Аналоговая электроника

Аналоговые электронные компоненты, такие как этот терморезистор, работают с непрерывными сигналами, в отличие от цифровой электроники, которая имеет дискретные сигналы, обычно в двоичном коде.

Аналоговая электроника – это электронные системы с непрерывно меняющимся сигналом, в отличие от цифровой электроники, где выходной сигнал обычно принимает только два значения. Термин «аналоговая» описывает пропорциональную связь между сигналом и напряжением или током, которые представляют сигнал. Само слово «аналоговый» происходит от греческого слова др.-греч. ανάλογος, что означает «пропорциональный»[1].

Аналоговые сигналы

Аналоговый сигнал использует некоторый атрибут среды для передачи информации. Например, барометр-анероид использует положение стрелки, прикреплённой к герметичной коробке, которая сжимается или расширяется при изменении атмосферного давления[2]. Электрические сигналы могут представлять информацию путём изменения напряжения, тока, частоты или общего заряда. Информация получена преобразованием из некоторой другой физической формы (такой как звук, свет, температура, давление, позиция) в электрический сигнал с помощью измерительного преобразователя, который преобразует один тип энергии в другой (например микрофон)[3].

Сигналы могут принимать любые значения из заданного диапазона, и каждое уникальное значение сигнала несет в себе разную информацию. Любое изменение сигнала имеет значение, а каждый его уровень отражает соответствующий уровень явления, которое он представляет. Например, представим себе, что сигнал используется для отображения температуры, где один вольт соответствует одному градусу Цельсия. В такой системе 10 вольт будет представлять 10 градусов, 10,1 вольт будет представлять 10,1 градусов.

Другой метод доставки аналогового сигнала – использование модуляции. В этом методе некоторый базовый несущий сигнал меняет одно из своих свойств – Амплитудная модуляция (AM) использует изменение амплитуды синусоидальной формы напряжения в соответствии с исходной информацией, частотная модуляция (FM) использует частоту. Используются также другие техники, такие как изменение фазы несущего сигнала[4].

При аналоговой звукозаписи изменение давления звука, воздействующего на микрофон, вызывает соответствующее изменение тока, протекающего через него, или напряжения на нём. Увеличение громкости звука приводит к пропорциональному увеличению колебаний тока или напряжения, сохраняя при этом ту же форму волны.

Механические, пневматические, гидравлические и другие системы могут также использовать аналоговые сигналы.

Собственный шум

Аналоговые системы неизбежно подвержены шуму, который представляет собой случайные помехи или колебания, часть из которых вызвана случайным тепловыми вибрациями атомных частиц. Поскольку все изменения аналогово сигнала имеют значение, любое возмущение эквивалентно изменению исходного сигнала, а потому воспринимается как шум[5]. При копировании и перекопировании сигнала или его передаче на большие расстояния эти случайные колебания становятся более значительными и приводят к ухудшению качества сигнала. Другими источниками шума могут быть перекрёстные помехи от других сигналов или компоненты с низким качеством изготовления. Эти помехи уменьшаются с помощью экранов и использования малошумящих усилителей[6].

Аналоговая или цифровая электроника

Поскольку информация кодируется по-разному в аналоговой и цифровой электронике, различается и способ обработки ими сигнала. Все операции, которые можно выполнить над аналоговым сигналом, такие как усиление, фильтрация, ограничение и другие, могут также задублированы в цифровой области. Любая цифровая схема является также аналоговой схемой, в которой поведение любой цифровой схемы может быть объяснено с помощью правил аналоговых схем.

Использование микроэлектроники сделали цифровые устройства дешёвым и широко доступными.

Шум

Влияние шума в аналоговых схемах является функцией от уровня шума. Чем больше уровень шума, тем больше искажение сигнала, постепенно делая сигнал менее пригодным. Поэтому говорят, что аналоговые сигналы «медленно повреждаются». Аналоговый сигнал модет содержать разборчивую информацию даже при очень высоком уровне шума. Цифровые схемы, с другой стороны, не подвержены влиянию шума, пока шум не достигнет определённого порога, после которого происходит катастрофический сбой. В цифровой электросвязи можно повысить порог устойчивости к шуму с помощью схем кодирования и алгоритмов обнаружения и коррекции ошибок. Тем не менее, всё равно существует точка, в которой происходит полный отказ канала связи[7][8].

В цифровой электронике ввиду того, что информация квантуется, пока сигнал остаётся в определённом диапазоне значений, он представляет одну и ту же информацию. В цифровых схемах сигнал восстанавливается на каждом логическом вентиле, уменьшая или удаляя шум[9]. В аналоговых схемах потери сигнала можно компенсировать усилителями усилителями. Однако, шум накапливается по всей системе и сам усилитель добавляет шум в соответствии со своим коэффициентом шума[10][11].

Точность

Точность сигнала зависит от ряда факторов, в первую очередь от шума, присутствующего в исходном сигнале, и шума, добавляемого в процессе обработки (см. Отношение сигнал/шум). Фундаментальные физические ограничения, такие как дробовой шум в компонентах, ограничивают разрешение аналоговых сигналов. В цифровой электронике дополнительная точность достигается путём использования добавочных знаков для представления сигнала. Практический предел числа знаков определяется производительностью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), поскольку цифровые операции могут быть, как правило, осуществлены без потери точности. АЦП принимает аналоговый сигнал и преобразует его в последовательность двоичных чисел. АЦП могут быть использованы в простых цифровых устройствах отображения, например, термометрах или люксметрах, но они могут также быть использованы в цифровой звукозаписи и сборе данных. Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП принимает последовательность двоичных числе и преобразует их в аналоговый сигнал. ЦАП часто встречается в системе регулировки операционного усилителя, который, в свою очередь, может использоваться для управления цифровыми усилителями и фильтрами[12].

Сложность разработки

Аналоговые схемы обычно труднее разрабатывать, поскольку они требуют большего мастерства, чем сопоставимые цифровые схемы[13]. Аналоговые схемы, как правило, разрабатываются вручную, поскольку функциональность заложена в аппаратное обеспечение. Цифровое же аппаратное обеспечение имеет много общего в различных приложениях и может производиться массово в стандартизированной форме. Проектирование схем состоит в значительной степени из повторяющихся идентичных блоков и процесс может быть сильно автоматизирован. Это одна из основных причин, по которой цифровые системы стали более распространёнными, чем аналоговые устройства. Однако применение цифрового аппаратного обеспечения зависит от программного или встроенного обеспечения, и его создание по-прежнему остаётся в значительной степени трудоемким процессом. В начале 2000-х годов были разработаны несколько платформ, позволяющих осуществлять разработку аналоговых схем с помощью программного обеспечения, что ускоряет прототипирование. Более того, если цифровое электронное устройство должно взаимодействовать с реальным миром, ему всегда потребуется аналоговый интерфейс[14]. Например, любое цифровой радиоприёмник имеет аналоговый предусилитель в качестве первой ступени в цепи приёма.

Проектирование аналоговых схем значительно облегчилось с появлением программных симуляторов схем, таких как SPICE. IBM разработала собственный внутренний симулятор ASTAP в 1970-х годах, который использовал необычный (по сравнению с другими симуляторами) метод разреженных матриц для анализа схем.

Классификация схем

Аналоговые схемы могут быть полностью пассивными, содержащими сопротивления, конденсаторы и индуктивности. Активные цепи содержат также активные элементы, такие как транзисторы. Традиционные схемы строятся из сгруппированных элементов – то есть, дискретных компонентов. Альтернативой являются схемы с распределёнными элементами, построенными из участков линии передачи.

См. также

Примечания

  1. ↑ Oxford dictionary, 1999.
  2. ↑ Plympton, 1884.
  3. ↑ Singmin, 2001, с. 9.
  4. ↑ Miller, 2002, с. 239.
  5. ↑ Hsu, 2003, с. 202.
  6. ↑ Carr, 2000, с. 423.
  7. ↑ Gregory, 1994, с. 161.
  8. ↑ Blair, 2002, с. 34.
  9. ↑ Chen, 2005, с. 101.
  10. ↑ Hagen, 1996, с. 203.
  11. ↑ Davidson, Peters, Gracely, 2000.
  12. ↑ Scherz, 2006, с. 730.
  13. ↑ Clocks - Digital and Analog. Math is Fun. Дата обращения: 18 декабря 2020.
  14. ↑ Williams, 1991, с. 238.

Литература

  • Concise Oxford dictionary. — 10. — Oxford University Press Inc., 1999. — ISBN 0-19-860287-1.
  • George Washington Plympton. aneroid barometer // The aneroid barometer: its construction and use. — D. Van Nostran Co., 1884.
  • Andrew Singmin. Signals come from transducers... // Beginning Digital Electronics Through Projects. — Newnes, 2001. — ISBN 0-7506-7269-2.
  • Mark R. 232 Until the radio came along... // Electronics the Easy Way. — Barron's Educational Series, 2002. — ISBN 0-7641-1981-8.
  • Hwei Piao Hsu. The presence of noise degrades the performance of communication systems. // Schaum's Outline of Theory and Problems of Analogue and Digital Communications. — McGraw-Hill Professional, 2003. — ISBN 0-07-140228-4.
  • Joseph J. Carr. It is common in microwave systems... // Secrets of RF circuit design. — McGraw-Hill Professional, 2000. — ISBN 0-07-137067-6.
  • Richard Langton Gregory. Even Odder Perceptions. — Psychology Press, 1994. — ISBN 0415061067.
  • Wai-Kai Chen. Noise from an analogue (or small-signal) perspective... // The electrical engineering handbook. — Academic Press, 2005. — ISBN 0-12-170960-4.
  • Jon B. Hagen. Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications. — Cambridge University Press, 1996. — ISBN 0521553563.
  • Jonathan Davidson, James Peters, Brian Gracely. Voice Over IP Fundamentals. — Cisco Press, 2000. — ISBN 1578701686.
  • Paul Scherz. In order for analog devices... to communicate with digital circuits... // Practical electronics for inventors. — McGraw-Hill Professional, 2006. — ISBN 0-07-145281-8.
  • Jim Williams. Even within companies producing both analog and digital products... // Analog circuit design. — Newnes, 1991. — ISBN 0-7506-9640-0.
  • Robin Blair. Digital Techniques in Broadcasting Transmission. — Focal Press, 2002. — ISBN 0240805089.
Эта статья взята у (из) Википедия. Текст лицензируется по Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0. К медиа файлам могут применятся дополнительные условия.