Үздіксіз өзгеретін сигналдармен электрондық жүйелер
Analogue electronics
Аналогтық электроника – үздіксіз өзгеретін сигналдармен жұмыс істейтін жүйелер. Сигнал мен кернеу арасындағы пропорционалды байланыс, анықтамасы & мысалдары.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Үздіксіз өзгермелі сигналмен электрондық жүйелер
Electronic systems with a continuously variable signal
Аналогтық электроника – сигналдар көбінесе тек екі деңгейді қабылдайтын цифрлық электроникадан өзгеше, үздіксіз өзгермелі сигналмен жұмыс жасайтын электрондық жүйелер. "Аналог" термині сигналды көрсететін кернеу немесе ток арасындағы пропорционалды қатынасты сипаттайды. "Аналог" сөзі грек тіліндегі "ανάλογος" (analogos) сөзінен шыққан, ол "пропорционалды" деген мағынаны білдіреді.
Analogue electronics are electronic systems with a continuously variable signal, in contrast to digital electronics where signals usually take only two levels. The term analogue describes the proportional relationship between a signal and a voltage or current that represents the signal. The word analogue is derived from the Greek word ανάλογος analogos meaning proportional.
Аналогты сигналдар
Аналогты сигнал ақпаратты жеткізу үшін ортаның белгілі бір қасиеттерін пайдаланады. Мысалы, анероидтік барометр атмосфералық қысымның өзгеруін көрсету үшін сигнал ретінде жиырылып, кеңейетін қорап үстіндегі көрсеткіштің бұрыштық орнын пайдаланады. Электр сигналдары кернеу, ток, жиілік немесе жалпы зарядтың өзгеруі арқылы ақпаратты көрсете алады. Ақпаратты басқа физикалық түрден (мысалы, дыбыс, жарық, температура, қысым, орналасу) электр сигналына түрлендіруді түрлендіргіш (трансдюсер) атқарады, ол энергияның бір түрін екінші түріне айналдырады (мысалы, микрофон). Сигналдар белгілі бір диапазоннан кез келген мәнді қабылдайды, әрбір бірегей сигнал мәні әртүрлі ақпаратты білдіреді. Сигналдағы кез келген өзгеріс маңызды, ал сигналдың әрбір деңгейі ол көрсететін құбылыстың әртүрлі деңгейін көрсетеді. Мысалы, егер сигнал температураны көрсету үшін қолданылса, онда бір вольт – бір градус Цельсийді білдіреді. Мұндай жүйеде 10 вольт 10 градусқа, ал 10,1 вольт 10,1 градусқа сәйкес келеді. Аналогты сигналды жеткізудің тағы бір тәсілі – модуляцияны пайдалану. Бұл жағдайда, негізгі тасымалдаушы сигналдың бір қасиеті өзгереді: амплитудалық модуляция (AM) – дереккөз ақпараты бойынша синусоидты кернеу толқынының амплитудасын өзгертуді қамтиды, ал жиілік модуляциясы (FM) – жиілікті өзгертеді. Фазалық модуляция сияқты басқа техникалар немесе тасымалдаушы сигналдың фазасын өзгерту де қолданылады. Аналогты дыбыс жазуда микрофонға түсетін дыбыстың қысымындағы өзгерулер одан өтетін ток немесе кернеуде сәйкес өзгерулерді тудырады. Дыбыс күшінің артуы ток немесе кернеудің тербелісінің бірдей толқын пішінін сақтай отырып, пропорционалды түрде ұлғаюына себеп болады. Механикалық, пневматикалық, гидравликалық және басқа да жүйелер аналогты сигналдарды пайдалана алады.
An analogue signal uses some attribute of the medium to convey the signal's information. For example, an aneroid barometer uses the angular position of a needle on top of a contracting and expanding box as the signal to convey the information of changes in atmospheric pressure. Electrical signals may represent information by changing their voltage, current, frequency, or total charge. Information is converted from some other physical form (such as sound, light, temperature, pressure, position) to an electrical signal by a transducer which converts one type of energy into another (e. g. a microphone). The signals take any value from a given range, and each unique signal value represents different information. Any change in the signal is meaningful, and each level of the signal represents a different level of the phenomenon that it represents. For example, suppose the signal is being used to represent temperature, with one volt representing one degree Celsius. In such a system, 10 volts would represent 10 degrees, and 10.1 volts would represent 10.1 degrees. Another method of conveying an analogue signal is to use modulation. In this, some base carrier signal has one of its properties altered: amplitude modulation (AM) involves altering the amplitude of a sinusoidal voltage waveform by the source information, frequency modulation (FM) changes the frequency. Other techniques, such as phase modulation or changing the phase of the carrier signal, are also used. In an analogue sound recording, the variation in pressure of a sound striking a microphone creates a corresponding variation in the current passing through it or voltage across it. An increase in the volume of the sound causes the fluctuation of the current or voltage to increase proportionally while keeping the same waveform or shape. Mechanical, pneumatic, hydraulic, and other systems may also use analogue signals.
Өзге де шу
Аналогты жүйелерде шу әрқашан болады, ол кездейсоқ бұзылулар немесе өзгерістер болып табылады, олардың кейбіреулері атомдық бөлшектердің кездейсоқ термиялық қозғалысынан туындайды. Аналогты сигналдың кез келген өзгеруі маңызды болғандықтан, кез келген бұзылу бастапқы сигналдың өзгеруімен тең болып, шу ретінде көрінеді. Сигнал көшіріліп, қайта көшірілгенде немесе ұзақ қашықтыққа берілгенде, осы кездейсоқ өзгерістер маңыздырақ болып, сигналдың нашарлауына алып келеді. Шудың басқа көздеріне басқа сигналдардың араласуы немесе дұрыс емес жасалған компоненттер жатады. Бұл бұзылулар қорғау экраны және төмен шуды күшейткіштер (LNA) қолдану арқылы азайтылады.
Analogue systems invariably include noise that is random disturbances or variations, some caused by the random thermal vibrations of atomic particles. Since all variations of an analogue signal are significant, any disturbance is equivalent to a change in the original signal and so appears as noise. As the signal is copied and re copied, or transmitted over long distances, these random variations become more significant and lead to signal degradation. Other sources of noise may include crosstalk from other signals or poorly designed components. These disturbances are reduced by shielding and by using low noise amplifiers (LNA).
Аналогтық және цифрлық электроника
Ақпарат аналогты және цифрлық электроникада әртүрлі кодталғандықтан, олардың сигналды өңдеу жолы да сәйкесінше әртүрлі болады. Аналогты сигналмен орындалатын күшейту, сүзгілеу, шектеу сияқты барлық операциялар цифрлық саласында да қайталандырылуы мүмкін. Кез келген цифрлық тізбек – аналогтық тізбек болып табылады, себебі кез келген цифрлық тізбектің әрекетін аналогтық тізбектердің қағидаларын қолдану арқылы түсіндіруге болады. Микроэлектрониканың пайдалануы цифрлық құрылғыларды арзанға және кеңінен қолжетімді етті.
Since the information is encoded differently in analogue and digital electronics, the way they process a signal is consequently different. All operations that can be performed on an analogue signal such as amplification, filtering, limiting, and others, can also be duplicated in the digital domain. Every digital circuit is also an analogue circuit, in that the behaviour of any digital circuit can be explained using the rules of analogue circuits. The use of microelectronics has made digital devices cheap and widely available.
Шу
Аналогтық схемадағы шудың әсері шу деңгейіне байланысты болады. Шу деңгейі жоғарылаған сайын, аналогты сигнал бұзылып, қолдану мүмкіндігі төмендейді. Осы себепті, аналогты сигналдар "жақсылықпен бұзылады" делінеді. Аналогты сигналдар шудың өте жоғары деңгейінде де түсінікті ақпаратты сақтай алады. Цифрлық схемалардың болса, белгілі бір шекке дейін шуға ешқандай әсері тимейді, ал шекке жеткеннен кейін толығымен бұзылады. Цифрлық телекоммуникацияда қателерді табу және түзету кодтау схемалары мен алгоритмдерін қолдану арқылы шу шегін арттыру мүмкін. Бірақ, байланыстың толығымен бұзылу шегі әлі де болады. Цифрлық электроникада ақпарат квантталғандықтан, сигнал белгілі бір мәндер диапазонында болғанша, бірдей ақпаратты көрсетеді. Цифрлық схемаларда сигнал әр логикалық элементте қайта жаңартылып, шу азайытылады немесе жойылады. Аналогтық схемаларда сигналдың жоғалуын күшейткіштер арқылы қалпына келтіруге болады. Дегенмен, шу жүйе бойымен жинақталады және күшейткіш өзінің шу көрсеткішіне сәйкес шуды арттырады.
The effect of noise on an analogue circuit is a function of the level of noise. The greater the noise level, the more the analogue signal is disturbed, slowly becoming less usable. Because of this, analogue signals are said to "fail gracefully". Analogue signals can still contain intelligible information with very high levels of noise. Digital circuits, on the other hand, are not affected at all by the presence of noise until a certain threshold is reached, at which point they fail catastrophically. For digital telecommunications, it is possible to increase the noise threshold with the use of error detection and correction coding schemes and algorithms. Nevertheless, there is still a point at which catastrophic failure of the link occurs. In digital electronics, because the information is quantized, as long as the signal stays inside a range of values, it represents the same information. In digital circuits the signal is regenerated at each logic gate, lessening or removing noise. In analogue circuits, signal loss can be regenerated with amplifiers. However, noise is cumulative throughout the system and the amplifier itself will add to the noise according to its noise figure.
Дәлдік
Сигналдың дәлдігіне бірнеше фактор әсер етеді, бастысы – бастапқы сигналдағы шу және өңдеу кезінде пайда болатын шу (сигнал-шу қатынасына қараңыз). Компоненттердегі ату шуы сияқты негізгі физикалық шектеулер аналогты сигналдардың ажыратымдылығын шектейді. Цифрлық электроникада сигналды көрсету үшін қосымша цифрларды пайдалану арқылы қосымша дәлдікқа қол жеткізіледі. Цифрлар санының нақты шегі аналогты-цифрлық түрлендіргіштің (АЦТ) өнімділігімен анықталады, себебі цифрлық операциялар әдетте дәлдікті жоғалтпай орындалуы мүмкін. АЦТ аналогты сигналды қабылдап, оны екілік сандар тізбегіне айналдырады. АЦТ қарапайым цифрлық дисплей құрылғыларында, мысалы, термометрлерде немесе жарық өлшегіштерде, сондай-ақ цифрлық дыбыс жазуда және деректерді жинауда қолданылуы мүмкін. Дегенмен, цифрлық сигналды аналогтық сигналға түрлендіру үшін цифрлық-аналогтық түрлендіргіш (ЦАТ) қолданылады. ЦАТ екілік сандар тізбегін қабылдап, оны аналогтық сигналға айналдырады. ЦАТ операциялық күшейткіштің күшейтуді басқару жүйесінде жиі кездеседі, ол өз кезегінде цифрлық күшейткіштер мен сүзгілерді басқару үшін пайдаланылуы мүмкін.
A number of factors affect how precise a signal is, mainly the noise present in the original signal and the noise added by processing (see signal to noise ratio). Fundamental physical limits such as the shot noise in components limits the resolution of analogue signals. In digital electronics additional precision is obtained by using additional digits to represent the signal. The practical limit in the number of digits is determined by the performance of the analogue to digital converter (ADC), since digital operations can usually be performed without loss of precision. The ADC takes an analogue signal and changes it into a series of binary numbers. The ADC may be used in simple digital display devices, e. g., thermometers or light meters but it may also be used in digital sound recording and in data acquisition. However, a digital to analogue converter (DAC) is used to change a digital signal to an analogue signal. A DAC takes a series of binary numbers and converts it to an analogue signal. It is common to find a DAC in the gain control system of an op amp which in turn may be used to control digital amplifiers and filters.
Құрылыс қиындықтары
Аналогтық схемаларды жобалау көбінесе қиынға соғады, олар салыстырмалы цифрлық жүйелерге қарағанда көбірек дағды талап етеді. Аналогтық схема әдетте қолмен жасалады, себебі қолданба аппараттық құралға енгізілген. Ал цифрлық аппараттық құралдардың көптеген ортақ белгілері бар және оларды стандартталған түрде жаппай өндіруге болады. Аппараттық дизайн көбінесе қайталама бірдей блоктардан тұрады және жобалау процесі жоғары дәрежеде автоматтандырылуы мүмкін. Бұл сандық жүйелердің аналогтық құрылғыларға қарағанда кең таралғанының басты себептерінің бірі. Дегенмен, цифрлық аппаратты қолдану бағдарламалық қамтамасыз ету/бекітуге байланысты, және оны жасау әлі де көп еңбекті қажет ететін процесс. 2000-жылдардың басынан бері аналогтық жобалауды бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы анықтауға мүмкіндік беретін, осы арқылы жылдам прототиптеуге қол жеткізуге болатын бірнеше платформалар жасалды. Сонымен қатар, егер цифрлық электрондық құрылғы нақты әлеммен өзара әрекеттессе, оған міндетті түрде аналогтық интерфейс қажет болады. Мысалы, кез келген цифрлық радио қабылдағышында қабылдау тізбегінің алғашқы кезеңі ретінде аналогтық алдын ала күшейткіш болады. SPICE сияқты бағдарламалық схемаларды модельдеу құралдарының пайда болуы аналогтық схемаларды жобалауды едәуір жеңілдетті. IBM 1970-ші жылдары ASTAP деп аталатын өз үйіндегі модельдеу құралын жасады, ол схеманы талдау үшін сирек матрицалық әдіс қолданды (бұл басқа модельдеу құралдарымен салыстырғанда ерекше еді).
Analogue circuits are typically harder to design, requiring more skill than comparable digital systems to conceptualize. An analogue circuit is usually designed by hand because the application is built into the hardware. Digital hardware, on the other hand, has a great deal of commonality across applications and can be mass produced in a standardised form. Hardware design consists largely of repeated identical blocks and the design process can be highly automated. This is one of the main reasons that digital systems have become more common than analogue devices. However, the application of digital hardware is a function of the software/firmware and creating this is still largely a labour intensive process. Since the early 2000s, there were some platforms that were developed which enabled analogue design to be defined using software which allows faster prototyping. Furthermore, if a digital electronic device is to interact with the real world, it will always need an analogue interface. For example, every digital radio receiver has an analogue preamplifier as the first stage in the receive chain. Design of analogue circuits has been greatly eased by the advent of software circuit simulators such as SPICE. IBM developed their own in house simulator, ASTAP, in the 1970s which used an unusual (compared to other simulators) sparse matrix method of circuit analysis.
Сұлбаның жіктелуі
Аналогтық схемалар толығымен пассивті болуы мүмкін, олар резисторлар, конденсаторлар және индукторлардан тұрады. Активті схемалар транзисторлар сияқты белсенді элементтерді де қамтиды. Дәстүрлі схемалар дискретті компоненттерден – яғни, бөлек компоненттерден құралады. Дегенмен, тағы бір мүмкіндік – тарату желісінің бөліктерінен құралған таратылған элементтер схемалары.
Analogue circuits can be entirely passive, consisting of resistors, capacitors and inductors. Active circuits also contain active elements such as transistors. Traditional circuits are built from lumped elements – that is, discrete components. However, an alternative is distributed element circuits, built from pieces of transmission line.