Схема звукового сигнала Largus

Обновлено: 04.07.2024

РАЗДЕЛ I. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛАССА

Этот класс включает: (a) проводные односторонние электрические системы передачи или обработки аудиосигналов, (b) стереофонические системы, не классифицированные в других рубриках, (c) инструмент или процесс для преобразования электрического аудиоинформационного сигнала в или из слышимой человеком формы.

(1) Примечание. «Система» — это совокупность двух или более элементов, выполняющих различные функции.
< td valign="top">(2) Примечание. "Аудио" сигнал – это электрический сигнал, который представляет собой речь или другие звуки, меняющиеся во времени, и может быть в аналоговой или цифровой форме.
(3) Примечание. Комбинации громкоговорителя или микрофона с другим устройством обработки аудиосигнала (например, усилителем, фильтром и т. д.) или другой схемой (например, схемой смещения) классифицируются в настоящем документе, даже если громкоговоритель или микрофон включены только по названию.
(4) Примечание. Номинальное упоминание слова «аудио» недостаточно для классификации здесь изобретения, которое в противном случае было бы классифицировано в другом месте.

РАЗДЕЛ II - ЛИНИИ С ДРУГИМИ КЛАССАМИ И ВНУТРИ ЭТОГО КЛАССА

Преобразователь для преобразования речи или аналогичного звука (например, музыки) в соответствующий электрический сигнал или из него, а также комбинация такого преобразователя с акустической структурой классифицируются в настоящем документе (см. Ссылки на подкласс текущего класса ниже). Обратите внимание, что структура преобразователя в сочетании со схемой, отличной от провода или разъема, классифицируется вместе с системой либо в этом классе (381), либо во внешнем классе обработки аудиосигнала.

К этому классу не относятся двусторонние проводные системы передачи электрических аудиосигналов, которые классифицируются в других категориях. Передачи импульсных сигналов, не являющихся звуковыми сигналами, классифицируются в другом месте. Мультиплексные системы связи (кроме стереофонических мультиплексных систем) классифицируются в другом месте. Системы и устройства связи с модулированной несущей волной классифицируются в других разделах. Комбинации предметов этого класса со структурой более полной комбинации (например, телевизор) классифицируются вместе с комбинацией. (См. Ссылки на другие классы ниже.)

Когда говорят об усилителях, обычно имеют в виду стереокомпоненты или музыкальное оборудование. Но это лишь малая часть спектра аудиоусилителей. На самом деле вокруг нас есть усилители. Вы найдете их в телевизорах, компьютерах, портативных проигрывателях компакт-дисков и большинстве других устройств, в которых для воспроизведения звука используется динамик.

Звук — увлекательное явление. Когда что-то вибрирует в атмосфере, оно приводит в движение частицы воздуха вокруг себя. Эти частицы воздуха, в свою очередь, перемещают частицы воздуха вокруг себя, перенося импульс вибрации по воздуху. Наши уши улавливают эти колебания атмосферного давления и преобразуют их в электрические сигналы, которые мозг может обрабатывать.

Электронное звуковое оборудование работает таким же образом. Он представляет звук как переменный электрический ток. Вообще говоря, такое воспроизведение звука состоит из трех этапов:

  • Звуковые волны перемещают диафрагму микрофона вперед и назад, и микрофон преобразует это движение в электрический сигнал. Электрический сигнал колеблется, чтобы представить сжатие и разрежение звуковой волны.
  • Записывающее устройство кодирует этот электрический сигнал в виде шаблона на каком-либо носителе — например, в виде магнитных импульсов на ленте или в виде канавок на пластинке.
  • Проигрыватель (например, кассетная дека) интерпретирует эту схему как электрический сигнал и использует это электричество для перемещения диффузора динамика вперед и назад. Это воссоздает колебания давления воздуха, изначально записанные микрофоном.

Как видите, все основные компоненты этой системы по сути являются трансляторами: они принимают сигнал в одной форме и переводят его в другую. В конце звуковой сигнал преобразуется обратно в свою первоначальную форму — физическую звуковую волну.

Чтобы зарегистрировать все мельчайшие колебания давления в звуковой волне, диафрагма микрофона должна быть чрезвычайно чувствительной. Это означает, что он очень тонкий и перемещается только на короткое расстояние. Следовательно, микрофон производит довольно небольшой электрический ток.

Этого достаточно для большинства этапов процесса — он достаточно силен, например, для использования в записывающем устройстве, и легко передается по проводам. Но последний шаг в этом процессе — толкать диффузор динамика вперед и назад — сложнее. Для этого вам нужно усилить аудиосигнал, чтобы он имел больший ток, сохраняя при этом тот же характер колебаний заряда.

Это работа усилителя. Он просто производит более мощную версию звукового сигнала. В этой статье мы увидим, что делают усилители и как они это делают. Усилители могут быть очень сложными устройствами, состоящими из сотен крошечных деталей, но вы можете получить четкое представление о том, как работает усилитель, изучив самые основные компоненты. В следующем разделе мы рассмотрим основные элементы усилителей.

В предыдущем разделе мы видели, что работа усилителя заключается в том, чтобы принимать слабый аудиосигнал и усиливать его, чтобы создать сигнал, достаточно мощный для работы динамика. Это точное описание, если рассматривать усилитель в целом, но процесс внутри усилителя немного сложнее.

На самом деле усилитель генерирует совершенно новый выходной сигнал на основе входного сигнала. Вы можете понимать эти сигналы как две отдельные схемы. Выходная цепь генерируется блоком питания усилителя, который получает энергию от батареи или розетки. Если усилитель питается от бытового переменного тока, где поток заряда меняет направление, блок питания преобразует его в постоянный ток, где заряд всегда течет в одном направлении. Блок питания также сглаживает ток, чтобы генерировать абсолютно ровный, непрерывный сигнал. Нагрузка выходной цепи (работа, которую она выполняет) перемещает диффузор динамика.

Входная цепь представляет собой электрический звуковой сигнал, записанный на ленту или поступающий с микрофона. Его нагрузка модифицирует выходную цепь. Он применяет переменное сопротивление к выходной цепи, чтобы воссоздать колебания напряжения исходного аудиосигнала.

В большинстве усилителей эта нагрузка слишком велика для исходного аудиосигнала. По этой причине сигнал сначала усиливается предварительным усилителем, который посылает более сильный выходной сигнал на усилитель мощности. Предварительный усилитель работает так же, как и усилитель: входная цепь прикладывает переменное сопротивление к выходной цепи, генерируемой источником питания. В некоторых системах усилителей используется несколько предварительных усилителей для постепенного увеличения выходного сигнала до высокого напряжения.

Как же это делает усилитель? Если вы заглянете внутрь усилителя в поисках ответа, вы найдете только сложную массу проводов и компонентов схемы. Усилитель нуждается в этой сложной настройке, чтобы убедиться, что каждая часть аудиосигнала представлена ​​правильно и точно. Для высококачественного вывода требуется очень точное управление.

Внутри усилителя вы увидите массу электронных компонентов. Центральными компонентами являются большие транзисторы. Транзисторы выделяют много тепла, которое рассеивается радиатором.

Все части усилителя важны, но вам, конечно же, не нужно изучать каждую из них, чтобы понять, как работает усилитель. Есть только несколько элементов, которые имеют решающее значение для функционирования усилителя. В следующем разделе мы увидим, как эти элементы объединяются в очень простой конструкции усилителя.

Основным компонентом большинства усилителей является транзистор. Основными элементами транзистора являются полупроводники, материалы с различной способностью проводить электрический ток. Как правило, полупроводник состоит из плохого проводника, такого как кремний, в который были добавлены примеси (атомы другого материала). Процесс добавления примесей называется легированием.

В чистом кремнии все атомы кремния идеально связаны со своими соседями, не оставляя свободных электронов для проведения электрического тока. В легированном кремнии дополнительные атомы изменяют баланс, либо добавляя свободные электроны, либо создавая дырки, через которые могут пройти электроны. Электрический заряд перемещается, когда электроны перемещаются от отверстия к отверстию, поэтому любое из этих дополнений сделает материал более проводящим. (Полное объяснение см. в разделе «Как работают полупроводники».)

Полупроводники N-типа характеризуются дополнительными электронами (имеющими отрицательный заряд). Полупроводники P-типа имеют множество дополнительных дырок (имеющих положительный заряд).

Давайте рассмотрим усилитель, построенный на простом транзисторе с биполярным переходом. Этот тип транзистора состоит из трех слоев полупроводника — в данном случае полупроводник р-типа, зажатый между двумя полупроводниками n-типа. Эту структуру лучше всего представить в виде полосы, как показано на схеме ниже (реальная конструкция современных транзисторов немного отличается).

Первый слой n-типа называется эмиттером, слой p-типа называется базой, а второй слой n-типа называется коллектором. Выходная цепь (цепь, управляющая динамиком) подключена к электродам на эмиттере и коллекторе транзистора. Входная цепь подключается к эмиттеру и базе.

Свободные электроны в слоях n-типа, естественно, хотят заполнить дыры в слое p-типа. Свободных электронов гораздо больше, чем дырок, поэтому дырки заполняются очень быстро. Это создает зоны истощения на границах между материалом n-типа и материалом p-типа.В зоне истощения полупроводниковый материал возвращается в исходное изоляционное состояние — все дырки заполнены, поэтому нет свободных электронов или пустых мест для электронов, и заряд не может течь. Когда зоны истощения толстые, от эмиттера к коллектору может перемещаться очень небольшой заряд, даже если между двумя электродами существует большая разница напряжений.

В следующем разделе мы увидим, что можно сделать, чтобы изменить эту ситуацию.

Повышение напряжения

Когда зоны истощения толстые, вы можете увеличить напряжение на основном электроде. Напряжение на этом электроде напрямую регулируется входным током. Когда протекает входной ток, базовый электрод имеет относительный положительный заряд, поэтому он притягивает к себе электроны от эмиттера. Это освобождает часть отверстий, что сужает зоны истощения. По мере уменьшения зон истощения заряд может легче перемещаться от эмиттера к коллектору — транзистор становится более проводящим. Размер зон обеднения, а значит и проводимость транзистора, определяются напряжением на базовом электроде. Таким образом, флуктуирующий входной ток на основном электроде изменяет выходной ток на коллекторном электроде. Этот выход управляет динамиком.

Такой один транзистор представляет собой один «каскад» усилителя. Типичный усилитель имеет несколько повышающих каскадов, последний из которых управляет динамиком.

В небольшом усилителе (например, в усилителе спикерфона) выходной каскад может выдавать всего полватта мощности. В домашнем стереоусилителе конечный каскад может производить сотни ватт. Усилители, используемые на концертах под открытым небом, могут производить тысячи ватт.

Задачей хорошего усилителя является создание как можно меньшего количества искажений. Конечный сигнал, подаваемый на динамики, должен максимально точно имитировать исходный входной сигнал, даже если он несколько раз усиливался.

Этот базовый подход можно использовать для усиления любых вещей, а не только аудиосигналов. Все, что может быть перенесено электрическим током, например, радио- и видеосигналы, можно усиливать аналогичными средствами. Однако аудиоусилители, кажется, привлекают внимание людей больше, чем что-либо еще. Любителей звука восхищают вариации конструкции, влияющие на номинальную мощность, импеданс и точность воспроизведения звука, а также другие характеристики.

Дополнительную информацию об усилителях можно найти по ссылкам на следующей странице.

Электрический шум возникает в результате того, что более или менее случайные электрические сигналы попадают в нежелательные цепи, т. е. нарушают передачу сигналов, несущих информацию. Шум возникает как в силовых, так и в сигнальных цепях, но, вообще говоря, он становится проблемой, когда попадает в сигнальные цепи. Цепи сигналов и данных особенно уязвимы к шуму, поскольку они работают на высоких скоростях и с низкими уровнями напряжения. Чем ниже напряжение сигнала, тем меньше допустимая амплитуда шумового напряжения. Отношение сигнал/шум описывает, какой шум может выдержать схема, прежде чем действительная информация, сигнал, будет искажена.

Шум — один из самых загадочных аспектов качества электроэнергии, тем более что его следует рассматривать вместе с его не менее загадочным близнецом — заземлением. Чтобы уменьшить загадку, нужно понять две ключевые концепции:

  • Во-первых, электрические эффекты не требуют прямого подключения (например, через медные проводники).
  • Вторая концепция заключается в том, что мы больше не можем оставаться в области 60 Гц. Одним из преимуществ частоты 60 Гц является то, что это достаточно низкая частота, поэтому силовые цепи можно рассматривать (почти) как цепи постоянного тока.

Механизмы связи

Существует четыре основных механизма шумовой связи. Стоит понимать их и то, чем они отличаются друг от друга, потому что большая часть работы специалиста по устранению неполадок будет заключаться в том, чтобы определить, какой эффект связи преобладает в конкретной ситуации.

1. Емкостная связь

Этот шум часто называют электростатическим шумом, и он связан с напряжением. Грозовые разряды — это лишь крайний случай. Любые проводники, разделенные изоляционным материалом (в том числе и воздухом), составляют конденсатор, иначе говоря, емкость является неотъемлемой частью любой цепи. Потенциал емкостной связи увеличивается с увеличением частоты (емкостное реактивное сопротивление, которое можно рассматривать как сопротивление емкостной связи, уменьшается с частотой, как видно из формулы: XC = 1/2pfC).

2. Индуктивная связь

Это магнитно-связанный шум, основанный на токе. Каждый проводник, по которому течет ток, имеет связанное с ним магнитное поле. Изменяющийся ток может индуцировать ток в другой цепи, даже если эта цепь представляет собой одиночный контур; другими словами, цепь источника действует как первичная обмотка трансформатора, а цепь-жертва является вторичной.Эффект индуктивной связи увеличивается со следующими факторами: (1) больший ток, (2) более высокая скорость изменения тока, (3) близость двух проводников (первичный и вторичный) и (4) чем больше похож соседний проводник рулон (круглого диаметра, а не плоского или спирального, а не прямого).

Магнитные поля изолируются эффективным экранированием. Используемый материал должен быть способен проводить магнитные поля (железо, а не медь). Причина, по которой выделенная цепь (горячая, нейтральная, заземляющая) должна по возможности прокладываться в собственном металлическом кабелепроводе, заключается в том, что он фактически экранирован магнитным полем для минимизации эффектов индуктивной связи.

И индуктивная, и емкостная связи называются эффектами ближнего поля, поскольку они преобладают на коротких расстояниях, а расстояние уменьшает их эффекты связи. Это помогает объяснить одну из загадок шума — как небольшое физическое изменение положения проводки может иметь такие серьезные последствия для связанного шума.

3. Кондуктивный шум

Несмотря на то, что все связанные шумы заканчиваются кондуктивным шумом, этот термин обычно используется для обозначения шума, связанного с прямым гальваническим (металлическим) соединением. В эту категорию входят цепи с общими проводниками (например, с общей нейтралью или заземлением). Кондуктивный шум может быть высокочастотным, но также может иметь частоту 60 Гц.

Распространенные примеры соединений, которые направляют нежелательные шумовые токи непосредственно на землю:

  • Субпанели с дополнительными связями N-G
  • Розетка неправильно подключена при переключении N и G.
  • Оборудование с внутренними полупроводниковыми защитными устройствами, которые замкнули линию или нейтраль на землю, или которые не вышли из строя, но имеют нормальный ток утечки. Этот ток утечки ограничен UL до 3,5 мА для оборудования, подключаемого вилкой, но нет ограничения для оборудования с постоянным подключением и потенциально гораздо более высокими токами утечки. (Токи утечки легко определить, поскольку они исчезают при выключении устройства).

4. RFI (радиочастотные помехи)

RFI находится в диапазоне от 10 кГц до 10 секунд МГц (и выше). На этих частотах отрезки провода начинают действовать как передающие и принимающие антенны. Цепь-виновник действует как передатчик, а цепь-жертва действует как приемная антенна. РЧ-помехи, как и другие механизмы связи, существуют, но ими можно управлять (однако не без некоторых размышлений и усилий).

Для подавления радиопомех используется ряд стратегий.

Заземление сигнала

Чтобы понять важность "чистого" заземления сигнала, давайте обсудим разницу между дифференциальным сигналом (DM) и синфазным сигналом (CM). Представьте себе базовую двухпроводную схему: подача и обратка. Любой ток, который циркулирует, или любое напряжение, считываемое через нагрузку между двумя проводами, называется DM (также используются термины нормальный режим, поперечный режим и сигнальный режим). Сигнал DM обычно является желаемым сигналом (точно так же, как 120 В в розетке). Представьте себе третий проводник, обычно заземляющий. Любой ток, протекающий теперь через два первоначальных проводника и возвращающийся по этому третьему проводнику, является общим для обоих первоначальных проводников. Ток CM — это шум, который должен преодолевать настоящий сигнал. КМ это весь лишний трафик на трассе. Он мог попасть туда с помощью любого из механизмов связи, таких как связь по магнитному полю на частоте линии электропередач или РЧ-помехи на более высоких частотах. Суть в том, чтобы контролировать или минимизировать эти токи заземления или CM, чтобы облегчить жизнь токов DM.

Измерение

Токи СМ можно измерять токоизмерительными клещами с использованием метода нулевой последовательности. Зажим обводит сигнальную пару (или, в трехфазной цепи, все трехфазные проводники и нейтраль, если она есть). Если сигнальный и обратный ток равны, их равные и противоположные магнитные поля компенсируются. Любое текущее чтение должно быть общим режимом; другими словами, любой считанный ток — это ток, который возвращается не по сигнальным проводам, а по пути заземления. Этот метод применим как к сигнальным, так и к силовым проводникам. Для основных токов будет достаточно ClampMeter или DMM + клещи, но для более высоких частот следует использовать прибор с широкой полосой пропускания, такой как анализатор качества электроэнергии Fluke 43 или ScopeMeter, с дополнительными клещами. Переходные процессы следует отличать от всплесков. Всплески являются частным случаем высокоэнергетических переходных процессов, возникающих в результате ударов молнии. Переходные процессы напряжения – это события с низким энергопотреблением, обычно вызванные переключением оборудования.

Они вредны во многих отношениях.

Переходные процессы можно классифицировать по форме волны. Первая категория - это «импульсные» переходные процессы, обычно называемые «пиками», потому что высокочастотный пик выступает из формы волны. С другой стороны, переходный процесс с переключением колпачка является «колебательным» переходным процессом, поскольку звонящий сигнал накладывается на нормальный сигнал и искажает его. Это более низкая частота, но более высокая энергия.

Причины

Переходные процессы неизбежны. Они создаются быстрым переключением относительно больших токов. Например, индуктивная нагрузка, такая как двигатель, создаст всплеск отдачи при выключении. На самом деле, удаление вигги (измерителя напряжения соленоида) из высоковольтной цепи может создать всплеск в тысячи вольт! Конденсатор, с другой стороны, создает кратковременное короткое замыкание при включении. После этого внезапного обвала приложенного напряжения напряжение восстанавливается и возникает колебательная волна. Не все переходные процессы одинаковы, но, как правило, переключение нагрузки вызывает переходные процессы.

В офисах лазерный копировальный аппарат/принтер — общепризнанный «плохой парень» в филиальной сети офиса. Требуется, чтобы внутренний нагреватель включался каждый раз, когда он используется, и каждые 30 секунд или около того, когда он не используется. Это постоянное переключение имеет два последствия: скачок или бросок тока может вызвать повторяющиеся провалы напряжения; быстрые изменения тока также вызывают переходные процессы, которые могут повлиять на другие нагрузки в той же ветви.

Измерение и запись

Переходные процессы можно регистрировать с помощью DSO (цифровых запоминающих осциллографов). Fluke 43 PQ Analyzer, который включает в себя функции DSO, может захватывать, сохранять и впоследствии отображать до 40 переходных сигналов. События помечаются отметками времени и даты (отметками реального времени). Регистратор событий напряжения VR101S также регистрирует переходные процессы в розетке. Предоставляются отметки пикового напряжения и реального времени.

Подавители переходных перенапряжений (TVSS)

К счастью, временная защита стоит недорого. Практически все электронное оборудование имеет (или должно иметь) некоторый уровень встроенной защиты. Одним из часто используемых защитных компонентов является MOV (металлооксидный варистор), который ограничивает избыточное напряжение.

Запас помехоустойчивости — это мера проектных запасов, обеспечивающая правильное функционирование цепей в заданных условиях. Источниками шума являются рабочая среда, источник питания, электрические и магнитные поля и волны излучения. Переключение транзисторов на кристалле также может генерировать нежелательный шум. Чтобы гарантировать правильное переключение транзисторов в определенных шумовых условиях, схемы должны быть спроектированы с заданными запасами по шуму.

Рисунок 2.12 иллюстрирует запас по шуму и термины, предполагая, что сигнал, генерируемый приводным устройством, подается на вход приемного устройства и что этот провод чувствителен к шуму. Минимальное выходное напряжение управляющего устройства для высокого логического уровня, VOH min, должно быть больше, чем минимальное входное напряжение, VIH min принимающего устройства для высокого логического уровня. Из-за помех, наводимых на провод, сигнал логического высокого уровня на выходе задающего устройства может поступать с более низким напряжением на вход приемного устройства. Запас по шуму, NMH = |VOH min< /sub> — VIH min|, для высокого логического уровня — это диапазон допустимых значений, при котором сигнал высокого логического уровня все еще может быть правильно принят. То же самое можно сказать и о запасе по шуму: NML = |VIL< /em> max – VOL max|, для низкого логического уровня, который указывает диапазон допуска для сигналов низкого логического уровня на провод. Меньший запас по шуму означает, что схемы более чувствительны к шуму.

< бр />

РИСУНОК 2.12. Запас шума и условия.

Важно отметить, что по мере развития КМОП-технологий размер элементов устройства уменьшается, а длина канала уменьшается. Миниатюризация транзисторов приводит к еще более низким напряжениям питания, что приводит к уменьшению запаса по шуму. В таблице 2.1 показаны типичные измерения запаса шума по отношению к технологическим достижениям.


Сигнал – это электромагнитный или электрический ток, передающий данные из одной системы или сети в другую. В электронике сигнал часто представляет собой изменяющееся во времени напряжение, которое также является электромагнитной волной, несущей информацию, хотя может принимать и другие формы, например ток. В электронике используются два основных типа сигналов: аналоговые и цифровые сигналы. В этой статье обсуждаются соответствующие характеристики, использование, преимущества и недостатки, а также типичные области применения аналоговых и цифровых сигналов.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал изменяется во времени и обычно привязан к диапазону (например, от +12 В до -12 В), но в этом непрерывном диапазоне существует бесконечное количество значений. Аналоговый сигнал использует данное свойство среды для передачи информации о сигнале, например, электричество, проходящее по проводу. В электрическом сигнале напряжение, ток или частота сигнала могут изменяться для представления информации.Аналоговые сигналы часто представляют собой рассчитанные реакции на изменения света, звука, температуры, положения, давления или других физических явлений.

При построении графика зависимости напряжения от времени аналоговый сигнал должен давать плавную и непрерывную кривую. Не должно быть дискретных изменений значений (см. рис. 1).


Рисунок 1. Аналоговый сигнал

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал — это сигнал, представляющий данные в виде последовательности дискретных значений. Цифровой сигнал может принимать только одно значение из конечного набора возможных значений в данный момент времени. В цифровых сигналах физической величиной, представляющей информацию, может быть множество вещей:

  • Переменный электрический ток или напряжение
  • Фаза или поляризация электромагнитного поля
  • Акустическое давление
  • Намагничивание магнитного носителя.

Цифровые сигналы используются во всей цифровой электронике, включая вычислительное оборудование и устройства передачи данных. На графике зависимости напряжения от времени цифровые сигналы представляют собой одно из двух значений и обычно находятся между 0 В и VCC (обычно 1,8 В, 3,3 В или 5 В) (см. рис. 2).


Аналоговая электроника

Большинство основных электронных компонентов — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы и операционные усилители (операционные усилители) — по своей сути являются аналоговыми компонентами. Схемы, построенные из комбинации этих компонентов, представляют собой аналоговые схемы (см. рис. 3).


Рисунок 3. Аналоговая схема

Аналоговые схемы могут быть сложными, состоящими из нескольких компонентов, или простыми, например, с двумя резисторами, образующими делитель напряжения. Как правило, аналоговые схемы проектировать сложнее, чем цифровые схемы, выполняющие ту же задачу. Для разработки аналогового радиоприемника или аналогового зарядного устройства потребуется разработчик, знакомый с аналоговыми схемами, поскольку цифровые компоненты были приняты для упрощения этих конструкций.

Аналоговые схемы обычно более чувствительны к шуму, а "шум" – это любые небольшие нежелательные колебания напряжения. Небольшие изменения уровня напряжения аналогового сигнала могут привести к значительным ошибкам при обработке.

Аналоговые сигналы обычно используются в системах связи, которые передают голос, данные, изображение, сигнал или видеоинформацию с помощью непрерывного сигнала. Существует два основных типа аналоговой передачи, каждый из которых основан на том, как они адаптируют данные для объединения входного сигнала с сигналом несущей. Двумя методами являются амплитудная модуляция и частотная модуляция. Амплитудная модуляция (AM) регулирует амплитуду несущего сигнала. Частотная модуляция (FM) регулирует частоту несущего сигнала. Аналоговая передача может осуществляться многими способами:

  1. По витой паре или коаксиальному кабелю.
  2. По оптоволоконному кабелю
  3. По радио
  4. По воде

Подобно тому, как человеческое тело использует глаза и уши для захвата сенсорной информации, аналоговые схемы используют эти методологии для взаимодействия с реальным миром, а также для точного захвата и обработки этих сигналов в электронике.

MPS производит множество аналоговых ИС и компонентов, таких как MP2322, синхронный понижающий преобразователь с низкой IQ в крошечном корпусе QFN размером 1,5 мм x 2 мм.

Цифровая электроника

Цифровые схемы реализуют такие компоненты, как логические вентили или более сложные цифровые ИС. Такие микросхемы представлены прямоугольниками с отходящими от них выводами (см. рис. 4).


Рисунок 4: Цифровая схема

В цифровых схемах обычно используется двоичная схема. Хотя значения данных представлены только двумя состояниями (0 и 1), более крупные значения могут быть представлены группами двоичных битов. Например, в 1-битной системе 0 представляет значение данных 0, а 1 представляет значение данных 1. Однако в 2-битной системе 00 представляет 0, 01 представляет 1, 10 представляет 2, а 11 представляет 3. В 16-битной системе наибольшее число, которое может быть представлено, равно 216, или 65 536. Эти группы битов могут быть захвачены либо как последовательность последовательных битов, либо как параллельная шина. Это позволяет легко обрабатывать большие потоки данных.

В отличие от аналоговых схем, большинство используемых цифровых схем являются синхронными, то есть для координации работы блоков схем используются опорные часы, поэтому они работают предсказуемым образом. Аналоговая электроника работает асинхронно, то есть обрабатывает сигнал по мере его поступления на вход.

В большинстве цифровых схем для обработки данных используется цифровой процессор.Это может быть простой микроконтроллер (MCU) или более сложный процессор цифровых сигналов (DSP), который может фильтровать и обрабатывать большие потоки данных, например видео.

Цифровые сигналы обычно используются в системах связи, где цифровая передача может передавать данные по каналам передачи "точка-точка" или "точка-многоточка", таким как медные провода, оптоволокно, средства беспроводной связи, носители данных или компьютерные шины. . Передаваемые данные представлены в виде электромагнитного сигнала, такого как микроволновая печь, радиоволна, электрическое напряжение или инфракрасный сигнал.

В целом цифровые схемы проектировать проще, но они часто стоят дороже, чем аналоговые схемы, предназначенные для тех же задач.

Каталог цифровых компонентов MPS включает MP2886A, цифровой многофазный ШИМ-контроллер с интерфейсом PWM-VID, совместимым со спецификацией NVIDIA Open VReg.

Аналогово-цифровое (АЦП) и цифро-аналоговое (ЦАП) преобразование сигналов

Многие системы должны обрабатывать как аналоговые, так и цифровые сигналы. Во многих системах связи обычно используется аналоговый сигнал, который действует как интерфейс для среды передачи для передачи и приема информации. Эти аналоговые сигналы преобразуются в цифровые сигналы, которые фильтруют, обрабатывают и сохраняют информацию.

На рис. 5 показана общая архитектура, в которой аналоговый ВЧ-интерфейс (AFE) состоит из всех аналоговых блоков для усиления, фильтрации и усиления аналогового сигнала. Между тем, секция процессора цифровых сигналов (DSP) фильтрует и обрабатывает информацию. Для преобразования сигналов из аналоговой подсистемы в цифровую в приемном тракте (RX) используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для преобразования сигналов из цифровой подсистемы в аналоговую в тракте передачи (TX) используется цифро-аналоговый преобразователь (DAC).


Рисунок 5: Система связи с аналоговой и цифровой подсистемами

Цифровой сигнальный процессор (DSP) – это специализированный микропроцессорный чип, выполняющий операции цифровой обработки сигналов. DSP изготавливаются на интегральных схемах MOSFET и широко используются в обработке аудиосигналов, телекоммуникациях, цифровой обработке изображений, телевизионных продуктах высокой четкости, обычных бытовых электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, и во многих других важных приложениях.

ЦОС используется для измерения, фильтрации или сжатия непрерывных реальных аналоговых сигналов. Выделенные DSP часто имеют более высокую энергоэффективность, что делает их подходящими для портативных устройств из-за их ограничений по энергопотреблению. Большинство микропроцессоров общего назначения также могут выполнять алгоритмы цифровой обработки сигналов.

Операция АЦП

На рис. 6 показана работа АЦП. Вход представляет собой аналоговый сигнал, который обрабатывается схемой удержания выборки (S/H) для создания приблизительного цифрового представления сигнала. Амплитуда больше не имеет бесконечных значений и была «квантована» до дискретных значений в зависимости от разрешения АЦП. АЦП с более высоким разрешением будет иметь меньшие размеры шага и будет более точно представлять входной аналоговый сигнал. Последний этап АЦП кодирует оцифрованный сигнал в двоичный поток битов, представляющий амплитуду аналогового сигнала. Цифровой вывод теперь можно обрабатывать в цифровой области.


Рисунок 6: Типичная архитектура АЦП для преобразования аналогового сигнала в цифровой

Операция ЦАП

ЦАП обеспечивает обратную операцию. Вход ЦАП представляет собой двоичный поток данных из цифровой подсистемы, и он выводит дискретное значение, которое аппроксимируется аналоговым сигналом. По мере увеличения разрешения ЦАП выходной сигнал все больше приближается к действительно гладкому и непрерывному аналоговому сигналу (см. рис. 7). Обычно в цепочке аналогового сигнала есть постфильтр для дальнейшего сглаживания формы волны.


Рисунок 7: 6-битный ЦАП для цифро-аналогового преобразования сигнала

Как упоминалось ранее, многие системы, используемые сегодня, являются "смешанными сигналами", то есть они используют как аналоговые, так и цифровые подсистемы. Эти решения требуют ADC и DAC для преобразования информации между двумя доменами.

Цифровые сигналы и аналоговые сигналы: преимущества и недостатки

Как и в большинстве инженерных тем, у аналоговых и цифровых сигналов есть свои плюсы и минусы. Конкретное приложение, требования к производительности, среда передачи и операционная среда могут определять, следует ли использовать аналоговую или цифровую сигнализацию (или их комбинацию).

Цифровые сигналы: преимущества и недостатки

Преимущества использования цифровых сигналов, включая цифровую обработку сигналов (DSP) и системы связи, включают следующее:

  • Цифровые сигналы могут передавать информацию с меньшим уровнем шума, искажений и помех.
  • Цифровые схемы можно легко воспроизводить в больших количествах при сравнительно низких затратах.
  • Цифровая обработка сигналов более гибкая, поскольку операции DSP можно изменять с помощью систем с цифровым программированием.
  • Цифровая обработка сигналов более безопасна, поскольку цифровую информацию можно легко зашифровать и сжать.
  • Цифровые системы более точны, и вероятность возникновения ошибок может быть снижена за счет использования кодов обнаружения и исправления ошибок.
  • Цифровые сигналы можно легко хранить на любых магнитных или оптических носителях с использованием полупроводниковых микросхем.
  • Цифровые сигналы могут передаваться на большие расстояния.

К недостаткам использования цифровых сигналов, включая цифровую обработку сигналов (DSP) и системы связи, относятся следующие:

  • Для цифровой связи требуется более высокая пропускная способность по сравнению с аналоговой передачей той же информации.
  • DSP обрабатывает сигнал на высоких скоростях и использует больше внутренних аппаратных ресурсов. Это приводит к более высокому рассеиванию мощности по сравнению с аналоговой обработкой сигналов, которая включает в себя пассивные компоненты, потребляющие меньше энергии.
  • Цифровые системы и обработка обычно более сложны.

Аналоговые сигналы: преимущества и недостатки

Преимущества использования аналоговых сигналов, включая аналоговую обработку сигналов (ASP) и системы связи, включают следующее:

  • Аналоговые сигналы легче обрабатывать.
  • Аналоговые сигналы лучше всего подходят для передачи аудио и видео.
  • Аналоговые сигналы имеют гораздо более высокую плотность и могут предоставлять более точную информацию.
  • Аналоговые сигналы используют меньшую пропускную способность, чем цифровые сигналы.
  • Аналоговые сигналы обеспечивают более точное представление изменений физических явлений, таких как звук, свет, температура, положение или давление.
  • Аналоговые системы связи менее чувствительны с точки зрения электрических допусков.

К недостаткам использования аналоговых сигналов, включая аналоговую обработку сигналов (ASP) и системы связи, относятся следующие:

  • Передача данных на большие расстояния может привести к нежелательным помехам сигнала.
  • Аналоговые сигналы подвержены потере генерации.
  • Аналоговые сигналы подвержены шуму и искажениям, в отличие от цифровых сигналов, которые имеют гораздо более высокую устойчивость.
  • Аналоговые сигналы обычно имеют более низкое качество, чем цифровые сигналы.

Аналоговые и цифровые сигналы: системы и приложения

Традиционные аудиосистемы и системы связи используют аналоговые сигналы. Однако с развитием кремниевых технологий, возможностей цифровой обработки сигналов, алгоритмов кодирования и требований к шифрованию — в дополнение к повышению эффективности полосы пропускания — многие из этих систем стали цифровыми. Это все еще некоторые приложения, в которых аналоговые сигналы имеют устаревшее использование или преимущества. Большинство систем, взаимодействующих с реальными сигналами (такими как звук, свет, температура и давление), используют аналоговый интерфейс для захвата или передачи информации. Ниже перечислены несколько применений аналоговых сигналов:

  • Аудиозапись и воспроизведение
  • Датчики температуры
  • Датчики изображения
  • Радиосигналы
  • Телефоны
  • Системы управления

MPS предлагает широкий ассортимент аналоговых компонентов, включая MP2322, MP8714, MP2145 и MP8712.

Хотя во многих первоначальных системах связи использовались аналоговые сигналы (телефоны), в современных технологиях используются цифровые сигналы из-за их преимуществ, связанных с помехоустойчивостью, шифрованием, эффективностью использования полосы пропускания и возможностью использовать ретрансляторы для передачи на большие расстояния. Ниже перечислены несколько приложений для цифровых сигналов:

  • Системы связи (широкополосные, сотовые)
  • Сеть и передача данных
  • Цифровые интерфейсы для программирования

Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше о цифровых компонентах MPS, таких как MP2886A, MP8847, MP8868, MP8869S и MP5416.

Заключение

В этой статье представлены некоторые основные концепции аналоговых и цифровых сигналов и их использование в электронике. У каждой технологии есть явные преимущества и недостатки, и знание потребностей вашего приложения и требований к производительности поможет вам определить, какой сигнал (сигналы) выбрать.

Читайте также: