Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы

Любая физическая величина по характеру изменения ее значения может быть постоянной (если она имеет только одно фиксированное значение), дискретной (если она может иметь два или более фиксированных значений), или аналоговой (если она может иметь бесчисленное множество значений). Все эти величины могут быть преобразованы в цифровую форму.

Аналоговым называется такой сигнал, который может быть представлен непрерывной линией из множества значений, определенных в каждый момент времени относительно временной оси.

Значения аналогового сигнала произвольны в каждый момент времени, поэтому он может быть в принципе представлен как некая непрерывная функция (зависящая от времени как от переменной) либо как кусочно-непрерывная функция времени.

Аналоговым сигналом можно назвать, например, звуковой сигнал, генерируемый обмоткой электромагнитного микрофона или ламповым акустическим усилителем, поскольку такой сигнал непрерывен и его значения (напряжение или ток) сильно отличаются друг от друга в каждый момент времени.

На приведенном ниже рисунке изображен пример подобного рода аналогового сигнала.

Аналоговые величины могу иметь бесконечное множество значений в определенных пределах. Они непрерывны и их значения не могут изменяться скачками.

Пример аналогового сигнала: термопара передает в аналоговом виде значение температуры в программируемый логический контроллер, который управляет с помощью твердотельного реле температурой в электрической печи.

Если некий сигнал принимает произвольные значения лишь в отдельные моменты времени, то такой сигнал называют дискретным. Чаще всего на практике применяются дискретные сигналы, распределенные по равномерной временной решетке, шаг которой называется интервалом дискретизации.

Дискретный сигнал принимает определенные не нулевые значения лишь в моменты дискретизации, то есть он является не непрерывным в отличие от аналогового сигнала. Если из звукового сигнала вырезать небольшие кусочки определенного размера через равные интервалы, такой сигнал можно будет назвать дискретным.

Ниже приведен пример формирования подобного дискретного сигнала с интервалом дискретизации Т. Обратите внимание, что квантуется лишь интервал дискретизации, но не сами значения сигнала.

Дискретные сигналы имеют два и более фиксированных значений (количество их значений всегда выражается целыми числами).

Пример простого дискретного сигнала на два значения: срабатывание путевого выключателя (переключение контактов выключателя в определенном положении механизма). Сигнал с путевого выключателя может быть получен только в двух вариантах — контакт разомкнут (нет действия, нет напряжения) и контакт замкнут (есть действие, есть напряжение).

Когда дискретный сигнал принимает только какие-то фиксированные значения (которые могут быть расположены по сетке с определенным шагом), такие что они могут быть представлены как количество квантовых величин, такой дискретный сигнал называется цифровым. То есть цифровой сигнал — это такой дискретный сигнал, который квантован не только по промежуткам времени, но и по уровню.

Практически дискретные и цифровые сигналы в ряде задач отождествляются, и могут быть легко заданы в форме отсчетов с помощью вычислительного устройства.

На рисунке приведен пример формирования цифрового сигнала на базе аналогового. Обратите внимание, что значения цифрового сигнала не могут принимать промежуточных значений, а только определенные — целое количество вертикальных шагов сетки.

Цифровой сигнал легко записывается и перезаписывается в память вычислительных устройств, просто считывается и копируется без потери точности, тогда как перезапись аналогового сигнала всегда сопряжена с утратой некоторой, пусть и незначительной, части информации.

Обработка цифровых сигналов позволяет получать устройства с очень высокими характеристиками благодаря выполнению вычислительных операций совершенно без потерь качества, либо с пренебрежимо малыми потерями.

В силу этих достоинств, именно цифровые сигналы повсеместно распространены сегодня в системах хранения и обработки данных. Вся современная память — цифровая. Аналоговые носители информации (такие как пленочные кассеты и т.д.) давно ушли в прошлое.

Аналоговый и цифровой приборы для измерения напряжения:

Но даже у цифровых сигналов есть свои недостатки. Их невозможно передать напрямую как есть, ибо передача обычно реализуется посредством непрерывных электромагнитных волн. Поэтому при передаче и приеме цифровых сигналов необходимо прибегать к дополнительной модуляции и аналого-цифровому преобразованию. Меньший динамический диапазон цифровых сигналов (отношение наибольшего значения к наименьшему), обусловленный квантованностью значений по сетке, является еще одним их недостатком.

Существуют и такие области, где аналоговые сигналы незаменимы. Например аналоговый звук никогда не сравнится с цифровым, поэтому ламповые усилители и пластинки до сих пор не выходят из моды, несмотря на обилие цифровых форматов записи звука с самой высокой частотой дискретизации.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

ПЕР (57) Переключатель с дискретным управлением

Принцип работы очень прост. Если Ci=1, то Y=Xi. Если на вход поступят одновременно две команды (две логические единицы), то приоритетна будет команда с младшим номером. Таким образом, это фактически переключатель с дискретным управлением.

ПЕН (58) Переключатель по номеру

Коммутация происходит по алгоритму: если N=i, то Y = Xi. Например, N=1, то Y=X1.Числа N могут поступать, например, со счётчика.

ПОР (59) Пороговый элемент

НОР (60) – Нуль-орган

Алгоритм НОР может, например, использоваться в блоке сигнализации. В качестве Хб принимают (задают) верхнюю технологическую границу (ВГ). Хм соответствует нижней технологической границе (НГ). DХ – величина гистерезиса задаётся исходя из погрешности измерительного канала. На рисунках показана суть работы сигнализации без гистерезиса и с его наличием.

На следующей диаграмме пояснена суть работы простого блока сигнализации, когда гистерезис не используется.

На рисунке 52 показано формирование звуковой и световой сигнализации, когда величина гистерезиса равна нулю. Любой реальный сигнал «дышит», т.е. его значения меняются в пределах погрешности измерительного канала. Поэтому на границе сигнализация будет то срабатывать, то пропадать. Таких параметров на объекте может быть десятки. Оператор технологического процесса будет в постоянном напряжении, в большинстве случаев не имея новой информации по данному параметру.

На рисунке показано формирование звуковой и световой сигнализации, когда величина гистерезиса выбрана исходя из погрешности измерительного канала.

Оценка величины гистерезиса. Просматриваются метрологические характеристики каждого элемента измерительного канала. Допустим, мы контроли-руем температуру. Измерительный канал включает термопару, нормирующий преобразователь, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программное получение вещественного числа. Погрешности каждого элемента цепи случайны и независимы. Из паспорта на термопару берём предельную относительную погреш-ность термопары, которая пусть будет 0.5%. То есть s₁=0.5%. Погрешность нормирующего преобразователя равна 0.5%. То есть s₂=0.5%. Погрешность АЦП равна 0.3%, т.е. s₃=0.5%. Методическая ошибка специального программного обеспечения равна 0.2% (s₄=0.5%). Тогда суммарная погрешность измерительного канала для независимых случайных величин равна

_.

Для исключения постоянных срабатываний сигнализации, когда значение параметра достигло границы, по каждому параметру задают величину гистерезиса. Ниже рассматривается та же ситуация, только гистерезис имеется и правильно выбран.

Если объект работает, то можно среднеквадратическое отклонение оценить по статистике измерительного канала. Необходимо оценить математическое ожидание, т.е. правильно вычислить среднее значение параметра. Оценить дисперсию. Взять корень квадратный из оценки дисперсии и получить среднеквадратическое отклонение (s). После чего это значение умножают на два или на три и получают величину гистерезиса по данному измерительному каналу.

ИМП (61) Импульсатор

ЗАИ (62) Запрет изменения

Алгоритм применяется для запрета увеличения или уменьшения сигнала, например, при действии технологических защит. В частности, запрет может блокировать изменение сигнала задания или выходного сигнала аналогового регулятора.

Алгоритм содержит узел запрета, сумматор и узел динамической балансировки.

Узел запрета реагирует на дискретные сигналы запрета в направлении увеличения (Св — вверх) или уменьшения (Сн — вниз).

Узел балансировки включается, если дискретный сигнал Сб=1; в противном случае балансировка отсутствует.

Помимо основного выхода Y алгоритм содержит два дискретных выхода Dв и Dн, сигнализирующих о том, что алгоритм работает в режиме запрета.

При отсутствии балансировки работа алгоритма поясняется графиком на рис. . Если команды запрета отсутствуют, то Y = Х. Если поступила команда Св=1 и Х > Y, то алгоритм переходит в режим»запрета вверх», при этом Y=Y1=const и Dв=1, где Y1 — значение Y в момент поступления команды запрета. Этот режим сохраняется до тех пор, пока сигнал не уменьшится до значения Х

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Источник

Дискретные входы

Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2017 года составляет 80 000 рублей). Подробнее.

В этой статье я попробую объяснить “на пальцах”, что такое дискретный вход. Профессионалов просьба иметь ввиду, что почти все мои статьи предназначены для новичков, поэтому иногда приходится жертвовать точностью ради “понятности”.

И для начала надо объяснить слово “дискретный”, потому как я уверен, что не все это четко понимают.

Дискретный — это прерывистый, разделённый. То есть это противоположность понятия “непрерывный” (бесконечный).

Отсюда дискретный сигнал — это прерывистый сигнал (или сигнал, который имеет какое-то конечное число значений, например, уровней напряжения). То есть сигнал, который изменяется не плавно, а скачками. Например, если речь идёт о напряжении, то дискретный сигнал может принимать в каком-то диапазоне два или несколько фиксированных значений. Например, в диапазоне 0. 5 В это могут быть сигналы с напряжением 0В, 1В, 3В, 5В.

Но если уж мы говорим о цифровой технике и, в частности, о дискретных входах микроконтроллеров, то дискретные сигналы обычно могут иметь только два значения: 0В и +UВ. То есть логический 0 и логическая 1. Здесь U — напряжение питания схемы на микроконтроллере или внешний источник питания.

Фактически в характеристиках микроконтроллера обычно указываются диапазоны напряжений, которые соответствуют логическому нулю и логической единице. Например, напряжение в диапазоне 0. 1 В считается логическим нулём, а в диапазоне 4. 5 В — логической единицей.

Что же происходит в том случае, если на входе будет напряжение от 1 до 4 В?

А ничего. Переключения из нуля в 1, или из 1 в 0 просто не произойдёт, и состояние входа микроконтроллера будет оставаться таким, каким оно было после последнего переключения (точнее, таким его будет считать микроконтроллер, который отличает ноль от единицы по своим внутренним правилам).

А теперь давайте очень упрощённо попробуем представить, как работает дискретный вход микроконтроллера (см. рис.).

Итак, если контакты выключателя замкнуты, то на входе есть напряжение. Будем считать это логической единицей. Если контакты разомкнуты, то напряжения нет — это логический ноль.

Напряжение есть — лампочка горит — микроконтроллер знает, что на входе логическая единица. Если же “в горнице темно”, то это логический ноль.

На самом деле никаких лампочек внутри микроконтроллера, конечно, нет. И переключатели к входам подключается обычно так, как показано на следующем рисунке.

Здесь напряжение на вход подаётся через сопротивление. А сам вход либо замыкается на общий провод (тогда напряжения на входе нет — логический ноль), либо, если контакты выключателя разомкнуты, то через резистор поступает напряжение на вход — это логическая единица.

Выбор сопротивления резистора зависит от напряжения питания и от характеристик входов микроконтроллера.

Напряжение подаётся через резистор, потому что обычно допустимые токи входов имеют ограничение. Кроме того, это позволяет сделать малопотребляющие дискретные входы микроконтроллера (а энергосбережение — это важная тема).

Типы дискретных входов

В автоматизации различают три типа дискретных входов:

1. “Сухой контакт”.
2. Постоянное напряжение (обычно 0. 24 В).
3. Переменное напряжение (0. 220 В).

К входу микроконтроллеров напрямую можно подключить только сигнал второго типа (точнее, не совсем напрямую, а через резистор как на рис. 2).

“Сухой контакт” — это сигнал, который не имеет встроенного источника энергии. Например, это может быть переключатель (как на рисунках), контакты реле или дискретный выход типа “открытый коллектор” (о дискретных выходах мы ещё поговорим).

“Сухой контакт” к входу микроконтроллера подключить можно, но в такой схеме включения это будет уже не “сухой контакт”, а вариант с рис. 2, то есть постоянное напряжение.

Что касается постоянного напряжения, то в схемах на микроконтроллерах обычно используется тот же источник питания, от которого запитан сам микроконтроллер.

Но можно использовать и сторонний источник напряжения, при условии, что общий (минусовой) вывод этого источника соединён с общим проводом схемы на микроконтроллере.

Напряжение такого источника может быть намного больше, чем напряжение питания микроконтроллера. Но надо помнить, что входные токи портов ввода-вывода микроконтроллера имеют ограничения, поэтому надо подбирать резистор таким образом, чтобы ни при каких обстоятельствах эти ограничения не были превышены. Но это уже отдельная история.

Источник