Преобразуватели на сигнали: типове, принцип на работа и цел

В промишлеността и в ежедневието често се използват различни видове сигнални преобразуватели. Тези устройства могат да бъдат представени в най-широк спектър от модификации, адаптирани за решаване на проблеми в различни области на икономиката. Кои видове преобразуватели на сигнала могат да бъдат класифицирани като най-често срещаните? Какви са техните функции?

Каква е целта на преобразувателите на сигнали?

Преобразувателите на сигнали са устройства, които наистина могат да бъдат представени в най-широкия спектър от решения. Този термин е действително колективен и може да се отнася до оборудване, използвано в различни сегменти на икономиката и класифицирано според абсолютно различни критерии. Основните типове сигнали, които могат да конвертират въпросните устройства:

- електрически;

- звук;

- температура;

- технологичен характер.

В зависимост от задачите, пред които е изправен потребителят на преобразувателя на сигнала, модулите, които обработват няколко различни типа данни, могат да бъдат комбинирани в структурата на съответното устройство. Трансформацията следователно може да се осъществи в рамките на същия тип сигнал (например от една честота в друга) или да бъде механизъм, който включва превод между различни категории сигнал. Например електрически звук.

Най-често срещаните устройства включват конвертор аналогов сигнал в цифров (и обратно, ако се осигурява от структурата на вътрешните модули на устройството). Нека разгледаме характеристиките на нейната работа.

Аналогово-цифров преобразувател

Въпросното устройство е предназначено за преобразуване на всеки аналогов сигнал - например, представен от индексите на напрежението в цифров вид (позволяващ например записване на съответния сигнал във файл).

Един от основните критерии за ефективността на въпросното устройство е битовата дълбочина на данните на изхода. Стойността му определя нивото на съотношението сигнал-шум.

Друг важен параметър, който характеризира качеството на работа на устройство като аналогов преобразувател, е скоростта на генериране на изходен сигнал. Сред тези устройства, които осигуряват оптимална производителност, са тези, които са паралелни. Те генерират големи потоци сигнал, използвайки необходимия брой щифтове. Тази характеристика на устройството в много случаи предопределя освобождаването на подходящи преобразуватели, характеризиращи се с големи размери. В допълнение, аналоговите преобразуватели на сигнали могат да имат доста високо ниво на консумация на енергия. Все пак, като се има предвид ефективността на тези устройства, тези характеристики често не се считат за недостатъци.

Превръщането на сигнали от аналогови към цифрови паралелни устройства е много бързо. Осигуряване на още по-бързо изпълнение на подходящия тип устройство може да бъде чрез свързване на няколко устройства, така че да могат да обработват потока от сигнали от своя страна.

Алтернативи на паралелни решения могат да бъдат серийни преобразуватели на сигнали. Те обикновено са по-малко продуктивни, но по-енергийно ефективни. Прилагането им може да бъде обусловено в случаите, когато става дума за осигуряване на предаване на сигнали в рамките на инфраструктура с ниска мощност или в случай, че не е необходима по-висока скорост на преобразуване от тази, осигурена от последователни устройства.

Може да се отбележи, че има устройства от смесен тип, които комбинират функциите на серийни и паралелни преобразуватели. В много случаи те са най-оптималните решения по отношение на спазването на критериите за икономичност и производителност.

По-горе е отбелязано, че аналогово-цифровите преобразуватели могат да включват модули, чрез които цифровите сигнали се преобразуват в аналогови сигнали. Съществува и отделна категория устройства от подходящ тип. Нека да проучим техните характеристики.

Цифрови до аналогови конвертори

Ако потребителят има например телевизор за аналогов сигнал, тогава неговата работа ще бъде възможна при свързване на съответната антена. Или ако източниците на сигнал се преобразуват в аналогови сигнали, които телевизорът може да разпознае. Техният източник може да бъде цифрова антена. Или, като опция, сигнал, получен чрез интернет.

Въпросното устройство по този начин преобразува сигнала, съдържащ цифровия код, в ток, напрежение или заряд, който се предава за обработка на аналогови модули. Специфичните механизми на тази трансформация зависят от вида на входните данни. Например, ако говорим за звук, то тогава на входа обикновено се представя в импулсна кодова модулация. Ако изходният файл е компресиран, могат да се използват специални софтуерни кодеци за преобразуване на сигналите. На свой ред цифровата антена обикновено предава сигнала за обработка по хардуерни методи.

Устройствата, които включват разглежданите преобразуватели, могат да бъдат допълнени с модули за различни цели. Например, когато се осигури възпроизвеждане на телевизионно предаване, в допълнение към тези модули, които се използват от преобразувателя, може да се използва усилвател на видеосигнала. В много случаи това е необходимо, за да се осигури висококачествена картина, когато аналоговият сигнал се преобразува в цифров. Също така, усилвател на видеосигнала се използва, ако искате да прехвърлите снимка на значително разстояние.

Телевизията не е единствената сфера на активно използване на въпросните устройства. Съответните преобразуватели са включени например в CD плейърите, които също превръщат цифровия сигнал в аналогов.

Ултразвукови преобразуватели

Следващата обща категория устройства е ултразвуков датчик. Може да се отбележи, че тя може да бъде представена от устройства с най-широк обхват от приложения, както и от принципи на работа. Сред общите разновидности на ултразвукови преобразуватели е потопяемо устройство, което е проектирано да се предава на вода или друга течна среда чрез ултразвук с определена честота. Това устройство може да се използва, например, за пречистване на различни предмети от замърсяване - в баните, използвани за ултразвуково почистване.

Има и други области на приложение на разглежданите устройства. Ултразвуковият преобразувател може да се използва за наблюдение на целостта на някои конструкции, връзки и проверка на определени предмети за повреди.

Линейни и импулсни преобразуватели

Като се имат предвид особеностите на използването на конвертори, ще бъде полезно да се обърне внимание на класификацията, чрез която те се подразделят на линейни и импулсни. Всъщност тези критерии отразяват двата най-важни принципа на работа на конвертора.

Тези, които са линейни, могат да работят на принципа на аналоговите схеми, в които преобразуваните сигнали се формират при гладко темпо. Конверторът на импулси приема по-активно представяне на сигналите както на изхода, така и при тяхната вътрешна обработка. Ако обаче тази операция се осъществява само във вътрешния етап на обработка на сигнали, съответното устройство може да образува същите параметри, както в случая, когато е включен линеен преобразувател. По този начин концепцията за линейна или импулсна обработка може да се разглежда само в контекста на принципа на работа на ключовите хардуерни компоненти на устройството от съответния тип.

Импулсните преобразуватели се използват главно в случаите, когато структурата на използваната инфраструктура включва обработката на сигнали с висока мощност. Това се дължи на факта, че ефективността на съответните устройства в такива случаи е много по-висока, отколкото при използването им за обработка на сигнали с по-ниска мощност. Друг фактор при избора на тези решения е използването на трансформаторни или кондензаторни устройства в използваната инфраструктура, с които импулсните преобразуватели имат оптимална съвместимост.

От своя страна, линеен преобразувател е устройство, което се използва в инфраструктура, в която се обработват сигнали с ниска мощност. Или ако има нужда от намаляване на смущенията, причинени от работата на преобразувателя. Струва си да се отбележи, че ефективността на разглежданите решения в инфраструктурата с висока мощност не е най-важната, затова тези устройства най-често разпределят по-голямо количество топлина от импулсните преобразуватели. В допълнение, теглото и размерите им също са значително по-големи.

Но по един или друг начин на практика функционирането на преобразувателя според импулсния принцип може да приеме формирането на трансферната му функция в линейна форма. Следователно, преди да внедрите подходящите преобразуватели на сигнала в инфраструктурата, трябва да имате предвид тяхната вътрешна структура за приложимата схема за обработка на сигнала.

Измервателни преобразуватели

Друга обща категория на решения е измерване на преобразуватели. Какви са техните характеристики? Измервателният преобразувател е устройство, което може да бъде представено и в голям брой сортове. Комбинира способността на устройството да измерва измерването и преобразуването на определени количества.

Схема за функциониране на измервателните устройства от съответния тип може да се счита за широко използвана, при която сигналът се обработва на няколко етапа. Първо, датчикът го отвежда, след това го превръща в стойността, която може да бъде измерена, след това - трансформирана в полезна енергия. Например, ако се използва аналогов токов преобразувател, тогава се извършва преобразуването на електрическата енергия в механична.

Разбира се, специфични механизми за прилагане на съответните решения могат да бъдат представени в изключително широк диапазон. Често се използват измервания на трансформации за научни цели като част от инфраструктурата за провеждане на експерименти и изследвания. Комбинира по-голямата част от измервателните преобразуватели с тяхната адаптивност, основно за работа с прилагането на нормализирани характеристики при обработка или трансформиране на сигнал. Може да се отбележи, че тези характеристики не винаги могат да бъдат предназначени за крайния потребител на преобразувателя. Тяхното участие в много случаи се извършва в скрит режим. Човекът, използвайки подходящите преобразуватели на сигнали, получава само желания сигнал, адаптиран за използване при различни цели, на изхода.

По този начин тези решения като правило не се използват като независими видове инфраструктура. Те са част от по-сложни устройства - например системи за автоматизация за измервания в производството. Измервателните преобразуватели най-често се класифицират в две основни групи - първични и междинни. Ще бъде полезно да разгледаме спецификата на двете.

Класификация на измервателните преобразуватели: първични и междинни решения

Устройствата, които принадлежат към основната категория, като правило, се използват като сензори. Това означава, че те са преобразуватели, към които действат директно конкретни измерени количества. Другите устройства принадлежат към междинната категория. Те се поставят в измервателната инфраструктура непосредствено след първите и могат да бъдат отговорни за голям брой операции, свързани с трансформацията. Какъв вид операции може да направи сигналният преобразувател от съответния тип? За тези, които обичайно се включват:

- измерване на физични индикатори за различни стойности;

- различни промени в мащаба;

- преобразуването на цифровите сигнали в аналогови сигнали и обратното;

- функционални трансформации.

Обърнете внимание, че такава класификация може да се счита за условна. Това се дължи главно на факта, че няколко първични преобразувателя могат да бъдат разположени в един и същ измервателен уред. Друга причина да разгледаме горната класификация на условно - е, че при различните типове инфраструктура, измерванията могат да се извършват на различни принципи.

Електро-оптични преобразуватели

Друга популярна в различни области на икономиката тип devaysa - електронно-оптичен преобразувател. Той, както и други видове устройства, ние сме обсъдени по-горе, могат да бъдат представени в широка гама от изпълнения. Обединява електро-оптични преобразуватели общ принцип на работа: тя включва прилагането на преобразуването на невидимия обект - например, осветени от инфрачервено, ултравиолетово, или, например, рентгенови лъчи, във видимия спектър.

В този случай съответната операция по правило се осъществява на 2 етапа. Отначало на фотокатода се получава невидимо лъчение, след което се трансформира в електронни сигнали. Които вече във втория етап се преобразуват в видима картина и се показват на екрана. В случай на компютърно наблюдение, сигналът може да бъде предварително преобразуван в цифров код.

Електро-оптичните преобразуватели са решения, които традиционно са класифицирани за няколко поколения. Устройствата, свързани с първата, включват стъклена вакуумна колба. Фотокатодът и анодът се намират в него. Между тях се формира потенциална разлика. Когато се приложи оптимално напрежение към преобразувателя, в преобразувателя се формира електронна леща, която може да фокусира електронните потоци.

При второ поколение преобразуватели съществуват модули за електронно ускорение, което повишава яркостта на изображението. При устройства от трето поколение се използват материали, които повишават чувствителността на фотокатода като ключов компонент на електронно-оптичния преобразувател повече от 3 пъти.

Характеристики на резистивните преобразуватели

Друг общ тип устройство - резистивни преобразуватели. Нека разгледаме техните функции по-подробно.

Тези преобразуватели са адаптирани да променят собственото си електрическо съпротивление, когато са подложени на определена измерена стойност. Те също така могат да регулират ъгловото и линейно движение. Най-често тези преобразуватели се включват в системи за автоматизация с датчици за налягане, температура, ниво осветление, измерване интензивността на различните видове радиация. Основните предимства на резистивните преобразуватели са:

- надеждност;

- Отсъствието на връзка между точността на измерванията и стабилността на захранващото напрежение.

Съществуват голям брой варианти на съответните устройства. Сред най-популярните са сензорите за температура. Нека да проучим техните характеристики.

Резистивни сензори за температура

Тези преобразуватели на сигнала имат компоненти, които са чувствителни към промените в температурата на околната среда. Ако се издигне, тогава тяхната съпротива може да се увеличи. Тези устройства се характеризират предимно с много висока точност. В някои случаи те дават възможност за промяна на температурата с точност от порядъка на 0.026 градуса по Целзий. Като част от тези устройства има елементи от платина - в този случай коефициентът на съпротивление ще бъде по-нисък или мед.

Използването на резистивни сензори се характеризира с редица нюанси. Следователно, трябва да се има предвид, че по-високите стойности на тока на възбуждане, приложени към сензора, увеличават неговата температурна чувствителност, но в същото време загряват елементите на съответния преобразувател. Това в много случаи води до намаляване на точността му. Ето защо се препоръчва да се осигурят оптимални токови параметри на възбуждане, като се вземат предвид специфичните условия за измерване. При изчислението може да се вземе например топлопроводимостта на средата, в която се използва сензорът - въздух или вода. Като правило препоръчителните индекси за възбуждащите токове се определят от производителите на сензори от съответния тип. Те обаче могат да варират значително в зависимост от металите, използвани при проектирането на устройствата. Освен това, когато се използват въпросните сензори, е необходимо да се вземе предвид такъв индикатор като граничната стойност на работния ток. Обикновено това се определя и от производителя.

Резистивните сензори са сред най-често срещаните видове преобразуватели във фермата. Това до голяма степен се дължи на значителните технологични предимства на много от техните сортове. Например, ако говорим за термистори - те се характеризират с висока чувствителност, компактност, ниско тегло. Подходящ тип сензори могат да се използват за измерване на температурата на въздуха при различни условия. Производството им често не води до значителни разходи. Вярно е, че термисторите имат недостатъци - на първо място, това е висока степен на нелинейност, така че те могат да се използват на практика в доста тесни температурни диапазони.

Съответните преобразуватели сигнали (изгледи и тяхното определяне може да се определи въз основа на различни критерии за класификация) се използват широко в ежедневието. Например, температурни сензори, съдържащи в състава си платинени и медни елементи, в състава:

- отоплителна инфраструктура - за измерване на температурата на охлаждащата течност в една или друга част на оборудването, както и в отопляемо помещение;

- перални машини - за измерване на температурата на водата и настройката й за различни програми за миене;

- ютията - по същия начин, за да се осигури оптимална температура на гладене в определен работен режим;

- електрическа печка, както и други видове оборудване за готвене на храна - също така, за да се осигури тяхното функциониране с активирането на определени режими на ползване.

Преобразователи на реостат

Друг популярен тип съпротивителни устройства са реостатните конвертори. Техният принцип на работа се основава на измерване на електрически съпротивлението на проводник под влияние на входното движение. На практика този преобразувател включва елементи, които са адаптирани към движението поради ефекта на измереното количество. Най-често въпросните устройства се включват в разделители на напрежението или се използват като компонент на измервателните мостове.

Ако говорим за заслугите, които характеризират реостатичните конвертори, то към тях може да се каже:

- няма реактивен ефект върху мобилните компоненти;

- висока ефективност;

- малките размери, възможността за използване в инфраструктура, работеща както с постоянен, така и с променлив ток.

В същото време резистивните преобразуватели от подходящ тип не винаги са надеждни и в много случаи изискват от предприятието да инвестира значителни ресурси за поддържане на функционалността.