напряжением и силой тока. Самое примечательное, что электрический ток очень удобно передавать через пространство с помощью проводов. В этом случае его скорость распространения будет равна скорости света. Хотя и электроны в проводнике движутся со скоростью всего несколько миллиметров в секунду, электрические поле охватывает сразу весь провод со скоростью света! А как вы помните, скорость света равна 300 000 километров в секунду! Поэтому, электрон на другом конце провода практически сразу придет в движение.
Виды электрических сигналов
Постоянный ток
Какой же электрический сигнал является самым простым сигналом в электронике? Я думаю, это сигнал постоянного тока. А что значит постоянный ток? Это ток, значение напряжения которого не меняется с течением времени.Как же он выглядит на нашем графике? Примерно вот так:
Здесь мы видим сигнал постоянного тока в 3 вольта.
По вертикали у нас напряжение в вольтах, а по горизонтали — ну, скажем, в секундах. Постоянный ток с течением времени всегда имеет одно и то же значение напряжения, поэтому, неважно, в секундах или в часах у нас идет отсчет по времени. Напряжение ни прыгнуло, ни упало. Оно как было 3 Вольта, так и осталось. То есть можно сказать, что сигнал постоянного тока представляет из себя прямую линию, параллельную оси времени t.
Вот так выглядит сигнал постоянного тока на аналоговом осциллографе
Какие же генераторы электрического тока могут выдать такой сигнал постоянного напряжения?
Это, конечно же различные батарейки
аккумуляторы для мобильного телефона
и другие химические источники тока.
В лабораторных условиях проще получить постоянное напряжение из переменного. Прибор, который это умеет делать, называется лабораторным блоком питания постоянного напряжения.
Шумовой сигнал или просто шум
А что будет, если напряжение будет принимать хаотическое значение? Получится что-то типа этого:
Такой электрический сигнал называется шумом.
Думаю, некоторые из вас впервые видят осциллограмму шума, но я уверен на 100%, что все слышали звучание этого сигнала ;-). Ну-ка нажмите на Play 
Шипение радиоприемника или старого ТВ, не настроенного на станцию или на какой-нибудь канал — это и есть шум alt=»;-)» height=»» />Как бы странно это не звучало, но такой сигнал тоже очень часто используется в электронике. Например, можно собрать схемку глушителя частот, который бы гасил все телевизионные и радиоприемники в радиусе километра). То есть генерируем шумовой сигнал, усиливаем его и подаем в эфир alt=»;-)» height=»» />В результате глушим всю приемопередающую аппаратуру.
Синусоидальный сигнал
Синусоидальный сигнал — самый любимый сигнал среди электронщиков.
Все любят качаться на качелях?
Здесь мы видим девочку, которая с радостью на них качается. Но предположим, она не знает фишку, что можно раскачаться самой, вовремя сгибая и разгибая ноги. Поэтому, пришел папа девочки и толкнул дочку вперед.
Ниже на графике как раз показан этот случай
Как вы видите, траектория движения девочки во времени получилась очень забавной. Такой график движения носит название «синусоида«. В электронике такой сигнал называют синусоидальным. Вроде бы до боли самый простой график, но вы не поверите, именно на такой простой синусоиде строится вся электроника.
Так как синусоидальный сигнал повторяет свою форму на протяжении всего времени, то его можно назвать периодическим. То есть вы периодически обедаете — периодами — равными отрезками времени. Тут то же самое. Этот сигнал периодически повторяется. Важные параметры периодических сигналов — это амплитуда, период и частота.
Амплитуда (A) — максимальное отклонение напряжения от нуля и до какого-то значения.
Период (T) — время, за которое сигнал снова повторяется. То есть если вы сегодня обедаете в 12:00, завтра тоже в такое же время, в 12:00, и послезавтра тоже в это же самое время, значит ваш обед идет с периодом в 24 часа. Все элементарно и просто
Частота (F) — это просто единичка, поделенная на период, то есть
Измеряется в Герцах. Объясняется как «столько-то колебаний в секунду». Ну пока для начала хватит ;-).
Как я уже сказал, в электронике синусоида играет очень большую роль. Даже не надо далеко ходить. Достаточно сунуть паль… щупы осциллографа в свою домашнюю розетку, и можно уже наблюдать синусоидальный сигнал, частотой в 50 Герц и амплитудой в 310 Вольт.
Прямоугольный сигнал
Очень часто в электронике используется и прямоугольный сигнал:
Прямоугольный сигнал на рисунке ниже, где время паузы и время длительности сигнала равны, называется меандром.
Треугольный сигнал
Близкие друзья синусоидального сигнала — это треугольный сигнал
У треугольного сигнала есть очень близкий кореш — это пилообразный сигнал
Сложный сигнал
В электронике также используются сложные сигналы. Вот, например, один из них (я нарисовал его от балды):
Все эти сигналы относятся к периодическим сигналам, так как для них можно указать период, частоту следования и амплитуду самих сигналов:
Двухполярные сигналы
Для сигналов, которые «пробивают пол», ну то есть могут иметь отрицательное значение напряжения, типа вот этих сигналов
кроме периода и амплитуды имеют еще один параметр. Называется он размах или двойная амплитуда. На буржуйском языке это звучит как amplitude Peak-to-peak, что в дословном переводе » амплитуда от пика до пика».
Вот двойная амплитуда для синусоиды (2А)
а вот для треугольного сигнала:
Чаще всего обозначается как 2А, что говорит нам о том, что это двойная амплитуда сигнала.
Импульсные сигналы
Также существуют сигналы, которые не подчиняются периодическому закону, но тоже играют немаловажную роль в электронике.
Импульсы — это те же самые сигналы, но они не поддаются периодическому закону, и меняют свое значение, в зависимости от ситуации.
Например, вот череда импульсов:
Каждый импульс имеет разную длительность во времени, поэтому мы не можем говорить о какой-то периодичности сигналов.
Звуковой сигнал
Также есть и звуковой сигнал
Хоть он и похож на белый шум, но несет информацию в виде звука. Если такой электрический сигнал подать на динамическую головку, то можно услышать какую-либо запись.
4 Формы и характеристики электрических сигналов, Исследование формы сигнала
К сожалению, в одной статье не просто дать все знания про исследование формы сигнала. Но я — старался. Если ты проявишь интерес к раскрытию подробностей,я обязательно напишу продолжение! Надеюсь, что теперь ты понял что такое исследование формы сигнала,форма сигнала и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ
Общие характеристики сигналов
Стр 1 из 92Следующая ⇒
ГЛАВА 1
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.
Аналоговый сигнал (АС)
Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.
Пример АС — гармонический сигнал — s(t) = A·cos(ω·t + φ).
Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.
Применение цифрового сигнала
Рассматривая виды передачи сигналов, необходимо сказать о том, где применяется цифровой вариант. Чем же отличается он от многих других при передаче и при использовании? Дело в том, что, поступая в ретранслятор, он полностью регенерируется.
Когда в оборудование поступает сигнал, который в процессе передачи получил шумы и помехи, он сразу же форматируется. Благодаря этому телевышки могут сформировать сигнал заново, избегая использования шумового эффекта.
Аналоговая связь в этом случае будет намного лучше, так как при получении информации с большим количеством искажений, ее можно извлечь хотя бы частично. Если говорить о цифровом варианте, то это невозможно. Если более 50 % сигнала будет иметь шум, то можно считать, что информация полностью утрачена.
Многие люди, обсуждая сотовую связь, причем совершенно разных форматов и способов передачи, говорили, что иногда практически невозможно разговаривать. Люди могут не слышать слова или же фразы. Такое может происходить только на цифровой линии, если имеется шум.
Если говорить об аналоговой связи, то в этом случае разговор будет можно продолжать далее. Из-за таких неполадок ретрансляторы формируют сигнал всегда по новой, для того чтобы сократить разрывы.
Сигнал
Рассмотрим виды сигналов связи чуть позже, сейчас же следует познакомиться с том, что же собой представляет в принципе сам сигнал. Это обычный код, который передается по воздуху системами. Это формулировка общего типа.
В сфере информации и некоторых других технологий имеется специальный носитель, который позволяет передавать сообщения. Его можно создать, но принять невозможно. В принципе в некоторых системах его могут принять, но это не обязательно. Если сигнал будет считаться сообщением, то «поймать» его нужно обязательно.
Подобный код передачи данных можно назвать обычной математической функцией. Он описывает любое изменение доступных параметров. Если рассматривать радиотехническую теорию, то следует сказать, что такие опции считаются базовыми. Следует заметить, что понятие «шум» является аналогичным сигналу.
Он искажает его, может накладываться на уже переданный код, а также сам собой представляет функцию времени. В статье будут ниже охарактеризованы сигналы и виды сигналов, речь идет о дискретном, аналоговом и цифровом. Коротко рассмотрим всю теорию по теме.
Что такое дискретный сигнал
В цифровой системе хранения и передачи данных, отсутствие сигнала, также является формой обмена информацией. В какой-то момент времени он равен нулю, в другой принимает какое-либо значение. Поэтому дискретным называют сигнал прерывный, отсюда и название discretus или разделённый. Аналоговые данные разбиваются на отдельные блоки, обрабатываются и передаются в виде цифрового кода.
Дискретность не подразумевает разрыв связи. В цифровых системах широко используется двоичная система обработки и обмена информацией. Двоичная подразумевает кодировку данных с помощью единицы и нулей. В доли секунды сигнал прерывисто принимает значение 1 или 0. Вместо непрерывной кривой имеем отдельные дискретные значения. Определенный набор нулей и единичек уже несёт в себе какую либо информацию. Примитивный набор это бит или двоичный разряд. Сам по себе он ничего не значит. Данные могут кодироваться только при объединении восьми битов в следующую по сложности комбинацию – байт. Чем больше объединённых байтов, тем больше и точнее можно описать передаваемую информацию.
На качество генерируемых данных влияет не только количество объединённых битов, но и скорость передачи. Непрерывная аналоговая кривая должна быть разбита на как много больше мини участков прерывного сигнала. Полученный таким образом звук и цвет будут соответствовать оригиналу. Качественный дискретный сигнал формирует точную копию аналогового. Например, звуковая дорожка MP3 закодированная со скоростью 320 000 бит в секунду (320 kbps) значительно лучше кодированной в 128 kbps. Дорожки скоростью меньше 128 слушать вообще невозможно.
Периодические сигналы
Периодические сигналы являются самыми распространенными, поскольку включают в себя синусоиды. Переменный ток в розетке дома представляет из себя синусоиду, плавно изменяющуюся с течением времени с частотой 50Гц.
Время, которое проходит между отдельными повторениями цикла синусоиды называется ее периодом. Другими словами, это время, необходимое для того, чтобы сигнал начал повторяться.
Период может изменяться от долей секунды до тысяч секунд, так как он связан с его частотой. Например, синусоидальный сигнал, которому требуется 1 секунда для совершения полного цикла, имеет период равный одной секунде. Аналогично, для синусоидального сигнала, которому требуется 5 секунд для совершения полного цикла, имеет период равный 5 секундам, и так далее.
Итак, отрезок времени, который требуется для сигнала, чтобы завершить полный цикл своего изменения, прежде чем он вновь повторится, называется периодом сигнала и измеряется в секундах. Мы можем выразить сигнал в виде числа периодов T в секунду, как показано на рисунке ниже.
Квантованный сигнал
При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N-1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичный чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log2(N).