Электроника делится на аналоговую и цифровую, причем последняя практически по всем позициям вытеснила аналоговую. Аналоговая электроника изучает устройства, формирующие и обрабатывающие непрерывные во времени сигналы.
Цифровая электроника использует дискретные во времени сигналы, выраженные чаще всего в цифровой форме.
Что же такое сигнал? Сигнал – это что-либо, несущее информацию. Свет, звук, температура, скорость - всё это физические величины, изменение которых имеет для нас определённое значение: либо как процесс жизнедеятельности, либо как технологический процесс.
Многие физические величины человек способен воспринимать, как информацию. Для этого у него есть преобразователи – органы чувств, которые разнообразные внешние сигналы преобразуют в импульсы (имеющие, кстати, электрическую природу), поступающие в головной мозг. При этом все виды сигналов: и свет, и звук, и температура преобразуются в импульсы одной природы.
В электронных системах функции органов чувств выполняют датчики (сенсоры), которые преобразуют все физические величины в электрические сигналы. Для света – фотоэлементы, для звука – микрофоны, для температуры – терморезистор или термопара.
Почему именно в электрические сигналы? Ответ очевиден, электрические величины универсальны, так как любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот; электрические сигналы удобно передавать и обрабатывать.
После поступления информации, человеческий мозг на основе обработки этой информации отдаёт управляющие воздействия мышцам и другим механизмам. Аналогично в электронных системах электрические сигналы управляют электрической, механической, тепловой и другими видами энергии, посредством электродвигателей, электромагнитов, электрических источников света.
И так, вывод. То, что раннее делал человек (или не мог делать), выполняют электронные системы: контролируют, управляют, регулируют, связывают на расстоянии и т.п.
Способы представления информации
При использовании в качестве носителя информации электрических сигналов возможны две её формы:
1) аналоговая – электрический сигнал аналогичен исходному в каждый момент времени, т.е. непрерывен во времени. Температура, давление, скорость изменяются по непрерывному закону – датчики преобразуют эти величины в электрический сигнал, который изменяется по такому же закону (аналогичен). Величины, представленные в такой форме, могут принимать бесконечно много значений в каком-то диапазоне.
2) дискретная - импульсная и цифровая – сигнал представляет собой последовательность импульсов, в которых закодирована информация. При этом кодируются не все значения, а только в конкретные моменты времени – дискретизация сигнала.
Импульсный режим работы - кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой.
По сравнению с непрерывным (аналоговым), импульсный режим работы имеет ряд преимуществ:
- большие значения выходной мощности на такой же объем электронного устройства и более высокий коэффициент полезного действия;
- повышение помехоустойчивости, точности и надежности электронных устройств;
- уменьшение влияния температур и разброса параметров приборов, так как работа осуществляется в двух режимах: «включено» - «выключено»;
- реалилация импульсных устройств на однотипных элементах, легко выполняемых методом интегральной технологии (на микросхемах).
На рисунке 1, а представлены способы кодирования непрерывного сигнала прямоугольными импульсами – процесс модуляции.
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) - амплитуда импульсов пропорциональна входному сигналу.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - ширина импульсов tимп пропорциональна входному сигналу, амплитуда и частота импульсов постоянны.
Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) - входной сигнал определяет частоту следования импульсов, которые имеют постоянную длительность и амплитуду.
Рисунок 1 – а) Способы кодирования непрерывного сигнала прямоугольными импульсами, б) Основные параметры прямоугольных импульсов
Наиболее распространены импульсы прямоугольной формы. На рисунке 1, б приведена периодическая последовательность прямоугольных импульсов и их основные параметры. Импульсы характеризуются следующими параметрами: Um - амплитуда импульса; tимп - длительность импульса; tпаузы - длительность паузы между импульсами; Tп=tи + tп - период повторения импульсов; f=1/Tп - частота повторения импульсов; QH = Tп/tи - скважность импульсов.
Наряду с прямоугольными импульсами в электронной технике широко применяются импульсы пилообразной, экспоненциальной, трапециидальной и другой формы.
Цифровой режим работы - информация передается в виде числа, которому соответствует определенный набор импульсов (цифровой код), при этом существенно только наличие или отсутствие импульса.
Цифровые устройства чаще всего работают только с двумя значениями сигналов – нулём «0» (обычно низкий уровень напряжения или отсутствие импульса) и «1» (обычно высокий уровень напряжения или наличие прямоугольного импульса), т.е. информация представляется в двоичной системе счисления.
Это обусловлено удобством создания, обработки, хранения и передачи сигналов, представленных в двоичной системе: ключ замкнут – разомкнут, транзистор открыт – закрыт, конденсатор заряжен – разряжен, магнитный материал намагничен – размагничен и т.д.
Цифровая информация представляется двумя способами:
1) потенциальным - значениям «0» и «1» соответствуют низкий и высокий уровни напряжения.
2) импульсным - двоичным переменным соответствует наличие или отсутствие электрических импульсов в определённые моменты времени.