Классификация сигналов, используемых в электротехнике
Классификация сигналов - это способ организовать сигналы вокруг нас. В нем основное внимание уделяется проектированию, тестированию, измерительным инструментам и ожидаемым результатам. Существует множество способов классификации сигналов!
Вспомогательная информация
- Электрические типы сигналов
- Аналоговые и цифровые сигналы
Сигналы вокруг нас
Мы окружены сигналами. Визуальный, звуковой, механический, электрический; активный пассивный; физические события, которые передают информацию, предупреждают нас о конкретных условиях и обеспечивают нашу энергию. С заранее подготовленными сигналами мы знаем, что произошло, как только появится доказательство сигнала. Другие сигналы несут информацию внутри них и должны быть декодированы и обработаны, чтобы узнать, что они означают. Тем не менее, другие сигналы несут мощность, и единственная информация, которую мы получаем, заключается в том, что наше здание все еще получает 120 В переменного тока.
Сигналы позволяют нам своевременно управлять трафиком; доставлять радио, телевидение и новости. Они сообщают нам, когда наши реки находятся на стадии наводнения или сила штормового ветра. Даже если он не активирован, пока мы знаем, что контролируется, мы получаем информацию. Когда значок Check Engine не активирован, мы знаем, что система нашего автомобиля работает должным образом. Другие системы могут подавать сигнал сердечного ритма или постоянно горит светодиод, чтобы показать, что система функционирует в пределах спецификаций.
Электрические сигналы, встроенные в системы, также могут инициировать действия для обеспечения нашей безопасности и комфорта. Мы предупреждены о возможном пожаре; подавляются огнетушители. Наш кондиционер включается автоматически, когда температура повышается. Обнаружена и известна утечка в подземной системе. Мы зависим от наших сигналов!
Электрические инженеры (ЭЭ) и сигналы
Мир электротехники - один из сигналов. EE описывают сигналы как электрические или электромеханические кодированные данные. Даже в этом узком определении существует так много типов сигналов, которые классифицируют их по физическим характеристикам или другим методам, помогает организовать необходимый тип оборудования, необходимые процедуры тестирования и измерительное оборудование, а также решать любые проблемы безопасности или правила. Классификация сигналов помогает в анализе, обработке и проверке схем. Сигналы могут быть классифицированы по любым их физическим свойствам, их предполагаемому использованию; и их визуальные и математические свойства. Один и тот же сигнал может быть классифицирован более чем одним способом в зависимости от того, что делает система и как используются сигналы. Конкретная область техники может подчеркнуть один из способов классификации одного сигнала по сравнению с другим. И каждое поле может классифицировать сигналы по-разному, добавляя больше деталей по мере продолжения их исследований, например, в сигналах акустики, мощности или электроэнцефалографических сигналов (ЭЭГ). Инженеры-трансляторы могут работать в кабельных системах (оцифрованные, сжатые, зашифрованные сигналы) или эфирные сигналы (аналоговые, радиочастотные). В программных операционных системах сигналы могут указывать на ошибки, обычные прерывания, незаконные события и принимать прямые действия.
Дизайнеры схем и системные инженеры работают над различными системами. Способ классификации сигналов может относиться к отдельным сигналам или всей системе, которая обрабатывает этот тип сигнала. Много раз математическое представление сигнала возможно и помогает в анализе. Давайте посмотрим на некоторые способы передачи сигналов.
Электрические системы
Благодаря Томасу Эдисону и Никола Тесле сегодня есть две электрические системы; оборудование, компоненты и варианты доставки различаются для каждого. Каждый из них имеет переменный ток (AC) и постоянный ток (DC), и нам нужны оба. Разница в первичной мощности - основной способ отличить сигналы. На рисунке 1 показана схема переменного и постоянного тока.
Переменный ток (AC), доступный из знакомой силовой розетки, представляет собой синусоидальный сигнал, изменяющий время. Он генерируется генераторами и доступен на электростанциях, поставляемых в здания и отдельные резиденции, в виде трехфазного синусоидального сигнала, который с пониженной мощностью до 120 В переменного тока при 60 Гц в Северной Америке; 50 Гц используется в Европе. Сигналы, подающие мощность, отличаются по величине от тех, которые используются в схемах источников, которые обычно используются в своих цепях.
Рисунок 1. Схемы переменного и постоянного тока
Учебники полны проблем, дающих источник:
E (t) = k sin (ωt), где k - амплитуда и ω = 2πf
Это подмножество более общего уравнения:
S (t) = A sin (2πft ± θ), где A - максимальная амплитуда
f - частота (1 / T (период)
t - мгновенное время
θ - фаза
Постоянный ток (DC) доступен от батарей в стандартном напряжении (1, 5 В постоянного тока, 9 В постоянного тока), генераторах или источниках питания, предназначенных для обеспечения определенного напряжения, необходимого для схемы или устройства. (24 В постоянного тока, 48 В постоянного тока, 120 В постоянного тока). За исключением переходных эффектов, подаваемое напряжение является постоянным.
частота
Классификация сигналов по частоте идентифицирует спектр и методы распространения. Визуальный, звуковой, радиочастотный, микроволновый; проводной, волоконной оптики, воздуха / вакуума / пространства. Сигналы переменного тока определяют частоту. В системах постоянного тока с схемой управления системными часами термины могут быть тактовой частотой, инструкциями машинного аппарата в секунду (MIPS) и импульсами в секунду (PPS).
Напряжения
Электрические системы переменного и постоянного тока классифицируются как низкое или высокое напряжение. IEEE определяет стандарты для AC и DC с документами, конференциями, лабораториями и исследованиями, посвященными каждому из них. Определения обычно даются как:
Низкое напряжение переменного тока: 1000 В и ниже; DC: 3200 В и ниже
Высокое напряжение: AC: выше 1000 В
Ультравысокое напряжение: 1000 кВ или более мощные системы переменного тока
В цифровых системах, где логические семейства диктуют требования к напряжению, используются значительно более низкие уровни сигнала. Транзисторная логика обычно требует 5 В постоянного тока, в то время как CMOS и системы с низким энергопотреблением могут использовать более высокие и более низкие напряжения.
Аналого-цифровой
Сигналы в электрических цепях можно классифицировать по непрерывности значений амплитуды - аналоговых или цифровых. Аналоговые сигналы переменного тока, такие как сигналы синуса и косинуса, постоянно изменяют значения, которые варьируются от минимума до максимума амплитудного диапазона сигнала. Для каждой точки времени есть значение амплитуды, пропорциональное предыдущему и будущему значению формы волны.
Цифровые сигналы имеют определенные значения для амплитуды. Цифровые двоичные системы имеют только 2 значения, обычно работают от 0 до 5 В постоянного тока; (хотя в практических схемах принят диапазон). Это результат характеристик транзистора. Либо On, либо Off, проводя или нет, два значения представлены на выходном порту.
Непрерывная / дискретное
Сигналы также могут быть классифицированы по непрерывности времени: непрерывный сигнал имеет значения для всех значений времени без разрывов или областей, где сигнал не существует. Синусоидальные и косинусные волны непрерывны, где касательная волна имеет разрывы, где значения не существуют.
Дискретные сигналы имеют значения только в определенное время. Схема дискретизации дает значения сигнала только в течение времени, когда происходит выборка.
На рисунках 2 и 3 показаны дискретные и непрерывные сигналы.
Рисунок 2. Дискретные сигналы: время и амплитуда
Рисунок 3. Непрерывный сигнал для значений времени и амплитуды
Характеристики формы волны - периодические / апериодические
Сигналы могут быть классифицированы в соответствии с визуальным характером формы волны. Периодические сигналы повторяются в течение заданного периода времени. Математически представленное уравнением:
s (t) = s (t + T), где T - период (1 / частота).
Периодические сигналы существуют как в системах переменного (аналогового), так и в постоянном (цифровом) системах, таких как сигнал синусоидальной волны или цифровой сигнал системы. На рисунке 4 показаны некоторые периодические сигналы. Апериодические сигналы не повторяются. Некоторые математические инструменты доступны только для периодических сигналов. Ряд Фурье был разработан для использования для периодических сигналов. Для использования на апериодических сигналах сигнал обрабатывался как периодический сигнал с бесконечным периодом. Это позволило использовать преобразования Фурье для всех сигналов.
Рисунок 4. Цифровые и аналоговые периодические сигналы
Характеристики формы волны - Четный / Нечетный
Даже сигналы симметричны относительно оси y. Математически f (x) = f (-x). Точка (X, Y) будет иметь одно и то же значение точки at (-X, Y). Ряд Фурье разлагает сигнал на сумму синусов и косинусов:
FS = A0 + Σ An sin (n) + Σ Bn косинус (n);
Где A0 - компонент постоянного тока, и каждый член имеет связанную амплитуду и тригонометрическую составляющую (синус и косинус).
Даже сигналы возникают, когда только компоненты косинуса составляют сигнал. Сам косинус является четным сигналом и симметричным относительно оси y. На рисунке 5 показан четный сигнал и косинусоидальная форма.
Нечетные сигналы симметричны относительно начала координат. Математически f (t) = - (f (-t)). Ряды Фурье нечетных сигналов имеют только синусоидальные компоненты. Сам синус является нечетным сигналом и симметричным относительно начала координат, как показано на рисунке 6. Сигнал может быть разложен на четные и нечетные сигналы.
Рисунок 5. Даже сигналы; симметричный относительно оси y
Рисунок 6. Нечетные сигналы; симметричный о происхождении
Детерминированный / Random
Если вы знакомы с программами моделирования и анализа, вы работали с сигналами, которые классифицируются как детерминированные или случайные. Детерминированные сигналы могут быть предсказаны прошлым поведением и полностью захвачены математическими уравнениями. Все возможные результаты известны и отсутствуют факторы риска. Детерминированные сигналы полезны в сообщениях, где знание точных значений сигнала несущей важно для методов модуляции.
Случайные сигналы не предсказуемы и представлены вероятностными функциями, знакомыми по теории вероятностей, как функция Пуассона. Шум схемы обычно моделируется как и является случайным сигналом.
Несколько аналогичными являются причинные сигналы. Хотя заманчиво смотреть на диаграммы причинно-следственных сигналов и думать, что они связаны с выбором времени, причинность является результатом моделирования модели. Причинные сигналы определяются только из прошлых или настоящих условий в качестве входных данных. Когда система запускается при t = 0, следующие данные вычисляются из начальных условий и затем генерируются из предыдущих результатов. Система может продолжать бесконечность. Такие системы иллюстрируют это поведение.
Анти-каузальные системы также генерируют результаты будущих событий и останавливаются при t = 0. Не представлены в реальной жизни, анти-причинные сигналы позволяют сценарии, где возможные будущие события могут быть проанализированы. Сигналы осциллограмм без причинности имеют значение и результаты для любого времени t0.
кодирование
Выход сигнала датчика можно классифицировать по типу используемой кодировки данных. Датчики обычно измеряют физические величины; аналоговые данные, такие как температура, давление и т. д. В зависимости от датчика аналого-цифровое преобразование может обрабатываться внутри устройства, а результаты предоставляются в цифровой форме: двоичный, восьмеричный, шестнадцатеричный, двоично-кодированный-десятичный (BCD) и вывод серого кода.
Синхронный / асинхронный
Цифровые системы имеют сигналы, которые делятся на сигналы управления или данных. Управляющие сигналы могут быть классифицированы как синхронные или асинхронные. Повторяющиеся периодические тактовые сигналы управляют синхронизацией логических и технологических функций. Когда логические уровни изменяют состояние, основанное на синхронизации часов, сигналы синхронны, синхронизируются с часами. Логические уровни на входах компонентов вступают в силу только с синхронизацией тактового сигнала.
Асинхронные сигналы имеют состояние логики вывода, изменяющиеся в любое время независимо от тактового цикла. Сброс сигналов может быть получен в любое время и вызывать уровни выходного сигнала в заранее определенные состояния независимо от синхронизации часов. Асинхронные сигналы могут также обеспечивать связь и другие протоколы для размещения более медленных или внешних периферийных устройств.
Резюме
Сигналы задействованы во всех аспектах электротехники. Классификация сигналов является сокращением при проектировании, обсуждении, передаче результатов и анализе. Существует много способов классификации сигнала в зависимости от области интереса, области обучения и математических представлений. Чем больше вы знакомы с сигналами, которые вы используете, тем больше способов вы найдете, чтобы классифицировать их!
FS = A0 + Σ An sin (n) + Σ Bn косинус (n)