Аналоговая электроника - Analogue electronics

Аналоговая электроника (Американский английский: аналоговая электроника) находятся электронный системы с непрерывно переменный сигнал, в отличие от цифровая электроника куда обычно поступают сигналы только два уровня. Термин «аналог» описывает пропорциональную зависимость между сигналом и напряжением или током, которые представляют сигнал. Слово аналог происходит от греческого слова ανάλογος (analogos) означает «пропорциональный».[1]

Аналоговые сигналы

Основная статья: Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал использует некоторые атрибуты среды передачи информации о сигнале. Например, анероидный барометр использует угловое положение иглы в качестве сигнала для передачи информации об изменениях в атмосферное давление.[2] Электрические сигналы могут представлять информацию, изменяя их напряжение, ток, частоту или общий заряд. Информация преобразуется из некоторой другой физической формы (такой как звук, свет, температура, давление, положение) в электрический сигнал с помощью преобразователь который преобразует один вид энергии в другой (например, микрофон ).[3]

Сигналы принимают любое значение из заданного диапазона, и каждое уникальное значение сигнала представляет различную информацию. Любое изменение сигнала имеет смысл, и каждый уровень сигнала представляет другой уровень явления, которое он представляет. Например, предположим, что сигнал используется для представления температуры с одним вольт представляет один градус Цельсия. В такой системе 10 вольт соответствуют 10 градусам, а 10,1 вольт - 10,1 градусам.

Другой метод передачи аналогового сигнала - использовать модуляция. При этом у некоторого сигнала базовой несущей изменяется одно из своих свойств: амплитудная модуляция (AM) включает изменение амплитуды синусоидального сигнала напряжения в зависимости от информации источника, модуляция частоты (FM) изменяет частоту. Другие техники, такие как фазовая модуляция или изменение фазы несущего сигнала.[4]

В аналоговой звукозаписи изменение давления звука, поражающего микрофон создает соответствующее изменение тока, проходящего через него, или напряжения на нем. Увеличение громкости звука вызывает пропорциональное увеличение колебаний тока или напряжения при сохранении прежнего уровня. форма волны или форма.

Механический, пневматический, гидравлический, и другие системы также могут использовать аналоговые сигналы.

Собственный шум

Аналоговые системы неизменно включают шум это случайные помехи или отклонения, некоторые из которых вызваны случайные тепловые колебания атомных частиц. Поскольку все вариации аналогового сигнала значительны, любое возмущение эквивалентно изменению исходного сигнала и поэтому выглядит как шум.[5] По мере того, как сигнал копируется и повторно копируется или передается на большие расстояния, эти случайные вариации становятся более значительными и приводят к ухудшению качества сигнала. Другие источники шума могут включать перекрестные помехи от других сигналов или плохо спроектированных компонентов. Эти нарушения уменьшаются за счет защита и используя малошумящие усилители (LNA).[6]

Аналоговая и цифровая электроника

Поскольку информация по-разному кодируется в аналоговом и цифровая электроника, следовательно, способ обработки сигнала отличается. Все операции, которые могут быть выполнены с аналоговым сигналом, например усиление, фильтрация, ограничение и другие, также могут дублироваться в цифровом домене. Каждая цифровая схема также является аналоговой схемой, в которой поведение любой цифровой схемы можно объяснить с помощью правил аналоговых схем.

Использование микроэлектроника сделал цифровые устройства дешевыми и широко доступными.

Шум

Эффект шум на аналоговой схеме является функцией уровень шума. Чем выше уровень шума, тем сильнее искажается аналоговый сигнал, который постепенно становится менее пригодным для использования. Из-за этого говорят, что аналоговые сигналы «плавно выходят из строя». Аналоговые сигналы могут по-прежнему содержать понятную информацию с очень высоким уровнем шума. Цифровые схемы, с другой стороны, вообще не подвержены влиянию шума до тех пор, пока не будет достигнут определенный порог, после чего они катастрофически откажутся. Для цифровых телекоммуникации, можно увеличить порог шума с помощью обнаружение и исправление ошибок схемы и алгоритмы кодирования. Тем не менее, все еще существует точка, в которой происходит катастрофический отказ канала.[7][8]

В цифровой электронике, потому что информация квантованный, пока сигнал остается в диапазоне значений, он представляет ту же информацию. В цифровых схемах сигнал регенерируется на каждом логический вентиль, уменьшение или устранение шума.[9][неудачная проверка ] В аналоговых схемах потеря сигнала может быть восстановлена ​​с помощью усилители. Однако шум накапливается по всей системе, и сам усилитель будет добавлять шум в соответствии с его коэффициент шума.[10][11]

Точность

На точность сигнала влияет ряд факторов, в основном шум, присутствующий в исходном сигнале, и шум, добавленный при обработке (см. соотношение сигнал шум ). Основные физические ограничения, такие как дробовой шум в компонентах ограничивает разрешение аналоговых сигналов. В цифровой электронике дополнительная точность достигается за счет использования дополнительных цифр для представления сигнала. Практический предел количества цифр определяется производительностью аналого-цифровой преобразователь (АЦП), поскольку цифровые операции обычно могут выполняться без потери точности. АЦП принимает аналоговый сигнал и преобразует его в серию двоичные числа. АЦП может использоваться в простых цифровых устройствах отображения, например. g., термометры или люксметры, но они также могут использоваться в цифровой звукозаписи и при сборе данных. Однако цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) используется для преобразования цифрового сигнала в аналоговый. ЦАП принимает серию двоичных чисел и преобразует ее в аналоговый сигнал. ЦАП часто встречается в системе регулировки усиления операционный усилитель которые, в свою очередь, могут использоваться для управления цифровыми усилителями и фильтрами.[12]

Сложность дизайна

Аналоговые схемы обычно сложнее спроектировать и требуют большего мастерства, чем сопоставимые цифровые системы.[нужна цитата ] Это одна из основных причин того, что цифровые системы стали более распространенными, чем аналоговые устройства. Аналоговая схема обычно разрабатывается вручную, и процесс намного менее автоматизирован, чем для цифровых систем. С начала 2000-х годов было разработано несколько платформ, которые позволяли определять аналоговый дизайн с помощью программного обеспечения, что позволяет быстрее создавать прототипы. Однако, если цифровое электронное устройство должно взаимодействовать с реальным миром, ему всегда потребуется аналоговый интерфейс.[13] Например, каждый цифровое радио Приемник имеет аналоговый предусилитель в качестве первого каскада в цепи приема.

Классификация схем

Аналоговые схемы могут быть полностью пассивный, состоящий из резисторы, конденсаторы и индукторы. Активные схемы также содержат активные элементы, такие как транзисторы. Традиционные схемы построены из сосредоточенный элементы - то есть дискретные компоненты. Однако альтернативой является схемы с распределенными элементами, построенный из частей линия передачи.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Краткий оксфордский словарь (10-е изд.). Oxford University Press Inc., 1999 г. ISBN  0-19-860287-1.
  2. ^ Плимптон, Джордж Вашингтон (1884). Барометр-анероид: устройство и применение. D. Van Nostran Co. барометр-анероид.
  3. ^ Сингмин, Эндрю (2001). Начало цифровой электроники через проекты. Newnes. п. 9. ISBN  0-7506-7269-2. Сигналы поступают от датчиков ...
  4. ^ Миллер, Марк Р. (2002). Электроника - легкий путь. Образовательная серия Бэррона. стр.232 –239. ISBN  0-7641-1981-8. Пока не пришло радио ...
  5. ^ Сюй, Хвэй Пяо (2003). Очерк теории и проблем аналоговой и цифровой связи Шаум. McGraw-Hill Professional. п. 202. ISBN  0-07-140228-4. Присутствие шума ухудшает работу систем связи.
  6. ^ Карр, Джозеф Дж. (2000). Секреты схемотехники ВЧ. McGraw-Hill Professional. п. 423. ISBN  0-07-137067-6. Это обычное дело в микроволновых системах ...
  7. ^ Ричард Лэнгтон Грегори, Даже странные представления, п. 161, Psychology Press, 1994 ISBN  0415061067.
  8. ^ Робин Блэр, Цифровые методы вещания, п. 34, Focal Press, 2002, ISBN  0240805089.
  9. ^ Чен, Вай-Кай (2005). Справочник по электротехнике. Академическая пресса. п. 101. ISBN  0-12-170960-4. Шум с точки зрения аналоговой (или слабосигнальной) точки зрения ...
  10. ^ Джон Б. Хаген, Радиочастотная электроника: схемы и приложения, п. 203, Cambridge University Press, 1996 г. ISBN  0521553563.
  11. ^ Джонатан Дэвидсон, Джеймс Питерс, Брайан Грейсли, Основы передачи голоса по IP, Cisco Press, 2000 г. ISBN  1578701686.
  12. ^ Шерц, Пол (2006). Практическая электроника для изобретателей. McGraw-Hill Professional. п. 730. ISBN  0-07-145281-8. Для аналоговых устройств ... для связи с цифровыми цепями ...
  13. ^ Уильямс, Джим (1991). Разработка аналоговой схемы. Newnes. п. 238. ISBN  0-7506-9640-0. Даже внутри компаний, производящих как аналоговую, так и цифровую продукцию ...