Виды и характеристики аналоговых сигналов, информационные параметры сигналов

ВВЕДЕНИЕ

XXI в. 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, биологии, медицине 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 таким электронным устройствам можно отнести следующие.

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

• Логические электронные устройства с аппаратно заданной («жесткой») логикой преобразования информационных электрических сигналов, которые применяются главным образом для реализации относительно несложных функций преобразования.

• Микропроцессорные устройства и ЭВМ, обладающие возможностью реализации сколько угодно сложных функций преобразования информационных сигналов благодаря программированию логических операций.

•

• РАЗДЕЛ I

ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Виды и характеристики аналоговых сигналов, информационные параметры сигналов

Под аналоговым информационным сигналом понимается электрический сигнал, параметры которого (напряжение, ток, частота, фаза и др.) изменяются аналогично изменению той или иной физической величины, характеризующей состояние или работу контролируемого объекта. К таким сигналам относятся следующие разновидности.

• Непрерывный аналоговый электрический сигнал — в качестве информационного параметра используется напряжение или ток, характер изменения которых повторяет колебания значения контролируемой физической величины (рис.1).

• Дискретный аналоговый электрический сигнал квантован по времени, таким образом, его величина пропорциональна физическому параметру в каждый данный момент времени (рис.2).При этом дискрет по времени Δ t должен быть таким, чтобы на выходе измерителя не была потеряна информация о фактическом изменении физической величины. Обычно величина дискрета должна быть меньше или равна половине минимально возможного периода колебаний значения физической величины. Указанный

Рис. 1 Рис. 2

Рис. 3

сигнал применяется в случаях использования одного измерительного канала для нескольких датчиков.

• Синусоидальный моночастотный аналоговый электрический сигнал — в качестве информационных параметров могут быть использованы амплитуда, частота и фаза (при наличии на приемной стороне опорного сигнала). Амплитудно-частотный спектр этого сигнала содержит одну спектральную линию на частоте сигнала F_c. На рис. 3 приведены форма (а) и спектр (б) сигнала.

• Модулированный синусоидальный аналоговый электрический сигнал образуется путем изменения амплитуды (АМ-модуляция), частоты (ЧМ-модуляция) или фазы (ФМ-модуляция) высокочастотного несущего сигнала низкочастотным информационным сигналом. Наиболее часто в измерительной технике применяется АМ-сигнал. На рис.4 приведен пример АМ-сигнала для случая, когда модулирующий и модулируемый сигналы являются синусои-

Рис.4

дальними (рис..4, а) и его амплитудно-частотный спектр (рис.4, б). Огибающая АМ-сигнала повторяет форму информационного (модулирующего) сигнала, как правило, с усилением его амплитуды. Математический анализ процесса модуляции в данном случае приводит к спектральной диаграмме, содержащей три спектральные линии: одну с частотой модулируемого (несущего) сигнала f₀ с амплитудой несущего сигнала U_o и две боковые линии с частотами f₀ ± F_c, где F_c — максимальная частота модулирующего сигнала. Амплитуды боковых спектральных линий при этом равны половине максимальной амплитуды модулирующего сигнала — U_m.

Восстановление усиленного информационного сигнала из АМ-сигнала называется демодуляцией, вид демодулированного сигнала представлен на рис. 5. Из рис..5 видно, что демодулированный сигнал имеет в своем составе постоянную составляющую, равную амплитуде несущего сигнала, что не всегда удобно при дальнейших преобразованиях. Подавление постоянной составляющей может быть осуществлено схемным решением электронного устройства. Кроме того, существует так называемая балансная модуляция, где подавление постоянной составляющей обеспечивается специальным алгоритмом про­цесса модуляции.

• Импульсный аналоговый электрический сигнал представляет собой периодическую последовательность импульсов (рис.6). Для передачи сообщений используются модуляции информационным сигналом: амплитуды — U_m (АИМ), частоты — f = 1/T (ЧИМ), ширины импульса — T_и (ШИМ), фазы — Δ φ (ФИМ). Таким образом, импульсная последовательность обладает большими информационными возможностями по сравнению с гармоническими сигналами.

Рис. 5 Рис. 6

. 2 Основные функциональные узлы электронных устройств

Электронные устройства, в которых осуществляется преобразование перечисленных ранее сигналов, содержат различные комбинации функциональных узлов в зависимости от назначения устройства. На рис.7 приведен перечень основных функциональных узлов, применяемых в схемотехнике современных аналоговых электронных устройств, используемых в измерительной технике.

Усилители информационного сигнала присутствуют практически во всех электронных устройствах, применяемых в измерительной технике. Усилители любого типа характеризуются полосой пропускания Δ f, которая равна разности верхней f_B и нижней f_H граничных частот. Полоса пропускания, как правило, увязывается с шириной спектра усиливаемого сигнала.

Усилители переменного тока. В усилителях переменного тока нижняя граничная частота всегда больше нулевой отметки. Эти усилители способны усиливать только переменные составляющие электрического сигнала. В измерительной технике чаще всего используются низкочастотные усилители с полосой пропускания 50... 1000 Гц, в некоторых случаях полоса пропускания находится в области средних частот с верхней граничной частотой до 10... 20 кГц. Данные усилители могут быть 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 сигнала до заданных значений по напряжению или току. Импульсные усилители отличаются широкой полосой пропускания, достаточной для усиления необходимого для сохранения формы импульсов числа гармонических составляющих спектра периодической последовательности разнополярных импульсов. Усилители мощности предназначены для обеспечения заданного уровня мощности на нагрузке как при усилении переменных, так и постоянных сигналов. В большинстве случаев усилители мощности выполняются двухтактными, когда в первом такте усиливается, например, положительная полуволна синусоидального сигнала, а во втором — отрицательная.

Усилители постоянного тока. Такие усилители имеют полосу пропускания с нижней граничной частотой равной нулю и, следовательно, способны усиливать как переменную, так и постоянную составляющие входного сигнала. Операционные усилители (ОУ) наиболее представительный класс усилителей постоянного тока. Название этих усилителей сложилось исторически с тех пор, когда они широко применялись для моделирования математических операций в аналоговых ЭВМ. Успехи твердотель-

Рис. 7

ной технологии позволили превратить громоздкие конструкции на электровакуумных лампах в миниатюрные интегральные изделия. Благодаря этому, а также своим уникальным свойствам (высокие коэффициент усиления и входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, малый дрейф выходного напряжения и др.) операционные усилители в настоящее время являются основной элементной базой многих аналоговых и импульсных электронных схем различного назначения. Существуют два основных способа усиления входного сигнала с помощью операционных усилителей: инвертирующий ОУ — сигнал усиливается и его знак или фаза изменяется на противоположный (инвертируются), инеинвертирующий ОУ, когда входной сигнал усиливается без инверсии его знака или фазы. Усилители типа МДМ (модулятор — демодулятор) используются для усиления сигналов постоянного и /или медленноменяющегося напряжения, когда необходимо практически полностью исключить аддитивную погрешность выходного сигнала (дрейф выходного напряжения). В этом случае используется модуляция входным сигналом высокочастотного несущего напряжения (см. рис. 4), при этом основное усиление осуществляется усилителем переменного напряжения, не имеющим аддитивной погрешности. Часто усилители этого типа называют усилителями с преобразованием спектра входного сигнала. Двухканальные усилители могут использоваться в случаях, когда входной сигнал занимает относительно широкую полосу частот и необходимо при этом минимизировать аддитивную погрешность. Принцип работы такого усилителя основан на разделении фильтрами частотного диапазона входного сигнала на высокочастотную и низкочастотную составляющие. Высокочастотная составляющая усиливается усилителем переменного сигнала, а низкочастотная — усилителем МДМ, далее усиленные составляющие входного сигнала смешиваются и доводятся до нормированного 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 невелик (близок к единице).

Преобразователи на базе операционных усилителей. Эти преобразователи получили самое широкое распространение в электронных устройствах измерительной техники, основные их типы приведены на рис.7. Гармонические генераторы с невысокими требованиями к стабильности частоты строятся на базе операционных усилителей и RС-цепей, в высокостабильных генераторах применяются времязадающие цепи с кварцевыми резонаторами. Релаксационные генераторы и формирователи служат для формирования импульсных последовательностей, одиночных импульсов, временных задержек с использованием времязадающих RC-цепей. Преобразователь сопротивление — напряжение используется для прецизионного измерения резисторов косвенным методом. Интегрирующий и дифференцирующий операционные усилители позволяют получить выходное напряжение пропорциональное соответственно интегралу или производной входного сигнала. Инвертор и повторитель применяются в случаях, когда входной сигнал должен быть воспроизведен на выходе без усиления, но с инверсией знака или фазы (инвертор) либо без инверсии (повторитель). Повторитель, фактически не изменяя входной сигнал, обеспечивает режим генератора напряжения в межкаскадных связях усилителей, поскольку имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления. Сумматор применяется для получения алгебраической суммы входных напряжений с усилением или без усиления результата. Компаратор представляет собой устройство сравнения двух электрических однополярных или разнополярных сигналов, один из которых является опорным (уставка). Компараторы широко применяются в аналогово-цифровых преобразователях, генераторах пилообразного напряжения.

Вторичные источники питания. Вторичные источники питания (ВИП) служат для преобразования сетевого напряжения в постоянные напряжения необходимых для электронных устройств уровней. К аналоговым ВИП относятся источники, собранные по классической схеме, содержащей входной силовой трансформатор, выпрямитель, фильтр и аналоговый стабилизатор параметрического или компенсационного типа. В импульсных ВИП используется промежуточное преобразование выпрямленного сетевого напряжения в высокочастотный импульсный сигнал с последующими выпрямлением, фильтрацией и стабилизацией выходного напряжения стабилизатором с импульсным регулированием различного типа (релейного, широтно-импульсного и др.).

Фильтры. Фильтры представляют собой элемент электрической цепи, формирующий заданную полосу пропускания по частоте напряжения на следующих за фильтром элементах: нагрузках, каскадах усиления и т.д. Пассивные фильтры строятся на R-, L-, С-элементах, имеют относительно невысокие параметры: коэффициент передачи, крутизну спада на границах полосы пропускания и т. п.Активные фильтры содержат кроме пассивных цепей операционные усилители, что позволяет восполнить потери уровня сигнала на пассивных элементах, а также обеспечить необходимые параметры частотной характеристики.

. 3. Основные типы электрических схем

Основные функциональные узлы, компоненты элементной базы представляют собой электронные устройства того или иного назначения.

Рис. 8

Физически электронное устройство представляет собой реально существующую электрическую цепь, содержащую источники энергии, основные функциональные узлы, компоненты элементной базы, нагрузки и соединения. В конструкторской документации при разработке электронного устройства реальная электрическая цепь отражается в виде электрических схем трех основных типов. К ним относятся структурная, функциональная и принципиальная электрические схемы.

Электрическая структурная схема в общем виде поясняет принцип работы электронного устройства, состав его основных узлов и блоков, их назначение и взаимосвязи между ними. В качестве примера на рис.8 приведен возможный вариант структурной схемы простейшего цифрового измерителя температуры объекта, содержащий шесть блоков. Блок датчика (первичного измерительного преобразователя физической величины) осуществляет преобразование температуры в электрический сигнал, это может быть термопара, термистор и т. п. Блок нормирующего усилителя обеспечивает необходимый для дальнейшего преобразования уровень сигнала. Блок преобразователя формирует из аналогового сигнала цифровой код, адекватный текущему значению температуры, далее цифровой код преобразуется блоком дешифратора в код управления цифровым индикатором. Электрические сигналы, соответствующие логическим уровням этого кода, усиливаются усилителем мощности до уровня, необходимого для работы блока цифрового индикатора.

Структурная схема служит основанием для разработки функциональной схемы.

Электрическая функциональная схема детализирует принцип работы устройства путем реализации блоков структурной схемы с

Рис. 9

помощью блоков, выполняющих стандартные функциональные преобразования. При этом тот или иной блок структурной схемы может быть реализован несколькими функциональными блоками, и наоборот, несколько блоков структурной схемы могут быть реализованы меньшим числом функциональных блоков. На рис.9 структурная схема цифрового измерителя температуры преобразована в возможную функциональную схему.

В данном примере первичный измерительный преобразователь представлен блоком 1 со стандартным условным графическим изображением функции преобразования. Нормирующий усилитель реализован на операционном усилителе — блок 2, его условное графическое изображение показано в рамке блока; преобразователь аналогового сигнала и дешифратор выполнены в виде одного блока 3 — аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с выходом в виде позиционного кода управления цифровым индикатором. Усилитель мощности, показанный на структурной схеме, реализован блоком 4, имеющим соответствующее условное графическое обозначение (УГО); блок 5 имеет стандартное обозначение символьного индикатора. Таким образом, функциональная схема уже содержит практические рекомендации по выбору отдельных схемотехнических решений и служит основанием для разработки принципиальной схемы измерителя температуры.

Электрическая принципиальная схема содержит полный состав комплектующих элементов электронного устройства и всех электрических связей между ними. Приложением к принципиальной схеме является перечень всех входящих в нее элементов с указанием их позиционных обозначений, типов, числа, выполняемый по стандартной форме Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Принципиальная схема служит основанием для разработки других конструкторских документов, необходимых для изготовления изделия (схем соединения, электромонтажных чертежей и др.).

Примеры принципиальных схем приведены далее при рассмотрении конкретных электронных устройств, применяемых в измерительной технике.