Com funciona el processament del senyal
Què és un senyal?
Un senyal és qualsevol variable física el valor de la qual o el seu canvi en el temps conté informació. Aquesta informació pot estar relacionada amb la parla i la música, o amb magnituds físiques com la temperatura de l'aire o la llum de l'habitació. Les variables físiques que poden portar informació en sistemes elèctrics són tensió i corrent.
En aquest article, per "senyals" ens referim principalment a tensió o corrent. No obstant això, la majoria dels conceptes tractats aquí segueixen sent vàlids per a sistemes en què altres variables poden ser portadores d'informació. Així, el comportament d'un sistema mecànic (variables —força i velocitat) o d'un sistema hidràulic (variables—pressió i cabal) sovint es pot representar mitjançant un sistema elèctric equivalent, o com es diu, simulat. Per tant, la comprensió del comportament dels sistemes elèctrics proporciona una base per entendre un ventall molt més ampli de fenòmens.
Senyals analògics i digitals
Un senyal pot transportar informació de dues formes. Senyal analògic transporta informació en forma de canvi continu en el temps de tensió o corrent. Un exemple de senyal analògic és la tensió generada per a la unió del termoparella diferents temperatures. Quan canvia la diferència de temperatura entre les unions, canvia la tensió entre els termoparells. Així, la tensió dóna una representació analògica de la diferència de temperatura.
Termoparell — un compost de dos metalls diferents, com el coure i el constantà. La tensió generada per les dues unions s'utilitza per mesurar la diferència de temperatura entre elles.
És un altre tipus de senyal senyal digital… Pot prendre valors en dos camps separats. Aquests senyals s'utilitzen per representar informació d'activació/desactivació o sí-no.
Per exemple, un termòstat domèstic genera un senyal digital per controlar un escalfador. Quan la temperatura de l'habitació baixa per sota d'un valor preestablert, l'interruptor del termòstat tanca els contactes i encén l'escalfador. Quan la temperatura de l'habitació és prou alta, l'interruptor apaga l'escalfador. El corrent a través de l'interruptor dóna una representació digital del canvi de temperatura: encès és massa fred i apagat és massa càlid.
Arròs. 1. Senyals analògics i digitals
Sistema de processament del senyal
Un sistema de processament de senyals és un conjunt de components i dispositius interconnectats que poden acceptar un senyal d'entrada (o grup de senyals d'entrada), actuar sobre els senyals d'una manera específica per extreure informació o millorar-ne la qualitat, i presentar informació a la sortida en el forma adequada i en el moment adequat.
Molts senyals elèctrics en sistemes físics són generats per dispositius anomenats sensors… Ja hem descrit un exemple de sensor analògic: un termoparell. Converteix la diferència de temperatura (una variable física) en una tensió (una variable elèctrica). En general sensor: un dispositiu que converteix una magnitud física o mecànica en un senyal de tensió o corrent equivalent. Tanmateix, a diferència d'un termoparell, la majoria dels sensors requereixen algun tipus d'excitació elèctrica per funcionar.
La selecció de senyals a la sortida del sistema es pot fer de diverses formes, en funció de com s'utilitzarà la informació continguda en els senyals d'entrada. La informació es pot visualitzar en forma analògica (utilitzant, per exemple, un dispositiu en què la posició de la fletxa indica el valor de la variable d'interès) o en forma digital (utilitzant un sistema d'elements digitals a la pantalla que mostra un número). corresponent al valor de l'interès per a nosaltres).
Altres possibilitats són convertir els senyals de sortida en energia sonora (altaveu), utilitzar-los com a senyals d'entrada per a un altre sistema o utilitzar-los per al control. Vegem alguns exemples per il·lustrar alguns d'aquests casos.
Sistema de comunicació
Penseu en un sistema de comunicació els senyals d'entrada del qual poden ser veu, música o algun tipus de dades que es produeixen en un lloc i es transmeten de manera fiable a llargues distàncies per recuperar amb precisió el senyal d'entrada original allà.
Com a exemple, la FIG. La figura 2 és un diagrama esquemàtic d'un sistema de difusió de modulació d'amplitud (AM) convencional.En la modulació AM, l'amplitud (pic a pic) del senyal de radiofreqüència canvia d'acord amb la magnitud del senyal de baixa freqüència (el senyal d'àudio corresponent a les freqüències de so).
Arròs. 2. Sistema de comunicació broadcast amb modulació d'amplitud
El transmissor d'un sistema de radiodifusió de ràdio AM recull el senyal d'entrada d'un dispositiu d'entrada (micròfon), utilitza aquest senyal per controlar l'amplitud del senyal de radiofreqüència (cada estació de ràdio té la seva pròpia radiofreqüència específica) i el corrent de radiofreqüència. impulsa el dispositiu de sortida (antena) que produeix ones electromagnètiques que s'emeten a l'espai.
El sistema receptor consta d'un dispositiu d'entrada (antena), un processador (receptor) i un dispositiu de sortida (altaveu). El receptor amplifica (fa més fort) el senyal relativament feble rebut de l'antena, selecciona el senyal de la radiofreqüència desitjada a partir dels senyals de tots els altres transmissors, reconstrueix el senyal d'àudio en funció del canvi en l'amplitud del senyal de radiofreqüència i excita l'altaveu amb aquest senyal d'àudio.
Sistema de mesura
La tasca del sistema de mesura és rebre informació dels sensors rellevants sobre el comportament d'un determinat sistema físic i registrar aquesta informació. Un exemple d'aquest sistema és un termòmetre digital (Fig. 3).
Arròs. 3. Esquema funcional d'un termòmetre digital
Dues connexions de termoparells —una en contacte tèrmic amb el cos del qual es vol mesurar la temperatura, l'altra submergida en un recipient de gel (per obtenir un punt de referència estable)— generen una tensió que depèn de la diferència de temperatura entre el cos i el gel. . Aquesta tensió s'introdueix al processador.
Com que la tensió del termopar no és exactament proporcional a la diferència de temperatura, cal una petita correcció per obtenir una proporcionalitat estricta. Correcció en curs dispositiu linealitzador... La tensió analògica del termoparell s'amplifica primer (és a dir, fa més), després es linealitza i es digitalitza. Finalment, apareix en el registre de visualització digital utilitzat com a dispositiu de sortida del termòmetre.
Si la tasca principal del sistema de comunicació és transmetre una còpia correcta del senyal font, la tasca principal del sistema de mesura és obtenir dades numèricament correctes. Per tant, s'ha d'esperar que la detecció i eliminació fins i tot d'errors petits que puguin distorsionar el senyal en qualsevol etapa del seu processament sigui d'especial importància per als sistemes de mesura.
Sistema de control de retroalimentació
Considereu ara un sistema de control de retroalimentació en què la informació a la sortida canvia els senyals que controlen el sistema.
La Fig.4 mostra un diagrama d'un termòstat utilitzat per mantenir la temperatura ambient. El sistema conté un dispositiu d'entrada per determinar la temperatura de l'habitació (normalment aquesta cinta bimetàl·licaque es flexiona quan la temperatura canvia), un mecanisme per configurar la temperatura desitjada (esfera principal) i interruptors mecànics accionats per un relé bimetàl·lic i que controlen l'escalfador.
Arròs. 4. Exemple de sistema de control de llaç tancat
Utilitzeu aquest sistema senzill com a exemple, que en realitat no conté cap element elèctric que no sigui un interruptor, tingueu en compte concepte de retroalimentació… Suposem que la línia de retroalimentació de la Fig.3 està trencat, és a dir, no hi ha mecanismes per encendre i apagar l'escalfador. Aleshores, la temperatura de l'habitació augmentarà fins a un cert màxim (corresponent a la inclusió constant de l'escalfador) o baixarà a un cert mínim (corresponent al fet que l'escalfador estigui apagat tot el temps).
Suposem que fa massa calor a la temperatura màxima i massa fred a la temperatura mínima. En aquest cas, cal disposar d'algun «dispositiu de control» per encendre i apagar l'escalfador.
Aquest "dispositiu de control" podria ser una persona que encén l'escalfador quan fa fred i l'apaga quan fa calor. Ja en aquest nivell, el sistema (juntament amb la cara) és un sistema de control de llaç tancat, ja que la informació sobre el senyal de sortida (temperatura ambient) s'utilitza per canviar els senyals de control (encendre i apagar l'escalfador).
El termòstat fa automàticament el que faria un humà, que és encendre l'escalfador quan la temperatura baixa per sota del punt de consigna i apagar-lo en cas contrari. Hi ha molts altres sistemes de retroalimentació, inclosos aquells en què es realitza el processament del senyal ús de dispositius electrònics.