stringtranslate.com

Аналоговая электроника

Аналоговые электронные компоненты, такие как этот термистор , работают с непрерывными сигналами, в отличие от цифровой электроники , которая имеет дискретные сигналы , обычно двоичный код.

Аналоговая электроника ( американский английский : аналоговая электроника ) — электронные системы с плавно изменяемым сигналом, в отличие от цифровой электроники , где сигналы обычно принимают только два уровня . Термин «аналог» описывает пропорциональную связь между сигналом и напряжением или током, который представляет сигнал. Слово « аналог» происходит от греческого слова ανάλογος «аналогос» , означающего «пропорциональный» . [1]

Аналоговые сигналы

Аналоговый сигнал использует некоторые атрибуты среды для передачи информации сигнала. Например, барометр-анероид использует угловое положение иглы на вершине сжимающейся и расширяющейся коробки в качестве сигнала для передачи информации об изменениях атмосферного давления . [2] Электрические сигналы могут представлять информацию, изменяя их напряжение , ток , частоту или общий заряд . Информация преобразуется из некоторой 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 собой отдельный 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 соответствовать 10 градусам, а 10,1 вольт будут соответствовать 10,1 градусам.

Другой метод передачи аналогового сигнала — использование модуляции . При этом у некоторого базового несущего сигнала изменяется одно из его свойств: амплитудная модуляция (AM) включает в себя изменение амплитуды синусоидального сигнала напряжения с помощью исходной информации, частотная модуляция (FM) изменяет частоту. Также используются другие методы, такие как фазовая модуляция или изменение фазы несущего сигнала. [4]

При аналоговой звукозаписи изменение давления звука, ударяющего в микрофон, создает соответствующее изменение тока, проходящего через него, или напряжения на нем. Увеличение громкости звука приводит к пропорциональному увеличению колебаний тока или напряжения при сохранении той же формы сигнала или формы.

Механические , пневматические , гидравлические и другие системы также могут использовать аналоговые сигналы.

Собственный шум

Аналоговые системы неизменно включают шум , который представляет собой случайные возмущения или изменения, некоторые из которых вызваны случайными тепловыми колебаниями атомных частиц. Поскольку все изменения аналогового сигнала значительны, любое возмущение эквивалентно изменению исходного сигнала и поэтому проявляется как шум. [5] Поскольку сигнал копируется и повторно копируется или передается на большие расстояния, эти случайные изменения становятся более значительными и приводят к ухудшению качества сигнала . Другие источники шума могут включать перекрестные помехи от других сигналов или плохо спроектированные компоненты. Эти помехи уменьшаются за счет экранирования и использования малошумящих усилителей (МШУ). [6]

Аналоговая и цифровая электроника

Цифровой сигнал, такой как USB, по своей сути является аналоговым сигналом.

Поскольку информация кодируется по-разному в аналоговой и цифровой электронике , следовательно, и способы обработки сигнала различаются. Все операции, которые можно выполнить 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, используя правила аналоговых схем.

Использование микроэлектроники сделало цифровые устройства дешевыми и широко доступными.

Шум

Влияние шума на аналоговую схему зависит от уровня шума. Чем выше уровень шума, тем сильнее нарушается аналоговый сигнал, который постепенно становится менее пригодным для использования. Из-за этого аналоговые сигналы, как говорят, «корректно выходят из строя». Аналоговые сигналы все еще могут содержать понятную информацию с очень высоким уровнем шума. С другой стороны, цифровые схемы вообще не подвержены влиянию шума до тех пор, пока не будет достигнут определенный порог, после чего они катастрофически выходят из строя. Для цифровых телекоммуникаций можно повысить шумовой порог с помощью схем и алгоритмов кодирования обнаружения и исправления ошибок . Тем не менее, все же существует момент, в котором происходит катастрофический сбой соединения. [7] [8]

В цифровой электронике, поскольку информация квантуется , пока сигнал остается в диапазоне значений, он представляет одну и ту же информацию. В цифровых схемах сигнал регенерируется на каждом логическом элементе , уменьшая или удаляя шум. [9] [ не удалось проверить ] В аналоговых схемах потеря сигнала может быть восстановлена ​​с помощью усилителей . Однако шум накапливается во всей системе, и сам усилитель будет увеличивать шум в соответствии со своим коэффициентом шума . [10] [11]

Точность

На точность сигнала влияет ряд факторов, в основном шум, присутствующий в исходном сигнале, и шум, добавленный в результате обработки (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 разрядов определяется производительностью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), поскольку цифровые операции обычно можно выполнять 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 при цифровой записи звука и при сборе данных. Однако для преобразования цифрового сигнала в аналоговый сигнал используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП принимает серию двоичных чисел и преобразует ее в аналоговый сигнал. Обычно в системе регулировки усиления операционного усилителя можно найти ЦАП, который, в свою очередь, может использоваться для управления цифровыми усилителями и фильтрами. [12]

Сложность дизайна

Аналоговые схемы обычно сложнее проектировать, и для их концептуализации требуется больше навыков, чем у сопоставимых цифровых систем. [13] Аналоговая схема обычно проектируется вручную, поскольку приложение встроено в аппаратное обеспечение. С другой стороны, цифровое оборудование имеет много общего во всех приложениях и может производиться серийно в стандартизированной форме. Проектирование аппаратного обеспечения состоит в основном из повторяющихся идентичных блоков, и процесс проектирования может быть высокоавтоматизирован. Это одна из основных причин того, что цифровые системы стали более распространенными, чем аналоговые устройства. Однако применение цифрового оборудования является функцией программного обеспечения / прошивки , и его создание по-прежнему остается во многом трудоемким процессом. С начала 2000-х годов было разработано несколько платформ, которые позволяли определять аналоговый дизайн с помощью программного обеспечения, что позволяет быстрее создавать прототипы. Более того, если цифровое электронное устройство должно взаимодействовать с реальным миром, ему всегда понадобится аналоговый интерфейс. [14] Например, каждый цифровой радиоприемник имеет аналоговый предусилитель в качестве первого этапа в цепи приема.

Проектирование аналоговых схем значительно облегчилось с появлением программных симуляторов схем, таких как SPICE . В 1970-х годах IBM разработала собственный симулятор ASTAP , в котором использовался необычный (по сравнению с другими симуляторами) метод анализа цепей с разреженной матрицей .

Классификация цепей

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 кусков линии передачи .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Краткий Оксфордский словарь (10-е изд.). Oxford University Press Inc., 1999. ISBN. 0-19-860287-1.
  2. ^ Плимптон, Джордж Вашингтон (1884). Барометр-анероид: его конструкция и применение. Барометр-анероид D. Van Nostran Co.
  3. ^ Сингмин, Эндрю (2001). Начало цифровой электроники через проекты. Ньюнес. п. 9. ISBN 0-7506-7269-2. Сигналы поступают от датчиков...
  4. ^ Миллер, Марк Р. (2002). Электроника: простой способ . Образовательная серия Бэррона. стр. 232–239. ISBN 0-7641-1981-8. Пока не появилось радио...
  5. ^ Сюй, Хвэй Пяо (2003). Очерк теории и проблем аналоговой и цифровой связи Шаума. МакГроу-Хилл Профессионал. п. 202. ИСБН 0-07-140228-4. Наличие шума ухудшает работу систем связи.
  6. ^ Карр, Джозеф Дж. (2000). Секреты проектирования радиочастотных схем. МакГроу-Хилл Профессионал. п. 423. ИСБН 0-07-137067-6. Это обычное дело в микроволновых системах.
  7. ^ Ричард Лэнгтон Грегори, Даже странные представления , с. 161, Psychology Press, 1994 ISBN 0415061067 . 
  8. ^ Робин Блэр, Цифровые методы в радиовещательной передаче , стр. 34, Focal Press, 2002, ISBN 0240805089 . 
  9. ^ Чен, Вай-Кай (2005). Справочник по электротехнике. Академическая пресса. п. 101. ИСБН 0-12-170960-4. Шум с точки зрения аналогового (или слабого сигнала)...
  10. ^ Джон Б. Хаген, Радиочастотная электроника: схемы и приложения , стр. 203, издательство Кембриджского университета, 1996 ISBN 0521553563 . 
  11. ^ Джонатан Дэвидсон, Джеймс Питерс, Брайан Грейсли, Основы передачи голоса по IP , Cisco Press, 2000 ISBN 1578701686 . 
  12. ^ Шерц, Пол (2006). Практическая электроника для изобретателей. МакГроу-Хилл Профессионал. п. 730. ИСБН 0-07-145281-8. Чтобы аналоговые устройства... могли обмениваться данными с цифровыми схемами...
  13. ^ «Часы - цифровые и аналоговые». www.mathsisfun.com . Проверено 18 декабря 2020 г.
  14. ^ Уильямс, Джим (1991). Проектирование аналоговых схем. Ньюнес. п. 238. ИСБН 0-7506-9640-0. Даже внутри компаний, производящих как аналоговую, так и цифровую продукцию...