1. Аналоговые и цифровые сигналы

Тема: Параметры сигнала

Сигналами называются физические процессы, параметры которых содержат информацию. При этом носителем информации является изменяющиеся во времени ток или напряжение. По своей природе все сигналы являются аналоговыми, будь то сигнал постоянного или переменного тока, цифровой или импульсный. Тем не менее, принято выделять аналоговые и цифровые сигналы.

Под аналоговым сигналом понимается сигнал непрерывной формы, изменяющий амплитуду, форму, фазу во времени.

Рис. 1.1 Аналоговый сигнал

С аналоговыми сигналами работает вычислительная техника (или аналоговая вычислительная машина). Эта машина в реальном масштабе времени решает обычные системы дифферинциальных уравнений, включающие интегралы, дифференциалы, задержки.

В основу этих машин заложены операционные усилители (ОУ), работающие на напряжении разной полярности.

или =

Рис.1.2

Кроме того, используются различные цепи задержки в виде конденсатора (сопротивления) (рис.1.3), которые позволяют дифференцировать или интегрировать сигналы.

Рис.1.3

Операционный усилитель обычно выполняет функцию компаратора (элемента сравнения), которая является электронной схемой, принимающей на свои входы два аналоговых сигнала и выдающей лог. 0 или лог.1, в зависимости от того, какой из сигналов больше. На рис. 1.4 показан символ компаратора на схеме.

Рис.1.4

Работа его заключается в следующем: если на вход U₁ подавать «+» напряжение, а на другой вход U₂ «-»напряжение и с выхода снимать выходной сигнал, то U_вых=U₁+U₂ (рис.1.5).

U_вых=U₁+U₂

Рис.1.5

При равенстве сигнал на входе (U₁=U₂) на выходе операционного усилителя будет ноль (U_вых =0).

Если U₁>U_{2 ,} то на выходе сигнал положительный (U_вых >0), а если U₂> U₁ то на выходе сигнал отрицательный (U_вых <0).

Отсюда видно, что операционный усилитель (ОУ) может выполнять роль определителя, усилителя, также выполнять функции сравнения, проверки на больше/меньше, усиления сигналов и с использованием цепей задержки осуществлять дифференцирование и интегрирование входных переменных.

Рис.1.6

Подавая на вход «+» или «–» несколько сигналов через сопротивление (R₁,R₂,R₃…), операционный усилитель может осуществлять операцию суммирования сигналов, выполнять различные логические функции и при использовании нескольких операционных усилителей решать дифференциальные уравнения n-ого порядка.

Таким образом, схемно, при помощи аналоговых ОУ можно решать в реальном масштабе времени различные задачи систем уравнений, включая, и задачи линейного программирования.

Цифровые сигналы

Цифровые сигналы работают с сигналами одинаковой амплитуды, разной длительности, разной длительности, частоты и скважности. Амплитуда обычно постоянна и равна напряжению питания. Некоторые сигналы бывают с положительным напряжением (обычно это схемы с транзисторами p-n-p типов) и с отрицательным напряжением.

Рис.1.7 Рис.1.8

На рис. 1.9 показан цифровой сигнал, работающий на положительном напряжении

Рис.1.9

Цифровые сигналы характеризуются частотой f=(=Гц) и

периодом T=

При частоте 3Ггц период будет T ≈ 3∙10^-9Гц.

K=10³ m=10^-3

M=10⁶ mк=10^-6

Г=10⁹ нс=10^-9

Т≈0,33∙10^-9с=0,33 нс

Отношение длительности импульса к периоду следования импульсов называется скважностью

C=∙100%

Скважность измеряется в процентах, чем меньше эта величина, тем короче импульсы логической единицы. Обычно вычислительная цифровая техника работает с сигналами, скважность которых менее 50%. Такие сигналы называются импульсными с очень короткой длительностью.

При скважности более 50% сигналы называются потенциальными. Они так же используются для установки устройств в исходное состояние или других целей. На рис. 1.10 показан сигнал идеальной формы, который на практике нельзя получить. Фактически каждый импульс имеет трапецеидальную форму.

рис 1.10 Форма цифрового сигнала

τ₀₁- время переключения с 0 в 1

τ₁₀- время переключения с 1 в 0

Под логической 1 понимается напряжение питания.

Цифровой сигнал имеет передний фронт, длительность τ (время) которого определяется задержкой и обозначается ₀₁- означает переключение сигнала из состояния «0» в состояние «1». Задний фронт характеризуется временем ₁₀ , т.е. временем переключения с «1» в «0». Эти параметры определяют задержку сигнала при прохождении через какой-либо элемент. Величины этих параметров разные, задаются техническими условиями элемента. Если сигнал периодический, то имеет период Т, при этом он имеет и частоту.

Обычно быстродействие определяется как среднее время задержки сигнала = (₀₁+₁₀)/2. Для биполярных транзисторов (p-n-p или n-p- n типов) эта величина составляет примерно 5-10нс.

Важным параметром является состояние логического нуля.

Транзисторно – транзисторная логика (ТТЛ)

U_n= +5 B

“1”=(2,4÷5.2B)

“0”=(0÷ +0,4В)

(0.4÷2.4В) – сигнал не определен.

Зона логической единицы чуть больше.

Из этого графика (рис. 1.10) видно, что:

1) для получения качественных преобразований сигнал должен быстро проходить неопределенное состояние;

2) при прохождении неопределенного состояния нельзя производить вычисления, т.к. можно получить неверный результат, поэтому для получения точных вычислений сигналы синхронизируют, избегая моментов переключения элементов.