Hoe signaalverwerking werkt

Wat is een signaal?

Een signaal is elke fysieke variabele waarvan de waarde of de verandering ervan in de loop van de tijd informatie bevat. Deze informatie kan betrekking hebben op spraak en muziek, of op fysieke grootheden zoals luchttemperatuur of kamerlicht. De fysieke variabelen die informatie in elektrische systemen kunnen bevatten, zijn dat wel spanning en stroom.

In dit artikel bedoelen we met "signalen" voornamelijk spanning of stroom. De meeste van de hier besproken concepten blijven echter geldig voor systemen waarin andere variabelen informatiedragers kunnen zijn. Zo kan het gedrag van een mechanisch systeem (variabelen - kracht en snelheid) of een hydraulisch systeem (variabelen - druk en stroming) vaak worden weergegeven door een equivalent elektrisch systeem, of zoals gezegd, gesimuleerd. Daarom biedt het begrijpen van het gedrag van elektrische systemen een basis voor het begrijpen van een veel breder scala aan verschijnselen.

Analoge en digitale signalen

Een signaal kan informatie in twee vormen vervoeren. Analoog signaal draagt ​​informatie in de vorm van een continue verandering in de tijd van spanning of stroom. Een voorbeeld van een analoog signaal is de spanning die wordt gegenereerd door bij de thermokoppelverbindingbij verschillende temperaturen. Wanneer het temperatuurverschil tussen de knooppunten verandert, verandert de spanning over de thermokoppels. De spanning geeft dus een analoge weergave van het temperatuurverschil.

Thermokoppel — een verbinding van twee ongelijksoortige metalen, zoals koper en constantaan. De spanning die door de twee knooppunten wordt gegenereerd, wordt gebruikt om het temperatuurverschil daartussen te meten.

Het is een ander soort signaal digitaal signaal… Het kan waarden aannemen in twee afzonderlijke velden. Dergelijke signalen worden gebruikt om aan/uit- of ja/nee-informatie weer te geven.

Een huisthermostaat genereert bijvoorbeeld een digitaal signaal om een ​​verwarming aan te sturen. Wanneer de kamertemperatuur onder een vooraf ingestelde waarde zakt, sluit de thermostaatschakelaar de contacten en schakelt de verwarming in. Zodra de kamertemperatuur hoog genoeg is, schakelt de schakelaar de verwarming uit. De stroom door de schakelaar geeft een digitale weergave van het temperatuurverloop: aan is te koud en uit is te warm.

Rijst. 1. Analoge en digitale signalen

Signaalverwerkingssysteem

Een signaalverwerkingssysteem is een set onderling verbonden componenten en apparaten die een ingangssignaal (of een groep ingangssignalen) kunnen accepteren, op een specifieke manier op de signalen kunnen reageren om informatie te extraheren of de kwaliteit ervan te verbeteren, en informatie aan de uitgang in de juiste vorm en op het juiste moment.

Veel elektrische signalen in fysieke systemen worden gegenereerd door zogenaamde apparaten sensoren… We hebben al een voorbeeld beschreven van een analoge sensor: een thermokoppel. Het zet het temperatuurverschil (een fysieke variabele) om in een spanning (een elektrische variabele). Over het algemeen sensor - een apparaat dat een fysieke of mechanische grootheid omzet in een equivalent spannings- of stroomsignaal. In tegenstelling tot een thermokoppel hebben de meeste sensoren echter een vorm van elektrische excitatie nodig om te werken.

De selectie van signalen aan de uitgang van het systeem kan op verschillende manieren worden gedaan, afhankelijk van hoe de informatie in de ingangssignalen zal worden gebruikt. Informatie kan worden weergegeven in analoge vorm (met behulp van bijvoorbeeld een apparaat waarin de positie van de pijl de waarde van de variabele van interesse aangeeft) of in digitale vorm (met behulp van een systeem van digitale elementen op het display dat een nummer weergeeft overeenkomend met de waarde van het belang voor ons).

Andere mogelijkheden zijn om de uitgangssignalen om te zetten in geluidsenergie (luidspreker), ze te gebruiken als ingangssignalen voor een ander systeem, of ze te gebruiken voor aansturing. Laten we enkele voorbeelden bekijken om enkele van deze gevallen te illustreren.

Communicatie systeem

Overweeg een communicatiesysteem waarvan de invoersignalen spraak, muziek of een soort gegevens kunnen zijn die op één locatie worden geproduceerd en betrouwbaar over lange afstanden worden verzonden om het oorspronkelijke invoersignaal daar nauwkeurig te herstellen.

Als voorbeeld toont FIG. 2 is een schematisch diagram van een conventioneel omroepsysteem met amplitudemodulatie (AM).Bij AM-modulatie verandert de amplitude (piek-tot-piek) van het radiofrequentiesignaal in overeenstemming met de grootte van het laagfrequente signaal (het audiosignaal dat overeenkomt met geluidsfrequenties).

Rijst. 2. Broadcast-communicatiesysteem met amplitudemodulatie

De zender van een AM-radio-omroepsysteem pikt het ingangssignaal op van een invoerapparaat (microfoon), gebruikt dit signaal om de amplitude van het radiofrequentiesignaal te regelen (elk radiostation heeft zijn eigen specifieke radiofrequentie) en de radiofrequentiestroom drijft het uitvoerapparaat (antenne) aan dat elektromagnetische golven produceert die de ruimte in worden uitgezonden.

Het ontvangstsysteem bestaat uit een invoerapparaat (antenne), een processor (ontvanger) en een uitvoerapparaat (luidspreker). De ontvanger versterkt (maakt sterker) het relatief zwakke signaal dat van de antenne wordt ontvangen, selecteert het signaal van de gewenste radiofrequentie uit de signalen van alle andere zenders, reconstrueert het audiosignaal op basis van de verandering in de amplitude van het radiofrequentiesignaal, en prikkelt de spreker met dit audiosignaal.

Meet Systeem

De taak van het meetsysteem is om van de betreffende sensoren informatie te ontvangen over het gedrag van een bepaald fysiek systeem en deze informatie te registreren. Een voorbeeld van zo'n systeem is een digitale thermometer (fig. 3).

Rijst. 3. Functioneel diagram van een digitale thermometer

Twee thermokoppelverbindingen - één in thermisch contact met het lichaam waarvan de temperatuur moet worden gemeten, de andere ondergedompeld in een container met ijs (om een ​​stabiel referentiepunt te verkrijgen) - wekken een spanning op die afhangt van het temperatuurverschil tussen het lichaam en het ijs . Deze spanning wordt in de processor gevoerd.

Aangezien de spanning van het thermokoppel niet precies evenredig is met het temperatuurverschil, is een kleine correctie nodig om strikte evenredigheid te verkrijgen. Correctie wordt uitgevoerd lineariserend apparaat… De analoge spanning van het thermokoppel wordt eerst versterkt (dwz maakt meer), vervolgens gelineariseerd en gedigitaliseerd. Ten slotte verschijnt het in het digitale weergaveregister dat wordt gebruikt als het uitvoerapparaat van de thermometer.

Als de hoofdtaak van het communicatiesysteem het verzenden van een correcte kopie van het bronsignaal is, dan is de hoofdtaak van het meetsysteem het verkrijgen van numeriek correcte gegevens. Daarom mag worden verwacht dat de detectie en eliminatie van zelfs kleine fouten die het signaal in elk stadium van de verwerking kunnen vervormen, van bijzonder belang zal zijn voor meetsystemen.

Feedback controlesysteem

Beschouw nu een feedbackbesturingssysteem waarin informatie aan de uitgang de signalen verandert die het systeem besturen.

Fig.4 toont een diagram van een thermostaat die wordt gebruikt om de kamertemperatuur te handhaven. Het systeem bevat een invoerapparaat voor het bepalen van de kamertemperatuur (meestal dit strookje bimetaaldie buigt wanneer de temperatuur verandert), een mechanisme voor het instellen van de gewenste temperatuur (hoofdknop) en mechanische schakelaars die worden bediend door een bimetaalrelais en die de verwarming regelen.

Rijst. 4. Voorbeeld van een regelsysteem met terugkoppeling

Neem dit eenvoudige systeem als voorbeeld, dat eigenlijk geen andere elektrische elementen bevat dan een schakelaar feedbackconcept… Stel dat de feedbacklijn in Fig.3 is kapot, dat wil zeggen, er zijn geen mechanismen om de verwarming aan en uit te zetten. Dan zal de temperatuur in de kamer ofwel stijgen tot een bepaald maximum (overeenkomend met de constante opname van de verwarming) of dalen tot een bepaald minimum (overeenkomend met het feit dat de verwarming de hele tijd uit is).

Stel dat het bij de maximumtemperatuur te warm is en bij de minimumtemperatuur te koud. In dit geval moet er een «bedieningsapparaat» aanwezig zijn om de verwarming aan en uit te zetten.

Zo'n «bedieningsapparaat» zou een persoon kunnen zijn die de verwarming aanzet als het koud wordt en uitzet als het warm wordt. Reeds op dit niveau is het systeem (samen met het gezicht) een gesloten regelsysteem, aangezien informatie over het uitgangssignaal (kamertemperatuur) wordt gebruikt om de regelsignalen te wijzigen (de verwarming in- en uitschakelen).

De thermostaat doet automatisch wat een mens zou doen, namelijk de verwarming aanzetten als de temperatuur onder het instelpunt zakt en anders uitzetten. Er zijn veel andere feedbacksystemen, waaronder die waarin signaalverwerking wordt uitgevoerd gebruik van elektronische apparaten.