Раздел 2 элементы импульсной и цифровой техники
2.1 Импульсный способ представления сигналов информации
В современной радиоэлектронике используют два основных способа представления и обработки сигналов информации: аналоговый и импульсный (цифровой).
Аналоговый сигнал информации непрерывен во времени и c той или иной степенью точности соответствует реальному физическому процессу в реальном масштабе времени. Так, изменение температуры окружающей среды происходит непрерывно, измеритель температуры так же непрерывно отражает этот процесс. Все сигналы информации естественного происхождения – аналоговые. Устройства обработки аналоговой информации, так называемые аналоговые вычислительные машины (АВМ), решают специальные задачи, связанные с дифференцированием или интегрированием аналоговых величин, а также дифференциальные и алгебраические уравнения, выполняют математическое моделирование физических процессов и другие функции.
Развитие интегральной схемотехники привело к созданию технических средств высокой точности и универсальности, позволяющих обрабатывать сигналы информации, предварительно преобразованные в импульсный (цифровой) вид. Формально такой способ обработки информации намного сложнее аналогового. Так, основная микросхема для воспроизведения с помощью лазерного луча цифровой записи звука содержит 100 тыс. транзисторов, а усилитель записи, представленной в аналоговом виде на обычной грампластинке, содержит 10 - 20 транзисторов.
Известно несколько способов представления аналоговой величины в импульсном виде. Изменение во времени некоторой аналоговой величины U (t), например температуры среды, показано на рисунке 2.1, а. При анализе мгновенных значений U (t) в моменты t1, t2, t3, … эту функцию можно представить в виде:
последовательности импульсов U1, амплитуда которых пропорциональна мгновенным значениям U (t) (рисунок 2.1, б);
последовательности импульсов U2 постоянной амплитуды, длительность которых пропорциональна мгновенным значениям U (t) (рисунок 2.1, в);
пакетов импульсов U3, количество которых в каждом пакете пропорционально мгновенным значениям U (t) (рисунок 2.1, г);
последовательности импульсов U4, частота повторения которых пропорциональна мгновенным значениям U (t) (рисунок 2.1, д).
б
д
г
в
а
t5
t4
t3
t2
t1
U4
U1
U3
U2
U
(t)
t
t
t
t
t
Рисунок 2.1 – Разновидности импульсного представления сигнала информации (а – д)
Таким образом, информация об аналоговой величине содержится в одном из параметров импульсной последовательности. Такое представление аналоговой величины отражает ее не полностью, так как часть информации теряется. Например, неизвестно, как ведет себя аналоговая величина в интервале времени между выборками (моменты t1, t2 и т. д.). Однако эти потери могут быть уменьшены увеличением частоты обращений, т. е. более частым анализом аналоговой величины.
в
1/
Tu
= tu
а
Тu
Τu
Um
б
t
t
0
U
U
t
U
Рисунок 2.2 – Периодическая последовательность прямоугольных импульсов и спектры одиночного прямоугольного импульса (а) и импульсной последовательности (б)
Устройства, преобразующие аналоговые величины в импульсный (цифровой) вид, называют аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), а устройства обратного преобразования – цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП).
Основой каждой периодической импульсной последовательности (рисунок 2.2) является импульс прямоугольной формы, который характеризуется амплитудой Um и длительностью τи, а также длительностями фронта τф и среза τср и спадом вершины ∆U. Дополнительными параметрами являются частота ƒи, период следования ТИ импульсов и их скважность Q.