איך עובד עיבוד אותות

מהו אות?

אות הוא כל משתנה פיזיקלי שהערך שלו או השינוי שלו לאורך זמן מכיל מידע. מידע זה יכול להתייחס לדיבור ולמוזיקה, או לכמויות פיזיות כגון טמפרטורת אוויר או אור בחדר. המשתנים הפיזיים שיכולים לשאת מידע במערכות חשמל הם מתח וזרם.

במאמר זה, ב"אותות" אנו מתכוונים בעיקר למתח או לזרם. עם זאת, רוב המושגים הנידונים כאן נשארים תקפים עבור מערכות שבהן משתנים אחרים יכולים להיות נושאי מידע. לפיכך, התנהגות של מערכת מכנית (משתנים - כוח ומהירות) או מערכת הידראולית (משתנים - לחץ וזרימה) יכולה להיות מיוצגת לרוב על ידי מערכת חשמלית מקבילה, או כפי שנאמר, לדמות. לכן, הבנת ההתנהגות של מערכות חשמל מספקת בסיס להבנת מגוון רחב הרבה יותר של תופעות.

אותות אנלוגיים ודיגיטליים

אות יכול לשאת מידע בשתי צורות. אות אנלוגי נושא מידע בצורה של שינוי מתמשך בזמן של מתח או זרם. דוגמה לאות אנלוגי היא המתח שנוצר על ידי בצומת הצמד התרמיבטמפרטורות שונות. כאשר הפרש הטמפרטורה בין הצמתים משתנה, המתח על פני הצמדים התרמיים משתנה. לפיכך, המתח נותן ייצוג אנלוגי של הפרש הטמפרטורה.

צמד תרמי - תרכובת של שתי מתכות שונות, כגון נחושת וקונטאנטן. המתח שנוצר משני הצמתים משמש למדידת הפרש הטמפרטורה ביניהם.

זה סוג אחר של איתות אות דיגיטלית... זה יכול לקחת ערכים בשני שדות נפרדים. אותות כאלה משמשים לייצוג מידע הפעלה/כיבוי או כן-לא.

לדוגמה, תרמוסטט ביתי מייצר אות דיגיטלי לשליטה על דוד. כאשר טמפרטורת החדר יורדת מתחת לערך שנקבע מראש, מתג התרמוסטט סוגר את המגעים ומפעיל את המחמם. ברגע שטמפרטורת החדר גבוהה מספיק, המתג מכבה את התנור. הזרם דרך המתג נותן ייצוג דיגיטלי של השינוי בטמפרטורה: מופעל קר מדי וכבוי חם מדי.

אורז. 1. אותות אנלוגיים ודיגיטליים

מערכת עיבוד אותות

מערכת עיבוד אותות היא קבוצה של רכיבים והתקנים מחוברים זה לזה שיכולים לקבל אות קלט (או קבוצה של אותות קלט), לפעול על האותות בצורה ספציפית כדי לחלץ מידע או לשפר את איכותו, ולהציג מידע במוצא ב- צורה מתאימה ובזמן המתאים.

אותות חשמליים רבים במערכות פיזיות נוצרים על ידי מכשירים הנקראים חיישנים... כבר תיארנו דוגמה לחיישן אנלוגי - צמד תרמי. הוא ממיר את הפרש הטמפרטורה (משתנה פיזיקלי) למתח (משתנה חשמלי). בדרך כלל חיישן - מכשיר הממיר כמות פיזית או מכנית לאות מתח או זרם שווה ערך. עם זאת, בניגוד לצמד תרמי, רוב החיישנים דורשים צורה כלשהי של עירור חשמלי כדי לפעול.

בחירת האותות ביציאת המערכת יכולה להיעשות בצורות שונות, בהתאם לאופן השימוש במידע הכלול באותות הקלט. ניתן להציג מידע בצורה אנלוגית (באמצעות, למשל, מכשיר שבו מיקום החץ מציין את הערך של המשתנה המעניין) או בצורה דיגיטלית (באמצעות מערכת של אלמנטים דיגיטליים על הצג המציגה מספר המתאים לערך הריבית עבורנו).

אפשרויות נוספות הן להמיר את אותות המוצא לאנרגיית קול (רמקול), להשתמש בהם כאותות כניסה למערכת אחרת, או להשתמש בהם לשליטה. הבה נסתכל על כמה דוגמאות כדי להמחיש כמה מהמקרים הללו.

מערכת תקשורתית

קחו בחשבון מערכת תקשורת שאותות הקלט שלה עשויים להיות דיבור, מוזיקה או סוג כלשהו של נתונים המופקים במקום אחד ומשודרים בצורה מהימנה למרחקים ארוכים כדי לשחזר במדויק את אות הקלט המקורי שם.

כדוגמה, איור. 2 הוא תרשים סכמטי של מערכת שידור קונבנציונלית של אפנון משרעת (AM).באפנון AM, המשרעת (שיא לשיא) של אות תדר הרדיו משתנה בהתאם לגודל האות בתדר נמוך (אות השמע המתאים לתדרי הקול).

אורז. 2. מערכת תקשורת שידור עם אפנון משרעת

המשדר של מערכת שידור רדיו AM קולט את אות הקלט מהתקן קלט (מיקרופון), משתמש באות זה כדי לשלוט על משרעת אות תדר הרדיו (לכל תחנת רדיו יש תדר רדיו ספציפי משלה), וזרם תדר הרדיו מניע את התקן הפלט (אנטנה) אשר מייצר גלים אלקטרומגנטיים הנפלטים לחלל.

מערכת הקליטה מורכבת מהתקן קלט (אנטנה), מעבד (מקלט) והתקן פלט (רמקול). המקלט מגביר (מחזק) את האות החלש יחסית המתקבל מהאנטנה, בוחר את האות של תדר הרדיו הרצוי מהאותות של כל שאר המשדרים, משחזר את אות השמע על סמך השינוי במשרעת אות תדר הרדיו, וכן מרגש את הרמקול עם אות השמע הזה.

מערכת מדידה

המשימה של מערכת המדידה היא לקבל מידע מהחיישנים הרלוונטיים על התנהגות מערכת פיזית מסוימת ולרשום מידע זה. דוגמה למערכת כזו היא מדחום דיגיטלי (איור 3).

אורז. 3. תרשים פונקציונלי של מדחום דיגיטלי

שני חיבורי צמד תרמי - האחד במגע תרמי עם הגוף שאת הטמפרטורה שלו יש למדוד, השני שקוע במיכל קרח (כדי לקבל נקודת ייחוס יציבה) - מייצרים מתח שתלוי בהפרש הטמפרטורה בין הגוף לקרח . מתח זה מוזן למעבד.

מכיוון שהמתח התרמי אינו פרופורציונלי בדיוק להפרש הטמפרטורה, יש צורך בתיקון קטן כדי להשיג מידתיות קפדנית. תיקון בתהליך מכשיר ליניאריזציה... המתח האנלוגי מהצמד התרמי מוגבר תחילה (כלומר מייצר יותר), ואז ליניאריזציה ודיגיטלית. לבסוף, הוא מופיע בפנקס התצוגה הדיגיטלי המשמש כהתקן הפלט של המדחום.

אם המשימה העיקרית של מערכת התקשורת היא להעביר עותק נכון של אות המקור, אז המשימה העיקרית של מערכת המדידה היא להשיג נתונים נכונים מבחינה מספרית. לכן, יש לצפות כי זיהוי וביטול אפילו שגיאות קטנות העלולות לעוות את האות בכל שלב של עיבודו יהיו בעלי חשיבות מיוחדת עבור מערכות מדידה.

מערכת בקרת משוב

שקול כעת מערכת בקרת משוב שבה מידע במוצא משנה את האותות השולטים במערכת.

איור 4 מציג תרשים של תרמוסטט המשמש לשמירה על טמפרטורת החדר. המערכת מכילה התקן קלט לקביעת טמפרטורת החדר (בדרך כלל זה פס דו מתכתישמתגמש כאשר הטמפרטורה משתנה), מנגנון להגדרת הטמפרטורה הרצויה (חוגה ראשית) ומתגים מכניים המופעלים על ידי ממסר דו-מתכתי ושליטה על המחמם.

אורז. 4. דוגמה למערכת בקרה במעגל סגור

שימוש במערכת פשוטה זו כדוגמה, שלמעשה אינה מכילה אלמנטים חשמליים מלבד מתג, שקול מושג משוב… נניח שקו המשוב באיור.3 שבור, כלומר, אין מנגנונים להפעלה וכיבוי של התנור. אז הטמפרטורה בחדר תעלה למקסימום מסוים (המתאים לשילוב קבוע של המחמם) או תרד למינימום מסוים (בהתאמה לעובדה שהמחמם כבוי כל הזמן).

נניח שחם מדי בטמפרטורה המקסימלית וקר מדי בטמפרטורה המינימלית. במקרה זה יש לספק "התקן בקרה" כלשהו כדי להפעיל ולכבות את התנור.

"מכשיר שליטה" כזה יכול להיות אדם שמדליק את התנור כשהוא מתקרר ומכבה אותו כשהוא מתחמם. כבר ברמה זו, המערכת (יחד עם הפנים) היא מערכת בקרה בלולאה סגורה, שכן מידע על אות המוצא (טמפרטורת החדר) משמש לשינוי אותות הבקרה (הדלקה וכיבוי של תנור החימום).

התרמוסטט עושה אוטומטית מה שאדם היה עושה, כלומר להפעיל את התנור כשהטמפרטורה יורדת מתחת לנקודת ההגדרה ולכבות אותו אחרת. ישנן מערכות משוב רבות אחרות, כולל כאלו שבהן מתבצע עיבוד אותות שימוש במכשירים אלקטרוניים.