Электронные системы и сигналы

Электронной системой принято называть совокупность определенным образом соединенных отдельных функциональных узлов, действующих как единое целое, способных выполнять заданные операции по обработке электрических сигналов.

В свою очередь каждый функциональный узел конструктивно также может быть выполнен как единое целое — интегральная микросхема или составлен из отдельных дискретных активных и пассивных элементов: интегральных микросхем с малой степенью интеграции, электронных ламп, транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, трансформаторов и т. д. и таким образом может рассматриваться как устройство.

Активные элементы усиливают мощность проходящих через них электрических сигналов, потребляя при этом энергию от внешнего источника питания. Пассивные элементы — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и трансформаторы — лишь расходуют энергию сигнала и используются в электронных цепях для согласования отдельных узлов и блоков, получения заданных частотных (временных) характеристик, трансформации напряжений и токов и т. д.

Практически в любой электронной системе основную часть составляют устройства для усиления сигналов. При этом сигналы не только усиливаются, но и отфильтровываются друг от друга, от посторонних шумов и помех, преобразуются из непрерывной формы в дискретную и т. д. и в конце концов появляются на выходе системы.

В общем виде процесс обработки сигнала электронной системой можно иллюстрировать рис. 2.1, а: па вход электронной системы поступает некоторое, весьма малое напряжения U_BX(t), несущее некоторую информацию,' и через некоторое время на выходе системы появляется отклик — усиленное и определенным образом обработанное выходное напряжение U_Bblx(t), из которого можно извлечь необходимую информацию.

Выходной сигнал может существенно отличаться от входного — в зависимости от свойств электронной системы, через которую он прошел, и от того, каким операциям преобразования он в этой системе подвергся. При этом во всех случаях необходимо совершенно точно и однозначно по выходному сигналу определить, каким был исходный, входной сигнал на входе системы. Для этого необходимо знать свойства электронной системы в целом и однозначно определять, как она изменяет входной сигнал.

Это не всегда является простой задачей. В самом деле: если, например, возникает необходимость исследовать электрофизические свойства некоторого объекта, то на него надо воздействовать некоторым стандартным тест-сигналом, который после прохождения через изучаемый объект несколько изменится. И эти изменения в тест-сигнале будут содержать сведения об электрофизических свойствах объекта.

В простейшем случае электронная система для подобных измерений может быть выполнена по структурной схеме, приведенной на рис. 2.1, б: на объект исследования действуют тест-сигналом с заданными параметрами (например, импульсом прямоугольной формы), который после прохождения через изучаемый объект существенно уменьшится и в значительной степени изменит свою форму. Поэтому этот сигнал необходимо усилить, отфильтровать от посторонних сигналов, шумов и помех, провести анализ возникших изменений формы, вывести результат анализа на устройство отсчета-индикации и, если необходимо, записать этот результат для дальнейшего использования.

Приведенная на рис. 2.1, 6 информационно-измерительная система выполнена с использованием аналоговых электронных функциональных элементов и узлов и во многих случаях не позволяет провести изучение параметров и характеристик объекта с высокой степенью точности.

Более совершенной является аналого-цифровая измерительная система, структурная схема которой приведена на рис. 2.1, в. Основное отличие этой системы от предыдущей заключается в том, что тестсигнал после прохождения через изучаемый объект отфильтровывается от помех, несколько усиливается при этом, а затем преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Цифровой сигнал затем поступает в ЭВМ, обрабатывается и анализируется по заданной программе, после чего преобразуется обратно в аналоговую форму с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП), отображается на экране отсчетно-индикаторного устройства и, если необходимо, записывается.

Рис. 2.1. Структурные схемы электронных информационно-измерительных.

и управляющих систем Подобного вида операции по обработке и анализу сигналов возникают и в системах автоматического управления работой, например промышленного оборудования.

Действительно, пусть имеется некоторый объект (рис. 2.1, г), работой которого необходимо управлять. Для этого все механизмы этого объекта должны быть оснащены соответствующими измерительными преобразователями («датчиками»), преобразующими изменение положения, например рабочего органа механизма в пространстве, или изменение усилия на нем и т. д., в пропорциональные этим изменениям электрические напряжения. Эти напряжения после предварительного усиления и фильтрации от помех поступают на мультиплексор, осуществляющий поочередное подключение выходов предварительных усилителей в АЦП, который преобразует аналоговые сигналы в цифровую форму и передает их в ЭВМ, где осуществляется их обработка по заданной программе и анализ, в результате чего вырабатываются сигналы управления рабочими органами объекта управления. С выхода ЭВМ цифровые сигналы управления поступают на ЦАП, который преобразует их в аналоговую форму — в электрические напряжения и токи, которые через демультиплексор поочередно поступают через усилители мощности на соответствующие исполнительные устройства и механизмы объекта управления.

Таким образом, и в этом случае возникает необходимость генерировать, усиливать, отфильтровывать, преобразовывать и анализировать различного рода и вида сигналы.

В общем случае сигнал — отображение некоторых сведений (сообщений) и представляет собой физический процесс.

Например, при геофизических исследованиях сигналами могут быть упругие или электромагнитные волны, распространяющиеся в земной коре от искусственного или естественного источника; магнитные или гравитационные поля и их аномалии; уровень ионизирующего излучения и т. д. Обычно геофизические сигналы с помощью соответствующих входных измерительных преобразователей («геофизических датчиков») преобразуются в электрические, которые после усиления и обработки преобразуются в вид, удобный для анализа и хранения. В процессе преобразования сигналов возможна как утрата части информации, так и добавление некоторой ложной, искаженной информации, что затрудняет распознавание истинного сообщения. Чтобы свести к минимуму потери информации, параметры сигнала и системы должны быть согласованы, что может быть сделано, если известны параметры сигнала и системы — путем проведения соответствующего анализа.

Имеются два основных способа анализа сигналов и электронных систем — временой и спектральный.

При временном способе сигнал представляется в виде непрерывной функции времени или в виде суммы элементарных импульсов, следующих друг за другом через конечные или бесконечно малые промежутки времени.

Спектральный способ основан на представлении сигнала в виде спектра — суммы гармонических (синусоидальных) составляющих различных частот, разделенных бесконечно малыми или конечными промежутками. Оба способа описания сигналов совершенно адекватны, и выбор того или иного способа произволен.

Сигналы принято называть регулярными, если они могут быть представлены в виде заранее заданных математических функций, и нерегулярными (случайными), если это не может быть сделано. Регулярные сигналы подразделяют на три основных вида: периодические, почти периодические и непериодические. Нерегулярные сигналы могут быть стационарными и нестационарными.