2. Сигналы и методы их исследования

2.1. Общие характеристики электрических сигналов

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

Электрические сигналы в электронных устройствах по их физической сути можно подразделить на аналоговые и дискретные. Аналоговые сигналы представляют непрерывные во времени функции напряжения или тока и, в свою очередь, подразделяются на постоянные — однополярные и мало изменяющиеся во времени напряжения или токи и переменные — функции напряжения или тока, изменяющиеся во времени как по амплитуде, так и по знаку. Частным случаем переменного сигнала является гармонический или синусоидальный сигнал.

Дискретными называют 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, прежде всего в автоматике, телемеханике, вычислительной технике, различных видах 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.

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 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. 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.