Материал: part2

отклонение стрелки прибора пропорционально скорости машины. Угловое положение стрелки отображает значение скорости автомобиля, при этом стрелка следит за любыми изменениями этой величины при разгоне или торможении автомобиля.

Другой пример — ртутный термометр, в котором высота столбика ртути пропорциональна температуре в комнате. Как только температура повышается или понижается, ртуть также пропорционально поднимается или опускается так, что ее уровень отображает значение температуры.

В качестве еще одного примера аналоговой величины можно привести обычный микрофон. В этом приборе выходное напряжение генерируется пропорционально амплитуде звуковых волн, попадающих в микрофон. Изменения выходного напряжения в точности повторяют изменения входного звука.

Перечисленные выше аналоговые величины имеют общую важную характеристику: они могут варьироваться в непрерывном диапазоне значений. Скорость автомо-

биля может иметь любое значение между 0 и, скажем, 100 километрами в час. Точно так же и выходной сигнал микрофона может иметь любое значение в диапазоне от 0 до 10 мВ (например, 1 мВ; 2,3724 мВ; 9,9999 мВ).

Цифровое представление

Ïðè цифровом представлении величины отображаются не пропорциональными величинами, а символами, которые называются разрядами. В качестве примера возьмем электронные часы, которые показывают время суток в форме десятичных разрядов, соответствующих часам и минутам (иногда и секундам). Как известно, время суток изменяется постоянно, что нельзя сказать о показаниях электронных часов, — они меняются с шагом 1 за минуту (или за секунду). Другими словами, такое цифровое представление времени суток изменяется дискретными шагами по сравнению со временем на аналоговых часах, где показания циферблата меняются непрерывно.

Главную разницу между аналоговыми и цифровыми величинами можно записать так:

Аналоговый = непрерывный Цифровой = дискретный (шаг за шагом)

Благодаря дискретной природе цифрового представления нет никакой двусмысленности при чтении значения цифровой величины, тогда как значение аналоговой вели- чины часто может иметь различные интерпретации.

Пример 1.1

Какие из приведенных ниже величин аналоговые, а какие цифровые? a) переключатель с десятью различными позициями;

б) ток в электрической розетке; в) температура комнаты; г) песчинки на пляже; д) спидометр автомобиля?

Решение

a) цифровая; б) аналоговая; в) аналоговая;

г) цифровые, так как песчинки могут иметь только дискретные (целочисленные) значения, а не любое возможное значение в непрерывном диапазоне;

д) аналоговая, если спидометр со стрелкой; цифровая, если он индикаторный.

Контрольные вопросы*

1.Кратко опишите основную разницу между аналоговыми и цифровыми величи- нами.

1.2. Цифровые и аналоговые системы

Цифровая система — это комбинация устройств, разработанных для обработки логической информации или физических величин, которые представлены в цифровой форме. Эти устройства чаще всего электронные, но могут быть механическими, магнитными или пневматическими. Наиболее распространенные цифровые системы в мире — это цифровые компьютеры и калькуляторы, цифровое оборудование по обработке аудио- и видеоданных, телефонные системы.

Аналоговая система содержит устройства, которые оперируют с физическими величинами, представленными в аналоговой форме. В аналоговой системе амплитуда выходного сигнала в колонке радиоприемника может иметь любое значение между нулем и максимальным пределом. Другие обычные аналоговые системы — это усилители звука, устройства записи и воспроизведения на магнитной ленте, обычный плавный (реостатный) выключатель света.

Преимущества цифровой техники

Все большее число приложений в электронике, как, впрочем, и большинство других технологий используют цифровую технику, чтобы осуществлять операции, которые когда-то выполнялись при помощи аналоговой техники. Основные причины роста популярности цифровых технологий заключаются в следующем.

1.Цифровые системы, как правило, легче разрабатывать. Так происходит потому, что используемые схемы принадлежат к ключевым схемам, в которых важны не точные значения напряжения или тока, а лишь диапазон (высокий èëè низкий сигнал), в который они попадают.

2.Легко осуществить хранение информации. Хранение осуществляется с помощью специальных устройств и схем, которые могут считывать цифровую информацию и сохранять ее сколь угодно долго. Запоминающие устройства сверхбольшой емкости могут хранить миллиарды бит информации на сравнительно малом физи- ческом пространстве. Аналоговые устройства хранения информации, наоборот, имеют крайне ограниченные возможности.

3.Большая точность. Цифровые системы могут оперировать любым необходимым количеством десятичных знаков путем простого увеличения числа ключевых схем. В аналоговых системах точность обычно ограничена тремя или четырьмя знаками, потому что значения тока или напряжения непосредственно зависят от номиналов компонент схемы и подвержены влиянию случайных флуктуаций напряжения (шумов).

4.Возможность запрограммировать действие. Достаточно легко спроектировать цифровые системы, в которых работа контролируется набором хранящихся команд, или программой. Аналоговые системы также можно программировать, но разнообразие и сложность имеющихся в распоряжении операций строго ограни- чены.

* Ответы к контрольным вопросам приведены в конце той главы, к которой они относятся.

5.Цифровые схемы менее подвержены шумам. Паразитные флуктуации напряжения (шумы) некритичны для цифровых систем, потому что точные значения напряжения для них не столь важны (шум не настолько большой, чтобы нельзя было отличить высокий уровень сигнала от низкого).

6.Большее количество схемотехнических решений может быть изготовлено на интегральных схемах (ИС). Конечно, и аналоговая схемотехника выиграла от бурного развития ИС-технологий, но ее относительная сложность, а также использование компонентов, которые не могут быть эффективно интегрированы (высокоемкие конденсаторы, прецизионные резисторы, катушки индуктивности, трансформаторы), помешали аналоговым системам добиться такой же высокой степени интеграции.

Ограничения цифровой техники

У цифровой техники есть один важный недостаток:

Реальный мир в основном аналоговый.

Большинство физических величин аналоговые по своей природе — это именно те величины входных и выходных наблюдаемых сигналов, с которыми оперирует и которые контролирует система. В качестве примеров можно привести температуру, давление, координату, скорость, уровень жидкости, скорость потока и т.д. У нас вошло в привычку выражать эти величины в цифровом виде, например, когда мы говорим, что температура равна 64° (63,8°, если требуется бîльшая точность), то на самом деле мы делаем цифровое приближение аналоговой по своей сути величины.

Чтобы воспользоваться преимуществами цифровой техники при работе с аналоговыми входными и выходными сигналами, надо следовать трем следующим инструкциям:

1.Перевести реальные аналоговые входные сигналы в цифровую форму.

2.Обработать цифровую информацию.

3.Перевести цифровые выходные сигналы обратно в реальную аналоговую форму.

На рис. 1.1 показана блок-схема такого алгоритма для типичной системы контроля температуры. После измерения аналоговой температуры полученное значение конвертируется в цифровую величину с помощью аналого-цифрового преобразователя (ÀÖÏ). Цифровая величина затем обрабатывается цифровыми устройствами, которые могут включать или не включать цифровой компьютер. Его цифровой выходной сигнал конвертируется обратно в аналоговую величину с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Этот аналоговый выходной сигнал подается на контроллер, который выполняет некоторые действия по корректировке температуры.