Cara pemprosesan isyarat berfungsi

Apakah isyarat?

Isyarat ialah sebarang pembolehubah fizikal yang nilai atau perubahannya dari semasa ke semasa mengandungi maklumat. Maklumat ini boleh dikaitkan dengan pertuturan dan muzik, atau kuantiti fizikal seperti suhu udara atau cahaya bilik. Pembolehubah fizikal yang boleh membawa maklumat dalam sistem elektrik ialah voltan dan arus.

Dalam artikel ini, dengan "isyarat" yang kami maksudkan terutamanya voltan atau arus. Walau bagaimanapun, kebanyakan konsep yang dibincangkan di sini kekal sah untuk sistem di mana pembolehubah lain boleh menjadi pembawa maklumat. Oleh itu, kelakuan sistem mekanikal (pembolehubah-daya dan halaju) atau sistem hidraulik (pembolehubah-tekanan dan aliran) selalunya boleh diwakili oleh sistem elektrik yang setara, atau seperti yang dikatakan, simulasi. Oleh itu, memahami tingkah laku sistem elektrik menyediakan asas untuk memahami pelbagai fenomena yang lebih luas.

Isyarat analog dan digital

Isyarat boleh membawa maklumat dalam dua bentuk. Isyarat analog membawa maklumat dalam bentuk perubahan berterusan dalam masa voltan atau arus. Contoh isyarat analog ialah voltan yang dihasilkan oleh di persimpangan termokopelpada suhu yang berbeza. Apabila perbezaan suhu antara simpang berubah, voltan merentasi termokopel berubah. Oleh itu, voltan memberikan perwakilan analog perbezaan suhu.

Termokopel — sebatian dua logam yang tidak serupa, seperti kuprum dan pemalar. Voltan yang dihasilkan oleh kedua-dua simpang digunakan untuk mengukur perbezaan suhu antara mereka.

Ia adalah isyarat lain isyarat digital… Ia boleh mengambil nilai dalam dua medan berasingan. Isyarat sedemikian digunakan untuk mewakili maklumat hidup/mati atau ya-tidak.

Contohnya, termostat rumah menjana isyarat digital untuk mengawal pemanas. Apabila suhu bilik turun di bawah nilai pratetap, suis termostat menutup sesentuh dan menghidupkan pemanas. Setelah suhu bilik cukup tinggi, suis mematikan pemanas. Arus melalui suis memberikan gambaran digital tentang perubahan suhu: hidup terlalu sejuk dan mati terlalu panas.

nasi. 1. Isyarat analog dan digital

Sistem pemprosesan isyarat

Sistem pemprosesan isyarat ialah satu set komponen dan peranti yang saling berkaitan yang boleh menerima isyarat input (atau kumpulan isyarat input), bertindak ke atas isyarat dengan cara tertentu untuk mengekstrak maklumat atau meningkatkan kualitinya, dan menyampaikan maklumat pada output dalam bentuk yang sesuai dan pada masa yang sesuai.

Banyak isyarat elektrik dalam sistem fizikal dihasilkan oleh peranti yang dipanggil penderia… Kami telah menerangkan contoh penderia analog — termokopel. Ia menukar perbezaan suhu (pembolehubah fizikal) kepada voltan (pembolehubah elektrik). Secara amnya sensor — peranti yang menukar kuantiti fizikal atau mekanikal kepada voltan atau isyarat arus yang setara. Walau bagaimanapun, tidak seperti termokopel, kebanyakan penderia memerlukan beberapa bentuk pengujaan elektrik untuk beroperasi.

Pemilihan isyarat pada keluaran sistem boleh dilakukan dalam pelbagai bentuk, bergantung kepada bagaimana maklumat yang terkandung dalam isyarat input akan digunakan. Maklumat boleh dipaparkan sama ada dalam bentuk analog (menggunakan, sebagai contoh, peranti di mana kedudukan anak panah menunjukkan nilai pembolehubah minat) atau dalam bentuk digital (menggunakan sistem unsur digital pada paparan yang menunjukkan nombor sepadan dengan nilai faedah kepada kami).

Kemungkinan lain adalah untuk menukar isyarat output kepada tenaga bunyi (pembesar suara), menggunakannya sebagai isyarat input untuk sistem lain, atau menggunakannya untuk kawalan. Mari lihat beberapa contoh untuk menggambarkan beberapa kes ini.

Sistem komunikasi

Pertimbangkan sistem komunikasi yang isyarat inputnya mungkin pertuturan, muzik atau beberapa jenis data yang dihasilkan di satu lokasi dan dihantar dengan pasti pada jarak yang jauh untuk memulihkan isyarat input asal di sana dengan tepat.

Sebagai contoh, FIG. 2 ialah gambarajah skematik sistem penyiaran modulasi amplitud (AM) konvensional.Dalam modulasi AM, amplitud (puncak-ke-puncak) isyarat frekuensi radio berubah mengikut magnitud isyarat frekuensi rendah (isyarat audio yang sepadan dengan frekuensi bunyi).

nasi. 2. Sistem komunikasi penyiaran dengan modulasi amplitud

Pemancar sistem penyiaran radio AM mengambil isyarat input daripada peranti input (mikrofon), menggunakan isyarat ini untuk mengawal amplitud isyarat frekuensi radio (setiap stesen radio mempunyai frekuensi radio tertentu sendiri), dan arus frekuensi radio memacu peranti keluaran (antena) yang menghasilkan gelombang elektromagnet yang dipancarkan ke angkasa.

Sistem penerima terdiri daripada peranti input (antena), pemproses (penerima) dan peranti output (pembesar suara). Penerima menguatkan (menjadikan lebih kuat) isyarat yang agak lemah yang diterima daripada antena, memilih isyarat frekuensi radio yang dikehendaki daripada isyarat semua pemancar lain, membina semula isyarat audio berdasarkan perubahan amplitud isyarat frekuensi radio, dan menggembirakan pembesar suara dengan isyarat audio ini.

Sistem ukuran

Tugas sistem pengukuran adalah untuk menerima maklumat daripada penderia yang berkaitan tentang kelakuan sistem fizikal tertentu dan mendaftar maklumat ini. Contoh sistem sedemikian ialah termometer digital (Rajah 3).

nasi. 3. Gambar rajah fungsi termometer digital

Dua sambungan termokopel—satu dalam sentuhan terma dengan badan yang suhunya akan diukur, satu lagi direndam dalam bekas ais (untuk mendapatkan titik rujukan yang stabil)—menjana voltan yang bergantung pada perbezaan suhu antara badan dan ais . Voltan ini dimasukkan ke dalam pemproses.

Oleh kerana voltan termokopel tidak betul-betul berkadar dengan perbezaan suhu, pembetulan kecil diperlukan untuk mendapatkan perkadaran yang ketat. Pembetulan sedang dijalankan peranti linearizing… Voltan analog daripada termokopel mula-mula dikuatkan (iaitu menghasilkan lebih banyak), kemudian dilinearkan dan didigitalkan. Akhirnya, ia muncul dalam daftar paparan digital yang digunakan sebagai peranti output termometer.

Jika tugas utama sistem komunikasi adalah untuk menghantar salinan isyarat sumber yang betul, maka tugas utama sistem pengukuran adalah untuk mendapatkan data yang betul secara berangka. Oleh itu, perlu dijangkakan bahawa pengesanan dan penghapusan ralat walaupun kecil yang boleh memesongkan isyarat pada mana-mana peringkat pemprosesannya akan menjadi sangat penting untuk sistem pengukuran.

Sistem kawalan maklum balas

Pertimbangkan sekarang sistem kawalan maklum balas di mana maklumat pada output mengubah isyarat yang mengawal sistem.

Rajah.4 menunjukkan gambar rajah termostat yang digunakan untuk mengekalkan suhu bilik. Sistem ini mengandungi peranti input untuk menentukan suhu bilik (biasanya ini jalur dwilogamyang melentur apabila suhu berubah), mekanisme untuk menetapkan suhu yang dikehendaki (dail utama) dan suis mekanikal yang digerakkan oleh geganti dwilogam dan mengawal pemanas.

nasi. 4. Contoh sistem kawalan gelung tertutup

Menggunakan sistem mudah ini sebagai contoh, yang sebenarnya tidak mengandungi unsur elektrik selain suis, pertimbangkan konsep maklum balas… Katakan bahawa garis maklum balas dalam Rajah.3 rosak, iaitu, tiada mekanisme untuk menghidupkan dan mematikan pemanas. Kemudian suhu di dalam bilik akan sama ada meningkat kepada maksimum tertentu (bersamaan dengan kemasukan berterusan pemanas) atau jatuh ke minimum tertentu (bersamaan dengan fakta bahawa pemanas dimatikan sepanjang masa).

Katakan ia terlalu panas pada suhu maksimum dan terlalu sejuk pada suhu minimum. Dalam kes ini beberapa «peranti kawalan» mesti disediakan untuk menghidupkan dan mematikan pemanas.

«Peranti kawalan» sedemikian boleh menjadi orang yang menghidupkan pemanas apabila ia menjadi sejuk dan mematikannya apabila ia menjadi panas. Sudah pada tahap ini, sistem (bersama-sama dengan muka) adalah sistem kawalan gelung tertutup, kerana maklumat tentang isyarat keluaran (suhu bilik) digunakan untuk menukar isyarat kawalan (menghidupkan dan mematikan pemanas).

Termostat secara automatik melakukan apa yang manusia akan lakukan, iaitu menghidupkan pemanas apabila suhu turun di bawah titik set dan mematikannya sebaliknya. Terdapat banyak sistem maklum balas lain, termasuk sistem di mana pemprosesan isyarat dilakukan penggunaan alat elektronik.