Miten signaalinkäsittely toimii

Mikä on signaali?

Signaali on mikä tahansa fyysinen muuttuja, jonka arvo tai sen muutos ajan myötä sisältää tietoa. Nämä tiedot voivat liittyä puheeseen ja musiikkiin tai fyysisiin suureisiin, kuten ilman lämpötilaan tai huoneen valoon. Fyysiset muuttujat, jotka voivat kuljettaa tietoa sähköjärjestelmissä, ovat jännite ja virta.

Tässä artikkelissa "signaaleilla" tarkoitamme ensisijaisesti jännitettä tai virtaa. Suurin osa tässä käsitellyistä käsitteistä pysyy kuitenkin voimassa järjestelmissä, joissa muut muuttujat voivat olla tiedon välittäjiä. Siten mekaanisen järjestelmän (muuttujat – voima ja nopeus) tai hydraulijärjestelmän (muuttujat – paine ja virtaus) käyttäytyminen voidaan usein esittää vastaavalla sähköjärjestelmällä tai kuten sanotaan, simuloida. Siksi sähköjärjestelmien käyttäytymisen ymmärtäminen antaa perustan ymmärtää paljon laajempaa ilmiötä.

Analogiset ja digitaaliset signaalit

Signaali voi kuljettaa tietoa kahdessa muodossa. Analoginen signaali kuljettaa tietoa jännitteen tai virran ajan jatkuvan muutoksen muodossa. Esimerkki analogisesta signaalista on jännite, jonka muodostaa termopariliitoksessaeri lämpötiloissa. Kun liitoskohtien välinen lämpötilaero muuttuu, termoparien jännite muuttuu. Siten jännite antaa analogisen esityksen lämpötilaerosta.

Termopari — kahden erilaisen metallin, kuten kuparin ja konstantaanin, yhdiste. Näiden kahden liitoksen synnyttämää jännitettä käytetään niiden välisen lämpötilaeron mittaamiseen.

Se on toisenlainen signaali digitaalinen signaali… Se voi ottaa arvoja kahdessa erillisessä kentässä. Tällaisia ​​signaaleja käytetään edustamaan päälle/pois tai kyllä-ei tietoja.

Esimerkiksi kodin termostaatti tuottaa digitaalisen signaalin lämmittimen ohjaamiseksi. Kun huonelämpötila laskee alle esiasetetun arvon, termostaattikytkin sulkee koskettimet ja käynnistää lämmittimen. Kun huoneen lämpötila on riittävän korkea, kytkin sammuttaa lämmittimen. Kytkimen läpi kulkeva virta antaa digitaalisen esityksen lämpötilan muutoksesta: päällä on liian kylmä ja pois on liian lämmin.

Riisi. 1. Analogiset ja digitaaliset signaalit

Signaalinkäsittelyjärjestelmä

Signaalinkäsittelyjärjestelmä on joukko toisiinsa kytkettyjä komponentteja ja laitteita, jotka voivat vastaanottaa tulosignaalin (tai ryhmän tulosignaaleja), vaikuttaa signaaleihin tietyllä tavalla poimiakseen tietoa tai parantaakseen sen laatua ja esittää informaatiota ulostulossa sopivassa muodossa ja oikeaan aikaan.

Monet fyysisten järjestelmien sähköiset signaalit tuotetaan ns anturit… Olemme jo kuvanneet esimerkin analogisesta anturista – termoparista. Se muuntaa lämpötilaeron (fyysinen muuttuja) jännitteeksi (sähköinen muuttuja). Yleisesti anturi — laite, joka muuntaa fyysisen tai mekaanisen suuren vastaavaksi jännite- tai virtasignaaliksi. Kuitenkin toisin kuin termopari, useimmat anturit vaativat jonkinlaisen sähköisen virityksen toimiakseen.

Signaalien valinta järjestelmän lähdössä voidaan tehdä eri muodoissa riippuen siitä, miten tulosignaalien sisältämää tietoa käytetään. Tiedot voidaan näyttää joko analogisessa muodossa (käyttämällä esim. laitetta, jossa nuolen sijainti osoittaa kiinnostavan muuttujan arvon) tai digitaalisessa muodossa (käyttäen näytöllä digitaalisten elementtien järjestelmää, joka näyttää numeron vastaa koron arvoa meille).

Muita mahdollisuuksia on muuntaa lähtösignaalit äänienergiaksi (kaiutin), käyttää niitä toisen järjestelmän tulosignaaleina tai käyttää niitä ohjaukseen. Katsotaanpa joitain esimerkkejä havainnollistamaan joitain näistä tapauksista.

Viestintäjärjestelmä

Harkitse viestintäjärjestelmää, jonka tulosignaalit voivat olla puhetta, musiikkia tai jotain dataa, joka tuotetaan yhdessä paikassa ja lähetetään luotettavasti pitkiä matkoja, jotta alkuperäinen tulosignaali palautetaan tarkasti sinne.

Esimerkkinä kuviossa 1 on esitetty 2000 mm. Kuvio 2 on kaavio tavanomaisesta amplitudimodulaatio- (AM) yleislähetysjärjestelmästä.AM-modulaatiossa radiotaajuisen signaalin amplitudi (huipusta huippuun) muuttuu matalataajuisen signaalin (äänitaajuuksia vastaavan äänisignaalin) suuruuden mukaan.

Riisi. 2. Yleislähetysviestintäjärjestelmä amplitudimodulaatiolla

AM-radiolähetysjärjestelmän lähetin poimii tulosignaalin syöttölaitteesta (mikrofonista), ohjaa tällä signaalilla radiotaajuisen signaalin amplitudia (jokaisella radioasemalla on oma erityinen radiotaajuus) ja radiotaajuusvirtaa. ohjaa lähtölaitetta (antennia), joka tuottaa sähkömagneettisia aaltoja, jotka lähetetään avaruuteen.

Vastaanottava järjestelmä koostuu syöttölaitteesta (antennista), prosessorista (vastaanotin) ja lähtölaitteesta (kaiuttimesta). Vastaanotin vahvistaa (vahvistaa) antennista tulevaa suhteellisen heikkoa signaalia, valitsee halutun radiotaajuuden signaalin kaikkien muiden lähettimien signaaleista, rekonstruoi äänisignaalin radiotaajuussignaalin amplitudin muutoksen perusteella ja herättää kaiuttimen tällä äänisignaalilla.

Mittausjärjestelmä

Mittausjärjestelmän tehtävänä on vastaanottaa asiaankuuluvilta antureilta tietoa tietyn fyysisen järjestelmän käyttäytymisestä ja rekisteröidä tämä tieto. Esimerkki tällaisesta järjestelmästä on digitaalinen lämpömittari (kuva 3).

Riisi. 3. Digitaalisen lämpömittarin toimintakaavio

Kaksi termopariliitäntää – toinen lämpökosketuksessa kehon kanssa, jonka lämpötila on tarkoitus mitata, toinen upotettuna jääastiaan (vakaan vertailupisteen saamiseksi) – synnyttävät jännitteen, joka riippuu kehon ja jään välisestä lämpötilaerosta. . Tämä jännite syötetään prosessoriin.

Koska lämpöparin jännite ei ole täsmälleen verrannollinen lämpötilaeroon, tarvitaan pieni korjaus tiukan suhteellisuuden saavuttamiseksi. Korjaus käynnissä linearisoiva laite… Termoparista tuleva analoginen jännite ensin vahvistetaan (eli tekee enemmän), sitten linearisoidaan ja digitoidaan. Lopuksi se näkyy digitaalisessa näyttörekisterissä, jota käytetään lämpömittarin tulostuslaitteena.

Jos viestintäjärjestelmän päätehtävänä on lähettää oikea kopio lähdesignaalista, niin mittausjärjestelmän päätehtävänä on saada numeerisesti oikea data. Siksi on odotettavissa, että jopa pienten virheiden havaitseminen ja poistaminen, jotka voivat vääristää signaalia missä tahansa sen käsittelyvaiheessa, on erityisen tärkeää mittausjärjestelmille.

Palautteen ohjausjärjestelmä

Harkitse nyt palauteohjausjärjestelmää, jossa lähdössä oleva informaatio muuttaa järjestelmää ohjaavia signaaleja.

Kuvassa 4 on kaavio huonelämpötilan ylläpitämiseen käytettävästä termostaatista. Järjestelmä sisältää syöttölaitteen huonelämpötilan määrittämiseksi (yleensä tämä bimetallinauhajoka taipuu lämpötilan muuttuessa), mekanismi halutun lämpötilan asettamiseksi (pääsäädin) ja mekaaniset kytkimet, jotka ohjataan bimetallireleellä ja ohjaavat lämmitintä.

Riisi. 4. Esimerkki suljetun kierron ohjausjärjestelmästä

Harkitse tämän yksinkertaisen järjestelmän käyttöä esimerkkinä, joka ei itse asiassa sisällä muita sähköelementtejä kuin kytkimen palaute käsite… Oletetaan, että kuvan Fig.3 on rikki, eli ei ole mekanismeja lämmittimen kytkemiseksi päälle ja pois. Sitten huoneen lämpötila joko nousee tiettyyn maksimiin (vastaten lämmittimen jatkuvaa sisällyttämistä) tai laskee tiettyyn minimiin (vastaten sitä, että lämmitin on koko ajan pois päältä).

Oletetaan, että se on liian kuuma maksimilämpötilassa ja liian kylmä minimilämpötilassa. Tässä tapauksessa on oltava jokin "ohjauslaite" lämmittimen kytkemiseksi päälle ja pois.

Tällainen "ohjauslaite" voisi olla henkilö, joka kytkee lämmittimen päälle kun se jäähtyy ja sammuttaa sen lämmetessä. Jo tällä tasolla järjestelmä (kasvojen ohella) on suljetun silmukan ohjausjärjestelmä, koska lähtösignaalia (huonelämpötila) koskevia tietoja käytetään ohjaussignaalien vaihtamiseen (lämmittimen kytkeminen päälle ja pois).

Termostaatti tekee automaattisesti sen, mitä ihminen tekisi, eli kytkee lämmittimen päälle, kun lämpötila laskee alle asetusarvon, ja sammuttaa sen muuten. On olemassa monia muita takaisinkytkentäjärjestelmiä, mukaan lukien ne, joissa signaalinkäsittely suoritetaan elektronisten laitteiden käyttöä.