Аналоговая электроника ( американский английский : analog electronics ) — это электронные системы с непрерывно изменяющимся сигналом, в отличие от цифровой электроники , где сигналы обычно принимают только два уровня . Термин «аналог» описывает пропорциональную зависимость между сигналом и напряжением или током, представляющим сигнал. Слово «аналог» происходит от греческого слова ανάλογος , что означает «пропорциональный» . [1]
Аналоговый сигнал использует некоторые атрибуты среды для передачи информации сигнала. Например, анероидный барометр использует угловое положение стрелки наверху сжимающегося и расширяющегося ящика в качестве сигнала для передачи информации об изменениях атмосферного давления . [2] Электрические сигналы могут представлять информацию путем изменения их напряжения , тока , частоты или общего заряда . Информация преобразуется из какой-либо другой физической формы (например, звука , света , температуры , давления , положения) в электрический сигнал с помощью преобразователя , который преобразует один тип энергии в другой (например, микрофон ). [3]
Сигналы принимают любое значение из заданного диапазона, и каждое уникальное значение сигнала представляет различную информацию. Любое изменение сигнала имеет смысл, и каждый уровень сигнала представляет другой уровень явления, которое он представляет. Например, предположим, что сигнал используется для представления температуры, при этом один вольт представляет один градус Цельсия . В такой системе 10 вольт будут представлять 10 градусов, а 10,1 вольт будут представлять 10,1 градуса.
Другой метод передачи аналогового сигнала заключается в использовании модуляции . При этом некоторый базовый несущий сигнал имеет одно из своих свойств, измененных: амплитудная модуляция (АМ) включает изменение амплитуды синусоидальной формы напряжения с помощью исходной информации, частотная модуляция (ЧМ) изменяет частоту. Также используются другие методы, такие как фазовая модуляция или изменение фазы несущего сигнала. [4]
В аналоговой звукозаписи изменение давления звука, ударяющего по микрофону, создает соответствующее изменение проходящего через него тока или напряжения. Увеличение громкости звука приводит к пропорциональному увеличению колебания тока или напряжения, сохраняя при этом ту же форму волны или очертания.
Механические , пневматические , гидравлические и другие системы также могут использовать аналоговые сигналы.
Аналоговые системы неизменно включают шум , который является случайными возмущениями или вариациями, некоторые из которых вызваны случайными тепловыми колебаниями атомных частиц. Поскольку все вариации аналогового сигнала значительны, любое возмущение эквивалентно изменению исходного сигнала и поэтому выглядит как шум. [5] По мере того, как сигнал копируется и перекопируется или передается на большие расстояния, эти случайные вариации становятся более значительными и приводят к ухудшению сигнала . Другие источники шума могут включать перекрестные помехи от других сигналов или плохо спроектированных компонентов. Эти помехи уменьшаются путем экранирования и использования малошумящих усилителей (LNA). [6]
Поскольку информация кодируется по-разному в аналоговой и цифровой электронике , то и способ обработки сигнала, соответственно, отличается. Все операции, которые могут быть выполнены с аналоговым сигналом, такие как усиление , фильтрация , ограничение и другие, также могут быть продублированы в цифровой области. Каждая цифровая схема также является аналоговой схемой, в том смысле, что поведение любой цифровой схемы можно объяснить с помощью правил аналоговых схем.
Использование микроэлектроники сделало цифровые устройства дешевыми и широкодоступными.
Влияние шума на аналоговую схему является функцией уровня шума . Чем выше уровень шума, тем больше аналоговый сигнал искажается, постепенно становясь менее пригодным для использования. Из-за этого говорят, что аналоговые сигналы «изящно выходят из строя». Аналоговые сигналы все еще могут содержать понятную информацию при очень высоком уровне шума. Цифровые схемы, с другой стороны, вообще не подвержены влиянию шума, пока не будет достигнут определенный порог, после чего они выходят из строя катастрофически. Для цифровых телекоммуникаций можно увеличить порог шума с помощью схем и алгоритмов кодирования обнаружения и исправления ошибок . Тем не менее, все еще есть точка, в которой происходит катастрофический отказ линии связи. [7] [8]
В цифровой электронике, поскольку информация квантуется , пока сигнал остается в пределах диапазона значений, он представляет ту же информацию. В цифровых схемах сигнал регенерируется на каждом логическом вентиле , уменьшая или удаляя шум. [9] [ неудачная проверка ] В аналоговых схемах потеря сигнала может быть регенерирована с помощью усилителей . Однако шум накапливается по всей системе, и сам усилитель будет добавлять шум в соответствии со своим коэффициентом шума . [10] [11]
На точность сигнала влияет ряд факторов, в основном шум, присутствующий в исходном сигнале, и шум, добавленный при обработке (см. отношение сигнал/шум ). Фундаментальные физические ограничения, такие как дробовой шум в компонентах, ограничивают разрешение аналоговых сигналов. В цифровой электронике дополнительная точность достигается за счет использования дополнительных цифр для представления сигнала. Практический предел количества цифр определяется производительностью аналого -цифрового преобразователя (АЦП), поскольку цифровые операции обычно могут выполняться без потери точности. АЦП принимает аналоговый сигнал и преобразует его в ряд двоичных чисел . АЦП может использоваться в простых цифровых устройствах отображения, например, термометрах или люксметрах, но его также можно использовать в цифровой звукозаписи и при сборе данных. Однако цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) используется для преобразования цифрового сигнала в аналоговый сигнал. ЦАП принимает ряд двоичных чисел и преобразует его в аналоговый сигнал. ЦАП часто можно встретить в системе управления усилением операционного усилителя , который, в свою очередь, может использоваться для управления цифровыми усилителями и фильтрами. [12]
Аналоговые схемы, как правило, сложнее проектировать, требуя больше навыков, чем для концептуализации сопоставимых цифровых систем. [13] Аналоговая схема обычно проектируется вручную, поскольку приложение встроено в оборудование. Цифровое оборудование, с другой стороны, имеет много общего между приложениями и может массово производиться в стандартизированной форме. Аппаратная конструкция в основном состоит из повторяющихся идентичных блоков, а процесс проектирования может быть высоко автоматизирован. Это одна из главных причин, по которой цифровые системы стали более распространенными, чем аналоговые устройства. Однако применение цифрового оборудования является функцией программного обеспечения / прошивки , и его создание по-прежнему в значительной степени является трудоемким процессом. С начала 2000-х годов были разработаны некоторые платформы, которые позволяли определять аналоговую конструкцию с помощью программного обеспечения, что позволяет быстрее создавать прототипы. Кроме того, если цифровое электронное устройство должно взаимодействовать с реальным миром, ему всегда будет нужен аналоговый интерфейс. [14] Например, каждый цифровой радиоприемник имеет аналоговый предусилитель в качестве первого этапа в цепочке приема.
Проектирование аналоговых схем значительно упростилось с появлением программных симуляторов схем, таких как SPICE . В 1970-х годах IBM разработала собственный внутренний симулятор ASTAP , который использовал необычный (по сравнению с другими симуляторами) метод разреженной матрицы для анализа схем.
Аналоговые схемы могут быть полностью пассивными , состоящими из резисторов , конденсаторов и катушек индуктивности . Активные схемы также содержат активные элементы, такие как транзисторы . Традиционные схемы строятся из сосредоточенных элементов, то есть дискретных компонентов. Однако альтернативой являются схемы с распределенными элементами , построенные из частей линии передачи .
анероидный барометр.
Сигналы поступают от преобразователей...
Пока не появилось радио...
Наличие шума ухудшает работу систем связи.
Это распространено в микроволновых системах...
Шум с аналоговой (или малосигнальной) точки зрения...
Для того чтобы аналоговые устройства... могли взаимодействовать с цифровыми схемами...
Даже в компаниях, производящих как аналоговую, так и цифровую продукцию...
