ЧТО ТАКОЕ АНАЛОГОВАЯ ИЛИ ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Доброе время суток, уважаемый читатель!

В данной статье мы рассмотрим разницу между аналоговой и цифровой электроникой, а также системы, в которых применяются эти оба типа электроники. Возможно, такой вопрос может показаться банальным опытным электронщикам, но начинающим определиться с понятиями «аналоговый» и «цифровой» не всегда просто. Да и сам термин «электроника» хорошо знаком каждому человеку, но дать определение ему очень трудно. Обычно мы считает, что это аппаратура и системы, состоящие из уст­ройств, которые усиливают и преобразовывают сигналы и для работы которых необходимы источники питания. Наиболее широко в электронике применяются такие устройства, как транзисторы. А начиналась электроника с электровакуум­ных ламп, в которых поток электронов из нагретого катода пролетал через управ­ляющую сетку к аноду. Возможно, слово «электроника» произошло от этого устройства.

Примером аналогового сигнала может служить электрический сигнал в микро­фоне. Его форма (график напряжения во времени) полностью совпадает с формой звуковых волн, которые «поймал» микрофон. При обратном процессе, когда элек­трический сигнал в акустической системе преобразуется в звуковые волны, сигнал также аналоговый. Причем полученные звуковые волны идентичны тем звуковым волнам, которые поступили в систему.

Примером цифрового сигнала служит сигнал, который записывается на компакт-диск (CD). При записывании звука на компакт-диск аналоговый сигнал пре­образовывается в электрические импульсы, частота которых намного больше часто­ты аналогового сигнала. Затем выборка амплитуд импульсов «кодируется». Далее цифровой код обрабатывается, сжимается, защищается от повреждений и хранится на компакт-диске в виде бинарных кодов.

Все цифровые схемы построены на транзисторах, которые называются вентилями и триггерами. Аналоговые схемы, как и цифровые, построены на транзисто­рах. Только транзисторы для цифровых схем должны быть с более высокой скоро­стью и более низкой рассеиваемой мощностью по сравнению с такими же схемами, работающими с аналоговыми сигналами. В целом транзисторные схемы для любого вида сигналов эквивалентны, и имеют аналогичные характеристики: накопленный заряд, паразитную емкость и индуктивность, входное и выходное сопротивление, шумы и т. д. Межсоединения между блоками схемы и для цифровых сигналов, и для аналоговых с высокой частотой или высокой скоростью передачи данных дол­жны проектироваться в соответствии с теорией линий передач. В этой книге неко­торые вопросы по аналоговой электронике содержат базовые сведения по цифро­вой электронике. Преобразование цифрового сигнала — это один из видов преоб­разования аналогового сигнала, а теория проектирования аналоговых схем модифицирована для цифровых схем.

Таким образом, хорошие знания теории аналоговой электроники послужат ос­новой искусства проектирования цифровых систем. Последующие примеры иллю­стрируют роль аналоговой и цифровой электроники в различных системах.

HI-FI И МУЗЫКАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Наиболее популярная электроника в каждом доме — это усилители речи и музыки. На рис. I. I представлена блок-схема типичной установки, которой пользуются музыканты. Любой микрофон преобразует звуковые волны в электрическое напряжение или электрический сигнал, который по проводам передается на усилитель, где усиливается и передается по кабелям на громкоговоритель. Акустическая система преобразует электрический сигнал обратно в звуковые волны, которые в идеале точно такие же, как и оригинальная речь или музыка, но более высокой интенсивности. На

рис. 1.1 представлен график звуковой волны как давление (р) на микрофон во времени (f). График электрического напряжения (v) во времени, которое вырабатывает микрофон, имеет форму, полностью идентичную первому графику. Такой электрический сигнал называется аналоговым сигналом. Форма выходной звуковой волны на акустической системе идентична первым двум. Максимальное напряжение сигнала на микрофоне — несколько милливольт. Чтобы получить достаточное для концертного зала звучание акустической системы, напряжение электрического сигнала на ее входе должно быть несколько вольт или несколько десятков вольт. Таким образом, усилитель должен иметь коэффициент усиления около 1000 или больше. Допустим, сигнал с микрофона имеет напряжение 10 мВ. Необходимо получить на усилителе сигнал в 20 В. Какой коэффициент усиления (к) должен быть?

Также усилитель должен обеспечивать соответствующую выходную мощность. Акустические системы имеют стандартные значения входного сопротивления: 4, 8 или 15 Ом. Обычно входное напряжение на акустической системе составляет несколько вольт (или десятков вольт). Таким образом, входная мощность — несколько ватт. Пример расчета мощности: входной сигнал равен 20 В, входное сопротивление равно 8 Ом.

Система, представленная на рис. 1.1, чисто аналоговая.

Кроме «живого» воспроизведения звука была разработана система записи звуковых волн для многократного воспроизведения, которая прошла свою историю развития: цилиндр Эдисона, граммофонные пластинки, магнитофонные ленты, лазерные диски. Современные hi-fi (high fidelity — высокой точности воспроизведения) системы проектируются с применением как аналоговых, так и цифровых компонентов, благодаря чему, например, CD-проигрыватель имеет очень высоко отношение сигнал—шум.

Еще один пример аналоговой системы — радио. Аналоговый сигнал от микрофона передается без усиления мощности по воздуху. Однако современные радиосистемы используют цифровое кодирование аудиосигнала до передачи его в эфир.

Задание 1.1

Нарисуйте блок-схему hi-fi системы. Определите, какие компоненты системы аналоговые, а какие — цифровые.

Задание 1.2

Рассчитайте коэффициент усиления, который должен быть на усилителе, чтобы на акустическую систему с входным сопротивлением в 8 В поступал аналоговый сигнал в 10 Вт. Источник аналогового сигнала генерирует волны с частотой 2 кГц и напряжением 10 мБ.

ВИДЕОКАМЕРЫ И ДИСПЛЕИ

Существуют два вида видеокамер — электронно-лучевые и CCD-камеры. Первые использовались в первый период развития телевидения. В настоящее время наряду с ними применяют новейшие разработки. В CCD-камере наблюдаемая сцена фокусируется с помощью линз на матрицу из фоточувствительных устройств. Каждое из них формирует фрагмент изображения (пиксель) и преобразует его в электрический заряд, величина которого зависит от параметров световой волны, падающей на этот элемент. Чтобы получить выходной сигнал с матрицы, заряд каждого элемента «связывается» с рядом расположенным элементом по цепочке. Когда считывание всех пикселей закончится, формируется электрический сигнал с колебанием напряжения.

Этот процесс повторяется 25 раз в секунду (европейский стандарт) или 30 раз в секунду (американский стандарт). Результатом этой технологии является аналоговый сигнал, называемый видеосигналом. Затем он усиливается видеоусилителем и поступает на выход.

В электронно-лучевой видеокамере изображение фокусируется на фотоэлектрическую сетку внутри стеклянной вакуумной трубки. Поток электронов (луч), вылетающий из нагретого катода, сканирует это изображение пиксель за пикселем.

Так как заряд каждого пикселя разный, то на аноде снимается ток различного значения, соответствующий изображению. Этот ток, проходя по резистору, формирует аналоговый видеосигнал.

Цветные видеокамеры любого типа используют либо три монохромные камеры с фильтрами на три базовых цвета, либо одну фоточувствительную матрицу, каждый пиксель которой считывается тремя элементами, настроенными на три базовых цвета. Базовыми цветами являются красный, зеленый и синий. Цветной видеосигнал на выходе камеры формируется из трех составляющих (по каждому цвету).

Видеосигнал можно записать на носитель или передать на приемник видеосигнала (телевизор). Современные видеокамеры преобразуют аналоговый видеосигнал в цифровой, а затем записывают или передают его. При считывании или приеме цифрового видеосигнала сначала происходит обратное преобразование из цифрового в аналоговый сигнал.

Дисплеи, которые мы видим каждый день (телевизор, компьютер), бывают двух видов: электронно-лучевые и жидкокристаллические (LCD). Первые состоят из вакуумной стеклянной трубки с экраном и тремя электронными пушками. Разогретые катоды эмитируют потоки электронов, которые отклоняются построчно сверху вниз, при этом сканируют экран синхронно с видеокамерой. Внутренняя сторона экрана покрыта люминофором, который излучает свет при бомбардировке его электронным потоком. Причем нанесены три вида люминоформа, которые излучают свет красного, зеленого и синего цвета. Перфорированная маска, расположенная перед экраном, позволяет каждому электронному лучу попадать на люминоформ только одного цвета. В результате смешения базовых цветов на экране воспроизводится вся палитра видимых цветов, а синхронная работа электронных лучей дисплея с камерой позволяет получить идентичную «картинку». Жидкокристаллические дисплеи гораздо компактнее электронно-лучевых. Дисплей представляет собой матрицу из LCD-пикселей, причем в цветных дисплеях каждый пиксель — это три пикселя базовых цветов.

Задание 1.3

Назовите преимущества и недостатки электронно-лучевой видеокамеры по сравнению с CCD-камерой.

Назовите преимущества и недостатки электронно-лучевого дисплея по сравнению с LCD-дисплеем.

МУЛЬТИМЕДИА

Мультимедийный компьютер — это пример того, как аналоговые устройства и аналоговые сигналы приблизились к цифровым системам. Мультимедийный материал записывается на CD-ROM или на DVD. Последние обладают более высокой емкостью. Они могут хранить звук, статические изображения, видео или анимацию. В большинстве случаев записывается комбинация их всех. Аналоговые сигналы — аудио, фото, видео, анимация, кодируются в цифровые сигналы специальными устройствами — аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП), а цифровые сигналы при считывании декодируются обратно в аналоговые сигналы цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП). Декодирование аналоговых сигналов в компьютере обеспечивается также специальными видеокартами и звуковыми картами. В этом случае используются дополнительные адаптеры и драйверы.

Задание 1.4

Опишите последовательность аналогово-цифровых и цифроаналоговых преобразований при записи на CD-ROM или DVD.

МЕДИЦИНСКАЯ АППАРАТУРА

Современная медицина использует множество приборов для мониторинга состояния пациентов, диагностики и лечения. Подавляющее большинство этой аппаратуры — электронные, например электрокардиографы и различные сканеры. Ультразвуковой сканер работает с использованием волн с частотой около 1 МГц, которая близка к частоте звуковых волн. Импульсы ультразвуковых волн, излучаемые зондом, проходят сквозь кожу, мягкие ткани, но отражаются от костей и стенок внутренних органов. Эхо возвращается обратно в зонд, преобразовывается в электрический аналоговый сигнал и усиливается. По времени, затраченному на

путь от зонда до того места, откуда ультразвук отразился, вычисляется величина этого пути. Отсканировав весь исследуемый участок и получив все размеры, можно получить его развертку на дисплее. Полученное изображение можно преобразовать в цифровой вид и сохранить на носителе для сравнения при последующих сканированиях.

Электрокардиограф (ECG) измеряет электрические волны, генерируемые телом при биении сердца. Электроды размещаются на определенных местах грудной клетки и ловят очень маленькие электрические сигналы. Малошумящий усилитель их усиливает. Форма и величина этих сигналов фиксируются в виде графиков на бумаге или на экране электронно-лучевого дисплея. Кроме этих данных, измеряются пульс, кровяное давление, частота дыхания и т. д. Все эти измерения производятся в виде аналоговых электрических сигналов. Их чаще всего преобразуют в цифровые сигналы для обработки и хранения.

Задание 1.5

В приведенных примерах медицинских приборов какое основное назначение аналоговой электроники и цифровой электроники?

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Промышленной электроникой называются устройства, которые осуществляют измерение и запись таких параметров, как линейные и угловые отклонения, скорость, ускорение, деформация, глубина жидкости (уровень), расход жидкости, электропроводность жидкости, масса, сила, давление, температура, влажность, интенсивность света и многое другое. Процесс измерения всех этих переменных величин заключается в том, что датчики преобразуют их в электрический сигнал. В некоторых случаях датчики сразу выдают цифровые сигналы, но чаще всего вырабатывают аналоговые электрические сигналы, которые на следующем этапе конвертируются в цифровые. Запись этих значений называется регистрацией данных.

Примером датчика углового положения является давно известный прибор — поворотный делитель напряжения (потенциометр). На цилиндре есть дорожка с резистивной углеродной пленкой. Если цилиндр вращается, а к концам дорожки подключить напряжение, то скользящий контакт снимает электрический сигнал с напряжением, зависящим от угла поворота вала.

Еще одно устройство — сельсин — тоже используется как датчик угла поворота. Принцип его действия аналогичен электродвигателю переменного тока. У него также есть статор и ротор. Величина индуцируемого напряжения зависит от позиции (угла поворота) ротора относительно статора. Таким образом, сельсин выдает аналоговый электрический сигнал, соответствующий углу поворота.

Существует еще один принцип определения углового смещения. На вал крепится диск с отверстиями по окружности одного радиуса и на одинаковом расстоянии друг от друга. С одной стороны диска помещается небольшая лампочка, а с другой — фоточувствительное устройство, например фотодиод. Когда диск вращается, свет от лампочки проходит через каждое отверстие, включая или отключая фотодиод. В цепи фотодиода при этом формируются импульсы напряжения. Подсчитав количество импульсов за определенный период времени, можно определить угол поворота вала за это время. Такой датчик определяет угол поворота только относительно начального положения. Если задействовать вторую пару лампочка - фотодиод, появится возможность определить и направление вращения. Конечно, выходной сигнал этого датчика — цифровой. Датчик такого типа применяется в компьютерной мышке при определении ее положения. Датчики для определения любых других физических параметров бывают и аналоговыми, и цифровыми.

Задание 1.6

Назовите виды датчиков угла поворота, указав при этом, какие из них аналоговые, какие цифровые.

Подумайте, по какому принципу функционируют следующие датчики: аналоговый датчик уровня жидкости, аналоговый датчик скорости и цифровой датчик силы.

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Системы радио и телевещания начинались с аналоговых сигналов от микрофонов и телекамер. Аналоговый сигнал модулируется на волну высокой частоты, которая называется несущей частотой. Передатчик посылает модулированный сигнал в пространство. Приемник улавливает этот сигнал, преобразовывает его в аналоговый и отделяет его от несущей частоты. Затем сигнал усиливается и посылается на акустическую систему или дисплей. В этих примерах сигналы во всех отношениях — аналоговые, цифровые обработки сигналов не применяются. Однако для записи программ в студии обращаются к цифровым преобразованиям аналоговых сигналов.

Цифровые радио и телевидение используют различные схемы модуляции, в которых цифровая версия аналогового сигнала накладывается на несущую частоту. Вещательные системы, становясь все более цифровыми, содержат различные АЦП и ЦАП, которые обеспечивают полное соответствие выходных аналоговых звуковых и видеосигналов входящим. Несущие частоты, на которых работают эти системы, называются радиочастотами.

Телефонные системы совсем недавно стали использовать цифровые станции, оптоволоконные кабели и сети мобильной связи. Большинство так называемого телефонного трафика функционирует в цифровой форме. Одно из преимуществ их состоит в том, что аналоговый сигнал от телефонной трубки преобразуется в такой же электрический сигнал цифрового вида, что и в компьютере, поэтому можно легко организовать управление телекоммуникационными системами. Кроме того, цифровые телефонные станции дешевле и надежнее, чем аналоговые. Что же аналогового осталось в телефонных системах? Локальные линии от индивидуального

абонента до локального коммутатора все еще остаются аналоговыми. Мобильные телефонные сети используют для связи те же самые радиоволны, что и аналоговые радиовещательные системы, и проектируются по тому же принципу. А для связи компьютерных систем нашла применение коротковолновая радиосвязь, так называемая LAN.

Задание 1.7

Какие части телекоммуникационных систем останутся аналоговыми в ближайшем будущем?

Какие разработанные ранее аналоговые схемы и системы применяются в телекоммуникациях?

МИКРОСХЕМЫ СО СМЕШАННЫМ СИГНАЛОМ

Современное электронное оборудование имеет следующую тенденцию: применение микросхем с более высокой степенью интеграции, что уменьшает размеры и стоимость системы. В прошлом для обработки и аналогового, и цифрового сигнала применялись узлы, где на печатной плате монтировались микросхемы для налоговой обработки и отдельно микросхемы для цифровой обработки сигнала. В настоящее время существуют микросхемы, которые могут работать и с аналоговым, и с цифровым сигналом (VLSI). Такие микросхемы обычно проектируются посредством САПР, которая состоит из ?библиотеки? стандартных блоков: схема аналогового усилителя, схема АЦП, схема ЦАП, логические схемы, схемы счетчиков и т. д.

Разработчик должен знать все и об аналоговых, и, цифровых схемах, а также то, как осуществить межсоединение блоков схемы, чтобы она работала в соответствии с требованиями. Основа всех цифровых схем — генератор синхроимпульсов, который вырабатывает импульсы с частотой 1 ГГц или более, поэтому разработчик должен обладать хорошими знаниями о свойствах линий передач на таких частотах, а также о свойствах аналоговых линий передач.

Задание 1.8

Назовите преимущества микросхем для смешанного сигнала? Что нужно обязательно учитывать при их проектировании?

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Большинство электронных схем функционирует на источниках питания постоянного тока. Некоторые электронные устройства, обычно маломощные, такие как мобильные телефонные трубки и портативные компьютеры, работают на батареях, которые вырабатывают постоянный ток. Остальное оборудование, как правило, преобразовывает стандартное электропитание переменного тока (230 В и 50 Гц в Европе и 115 В и 60 Г ц в Америке) в напряжение постоянного тока. Существуют три типа таких преобразований (рис. 1.2).

1. Простой нерегулируемый линейный источник питания. Трансформатор преобразовывает входящий переменный ток в низковольтный переменный ток, обычно 6—24 В. Далее переменное напряжение подается на выпрямитель. Положительный полупериод переменного тока проходит через диод выпрямителя, а когда  поступает отрицательный полупериод, диод его не пропускает. На выходе выпрямителя протекает пульсирующий прерывистый ток. Далее конденсатор сглаживает пульсации.

2. Регулируемый линейный источник питания отличается от предыдущего тем, что добавлен электронный регулятор выходного напряжения. Его схема — аналоговая. Принцип действия — изменение входного переменного тока для получения различных значений выходного напряжения.

3. Импульсный источник питания широко применяется в телевизионных приемниках, компьютерах и др. Его основное преимущество в том, что нет необходимости в громоздком и тяжелом трансформаторе, как у линейных источников питания. Входной переменный ток сразу выпрямляется в постоянный и «рубится» (прерывается). Частота таких прерываний обычно 40 кГц. Затем это напряжение преобразуется в несколько различных напряжений трансформатором. Далее производится регулирование и сглаживание.

Существует еще один тип источников питания — это источники бесперебойного питания (UPS), блок-схема которых представлена на рис. 1.3. Источники бесперебойного питания используются для того, чтобы электронное оборудование функционировало, если по каким-либо причинам прерывается подачи электроэнергии. Для этого в составе источников бесперебойного питания есть батареи большой емкости.

Для домашнего компьютера достаточно иметь UPC, рассчитанный на несколько минут работы при отключении электроэнергии, чтобы сохранить все данные. А например, для оборудования, применяемого в больницах, необходим запас времени в 30 минут. При восстановлении энергоснабжения батареи UPC подзаряжаются.

Задание 1.9

Объясните, почему и с какой целью применяют батареи, импульсные источники.

ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

Все электронные системы имеют одно общее — все они обрабатывают сигналы. Схемы усиливают сигналы, фильтруют их, выделяют, модулируют или демодулируют их и т. д. Даже источники питания обрабатывают мощность сигнала. Поэтому все процессы в электронных схемах можно считать обработкой сигналов.

Существуют также несколько очень важных процессов, таких как частотный анализ (иногда его называют спектральным анализом) и корреляция. В этой книге будут рассмотрены все типы обработки сигналов.

Для низких частот такие обработки сигналов, как частотный анализ и корреляция, лучше осуществлять в цифровом виде. Для этого разработаны интегральные схемы, называемые "цифровые сигнальные процессоры" (DSP).

На высоких частотах, однако, обработка сигналов производится аналоговыми схемами, так как цифровые схемы не могут работать достаточно быстро.

ЗНАЧЕНИЕ АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Как было показано выше, аналоговая электроника широко применяется во всех отраслях. В любой электронной системе значительная часть ее — аналоговая. Из всего разнообразия применения аналоговой электроники можно дать ей определение: аналоговая электроника — это процесс обработки сигнала или его мощности. В некоторых случаях, когда одну и ту же задачу можно решить и цифровым, и аналоговым способом, аналоговая электроника выгоднее. А некоторое применение электроники возможно только в аналоговом виде. Конечно, есть также множество процессов, осуществимых только с помощью цифровой электроники. Можно резюмировать, что разработчики и производители электроники анализируют и выбирают, какой вид электроники — аналоговый или цифровой лучше применить для того или иного устройства. Что дешевле, что надежнее, что компактнее. А чаще всего обе технологии дополняют друг друга, и электронные системы становятся все более дешевыми и высокоэффективными. В этом и состоит искусство разработки.