· Электронные устройства по способу формирования и передачи сигналов управления подразделяются на два класса:
- аналоговые (непрерывные),
- дискретные (прерывистые (или цифровые).
· Решая вопрос о построении или проектировании, какого либо устройства, следует предварительно принять решение о направлении проектирования, - каким будет устройство? - Аналоговым либо дискретным (цифровым)? В свою очередь, это решение можно принять, зная достоинства и недостатки тех и других устройств. Предварительно дадим определения понятиям «аналоговые» и «цифровые» устройства.
· Аналоговымназывается такое устройство, у которого все сигналы входные, выходные и промежуточные (внутренние) являются непрерывными, описываются непрерывными математическими функциями. Эти сигналы характеризуются бесконечным множеством значений по уровню (состояниям) и непрерывны во времени, хотя диапазон изменения значений непрерывного сигнала ограничен. Поэтому иногда такие устройства называют устройствами непрерывного действия.
· АЭУ предназначены для приема, преобразования и передачи электрического сигнала, изменяющегося по закону непрерывной (аналоговой) функции. В АЭУ каждому значению реальной физической величины соответствует однозначное, вполне определенное значение выбранного электрического параметра.
· Достоинства технических средств аналоговой техники
1. Теоретически максимально достижимая точность и быстродействие
2. Адекватность отображения физических процессов и закономерностей: и те и другие описываются непрерывными зависимостями. Это позволяет существенно упрощать принципиальные технические решения аналоговых устройств и систем (простота устройства).
3. Оперативность и простота изменения режимов работы: часто достаточно изменить сопротивление резистора или ёмкость конденсатора, чтобы неустойчивый режим сменился на устойчивый либо обеспечить заданный переходный процесс в устройстве.
4. Отсутствие необходимости в преобразовании аналоговых величин в дискретные. Эти преобразования сопровождаются погрешностью и определённой тратой времени.
· Недостатки технических средств аналоговой техники
1. Низкая помехоустойчивость и нестабильность параметров, обусловленные сильной зависимостью от внешних дестабилизирующих воздействий, например температуры, времени (старение элементов), действия внешних полей и т.п.. То .есть .аналоговым устройствам свойственно наличие «дрейфа» и «шумов». Дрейф- это медленное изменение сигнала, обусловленное дискретной природой явлений, по отношению к заданному его значению. Например, для электрических сигналов дискретную природу протекания электрического тока обуславливают электроны и «дырки», являющиеся носителями электрических зарядов. Шумы <- это случайные изменения сигнала, вызванные внешними или внутренними факторами, например, температурой, давлением, напряжённостью магнитного поля Земли и т.д.
2. Большие искажения сигналов при передаче на большие расстояния..
3. Возможность появления неустойчивых режимов работы и существование проблемы «обеспечения устойчивости» работы систем и устройств. Неустойчивый режим характеризуется возникновением в устройстве или системе незатухающих колебаний в изменении некоторых сигналов. В электронике это явление широко используется при построении генераторов импульсов и генераторов гармонических колебаний.
4. Технические трудности в реализации запоминающих устройств и устройств временной задержки аналоговых сигналов.
5. Недостаточный уровень интеграции аналоговых элементов и их универсальности.
6. Сравнительно малая дальность передачи аналоговых сигналов, обусловленная рассеянием энергии в линиях связи.
7. Сравнительно большое потребление энергии, так как аналоговые элементы работают на линейных участках их переходных характеристик и «потребляют» энергию в начальных (исходных) состояниях.
· Примером устройства аналогового отображения информации является обычный потенциометр (рис.1 ), преобразующий линейное перемещение х в напряжение Uвых.
Рис.1
· Дискретными устройствами или устройствами дискретного действия называют такие, у которых входные, выходные и промежуточные сигналы характеризуются счётным множеством значений по уровню и существованием в определённые интервалы времени. Такие сигналы можно отобразить в той или иной позиционной системе счисления (соответствующими цифрами). Например, в десятичной системе счисления либо двоичной системе счисления. Двоичное представление сигналов нашло наибольшее применение в технике и в формальной логике при исчислении высказываний и при выводе умозаключений из нескольких посылок. Поэтому дискретные устройства называют логическими (по аналогии с формальной двоичной логикой) или цифровыми, принимая во внимание возможность описания их с помощью чисел позиционной системы счисления.
· ДЭУ предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, полученных путем квантования по времени и/или по уровню исходной аналоговой функции х(t) (рис.2) (Опадчий, с.14).
Рис.2 Квантование аналогового сигнала (а): по времени (б) и по уровню (в).
· Поэтому действующие в них сигналы пропорциональны конечному числу выбранных по определённому закону значений реальной физической величины, отображаемых в виде различных параметров импульсов или перепадов напряжения и тока.
· Квантованием называется процесс замены непрерывного сигнала его значениями в отдельных точках.
· Электрическим импульсом называется кратковременное отклонение напряжения U(+) или тока i(+) от некоторого установившегося значения U0 и I0 соответственно.
· При квантовании исходного сигнала Хt, по времени дискретное электронное устройство преобразует исходный сигнал Х(t) в последовательность импульсов, как правило неизменной частоты (т.е. через промежутки времени).
· Процесс преобразования исходной аналоговой в последовательность импульсов носит название импульсной модуляции.
· На практике наибольшее распространение получили
- амплитудно-импульсная модуляция (АИМ);
- широко- импульсная модуляция (ШИМ);
- фазоимпульсная модуляция (ФИМ)
Рис 3 Виды модуляции:
а) изменение исходной аналоговой величины
б) последовательность амплитудно-модулированных импульсов;
в) последовательность широко-модулированных импульсов;
г) последовательность фазомодулированных импульсов.
· При АИМ x(t) модулируемым, т.е. изменяемым параметром импульсной последовательности является амплитуда (рис 3.б).
Um(nTk) = φ{X(nTk)} ( )
· При ШИМ x(t) модулируемым, т.е. изменяемым параметром импульсной последовательности является ширина (рис 3.в).
· Для характеристики ШИМ пользуются скважностью γ=T/tи импульсов или коэффициент заполнения KЗ = T/tи
· При ФИМ x(t) модулируемым, т.е. изменяемым параметром импульсной последовательности является расстояние между импульсами, т.е. их фаза относительно исходной последовательности (рис 3.г).
Tu = φ{X(nTk)} ( )
· На практике часто используется комбинации описанных видов модуляции.
· При квантовании исходного сигнала как по времени и так и по величине в фиксированный момент времени, полученный (оцифрованный) сигнал только приблизительно соответствует значениям x(t).
· Очевидно, что чем больше дискретные значения, который может принимать сигнал, т. е. чем больше уровней дискретизации, тем точнее соответствует дискретный сигнал аналоговому. Однако в любом случае мы имеем дело с конечным числом его значений.
· Таким образом, в дискретном сигнале нарушается непрерывность представления информации как по величине, так по времени.
· В свою очередь, конечному числу дискретных значений исходной физической величины можно поставить в соответствие некоторое число.
· Процесс замены дискретных уровней сигнала последовательностью чисел носит название кодированием (CD-кодер), а совокупность полученных чисел называется кодом сигнала.
· Таким образом, процесс непосредственного преобразования и передачи сигналов можно заменить процессом преобразования и передачи кодов, поставленных в соответствие исходным сигналам.
· Устройства, занимающиеся формированием, преобразованием и передачей кодов, набавленных в соответствие реальных значений физических переменных, называют цифровыми устройствами.
· Передача кодов, каждый из которых, как правило, представляется некоторой последовательностью одиночных импульсов, требует некоторого времени.
Очевидно, что это время больше времени, необходимого для передачи той же информации в непрерывных(аналоговых) системах.
При равенстве же времени, количество информации, передаваемой цифровым способом всегда минимально.
· Достоинства цифровых электронных устройств:
7. Возможность длительного хранения информации без ее потери.
8. Экономическая эффективность, обусловлена высокой технологичностью и повторяемостью устройств;
9. Энергетическая эффективность. Связана с тем, что в дискретных устройствах импульсная Ри и средняя мощность Pср связаны соотношением:
Pи=γPср, ()
где γ=T/tи- скважность импульсов. Как видно, при небольшой длительности импульсов (большой скважности:) можно получить существенное
превышение мощности в импульсе над среднем ее значением. Это (по сравнению с аналоговыми устройствами) способствует улучшению массогабаритных показателей отдельных элементов дискретных цифровых устройств.
10. В дискретных устройствах усилительные приборы используют в специфическом режиме ключа (ВКЛ-ВЫКЛ), при котором мощность, рассеиваемая в них, минимальна. Это повышает коэффициент и спользования усилительного прибора.
Кис = Рн/Рктах,
где Рн = Iн ∙ Uh - полезная мощность нагрузочного устройства
Ркmах = Iн Un - мощность, рассеиваемая в выходной цепи усилительного прибора/ Это позволяет использовать усилительные приборы (транзисторы) на мощностях в 10-20 раз превышающих их номинальную мощность (т.е. мощность в импульсе » номинальной мощности).
11. Меньшее тепловыделение, снижается перегрев? не ухудшаются режимы работы п/п и др. элементов.
· Недостатки технических средств цифровой техники
Сравнительный анализ перечисленных достоинств и недостатков даёт вывод в пользу технических средств цифровой техники. Поэтому в настоящее время цифровые устройства широко внедряются, казалось бы, в традиционные области аналоговой техники: телевидение, телефонную связь, в технику звукозаписи, радиотехнику, в системы автоматического управления и регулирования.