Cách xử lý tín hiệu hoạt động

Tín hiệu là gì?

Tín hiệu là bất kỳ biến vật lý nào có giá trị hoặc sự thay đổi của nó theo thời gian chứa thông tin. Thông tin này có thể liên quan đến giọng nói và âm nhạc, hoặc các đại lượng vật lý như nhiệt độ không khí hoặc ánh sáng trong phòng. Các biến vật lý có thể mang thông tin trong hệ thống điện là điện áp và dòng điện.

Trong bài viết này, theo "tín hiệu", chúng tôi muốn nói đến điện áp hoặc dòng điện chủ yếu. Tuy nhiên, hầu hết các khái niệm được thảo luận ở đây vẫn có giá trị đối với các hệ thống trong đó các biến khác có thể là vật mang thông tin. Do đó, hành vi của một hệ thống cơ học (các biến số - lực và vận tốc) hoặc một hệ thống thủy lực (các biến số - áp suất và lưu lượng) thường có thể được biểu diễn bằng một hệ thống điện tương đương, hay như người ta nói, được mô phỏng. Do đó, hiểu được hành vi của các hệ thống điện cung cấp cơ sở để hiểu được nhiều hiện tượng hơn.

Tín hiệu tương tự và kỹ thuật số

Một tín hiệu có thể mang thông tin ở hai dạng. Tín hiệu tương tự mang thông tin dưới dạng sự thay đổi liên tục theo thời gian của điện áp hoặc dòng điện. Một ví dụ về tín hiệu tương tự là điện áp được tạo ra bởi tại điểm nối cặp nhiệt điệnở các nhiệt độ khác nhau. Khi chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm nối thay đổi, điện áp trên các cặp nhiệt điện sẽ thay đổi. Do đó, điện áp đưa ra một đại diện tương tự của chênh lệch nhiệt độ.

Cặp nhiệt điện - một hợp chất của hai kim loại khác nhau, chẳng hạn như đồng và hằng số. Điện áp được tạo ra bởi hai điểm nối được sử dụng để đo chênh lệch nhiệt độ giữa chúng.

Đó là một loại tín hiệu khác tín hiệu kĩ thuật số… Nó có thể nhận các giá trị trong hai trường riêng biệt. Các tín hiệu như vậy được sử dụng để biểu thị thông tin bật/tắt hoặc có-không.

Ví dụ: bộ điều nhiệt gia đình tạo tín hiệu kỹ thuật số để điều khiển lò sưởi. Khi nhiệt độ phòng giảm xuống dưới giá trị đặt trước, công tắc điều nhiệt sẽ đóng các tiếp điểm và bật máy sưởi. Khi nhiệt độ phòng đủ cao, công tắc sẽ tắt máy sưởi. Dòng điện qua công tắc đưa ra biểu diễn kỹ thuật số về sự thay đổi nhiệt độ: bật thì quá lạnh và tắt thì quá ấm.

Cơm. 1. Tín hiệu tương tự và tín hiệu số

Hệ thống xử lý tín hiệu

Hệ thống xử lý tín hiệu là một tập hợp các thành phần và thiết bị được kết nối với nhau có thể chấp nhận tín hiệu đầu vào (hoặc nhóm tín hiệu đầu vào), tác động lên các tín hiệu theo một cách cụ thể để trích xuất thông tin hoặc cải thiện chất lượng của thông tin và trình bày thông tin ở đầu ra dưới dạng hình thức phù hợp và vào thời điểm thích hợp.

Nhiều tín hiệu điện trong các hệ thống vật lý được tạo ra bởi các thiết bị gọi là cảm biến… Chúng tôi đã mô tả một ví dụ về cảm biến tương tự — cặp nhiệt điện. Nó chuyển đổi chênh lệch nhiệt độ (một biến vật lý) thành điện áp (một biến điện). Nói chung là cảm biến — một thiết bị chuyển đổi một đại lượng vật lý hoặc cơ học thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện tương đương. Tuy nhiên, không giống như cặp nhiệt điện, hầu hết các cảm biến đều yêu cầu một số dạng kích thích điện để hoạt động.

Việc lựa chọn các tín hiệu ở đầu ra của hệ thống có thể được thực hiện dưới nhiều hình thức khác nhau, tùy thuộc vào cách thông tin chứa trong các tín hiệu đầu vào sẽ được sử dụng. Thông tin có thể được hiển thị ở dạng tương tự (ví dụ: sử dụng thiết bị trong đó vị trí của mũi tên biểu thị giá trị của biến quan tâm) hoặc ở dạng kỹ thuật số (sử dụng hệ thống các phần tử kỹ thuật số trên màn hình hiển thị số tương ứng với giá trị của sự quan tâm đối với chúng tôi).

Các khả năng khác là chuyển đổi tín hiệu đầu ra thành năng lượng âm thanh (loa), sử dụng chúng làm tín hiệu đầu vào cho hệ thống khác hoặc sử dụng chúng để điều khiển. Hãy xem xét một số ví dụ để minh họa một số trường hợp này.

Hệ thống thông tin liên lạc

Hãy xem xét một hệ thống liên lạc có tín hiệu đầu vào có thể là giọng nói, âm nhạc hoặc một số loại dữ liệu được tạo ở một vị trí và được truyền một cách đáng tin cậy trên một khoảng cách dài để khôi phục chính xác tín hiệu đầu vào ban đầu ở đó.

Như một ví dụ, FIG. 2 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống phát sóng điều chế biên độ (AM) thông thường.Trong điều chế AM, biên độ (cực đại đến cực đại) của tín hiệu tần số vô tuyến thay đổi theo độ lớn của tín hiệu tần số thấp (tín hiệu âm thanh tương ứng với tần số âm thanh).

Cơm. 2. Hệ thống thông tin quảng bá có điều chế biên độ

Máy phát của hệ thống phát sóng vô tuyến AM nhận tín hiệu đầu vào từ thiết bị đầu vào (micrô), sử dụng tín hiệu này để điều khiển biên độ của tín hiệu tần số vô tuyến (mỗi đài phát thanh có tần số vô tuyến riêng) và dòng tần số vô tuyến. điều khiển thiết bị đầu ra (ăng-ten) tạo ra sóng điện từ phát ra không gian.

Hệ thống nhận bao gồm một thiết bị đầu vào (ăng-ten), bộ xử lý (bộ thu) và một thiết bị đầu ra (loa). Máy thu khuếch đại (làm mạnh hơn) tín hiệu tương đối yếu nhận được từ ăng-ten, chọn tín hiệu có tần số vô tuyến mong muốn từ tín hiệu của tất cả các máy phát khác, tái tạo tín hiệu âm thanh dựa trên sự thay đổi biên độ của tín hiệu tần số vô tuyến và kích thích loa với tín hiệu âm thanh này.

hệ thống đo lường

Nhiệm vụ của hệ thống đo lường là nhận thông tin từ các cảm biến liên quan về hành vi của một hệ thống vật lý nhất định và đăng ký thông tin này. Một ví dụ về hệ thống như vậy là nhiệt kế kỹ thuật số (Hình 3).

Cơm. 3. Sơ đồ chức năng của nhiệt kế kỹ thuật số

Hai đầu nối cặp nhiệt điện—một đầu nối tiếp xúc nhiệt với vật cần đo nhiệt độ, đầu kia được nhúng trong thùng chứa nước đá (để có được điểm tham chiếu ổn định)—tạo ra điện áp phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa vật và nước đá . Điện áp này được đưa vào bộ vi xử lý.

Vì điện áp của cặp nhiệt điện không tỷ lệ chính xác với chênh lệch nhiệt độ nên cần có một hiệu chỉnh nhỏ để đạt được tỷ lệ chặt chẽ. Đang chỉnh sửa thiết bị tuyến tính hóa… Điện áp tương tự từ cặp nhiệt điện trước tiên được khuếch đại (tức là tạo ra nhiều hơn), sau đó được tuyến tính hóa và số hóa. Cuối cùng, nó xuất hiện trong thanh ghi hiển thị kỹ thuật số được sử dụng làm thiết bị đầu ra của nhiệt kế.

Nếu nhiệm vụ chính của hệ thống truyền thông là truyền một bản sao chính xác của tín hiệu nguồn, thì nhiệm vụ chính của hệ thống đo lường là thu được dữ liệu chính xác về mặt số. Do đó, nên kỳ vọng rằng việc phát hiện và loại bỏ ngay cả những lỗi nhỏ có thể làm biến dạng tín hiệu ở bất kỳ giai đoạn nào trong quá trình xử lý sẽ có tầm quan trọng đặc biệt đối với các hệ thống đo lường.

Hệ thống kiểm soát phản hồi

Bây giờ hãy xem xét một hệ thống điều khiển phản hồi trong đó thông tin ở đầu ra thay đổi các tín hiệu điều khiển hệ thống.

Hình.4 cho thấy sơ đồ của bộ điều chỉnh nhiệt được sử dụng để duy trì nhiệt độ trong phòng. Hệ thống chứa một thiết bị đầu vào để xác định nhiệt độ phòng (thường là thiết bị này du lịch phịchuốn cong khi nhiệt độ thay đổi), một cơ chế cài đặt nhiệt độ mong muốn (mặt số chính) và các công tắc cơ học được kích hoạt bởi rơle lưỡng kim và điều khiển bộ gia nhiệt.

Cơm. 4. Ví dụ về hệ thống điều khiển vòng kín

Sử dụng hệ thống đơn giản này làm ví dụ, thực tế không chứa các phần tử điện nào khác ngoài công tắc, hãy xem xét khái niệm phản hồi… Giả sử rằng đường phản hồi trong Hình.3 bị hỏng, tức là không có cơ chế bật tắt bình nóng lạnh. Sau đó, nhiệt độ trong phòng sẽ tăng đến một mức tối đa nhất định (tương ứng với việc bật lò sưởi liên tục) hoặc giảm xuống một mức tối thiểu nhất định (tương ứng với việc lò sưởi luôn tắt).

Giả sử nó quá nóng ở nhiệt độ tối đa và quá lạnh ở nhiệt độ tối thiểu. Trong trường hợp này, một số «thiết bị điều khiển» phải được cung cấp để bật và tắt lò sưởi.

Một «thiết bị điều khiển» như vậy có thể là một người bật máy sưởi khi trời lạnh và tắt khi trời nóng. Ở cấp độ này, hệ thống (cùng với mặt) là hệ thống điều khiển vòng kín, vì thông tin về tín hiệu đầu ra (nhiệt độ phòng) được sử dụng để thay đổi tín hiệu điều khiển (bật và tắt lò sưởi).

Bộ điều chỉnh nhiệt tự động thực hiện những gì con người sẽ làm, đó là bật máy sưởi khi nhiệt độ giảm xuống dưới điểm đặt và tắt nó đi nếu không. Có nhiều hệ thống phản hồi khác, bao gồm cả những hệ thống xử lý tín hiệu được thực hiện sử dụng các thiết bị điện tử.