Аналоговая электроника
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
[ редактировать ]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 путем изменения их напряжения , тока , частоты или общего заряда . 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 основного 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
[ редактировать ]Аналоговые системы неизменно содержат 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
[ редактировать ]
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
[ редактировать ]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 за счет использования 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 восстанавливается на каждом логическом элементе , уменьшая или удаляя шум. [9] [ не удалось пройти проверку ] В аналоговых схемах потерю сигнала можно восстановить с помощью усилителей . Однако шум накапливается во всей системе, и сам усилитель будет увеличивать шум в соответствии со своим коэффициентом шума . [10] [11]
Точность
[ редактировать ]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 цифро-аналоговый преобразователь для преобразования цифрового сигнала в аналоговый сигнал используется (ЦАП). ЦАП принимает серию двоичных чисел и преобразует ее в аналоговый сигнал. ЦАП часто можно встретить в системе регулировки усиления усилителя. операционный усилитель , который, в свою очередь, может использоваться для управления цифровыми усилителями и фильтрами. [12]
Сложность дизайна
[ редактировать ]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) с разреженной матрицей метод анализа цепей .
Классификация цепей
[ редактировать ]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 .
См. также
[ редактировать ]- Аналоговый чип
- Аналоговый компьютер
- Аналоговая проверка
- Сравнение аналоговой и цифровой записи
- Цифровые данные – для сравнения с аналогом
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Краткий Оксфордский словарь (10-е изд.). Oxford University Press Inc., 1999. ISBN. 0-19-860287-1 .
- ^ Плимптон, Джордж Вашингтон (1884 г.). Барометр-анероид: его конструкция и применение . D. Van Nostran Co.
Барометр-анероид
- ^ Сингмин, Эндрю (2001). Начало цифровой электроники через проекты . Ньюнес. п. 9. ISBN 0-7506-7269-2 .
Сигналы поступают от датчиков...
- ^ Миллер, Марк Р. (2002). Электроника: простой способ . Образовательная серия Бэррона. стр. 232–239 . ISBN 0-7641-1981-8 .
Пока не появилось радио...
- ^ 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.
- ^ Карр, Джозеф Дж. (2000). Секреты проектирования радиочастотных схем . МакГроу-Хилл Профессионал. п. 423. ИСБН 0-07-137067-6 .
Это обычное явление в микроволновых системах.
- ^ Ричард Лэнгтон Грегори, Даже странные представления , с. 161, Издательство Психологии, 1994. ISBN 0415061067 .
- ^ Робин Блэр, Цифровые методы в радиовещательной передаче , стр. 34, Фокус Пресс, 2002, ISBN 0240805089 .
- ^ Чен, Вай-Кай (2005). Справочник по электротехнике . Академическая пресса. п. 101. ИСБН 0-12-170960-4 .
Шум с точки зрения аналогового (или слабого сигнала)...
- ^ Джон Б. Хаген, Радиочастотная электроника: схемы и приложения , стр. 203, издательство Кембриджского университета, 1996 г. ISBN 0521553563 .
- ^ Джонатан Дэвидсон, Джеймс Питерс, Брайан Грейсли, Основы передачи голоса по IP , Cisco Press, 2000 ISBN 1578701686 .
- ^ 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...
- ^ «Часы – цифровые и аналоговые» . Математика — это весело . Проверено 18 декабря 2020 г.
- ^ Уильямс, Джим (1991). Проектирование аналоговых схем . Ньюнес. п. 238. ИСБН 0-7506-9640-0 .
Даже внутри компаний, производящих как аналоговую, так и цифровую продукцию...
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
