Общие характеристики аналоговых сигналов и устройств

ЭЛЕКТРОНИКА

Лек1

ХХI век немыслим без электроники. Стремительное развитие электроники связано с появлением полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, которые находят широкое применение в энергетике, вычислительной технике, информационно-измерительной технике, космонавтике, автоматике, радиотехнике и телевидении и т.п.

В современной измерительной технике нашли широкое применение большинство типов электронных устройств, выполняющих функции выработки и преобразования информационных электрических сигналов, формирования управляющих воздействий и сигналов индикации. К ним можно отнести:

- Аналоговые электронные устройства, работающие с информационными сигналами, адекватно отражающими физические параметры объекта наблюдения в любой момент времени.

- Логические электронные устройства с аппаратно заданой («жесткой») логикой преобразования информацион-ных электрических сигналов, которые применяются глав-ным образом для реализации относительно несложных функций преобразования.

- Микропроцессорные устройства и ЭВМ, обладающие возможностью реализации сколь угодно сложных функ-ций преобразования информационных сигналов благодаря программированию логических операций.

В связи с появлением интегральных схем (ИС), боль-ших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интеграль-ных схем (СБИС) широкое развитие получили дискретные методы измерений, воплощенные в приборах с цифровым отсчетом и регистрацией. Усложнение технологии произ-водства, развитие научных исследований привело к необ-ходимости измерения и контроля сотен и тысяч парамет-ров одновременно. Появился новый класс информацион-но-измерительной техники – измерительные информаци-онные системы (ИИС).

Виды и характеристики аналоговых сигналов и их информационные параметры.

Под аналоговым информационным сигналом понимается электрический сигнал, параметры которого (напряжение, ток и др.) изменяются аналогично изменению физической величины, характеризующей состояние или работу контролируемого объекта.

К таким сигналам относятся следующие разновидности:

- Непрерывный аналоговый электрический сигнал – в качестве информационного параметра используется напря-жение или ток, характер изменения которых повторяет колебания значения контролируемой физической величины.

- Дискретный аналоговый электрический сигнал квантован по времени таким образом, что его величина пропор-циональна физическому параметру в каждый данный момент времени. При этом шаг дискретизации по времени Δt должен быть таким, чтобы на выходе измерителя не была потеряна информация о фактическом изменении физической величины.

- Синусоидальный моночастотный аналоговый электрический сигнал – в качестве информационных параметров могут быть использованы амплитуда, частота и фаза (при наличии на приемной стороне опорного сигнала).

- Модулированный синусоидальный аналоговый электрический сигнал образуется путем изменения амплитуды (АМ-модуляция), частоты (ЧМ-модуляция) или фазы (ФМ-модуляция) высокочастотного несущего сигнала низ-кочастотным информационным сигналом.

- Импульсный аналоговый электрический сигнал предс-тавляет собой периодическую последовательность импу-льсов. Для передачи сообщений используются модуляции информационным сигналом: амплитуды - Um (АИМ), час-тоты – f =1/T (ЧИМ), ширины импульса – Ти (ШИМ), фазы – Δφ (ФИМ).

Импульсная последовательность обладает большими ин-формационными возможностями по сравнению с гармони-ческими сигналами.

Основные функциональные узлы электронных устройств.

Усилители информационного сигнала присутствуют пра-ктически во всех электронных устройствах, применяемых в измерительной технике. Усилители любого типа характе-ризуются полосой пропускания Δf, которая равна разнос-ти верхней fв и нижней fн граничных частот. Полоса про-пускания увязывается с шириной спектра усиливаемого сигнала.

У усилителей переменного тока нижняя граничная час-тота всегда больше нулевой отметки. Эти усилители спо-собны усиливать только переменные составляющие элект-рического сигнала.

В измерительной технике чаще всего используются низ-кочастотные усилители с полосой пропускания 50 – 1000 Гц, иногда с верхней граничной частотой до 20 кГц. Дан-ные усилители бывают согласующими и нормирующими.

Согласующие усилители служат для согласования внутреннего сопротивления источника входного сигнала с входным сопротивлением нормирующего усилителя или его выходного сопротивления с нагрузкой.

Нормирующие усилители обеспечивают усиление сигна-ла до заданных значений по напряжению или току.

Импульсные усилители отличаются широкой полосой пропускания, достаточной для усиления необходимого для сохранения формы импульсов гармонических составляю-щих спектра периодической последовательности разнопо-лярных импульсов.

Усилители мощности предназначены для обеспечения заданного уровня мощности на нагрузке при усилении пе-ременных и постоянных сигналов.

Усилители постоянного тока имеют полосу пропуска-ния с нижней граничной частотой равной нулю и, следова-тельно, способны усиливать как переменную, так и посто-янную составляющие входного сигнала. Операционные усилители (ОУ) наиболее представительный класс усили-телей постоянного тока. Благодаря своим уникальным свойствам (высокий коэффициент усиления и входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, малый дрейф выходного напряжения и др.) ОУ в настоящее время являются основной элементной базой многих аналоговых и импульсных электронных схем разного назначения.

Существуют два основных способа усиления входного сигнала с помощью операционных усилителей: инверти-рующий ОУ - сигнал усиливается и его знак и фаза изме-няются на противоположный (инвертируются), неинвер-тирующий ОУ, когда выходной сигнал усиливается без инверсии его знака и фазы.

Усилители типа МДМ (модулятор – демодулятор) испо-льзуются для усиления сигналов постоянного и/или мед-ленно меняющегося напряжения, когда необходимо прак-тически полностью исключить аддитивную погрешность выходного сигнала. В этом случае используется модуля-ция входным сигналом высокочастотного несущего напря-жения, при этом основное усиление осуществляется уси-лителем переменного напряжения, не имеющим аддитив-ной погрешности.

Двухканальные усилители могут использоваться в случа-ях, когда входной сигнал занимает относительно широкую полосу частот и необходимо при этом минимизировать ад-дитивную погрешность. Принцип работы такого усилите-ля основан на разделении фильтрами частотного диапа-зона входного сигнала на высокочастотную и низкочас-тотную составляющие. Высокочастотная составляющая усиливается усилителем переменного сигнала, а низкочас-тотная – усилителем МДМ, далее усиленные составля-ющие входного сигнала смешиваются и доводятся до нор-мированного значения выходным усилителем постоянного тока. В данном случае аддитивная погрешность выходного усилителя очень мала, поскольку на его входе действует сигнал высокого уровня, а коэффициент усиления неве-лик (близок к единице).