W przemyśle iw życiu codziennym powszechne jest stosowanie różnego rodzaju przetworników sygnału. Urządzenia te mogą być prezentowane w najszerszym zakresie modyfikacji dostosowanych do rozwiązywania problemów w różnych dziedzinach gospodarki. Jakie typy przetworników sygnału można przypisać do najczęstszych? Jakie mogą być cechy ich działania?
Do czego służą konwertery sygnałów?
Konwertery sygnałów to urządzenia, które naprawdę można zaprezentować w najszerszej gamie rozwiązań. Termin ten jest właściwie zbiorczy i może odnosić się do sprzętu używanego w różnych segmentach gospodarki i klasyfikowanego według zupełnie innych kryteriów. Główne typy sygnałów, które dane urządzenia mogą konwertować, to:
- elektryczne;
- dźwięk;
- temperatura;
- charakter technologiczny.
W zależności od zadań, jakie stoją przed użytkownikiem konwertera sygnału, struktura odpowiedniego urządzenia może łączyć moduły przetwarzające kilka różnych typów danych. Konwersja może zatem odbywać się w ramach jednego rodzaju sygnału (na przykład z jednej częstotliwości na drugą) lub być mechanizmem, który polega na translacji między różnymi kategoriami sygnałów. Na przykład elektryczny dźwięk.
Najpopularniejsze urządzenia zawierają konwerter sygnałów analogowych na cyfrowe (i odwrotnie, jeśli przewiduje to struktura wewnętrznych modułów urządzenia). Rozważ cechy jego pracy.
Przetwornik A/D
Opisywane urządzenie jest przeznaczone do konwersji dowolnego sygnału analogowego - na przykład reprezentowanego przez wskaźniki napięcia, na postać cyfrową (pozwalającą na przykład na zapisanie odpowiedniego sygnału do pliku).
Jednym z głównych kryteriów wydajności rozważanego urządzenia jest pojemność danych wyjściowych. Jego wartość określa stosunek sygnału do szumu.
Kolejnym istotnym parametrem charakteryzującym jakość pracy takiego urządzenia jak przetwornik analogowy jest szybkość formowania sygnału wyjściowego. Wśród tych urządzeń, które zapewniają jego optymalną wydajność, są te, które są typu równoległego. Tworzą duże przepływy sygnału przy użyciu wymaganej liczby pinów. Ta cecha działania urządzenia w wielu przypadkach determinuje wydanie odpowiednich konwerterów, charakteryzujących się dużymi wymiarami. Ponadto przetworniki sygnału analogowego mogą mieć dość wysoki pobór mocy. Jednak biorąc pod uwagę skutecznośćdziałanie tych urządzeń, ich zauważone cechy często nie są uważane za wady.
Konwersja sygnałów z urządzeń równoległych analogowych na cyfrowe jest bardzo szybka. Aby zapewnić jeszcze większą prędkość dla odpowiedniego typu urządzeń, możesz podłączyć kilka urządzeń, aby mogły one kolejno przetwarzać strumienie sygnału.
Alternatywą dla rozwiązań równoległych mogą być konwertery sygnałów typu szeregowego. Zwykle są mniej wydajne, ale bardziej energooszczędne. Ich użycie może być uwarunkowane w przypadkach, gdy istnieje kwestia zapewnienia transmisji sygnałów w infrastrukturze o małej przepustowości lub w przypadku, gdy nie jest wymagany wyższy współczynnik konwersji niż zapewniany przez urządzenia szeregowe.
Można zauważyć, że istnieją urządzenia typu mieszanego, które łączą funkcje konwerterów szeregowych i równoległych. W wielu przypadkach są najlepszym rozwiązaniem pod względem spełnienia kryteriów kosztowych i wydajnościowych.
Zauważyliśmy powyżej, że konwertery analogowo-cyfrowe mogą zawierać moduły konwertujące sygnały cyfrowe na analogowe. Istnieje również osobna kategoria urządzeń odpowiedniego typu. Przyjrzyjmy się ich cechom.
Konwertery cyfrowo-analogowe
Jeżeli użytkownik ma na przykład telewizor do odbioru sygnału analogowego, to jegopraca będzie możliwa po podłączeniu odpowiedniej anteny. Lub poddane transformacji oryginalnych sygnałów na analogowe, które ten telewizor może rozpoznać. Ich źródłem może być z kolei antena cyfrowa. Lub alternatywnie sygnał odebrany przez Internet.
W związku z tym dane urządzenie przetwarza sygnał zawierający kod cyfrowy na prąd, napięcie lub ładunek, który jest przekazywany do modułów analogowych w celu przetworzenia. Specyficzne mechanizmy tej transformacji zależą od rodzaju danych wyjściowych. Na przykład, jeśli mówimy o dźwięku, to na wejściu zwykle jest on prezentowany w modulacji kodu impulsowego. Jeśli plik źródłowy jest skompresowany, do konwersji sygnałów można użyć specjalnych kodeków programowych. Z kolei antena cyfrowa zwykle przesyła sygnał do obróbki metodami sprzętowymi.
Urządzenia zawierające dane konwertery można uzupełnić modułami do różnych celów. Na przykład, zapewniając odtwarzanie transmisji telewizyjnej, oprócz modułów używanych przez konwerter można zastosować wzmacniacz sygnału wideo. W wielu przypadkach jest to konieczne w celu zapewnienia wysokiej jakości obrazu podczas konwersji sygnału analogowego na cyfrowy. Wzmacniacz sygnału wideo jest również używany do przesyłania obrazów na znaczną odległość.
Telewizja nie jest jedynym obszarem aktywnego zastosowania omawianych urządzeń. Odpowiednie konwertery są zawarte np. w odtwarzaczach CD,które również konwertują sygnał cyfrowy na analogowy.
Przetworniki ultradźwiękowe
Następną powszechną kategorią urządzeń są przetworniki ultradźwiękowe. Można zauważyć, że mogą to być urządzenia, które mają najszerszy zakres zastosowań, a także zasady działania. Wśród powszechnych odmian przetworników ultradźwiękowych znajduje się jednostka zanurzalna, która jest przeznaczona do przesyłania ultradźwięków o określonej częstotliwości do wody lub innego ciekłego medium. Urządzenie to może służyć np. do czyszczenia różnych przedmiotów z zanieczyszczeń – w ramach wanien używanych do czyszczenia ultradźwiękowego.
Istnieją inne obszary zastosowania rozważanych urządzeń. Przetwornik ultradźwiękowy może być używany do kontroli integralności niektórych struktur, połączeń, do sprawdzania niektórych obiektów pod kątem uszkodzeń.
Przetwornice liniowe i impulsowe
Biorąc pod uwagę cechy zastosowania przetworników, warto zwrócić uwagę na klasyfikację, według której dzielą się na liniowe i impulsowe. W rzeczywistości kryteria te odzwierciedlają dwie najważniejsze zasady działania konwerterów.
Te, które są liniowe, mogą działać na zasadzie obwodów analogowych, w których przekonwertowane sygnały są formowane w płynnym tempie. Przetwornik impulsów zakłada bardziej aktywną reprezentację sygnałów zarówno na wyjściu, jak i podczas ich wewnętrznego przetwarzania. Jednak w przypadku, gdyoperacja ta wykonywana jest tylko na wewnętrznym etapie przetwarzania sygnału, odpowiednie urządzenie może generować praktycznie takie same wskaźniki jak w przypadku zastosowania przetwornika liniowego. Zatem koncepcja przetwarzania liniowego lub impulsowego może być rozpatrywana tylko w kontekście zasady działania kluczowych elementów sprzętowych urządzenia odpowiedniego typu.
Konwertery impulsów są używane głównie w przypadkach, gdy używana infrastruktura ma przetwarzać sygnały o dużej mocy. Wynika to z faktu, że sprawność odpowiednich urządzeń w takich przypadkach jest znacznie wyższa niż przy przetwarzaniu sygnałów o mniejszej mocy. Kolejnym czynnikiem przy wyborze tych rozwiązań jest zastosowanie urządzeń transformatorowych lub kondensatorowych jako części wykorzystywanej infrastruktury, z którą przetworniki impulsów mają optymalną kompatybilność.
Z kolei konwerter liniowy to urządzenie wykorzystywane w ramach infrastruktury, w której odbywa się przetwarzanie sygnału o małej mocy. Lub jeśli istnieje potrzeba zmniejszenia hałasu generowanego w wyniku pracy konwertera. Warto zauważyć, że efektywność rozważanych rozwiązań w infrastrukturze dużej mocy nie należy do wybitnych, dlatego urządzenia te najczęściej emitują większą ilość ciepła niż przetworniki impulsowe. Ponadto ich waga i wymiary są również znacznie większe.
Ale tak czy inaczej, w praktyce działanie konwertera na zasadzie impulsu może obejmowaćtworzenie jego funkcji przenoszenia w postaci liniowej. Dlatego przed zaimplementowaniem w infrastrukturze odpowiednich kondycjonerów sygnału należy rozważyć ich wewnętrzną strukturę dla zastosowanego schematu przetwarzania sygnału.
Przetworniki pomiarowe
Inną powszechną kategorią rozwiązań są przetworniki. Jakie są ich cechy? Przetwornik pomiarowy to urządzenie, które również może być prezentowane w wielu odmianach. To, co łączy te urządzenia, to ich zdolność zarówno do mierzenia, jak i przekształcania pewnych wielkości.
Powszechnie rozważa się schemat działania urządzeń pomiarowych odpowiedniego typu, w których sygnał jest przetwarzany w kilku etapach. Najpierw konwerter ją otrzymuje, następnie przekształca w wartość, którą można zmierzyć, a następnie przekształca w pewną użyteczną energię. Na przykład, jeśli używany jest analogowy przetwornik pomiarowy prądu, to energia elektryczna jest przekształcana w energię mechaniczną.
Oczywiście konkretne mechanizmy zastosowania odpowiednich rozwiązań można przedstawić w niezwykle szerokim zakresie. Powszechne jest wykorzystywanie transformacji pomiarowych do celów naukowych jako części infrastruktury do prowadzenia eksperymentów i badań. To, co łączy większość przetworników pomiarowych, to ich zdolność adaptacji przede wszystkim do pracy z wykorzystaniem znormalizowanych charakterystyk podczas przetwarzania lub przetwarzania sygnału. MogąNależy pamiętać, że te specyfikacje mogą nie zawsze być przeznaczone dla użytkownika końcowego falownika. Ich aktywacja w wielu przypadkach odbywa się w trybie ukrytym. Osoba za pomocą odpowiednich przetworników sygnału odbiera na wyjściu tylko wymagany sygnał, przystosowany do różnych celów.
Tak więc rozwiązania te z reguły nie są wykorzystywane jako niezależne rodzaje infrastruktury. Są częścią bardziej skomplikowanych urządzeń – np. systemów automatyki pomiarowej w produkcji. Przetworniki pomiarowe dzieli się najczęściej na 2 główne grupy - pierwotne i pośrednie. Przydatne będzie rozważenie specyfiki obu.
Klasyfikacja przetworników pomiarowych: rozwiązania podstawowe i pośrednie
Urządzenia należące do kategorii podstawowej z reguły służą jako czujniki. Oznacza to, że są to przetworniki, na które bezpośrednio oddziałuje ta lub inna zmierzona wartość. Pozostałe urządzenia są klasyfikowane jako pośrednie. Są umieszczane w infrastrukturze pomiarowej zaraz po pierwszych i mogą odpowiadać za dużą liczbę operacji związanych z transformacją. Jakie konkretnie operacje może wykonać konwerter poziomu sygnału odpowiedniego typu? Są one powszechnie określane jako:
- pomiar wskaźników fizycznych dla różnych wielkości;
- różne przekształcenia skali;
- transformacja sygnałów cyfrowych na analogowe i odwrotnie;
- przekształcenia funkcjonalne.
Pamiętaj, że podobnyklasyfikację można uznać za warunkową. Wynika to przede wszystkim z faktu, że w tym samym przyrządzie pomiarowym może znajdować się kilka pierwotnych przetworników. Innym powodem, aby uznać omówioną powyżej klasyfikację za warunkową, jest to, że w różnych typach infrastruktury pomiary mogą być przeprowadzane według odmiennych zasad.
Rurki wzmacniające
Innym typem urządzenia popularnego w różnych sektorach gospodarki są wzmacniacze obrazu. Podobnie jak inne omówione powyżej typy urządzeń, może być prezentowana w szerokiej gamie wzorów. Przetworniki elektronowo-optyczne łączy wspólna zasada działania: polega na konwersji niewidzialnego obiektu - na przykład oświetlonego podczerwienią, ultrafioletem lub na przykład promieniami rentgenowskimi, na widmo widzialne.
W tym przypadku odpowiednia operacja z reguły odbywa się w 2 etapach. W pierwszym etapie niewidzialne promieniowanie odbierane jest przez fotokatodę, po czym jest przekształcane na sygnały elektroniczne. Które są już na drugim etapie zamienione na widzialny obraz i wyświetlone na ekranie. Jeśli jest to monitor komputerowy, sygnał można wstępnie przekonwertować na kod cyfrowy.
Lampy wzmacniające to rozwiązania, które tradycyjnie dzieli się na kilka generacji. Urządzenia związane z pierwszym to szklany termos. Zawiera fotokatodę i anodę. Powstaje między nimi potencjalna różnica. W przypadku ubiegania się oWewnątrz znajduje się optymalny konwerter napięcia, który tworzy soczewkę elektroniczną zdolną do skupiania przepływów elektronów.
Przetworniki drugiej generacji mają moduły akceleracji elektronów, co zapewnia zwiększoną jasność obrazu. Urządzenia trzeciej generacji wykorzystują materiały, które pozwalają na ponad 3-krotne zwiększenie czułości fotokatody jako kluczowego elementu przetwornika elektronowo-optycznego.
Cechy przetworników rezystancyjnych
Innym popularnym typem urządzenia są przetworniki rezystancyjne. Rozważ bardziej szczegółowo ich funkcje.
Przetworniki te są przystosowane do zmiany własnej rezystancji elektrycznej pod wpływem tej lub innej mierzonej wielkości. Mogą również korygować ruch kątowy i liniowy. Najczęściej konwertery te wchodzą w skład systemów automatyki z czujnikami ciśnienia, temperatury, poziomu oświetlenia oraz pomiaru natężenia różnych rodzajów promieniowania. Główne zalety przetworników rezystancyjnych:
- niezawodność;
- brak związku między dokładnością pomiarów a stabilnością napięcia zasilania.
Istnieje wiele różnych powiązanych urządzeń. Do najpopularniejszych należą czujniki temperatury. Przyjrzyjmy się ich cechom.
Rezystancyjne czujniki temperatury
Te konwertery sygnału mają elementy wrażliwe na zmiany temperatury otoczenia. Jeśli wzrośnie, ich opór może wzrosnąć. Urządzenia te charakteryzują się przede wszystkim bardzo dużą dokładnością. W niektórych przypadkach umożliwiają zmianę temperatury z dokładnością do około 0,026 stopnia Celsjusza. Urządzenia te zawierają elementy wykonane z platyny - w tym przypadku współczynnik rezystancji będzie niższy, czyli miedzi.
Zastosowanie czujników rezystancyjnych charakteryzuje się wieloma niuansami. Należy więc wziąć pod uwagę, że wyższe wartości prądu wzbudzenia dostarczanego do czujnika zwiększają jego czułość temperaturową, ale jednocześnie nagrzewają elementy odpowiedniego przetwornika. Powoduje to w wielu przypadkach zmniejszenie jego dokładności. Dlatego zaleca się zapewnienie optymalnej wydajności prądu wzbudzenia z uwzględnieniem określonych warunków pomiarowych. Obliczenia mogą dotyczyć na przykład przewodności cieplnej medium, w którym czujnik jest używany - powietrza lub wody. Z reguły zalecane wskaźniki prądów wzbudzenia są ustalane przez producentów czujników odpowiedniego typu. Mogą się one jednak znacznie różnić w zależności od metali użytych w konstrukcji urządzeń. Ponadto przy stosowaniu omawianych czujników należy wziąć pod uwagę taki wskaźnik, jak wartość graniczna prądu roboczego. Zwykle jest to również określane przez producenta.
Czujniki rezystancyjne należą do najpopularniejszych typów przetworników w gospodarstwie domowym. Wynika to w dużej mierze ze znacznych zalet technologicznych wielu ich odmian. Na przykład, jeślimówić o termistorach - charakteryzują się wysoką czułością, zwartością, niską wagą. Odpowiednie czujniki mogą służyć do pomiaru temperatury powietrza w różnych warunkach. Ich produkcja najczęściej nie wiąże się z dużymi kosztami. Co prawda termistory mają też wady – przede wszystkim jest to wysoki stopień nieliniowości, przez co mogą być stosowane w praktyce w dość wąskich zakresach temperatur.
Odpowiednie typy przetworników sygnału (ich typy i przeznaczenie można określić na podstawie różnych kryteriów klasyfikacji) są szeroko stosowane w życiu codziennym. Na przykład powszechne jest uwzględnianie w swoim składzie czujników temperatury zawierających elementy platynowe i miedziane:
- infrastruktura grzewcza - w celu pomiaru temperatury chłodziwa w niektórych częściach urządzeń, a także w ogrzewanym pomieszczeniu;
- pralki - w celu pomiaru temperatury wody i dostosowania jej do różnych programów prania;
- żelazka - podobnie, aby zapewnić optymalną temperaturę prasowania w danym trybie pracy;
- kuchenki elektryczne, a także inne rodzaje urządzeń do gotowania - również w celu zapewnienia ich funkcjonowania po aktywowaniu określonych trybów użytkownika.
Przetwornice reostatu
Innym popularnym typem urządzeń rezystancyjnych są konwertery reostatów. Ich zasada działania opiera się na pomiarze rezystancji elektrycznejjednego lub drugiego przewodnika pod wpływem przesunięcia wejściowego. W praktyce przetwornik ten zawiera elementy, które są przystosowane do poruszania się pod wpływem wartości mierzonej. Najczęściej omawiane urządzenia wchodzą w skład dzielników napięcia lub są wykorzystywane jako integralny element mostków pomiarowych.
Jeśli mówimy o zaletach, które charakteryzują konwertery reostatowe, to są to:
- brak reaktywnego wpływu na ruchome elementy;
- wysoka wydajność;
- małe wymiary, możliwość zastosowania w infrastrukturze działającej zarówno na prąd stały, jak i przemienny.
Jednocześnie konwertery rezystancyjne odpowiedniego typu nie zawsze są niezawodne i w wielu przypadkach wymagają znacznych zasobów od przedsiębiorstwa w celu utrzymania funkcjonalności.
