Сигналы

Аналоговое и цифровое представление сигнала

2. Сигналы

Аналоговые сигналы

В отличие от дискретного, аналоговый сигнал может иметь любой уровень напряжения в зависимости от времени. Поскольку аналоговый сигнал может быть в любом состоянии в любой момент времени, физические свойства, которые вы будете измерять, отличаются от тех, которые измеряют в цифровом сигнале.

Информация в аналоговом сигнале

Вы можете измерять уровень, форму и частоту аналогового сигнала, как это показано на следующей иллюстрации.

• Уровень — Измерение уровня напряжения аналогового сигнала похоже на измерение состояния цифрового сигнала. Отличие в том, что аналоговый сигнал может иметь любой уровень напряжения, в то время как цифровой может принимать два фиксированных уровня: 0 либо 5 вольт.

• Форма — Измерение формы сигнала часто является очень важным, поскольку аналоговые сигналы могут иметь любое значение в каждый момент времени. Например, синусоидальная волна отличается от пилообразной. Измерение формы сигнала предоставляет информацию для анализа других параметров сигнала, таких как пиковые (амплитудные) значения, параметры фронта или среднее значение.

• Частота — Измерение частоты аналогового сигнала похоже на измерение частоты цифрового сигнала. Однако непосредственно померить частоту аналогового сигнала вы не сможете. Вам понадобится программный анализ - обычно это преобразование Фурье - чтобы выделить частотную информацию.

Уровень большинства сигналов не сильно изменяется с течением времени. При этом сигнал обычно нужно измерять с высокой точностью. Вам для этого понадобится устройство сбора данных с большим разрешением, но небольшой частотой выборки. Используя различные преобразователи (датчики), вы можете измерять напряжения источников питания, температуру в смесительном баке, давление внутри шланга или нагрузку на часть механизма, как показано на следующей иллюстрации.

Измеряя форму сигнала, вы получаете зависимость уровня сигнала от времени. Некоторые сигналы очень быстро меняются со временем, а вам опять нужно с высокой точностью измерять их уровень. Для таких сигналов необходимо использовать устройство сбора данных с большим разрешением и высокой скоростью выборки.

Большое количество примеров измерения формы сигналов можно найти в медицинской, электронной и автомобильной промышленности - от измерения параметров сердцебиения и измерения видеосигналов до измерения вибрации пружины. После ввода сигнала в компьютер вы сможете проанализировать его форму для выделения необходимой информации.

Например, при измерении кровяного давления наиболее информативны пиковые значения. Однако из-за наличия постоянной времени цепи сопротивление-конденсатор (RC - цепочка) вам скорее придется работать с зависимостью амплитуды от времени, как это показано на рисунке ниже.

При измерении частоты сигнала опять необходима зависимость сигнала от времени. Многие сигналы очень быстро меняются во времени, и при этом вам нужно с высокой точностью измерять частоту сигнала. Поэтому необходимо использовать устройство сбора данных с большим разрешением и высокой скоростью дискретизации. Получив сигнал в зависимости от времени (представление сигнала во временной области), вы можете получить и его зависимость от частоты (в частотной области) при помощи программного обеспечения.

Дискретные сигналы

Дискретные (цифровые) сигналы имеют два возможных состояния - «включено» (высокий уровень напряжения, состояние «истина») и «выключено» (низкий уровень напряжения, состояние «ложь»), В современной технике дискретные сигналы часто представлены сигналами транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ-сигналы). Технические условия ТТЛ сигналов определяют уровень напряжения от 0 до 0.8 вольт как «низкий», а уровень напряжения от 2 до 5 вольт как «высокий». Большинство цифровых устройств принимают любой ТТЛ-совместимый сигнал.

Информация в дискретном сигнале

В дискретном сигнале можно измерить только два параметра: состояние (уровень) и скорость изменения.

• Состояние — Цифровой сигнал имеет два возможных состояния (уровня): «включено» и «выключено». Поэтому один из возможных для измерения параметров - это проверка состояния: «включено» или «выключено».

• Частота (скорость изменения) — Состояние цифрового сигнала также может изменяться со временем. Поэтому другой измеримый параметр - это скорость изменения состояний сигнала с течением времени.

Рассмотрим следующий пример измерения состояния дискретного сигнала. Предположим, у вас имеется переключатель, который вы хотите контролировать. Этот переключатель управляет включением и выключением света. Когда переключатель разомкнут, вы измерите 0 вольт («выключено»). Когда переключатель замкнут, вы измерите 5 вольт («включено»). Измеряя состояние дискретного сигнала, можно определить, зажегся свет или нет.

Теперь рассмотрим следующий пример измерения частоты дискретного сигнала. Предположим, что у вас есть мотор, и вы хотите определить, насколько быстро вращается вал мотора.

Устройство кодирования (энкодер) по углу поворота - это датчик, преобразующий информацию о вращательном движении вала мотора в дискретный сигнал. Когда вал вращается, энкодер генерирует два цифровых сигнала. Каждый сигнал представляет собой серию чередующихся высоких и низких состояний, которую называют последовательностью импульсов (pulse train). При определенном повороте вала генерируется импульс. Величина угла поворота вал, приходящаяся на один импульс, зависит от устройства энкодера. Измеряя частоту импульсов в одной из последовательностей, вы можете определить насколько быстро вращается вал. Измеряя обе последовательности импульсов, можно определить не только скорость вращения вала, но также и направление вращения.