Kuidas signaalitöötlus töötab

Mis on signaal?

Signaal on mis tahes füüsiline muutuja, mille väärtus või selle muutumine ajas sisaldab teavet. See teave võib olla seotud kõne ja muusikaga või füüsiliste suurustega, nagu õhutemperatuur või ruumi valgus. Füüsilised muutujad, mis võivad elektrisüsteemides teavet edastada, on pinge ja vool.

Käesolevas artiklis peame "signaalide" all silmas eelkõige pinget või voolu. Enamus siin käsitletud mõisteid jäävad siiski kehtima süsteemide puhul, milles infokandjateks võivad olla ka teised muutujad. Seega võib mehaanilise süsteemi (muutujad – jõud ja kiirus) või hüdrosüsteemi (muutujad – rõhk ja vool) käitumist sageli kujutada samaväärse elektrisüsteemiga või, nagu öeldakse, simuleerida. Seetõttu annab elektrisüsteemide käitumise mõistmine aluse palju laiema spektri nähtuste mõistmiseks.

Analoog- ja digitaalsignaalid

Signaal võib edastada teavet kahel kujul. Analoogsignaal kannab teavet pinge või voolu aja pideva muutumise kujul. Analoogsignaali näiteks on pinge, mille genereerib termopaari ristmikulerinevatel temperatuuridel. Kui ristmike temperatuuride erinevus muutub, muutub termopaaride pinge. Seega annab pinge temperatuuri erinevuse analoogi.

Termopaar — kahe erineva metalli, näiteks vase ja konstantaani ühend. Kahe ristmiku tekitatud pinget kasutatakse nendevahelise temperatuurierinevuse mõõtmiseks.

See on teist tüüpi signaal digitaalne signaal… See võib võtta väärtusi kahel eraldi väljal. Selliseid signaale kasutatakse sisse/välja või jah-ei teabe esitamiseks.

Näiteks kodutermostaat genereerib kütteseadme juhtimiseks digitaalse signaali. Kui toatemperatuur langeb alla eelseadistatud väärtuse, sulgeb termostaadi lüliti kontaktid ja lülitab küttekeha sisse. Kui toatemperatuur on piisavalt kõrge, lülitab lüliti kütteseadme välja. Lülitit läbiv vool annab temperatuuri muutuse digitaalse esituse: sees on liiga külm ja välja lülitatud on liiga soe.

Riis. 1. Analoog- ja digitaalsignaalid

Signaali töötlemise süsteem

Signaalitöötlussüsteem on omavahel ühendatud komponentide ja seadmete kogum, mis suudab vastu võtta sisendsignaali (või sisendsignaalide rühma), toimida signaalidele konkreetsel viisil teabe hankimiseks või selle kvaliteedi parandamiseks ning esitada teavet väljundis sobival kujul ja sobival ajal.

Paljud füüsilistes süsteemides olevad elektrilised signaalid genereeritakse seadmete abil, mida nimetatakse andurid… Oleme juba kirjeldanud analooganduri näidet – termopaari. See muudab temperatuuri erinevuse (füüsikaline muutuja) pingeks (elektriline muutuja). Üldiselt andur — seade, mis teisendab füüsikalise või mehaanilise suuruse samaväärseks pinge- või voolusignaaliks. Kuid erinevalt termopaarist vajab enamik andureid töötamiseks mingit elektrilist ergastust.

Süsteemi väljundis olevaid signaale saab valida erineval kujul, sõltuvalt sellest, kuidas sisendsignaalides sisalduvat teavet kasutatakse. Teavet saab kuvada kas analoogkujul (kasutades näiteks seadet, milles noole asend näitab huvipakkuva muutuja väärtust) või digitaalsel kujul (kasutades ekraanil olevat digitaalsete elementide süsteemi, mis näitab numbrit mis vastab meie jaoks intressi väärtusele).

Teised võimalused on muundada väljundsignaale helienergiaks (valjuhääldi), kasutada neid sisendsignaalidena mõnes teises süsteemis või kasutada neid juhtimiseks. Vaatleme mõnda näidet nende juhtumite illustreerimiseks.

Sidesüsteem

Mõelge sidesüsteemile, mille sisendsignaalideks võivad olla kõne, muusika või mingisugused andmed, mis toodetakse ühes kohas ja edastatakse usaldusväärselt pikkade vahemaade tagant, et algne sisendsignaal seal täpselt taastada.

Näitena on joonisel fig. 2 on tavapärase amplituudmodulatsiooni (AM) levisüsteemi skemaatiline diagramm.AM-modulatsiooni korral muutub raadiosagedussignaali amplituud (peak-to-peak) vastavalt madalsagedusliku signaali (helisagedustele vastav helisignaal) suurusele.

Riis. 2. Ringhäälingu sidesüsteem amplituudmodulatsiooniga

AM-raadioringhäälingusüsteemi saatja võtab vastu sisendseadme (mikrofoni) sisendsignaali, kasutab seda signaali raadiosagedussignaali amplituudi (igal raadiojaamal on oma kindel raadiosagedus) ja raadiosagedusliku voolu reguleerimiseks. juhib väljundseadet (antenni), mis toodab kosmosesse kiirgavaid elektromagnetlaineid.

Vastuvõtusüsteem koosneb sisendseadmest (antennist), protsessorist (vastuvõtjast) ja väljundseadmest (kõlar). Vastuvõtja võimendab (muudab tugevamaks) antennilt saadavat suhteliselt nõrka signaali, valib kõigi teiste saatjate signaalide hulgast soovitud raadiosagedusega signaali, rekonstrueerib helisignaali raadiosagedussignaali amplituudi muutuse põhjal ning erutab kõlarit selle helisignaaliga.

Mõõtesüsteem

Mõõtesüsteemi ülesanne on saada vastavatelt anduritelt infot teatud füüsilise süsteemi käitumise kohta ja see info registreerida. Sellise süsteemi näide on digitaalne termomeeter (joonis 3).

Riis. 3. Digitaalse termomeetri talitlusskeem

Kaks termopaari ühendust – üks on termilises kontaktis kehaga, mille temperatuuri tuleb mõõta, teine ​​on sukeldatud jääanumasse (stabiilse võrdluspunkti saamiseks) – genereerivad pinge, mis sõltub keha ja jää temperatuuride erinevusest. . See pinge suunatakse protsessorisse.

Kuna termopaari pinge ei ole täpselt proportsionaalne temperatuuride erinevusega, on range proportsionaalsuse saavutamiseks vaja väikest korrektsiooni. Parandus pooleli lineariseeriv seade… Termopaari analoogpinget esmalt võimendatakse (st teeb rohkem), seejärel lineariseeritakse ja digiteeritakse. Lõpuks kuvatakse see termomeetri väljundseadmena kasutatavas digitaalkuva registris.

Kui sidesüsteemi põhiülesanne on edastada lähtesignaali õige koopia, siis mõõtesüsteemi põhiülesanne on numbriliselt õigete andmete saamine. Seetõttu tuleks eeldada, et isegi väikeste vigade tuvastamine ja kõrvaldamine, mis võivad signaali moonutada selle töötlemise mis tahes etapis, on mõõtesüsteemide jaoks eriti olulised.

Tagasiside juhtimissüsteem

Mõelge nüüd tagasiside juhtimissüsteemile, mille väljundis olev teave muudab süsteemi juhtivaid signaale.

Joonis 4 näitab toatemperatuuri hoidmiseks kasutatava termostaadi diagrammi. Süsteem sisaldab sisendseadet ruumitemperatuuri määramiseks (tavaliselt see bimetalliline ribamis temperatuuri muutumisel paindub), soovitud temperatuuri seadmise mehhanism (peaketas) ja bimetallreleega käitatavad mehaanilised lülitid, mis juhivad kütteseadet.

Riis. 4. Suletud ahelaga juhtimissüsteemi näide

Kaaluge selle lihtsa süsteemi kasutamist näitena, mis tegelikult ei sisalda muid elektrilisi elemente peale lüliti tagasiside kontseptsioon… Oletame, et joonisel fig.3 on katki, see tähendab, et küttekeha sisse- ja väljalülitamiseks pole mehhanisme. Siis tõuseb ruumis temperatuur kas teatud maksimumini (mis vastab kütteseadme pidevale kaasamisele) või langeb teatud miinimumini (vastab sellele, et kütteseade on kogu aeg välja lülitatud).

Oletame, et maksimumtemperatuuril on liiga kuum ja minimaalsel temperatuuril liiga külm. Sel juhul peab küttekeha sisse- ja väljalülitamiseks olema mingi "juhtseade".

Selliseks «juhtimisseadmeks» võiks olla inimene, kes külma saabudes lülitab küttekeha sisse ja kuuma saabudes välja. Juba sellel tasemel on süsteem (koos näoga) suletud ahelaga juhtimissüsteem, kuna teavet väljundsignaali (toatemperatuuri) kohta kasutatakse juhtsignaalide muutmiseks (soojendi sisse- ja väljalülitamiseks).

Termostaat teeb automaatselt seda, mida inimene teeks, st lülitab küttekeha sisse, kui temperatuur langeb alla seadistuspunkti, ja lülitab selle välja muidu. On palju teisi tagasisidesüsteeme, sealhulgas neid, milles signaalitöötlust teostatakse elektroonikaseadmete kasutamine.