Что такое сигнал?
Сигналом является любая физическая переменная величина, значение которой или же ее изменение во времени содержит информацию. Эта информация может относиться к речи и музыке, или к таким физическим величинам, как температура воздуха или освещенность в комнате. Физическими переменными, которые могут нести информацию в электрических системах, являются напряжение и ток.
В этой статье под "сигналами" мы в первую очередь понимаем напряжение или ток. Однако большая часть рассматриваемых здесь понятий остается справедливой и для систем, в которых носителями информации могут быть другие переменные. Так, поведение механической системы (переменные - сила и скорость) или гидравлической системы (переменные - давление и скорость потока) часто можно представить эквивалентной электрической системой, или, как говорят, смоделировать. Поэтому понимание поведения электрических систем создает основу для понимания значительно более широкого круга явлений.
Аналоговые и цифровые сигналы
Сигнал может нести информацию в двух видах. Аналоговый сигнал переносит информацию в виде непрерывного изменения во времени напряжения или тока. Примером аналогового сигнала служит напряжение, создаваемое на спаях термопары, находящихся при разных температурах. При изменении разности температур между спаями изменяется величина напряжения на концах термопар. Таким образом, напряжение дает аналоговое представление разности температур.
Термопара — спай двух разнородных металлов, например меди и константана. Напряжение, генерируемое двумя спаями, используется для измерения разности температур между ними.
Другим видом сигнала является цифровой сигнал. Он может принимать значения в пределах двух дискретных областей. Такие сигналы используются для представления информации типа "включено - выключено" или "да - нет".
Например, домашний термостат вырабатывает цифровой сигнал для управления нагревателем. Когда температура в комнате падает ниже предварительно установленного значения, переключатель термостата замыкает контакты и включает нагреватель. Как только температура в комнате становится достаточно высокой, переключатель выключает нагреватель. Ток через переключатель дает цифровое представление изменения температуры: "включено" соответствует состоянию "слишком холодно", а "выключено» — «слишком тепло".
Рис. 1. Аналоговые и цифровые сигналы
Система обработки сигналов
Системой обработки сигналов называется совокупность соединенных между собой компонентов и приборов, которая может принимать входной сигнал (или группу входных сигналов), воздействовать на сигналы определенным способом для извлечения информации или улучшения ее качества и представлять информацию на выходе в соответствующей форме и в требуемое время.
Многие электрические сигналы в физических системах создаются приборами, называемыми датчиками. Мы уже описывали пример аналогового датчика - термопару. Она преобразует разность температур (физическую переменную) в напряжение (электрическую переменную). В общем случае датчик - прибор, который преобразует физическую или механическую величину в эквивалентный сигнал напряжения или тока. Однако в отличие от термопары большинство датчиков требует для работы определенных видов электрического возбуждения.
Отбор сигналов на выходе системы может быть осуществлен в разных формах в зависимости от того, как будет использоваться информация, содержащаяся во входных сигналах. Можно индицировать информацию или в аналоговой форме (используя, например, прибор, в котором положение стрелки указывает величину интересующей нас переменной), или в цифровой форме (используя систему элементов цифровой индикации, которая высвечивает число, соответствующее интересующей нас величине).
Другие возможности состоят в преобразовании выходных сигналов в звуковую энергию (громкоговоритель), в использовании их как входных сигналов для другой системы или же в их применении для управления. Давайте рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих некоторые из этих случаев.
Система связи
Рассмотрим систему связи, входными сигналами которой могут быть речь, музыка или какие-либо данные, которые производятся в одном месте и надежно передаются на большие расстояния, с тем чтобы там точно восстановить первоначальный входной сигнал.
В качестве примера на рис. 2 схематически показана обычная радиовещательная система с амплитудной модуляцией (AM). При амплитудной модуляции амплитуда (размах) сигнала радиочастоты меняется в соответствии с величиной сигнала низкой частоты (звукового сигнала, соответствующего слышимым частотам).
Рис. 2. Радиовещательная система связи с амплитудной модуляцией
Передатчик радиовещательной системы с AM воспринимает входной сигнал от входного устройства (микрофона), использует этот сигнал для управления амплитудой сигнала радиочастоты (для каждой радиовещательной станции определена своя собственная радиочастота) и током радиочастоты возбуждает выходное устройство (антенну), которое производит электромагнитные волны, излучаемые в пространство.
Приемная система состоит из входного устройства (антенны), процессора (приемника) и выходного устройства (громкоговорителя). Приемник усиливает (делает более мощным) относительно слабый сигнал, полученный от антенны, выбирает сигнал нужной радиочастоты из сигналов всех других передатчиков, восстанавливает звуковой сигнал по изменению амплитуды сигнала радиочастоты и возбуждает громкоговоритель этим звуковым сигналом.
Измерительная система
Задача измерительной системы состоит в том, чтобы получить информацию от соответствующих датчиков о поведении некоторой физической системы и зарегистрировать эту информацию. Примером такой системы является цифровой термометр (рис. 3).
Рис. 3. Функциональная схема цифрового термометра
Два спая термопары - один в тепловом контакте с телом, температуру которого надо измерить, другой погружен в сосуд со льдом (для получения стабильной точки отсчета) - вырабатывают напряжение, зависящее от разности температур тела и льда. Это напряжение вводится в процессор.
Поскольку напряжение термопары не пропорционально точно разности температур, для получения строгой пропорциональности необходима небольшая коррекция. Коррекцию выполняет линеаризующее устройство. Аналоговое напряжение от термопары сначала усиливается (т. е. делается больше), затем линеаризуется и преобразуется в цифровую форму. Наконец, оно появляется на регистре цифровых индикаторов, используемом в качестве выходного устройства термометра.
Если основная задача системы связи — передача верной копии сигнала источника, то основной задачей измерительной системы является получение численно верных данных. Поэтому следует ожидать, что в измерительных системах особое значение будет иметь обнаружение и исключение даже небольших ошибок, которые могут исказить сигнал на каждом этапе его обработки.
Система управления с обратной связью
Рассмотрим теперь систему управления с обратной связью, в которой информация на выходе изменяет сигналы, управляющие системой.
На рис. 4 показана схема термостата, применяемого для поддержания температуры в комнате. Система содержит входное устройство для определения температуры в комнате (обычно это полоска биметалла, которая изгибается при изменении температуры), механизм для установки желаемой температуры (задающий циферблат) и механические переключатели, запускаемые биметаллическим реле и управляющие нагревателем.
Рис. 4. Пример системы управления с обратной связью
На примере этой простой системы, которая фактически не содержит электрических элементов, кроме переключателя, рассмотрим понятие обратной связи. Предположим, что линия обратной связи на рис. 3 разорвана, т. е. нет механизмов для включения и выключения нагревателя. Тогда температура в комнате будет либо нарастать до некоторой максимальной (соответствующей постоянному включению нагревателя), либо упадет до некоторого минимума (соответствующего тому, что нагреватель все время выключен).
Предположим, что при максимальной температуре будет слишком жарко, а при минимальной — слишком холодно. В этом случае для включения и выключения нагревателя необходимо предусмотреть некоторое "управляющее устройство".
Таким "управляющим устройством" может быть человек, который включает нагреватель, когда становится холодно, и выключает его, когда становится жарко. Уже на этом уровне система (вместе с человеком) является системой управления с обратной связью, так как информация о выходном сигнале (температуре в комнате) используется для изменения управляющих сигналов (включения и выключения нагревателя).
Термостат же проделывает автоматически то же, что делал бы человек, а именно включает нагреватель, когда температура падает ниже заданной, и выключает его в противном случае. Имеется много других систем с обратной связью, в том числе, таких, в которых обработка сигнала производится с помощью электронных приборов.