Что такое дискретный сигнал

Понятие о сигналах

Аналоговые электрические сигналы — сигналы, изменяющиеся во времени непрерывно и способные принимать любое значение в некотором диапазоне напряжений, тока, частоты или иных характеристик (метрик). Аналоговая природа естественна для многих физических процессов и сигналов — звука, перемещения, изменения температуры и т.п. Поэтому метрики данных физических процессов/сигналов удобно (и естественно) переводить в аналоговые электрические сигналы с целью дальнейшей их преобразования электронными схемами. Например, температура 25.256 градусов Цельсия может быть закодирована как напряжение 2.5256 В. Самыми большими проблемами использования аналоговых сигналов являются:
— их чувствительность к помехам, приводящая к искажению значений (например, в вышеприведенном примере помеха 0.1В приведет к ошибке температуры на 1 градус Цельсия);
— высокие погрешности обработки каскадами электронных схем (усиления, интегрирования и т.п.), связанные с сложностью/невозможностью изготовления электронных компонентов (резисторов, конденсаторов, транзисторов. микросхем) с параметрами (сопротивления, емкости, коэффициентами передачи и т.п.) высокой и сверхвысокой точности (до тысячных процента) и стабильности в диапазоне температур, давлений и т.д.

Дискретные электрические сигналы — сигналы, для которых допускаются лишь значения из заранее определенного ограниченного множества. Значения указываются с допустимой погрешностью. Например, дискретный электрический сигнал имеет три допустимых значения напряжений: 0В, 5В и 10В, с допуском ±1В. Дискретными могут быть физические процессы и сигналы. Например, состояние управляющей клавиши (вкл/выкл — 2 значения) или датчика установленной передачи в коробке передач автомобиля (количество дискретных значений равно числу передач) или импульсы в детекторе элементарных частиц (есть/нет). Использование дискретных сигналов имеет важное преимущество — допустимость установки значения с некоторой значительной погрешностью, что резко повышает помехоустойчивость и снижает требования к точности параметров электронных каскадов.

Цифровые электрические сигналы — так обычно называют те дискретные сигналы, которые имеют только два допустимых состояния. Данные состояния (например, уровни напряжения 0В и 5В) кодируют две цифры — «0» и «1». Данные цифры эквивалентны допустимым значениям разрядов двоичного представления чисел (двоичный разряд -binary digits или bit), а также допустимым значениям переменных в алгебре логики (булевой алгебре) — «Истина» (TRUE или «1») и «Ложь» (FALSE или «0»), что позволяет кодировать эти числа в виде цифровых электрических сигналов. С помощью простейших транзисторных каскадов, работающих в самом простом — ключевом режиме (включен/выключен), можно реализовать основные функции алгебры логики (логические (булевы) функции) и, их (логических функций) посредством, основные математические функции (сложение, вычитание, умножение, деление) для чисел в двоичном представлении. Существуют различные варианты схем хранения (памяти) для двухуровневых (цифровых) значений. Двухуровневый цифровой сигнал легко передавать на значительные расстояния при значительных помехах (например, «1» — напряжение = 10±5В, «0» — напряжение = 1.5±1.5В), причем не только по электрическим проводам, но и по каналам других типов, например по оптоволоконному кабелю («свет» включен/выключен).

Различают элементы с различными спо¬собами электрического кодирования двоичной информации;
• потенциальные,
• импульсные,
• импульсно-потенциальные.
При потенциальном способе кодирования при положитель¬ной логике за единицу («1») принимается высокий потенциал, за нуль («О») — низкий потенциал. Сигнал сохраняется неизмен¬ным на время не менее одного периода следования сигналов синхронизации (рис. 1, а).
При импульсном кодировании двоичной информации чаще всего «1» соответствует импульс, синфазный с сигналом син¬хронизации, а «О» — отсутствие импульса; значение сигнала в паузе между сигналами синхронизации не рассматривается (рис. 1, б).
Одной из разновидностей импульсного способа является ди¬намическое кодирование сигналов, когда единице соответствует последовательность импульсов между двумя импульсами син¬хронизации, а их отсутствие соответствует нулю (рис. 1, в).

Все эти свойства позволили положить цифровые сигналы в основу современных вычислительных устройств, в частности, микропроцессоров, и в основу систем хранения и передачи данных.

ЛОГИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ

Для кодирования значений логических переменных или двоичных разрядов (битов) обычно используется напряжение. Ток, частота и другие характеристики сигнала тоже применяются, но только в специальных случаях — в основном при передаче данных или как удобный вариант сопряжения электрических каскадов.
Допустимые уровни напряжения соответственно их значениям условно называют ВЫСОКИМ (HIGH) и НИЗКИМ (LOW). Как говорилось выше, уровень соответствует не одному, а диапазону значений напряжений: например, 2,5.5В — ВЫСОКИЙ уровень, 0.1 В — НИЗКИЙ уровень, но для удобства указывают только «номинальный» (обычно крайний по значению) уровень, например, 5В и 0В. Следует понимать, что НИЗКИМ уровнем понимают именно низкое значение напряжения, а не полное отсутствие сигнала, так как такой вариант может возникнуть при обрыве на линии.
Двум указанным уровням напряжения можно сопоставить пару логических значений (логических состояний, двоичных цифр).
Если ВЫСОКИЙ уровень напряжения цифрового сигнала соответствует значению «1» или «ИСТИНА», а НИЗКИЙ уровень напряжения соответствует значению «0» или «ЛОЖЬ», то такой способ кодирования логической переменной называется ПОЗИТИВНОЙ (ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ) ЛОГИКОЙ.
ЕСЛИ ВЫСОКИЙ уровень напряжения цифрового сигнала соответствует значению «0» или «ЛОЖЬ», а НИЗКИЙ уровень напряжения соответствует значению «1» или «ИСТИНА», то такой способ кодирования логической переменной называется НЕГАТИВНОЙ (ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ) ЛОГИКОЙ.
Тип логики (ПОЗИТИВНАЯ или НЕГАТИВНАЯ) является не только характеристикой собственно цифрового сигнала, но также и характеристикой цифрового элемента (блока, схемы), который обрабатывает данный сигнал исходя именно из такого способа его кодирования. Например, элемент популярной логической микросхемы SN7408 в документации полностью именуется «двухвходовой элемент «И» с позитивным кодированием сигналов». Если же использовать негативное кодирование, то функция данного элемента изменится на «ИЛИ».
Современная элементная база и схемотехника в целом ориентирована на позитивную (положительную) логику. Однако в некоторых случаях негативная (отрицательныя) логика может оказаться более удобным способом кодирования цифровых или логических значений. Например, схема определения нажатия кнопки на клавиатуре часто построена таким образом, что ВЫСОКИЙ уровень вырабатывается, если кнопка не нажата, и НИЗКИЙ — при нажатии кнопки. То есть, если кодировать факт нажатия кнопки как «ИСТИНА» и при этом вырабатывается НИЗКИЙ уровень сигнала, то получаем негативное (отрицательное) кодирование. Часто удобство негативной логики для сигналов цифровых элементов определяется особенностями внутренней схемотехники этих элементов.
Чтобы не путаться с тем, какие элементы в схеме используют позитивное кодирование, а какие негативное, принято соглашение всеми элементами в схеме используется один тип кодирования сигналов (например, позитивное), а если на входе или выходе какого-нибудь элемента должен формироваться сигнал с негативным кодированием, то он преобразуется из/в позитивный путем инвертирования. Такие инвертированные сигналы обозначаются на схемах чертой над названием сигнала (знак булевой операции «отрицание»), а вход или выход элемента, на котором выполняется инверсия сигнала (зачастую это мнимое инвертирование — схема использует внутри себя непосредственно негативно закодированный сигнал), обозначается кружочком.

Примечания:
1) В силу большей естественной воспринимаемости (принцип «большему соответствует большее») и распространенности положительной логики на схемотехническом сленге часто называют ВЫСОКИЙ уровень напряжения — «1», а НИЗКИЙ уровень напряжения — «0». Таким образом, в случае использования отрицательной логики может возникнуть путаница: говоря о «единице на сигнальной линии», подразумевают ВЫСОКИЙ уровень напряжения, который на самом деле соответствует логическому значению «0».
2) Термины «позитивная» логика и «положительная» логика, а также «негативная» и «отрицательная» логика эквивалентны и в различных комбинациях встречаются в литературе. Первоисточник — английские слова «positive» и «negative». Так же встречается вариант «прямая»-«инверсная» логика (подразумевается. что сигнал с негативной логикой («инверсный») может быть получен путем инверсии сигнала с позитивной логикой («прямого»).

ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Параметрами реальных цифровых сигналов, наиболее важными для схемотехнического проектирования, являются:
— Диапазон напряжений для логических «0» и «1», для выходов логических элементов/схем и для входов цифровых элементов/схем;
— Нагрузочная способность (коэффициент разветвления по выходу) выходов цифровой схемы — fanout;
— Длительность переключения состояния — время измерения состояния сигнала с НИЗКОГО уровня на ВЫСОКИЙ и наоборот (перехода из логического «0» в «1» и наоборот) — transition time;
— Временная задержка цифрового сигнала при «прохождении» через логический элемент/схему — propagation delay.

Диапазоны напряжений для логических «0» и «1».

Так как именно напряжение используется для кодирования значений «0» и «1», то диапазон напряжений для логических «0» и «1» являются основным параметром цифровых схем. При этом каждому из логических уровней «0» и «1» соответствуют не фиксированные значения напряжения, например, 0В или 5В, а некоторый диапазон напряжений. Например, для микросхем семейства ТТЛ логическому «0» будет соответствовать напряжение, попадающее в диапазон от 0В до +0.8В, а логической «1» будет соответствовать напряжение в диапазоне от +2В до +5В. Кодирование логических уровней диапазонами сделано потому что:
1) Позволяет использовать цифровые элементы/схемы с достаточно значительными, допусками параметров входных и выходных каскадов, что сильно удешевляет их производство.
2) Допускает колебание параметров элементов/схем и соответствующих цифровых сигналов за счет изменения температур, электрической нагрузки и напряжения питания схем и т.п.
3) Позволяет игнорировать влияние шумов — паразитных напряжений, которые добавляются/вычитаются из рабочего напряжения при «прохождении» его через схему. Шумы возникают за счет емкостных и индуктивных связей между сигналами в схеме, помех приходящих по подключенным внешним цепям и цепям питания, за счет электромагнитных наводок.
Диапазоны напряжений цифровых сигналов, генерируемые выходами цифровых схем и воспринимаемые входами схем, делают разными. Диапазон, воспринимаемый входами более широкий по сравнению с диапазоном выходных сигналов, и диапазон выходов целиком перекрывается диапазоном входов, оставляя запас по границе минимального и максимального напряжений. Это гарантирует, что выходной сигнал вырабатываемый одной цифровой схемой и подаваемый на вход другой будет правильно восприниматься даже в условиях помех. Например, выход вырабатывает ВЫСОКИЙ уровень в диапазоне 4.5В — 5В, а вход будет воспринимать ВЫСОКИЙ уровень в диапазоне 3.5В-5.5В. Поэтому, если к выходному напряжению ВЫСОКОГО уровня равному 4.5В добавится помеха 1В, то суммарное напряжение будет 5.5В и будет воспринято входом верно — как ВЫСОКИЙ уровень.
Между диапазонами ВЫСОКОГО уровня и НИЗКОГО уровня располагается так называемая «мертвая зона». В пределах мертвой зоны производитель не гарантирует корректное восприятие уровня сигнала. Около середины мертвой зоны (но не точно) располагается пороговый уровень Шх.п (Vin.t, threshold voltage), ниже которого уровень сигнала на входе воспринимается как НИЗКИЙ, а выше — как ВЫСОКИЙ. Номинальное значение Цп определяется документацией на электронный компонент (микросхему), но реальное значение может смещаться в рамках мертвой зоны в зависимости от особенностей конкретного образца (микросхемы), от температуры, от старения компонента, от напряжения питания и других параметров.
Итого: среди основных параметров цифровых схем должны быть заданы следующие напряжения цифровых сигналов:
— Для цифровых входов:
— ивх.О.мин. (VIL.min) — минимальное напряжение, воспринимаемое как «0»;
— Uвх.0.макс.(VIL.max) — максимальное напряжение, воспринимаемое как «0»;
— ивхЛ.мин.(Ущ.тт) — минимальное напряжение, воспринимаемое как «1»;
— ивхЛ.макс.(Ущ.тах) — максимальное напряжение, воспринимаемое как «1»;
— ивх.п (VIT) — напряжение переключения (threshold voltage), значения выше которого воспринимаются как «1», а ниже — как «0».
— Для цифровых выходов:
— ивых.0 (VoL.typ) — типовое напряжение, которое устанавливается при выводе «0»;
— ивых.О.мин.(Усх.тт) — минимальное напряжение, которое может быть установлено при выводе «0»;
— ивых.0.макс.(\^Л.тах) — максимальное напряжение, которое может быть установлено при выводе «0»;
— ивыхЛ(УоШур) — типовое напряжение, которое устанавливается при выводе «1»;
— ивыхЛ.мин.(УОН.тт) — минимальное напряжение, которое может быть установлено при выводе «1»;
— ивых.1.макс. (VOH.max) — максимальное напряжение, которое может быть установлено при выводе «1».
Указанные напряжения зависят от схемотехники и параметров выходных и входных электрических каскадов цифровых схем.

Еще одна особенность/проблема — это использование цифровых микросхем с различными напряжениями питания. Дело в том, что при изменении напряжения питания микросхем, изменяются и уровни напряжения высокого и низкого уровня (см. рисунок ниже). На нынешний момент в цифровой технике наиболее распространенными являются напряжения питания 5В, 3.3В, 2.5В, 1.8В. Необходимость снижения напряжения питания вызвана многими причинами, основными из которых являются снижение потребляемой и выделяемой мощности, повышение быстродействия схем, уменьшение физических размеров транзисторов на кристалле интегральных микросхем.

Видно, что уровни схем с различным питанием не совместимы между собой. При этом их часто приходится использовать совместно в одной схеме. Например, электропитание микропроцессора может быть 5В, а питание подключенных к нему микросхем — 3.3В. И аналогов с иным питанием не производится! В таком случае добавляют специальные каскады/микросхемы преобразования уровней напряжения цифровых сигналов. Иногда эти каскады встроены в микропроцессоры. Иногда удается добиться частичной совместимости уровней, например, микросхема с питанием 3.3В допускает подключение к ней входных сигналов с напряжением до 5В с корректным распознаванием ВЫСОКОГО и НИЗКОГО уровней. Обратного подключения может не допускаться, например выходов «3.3В» ко входам «5В».
Нужно отметить, что так как любое совместное использование схем с различными уровнями напряжений это потенциальный источник ошибок и часто причина усложнения схемы, то, без особой необходимости, стараются не делать смешанных схем.

Нагрузочная способность (коэффициент разветвления по выходу)

Нагрузочная способность выхода цифровой схемы показывает, какое количество входов цифровых схем может быть подключено к данному выходу без перегрузки выходных каскадов и без искажения уровней цифрового сигнала для входов. Нагрузочная способность зависит и устанавливается для пары типов «выход-вход». Например, для выхода типа X устанавливается количество подключаемых входов типа У и количество подключаемых входов типа Z и т.п. Нагрузочная способность может различаться для уровней ВЫСОКИЙ и НИЗКИЙ, но обычно указывается только одно — меньшее значение.
Типовая нагрузочная способность — 20 входов того же типа, что и выход. Если к выходу одного типа подключены входы другого типа, то соотношение изменяется.
Ниже перечислены отрицательные последствия перегрузки выходов:
— Выходное напряжение НИЗКОГО уровня может превысить Ивх.О.макс. и НИЗКИЙ уровень будет определен как ВЫСОКИЙ;
— Выходное напряжение ВЫСОКОГО уровня может быть ниже ИвхЛ.мин. и ВЫСОКИЙ уровень будет определен как НИЗКИЙ;
— Время изменения уровня с НИЗКОГО на ВЫСОКИЙ и обратно превышает значение, допустимое спецификацией данной схемы;
— Задержка распространения сигнала через схему превышает значение, допустимое спецификацией данной схемы;
— Перегрев элементов схемы из-за повышенного тепловыделения, возникающего из-за перегрузки. В результате может возникнуть изменение параметров схемы (уровней напряжения, нагрузочных способностей, параметров быстродействия) или физическая порча перегретых элементов.

Длительность переключения состояния

В идеальном случае ВСЕ выходы цифровой схемы или ее элемента изменяют свое состояние мгновенно и одновременно. Однако реальные выходы не могут моментально переключиться с ВЫСОКОГО на НИЗКИЙ уровень и наоборот: необходимо время на перезаряд паразитных емкостей элементов цифровой схемы или емкостей и индуктивностей проводников на плате. В итоге на рисунке идеальный сигнал (a) приобретает реальную форму (с). Условное изображение на временных диаграммах «постепенного перехода» выхода цифровой схемы из состояния в состояние показано на (b).
Время перехода с НИЗКОГО уровня в ВЫСОКИЙ (Tr) называют «длительностью положительного фронта», иногда просто «длительность фронта», или rise time. Время перехода с ВЫСОКОГО уровня в НИЗКИЙ (Tf) называют «длительностью отрицательного фронта», или «длительностью спада», или fall time. Эти времена обычно близкие по значению, но немного различаются у выходов цифровых схем. Для различных типов выходов (ТТЛ, КМОП и других) эти времена могут различаться в разы. Длительности переходов возрастают при подключении большего числа входов к выходу. Это объясняется, в основном, ростом значения емкости, подключенной к выходу за счет входных емкостей входов. Для наиболее распространенных на сегодня типа КМОП длительности переходов находятся в пределах 5-10 ns для типового числа подключенных входов. Для быстродействующих каскадов «внутри» СБИС процессоров, памяти и т.п. это время уменьшается до десятых — сотых наносекунды.

Задержка перехода является отрицательным фактором функционирования цифровых схем и, наряду с задержкой распространения сигнала, значительно усложняет их разработку. Основные причины этого:
— нахождение выхода в неопределенном состоянии приводит к возможности некорректного срабатывания входа, причем многократного;
— рассинхронизация в работе элелементов/частей цифровых схем;
— повышенное энергопотребление во время нахождения в неопределенном состоянии.

Задержка распространения сигналов.

Задержкой распространения сигнала через элемент (propagation delay, tp) называют время между фронтом (перепадом) цифрового сигнала на входе элемента и вызванным им (входным фронтом) перепадом сигнала на выходе элемента. Задержка распространения вызвана временем срабатывания транзисторных ключей внутри элемента. Она будет больше, чем больше количество таких ключей по пути распространения сигнала внутри элемента, т.е. количество последовательных каскадов. Задержка распространения может быть разной для перепада на выходе с НИЗКОГО на ВЫСОКИЙ уровень (tpLH) и для перепада с ВЫСОКОГО в НИЗКИЙ уровень (tpHL).

Какой сигнал называют дискретным? Дискретизация сигналов и функций

Дискретные сигналы применяются во многих современных информационных и управляющих системах. Давайте разберемся, что это такое.

Определение дискретного сигнала

Дискретным называют сигнал, который принимает значения только в определенные моменты времени. В отличие от аналогового сигнала, который непрерывно изменяется, дискретный сигнал как бы «прерывистый».

Например, дискретным является сигнал от датчика состояния реле — он может принимать только два фиксированных значения: «включено» или «выключено».

Дискретный сигнал часто получают путем дискретизации аналогового сигнала, то есть разбиения его на отдельные отсчеты с фиксированным интервалом.

По сравнению с аналоговыми, дискретные сигналы обладают следующими особенностями:

• Меньший динамический диапазон из-за конечного числа уровней
• Возможность цифровой обработки и передачи без потерь
• Необходимость предварительного кодирования при передаче

Виды дискретных сигналов

Различают несколько основных типов дискретных сигналов:

1. Бинарные сигналы — принимают только два фиксированных значения, обычно 0 и 1.
2. Импульсные сигналы — последовательности импульсов разной длительности и амплитуды.
3. Цифровые сигналы — дополнительно квантованы по уровню, могут быть представлены последовательностью чисел.

На практике чаще всего применяют именно цифровые дискретные сигналы, так как они удобны для записи, хранения и обработки с помощью вычислительной техники.

Принцип дискретизации сигналов

Переход от аналогового сигнала к дискретному осуществляется в два этапа:

1. Дискретизация по времени — с заданным интервалом отбираются отсчеты (samples)
2. Квантование по уровню — каждый отсчет округляется до ближайшего значения в соответствии с выбранным количеством уровней

При этом всегда теряется часть информации об исходном аналоговом сигнале. Однако путем увеличения частоты дискретизации и разрядности квантования можно добиться сколь угодно высокой точности.

Например, для качественной оцифровки звука используют частоту дискретизации 44100 Гц и 16 бит на отсчет.

Дискретизация функций

Помимо сигналов, дискретизации могут подвергаться и функции.

Любую непрерывную функцию можно разложить в ряд Фурье — представить как сумму гармонических колебаний различных частот. Если взять только конечное число слагаемых, получим дискретный набор гармоник, апроксимация исходной функции.

Аналогично работает дискретное преобразование Фурье — один из основных способов анализа дискретных сигналов и изображений в частотной области.

АЦП и ЦАП для дискретизации

Для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и обратно используются специальные устройства:

• АЦП (аналого-цифровой преобразователь)
• ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь)

Они выполняют соответственно оцифровку аналоговых сигналов и генерацию аналогового сигнала по его цифровому представлению.

Типы АЦП и ЦАП

Существует множество разновидностей АЦП и ЦАП, отличающихся принципом работы, быстродействием, точностью.

• Последовательного приближения
• Параллельного преобразования
• Сигма-дельта модуляции

Выбор конкретного типа зависит от требований к системе.

Области применения дискретных сигналов

Благодаря своим преимуществам при обработке и передаче, дискретные сигналы широко используются во многих областях:

• Цифровые системы связи. Передача речи, звука, видео в цифровом виде позволяет добиться высокого качества при минимальных искажениях.
• Системы автоматического управления. Дискретные датчики и исполнительные механизмы управляются импульсными сигналами от микроконтроллеров и ПЛК.
• Ввод и вывод дискретных сигналов. Для интеграции дискретных устройств в системы управления используется специальная периферия:
• Датчики дискретных сигналов. Формируют стандартный выходной сигнал, например «сухой контакт» или импульс определенной длительности при наступлении какого-либо события.
• Исполнительные устройства. Получают импульсный сигнал управления и совершают заданное действие — включают реле, открывают заслонку и т.д.

Протоколы и интерфейсы

Для передачи дискретных сигналов между устройствами используются различные промышленные протоколы и интерфейсы:

• RS-485, CAN, Modbus
• DALI, DMX512 в системах освещения
• HART в измерительных преобразователях

Они позволяют надежно передавать последовательности дискретных команд и данных на большие расстояния со скоростью до 100 Мбит/с.

ЭМС дискретных цепей

Важный аспект при передаче дискретных сигналов — обеспечение электромагнитной совместимости, то есть защита от наводок и помех.

Для этого применяют:

• Экранированные кабели
• Фильтры и специальные драйверы линий
• Гальваническую развязку

Моделирование дискретных систем

Дискретные системы также активно используются в моделировании и проектировании сложных технических объектов.

Математические модели

Дискретным называют сигнал, который описывается конечным набором состояний и правил перехода между ними. Это позволяет строить компактные математические модели.

Имитационное моделирование

С помощью языков типа Verilog и VHDL моделируется поведение цифровых электронных схем, работающих на основе дискретных сигналов.

Это дает возможность тестировать и отлаживать функционирование схем до их физической реализации.

Верификация моделей

Для проверки адекватности моделей дискретных систем проводится сравнение результатов моделирования с данными натурных или полунатурных испытаний.

Это позволяет убедиться, что модель правильно воспроизводит реальное поведение системы.

Анализ дискретных систем

Моделирование позволяет глубоко проанализировать свойства и поведение дискретных систем.

В частности, оценить:

• Быстродействие
• Точность
• Устойчивость
• Чувствительность к внешним воздействиям

По результатам анализа моделей разрабатываются методы повышения надежности и эффективности дискретных систем управления.

Проектирование дискретных регуляторов

Синтез параметров регуляторов на основе дискретных сигналов также во многом опирается на математическое моделирование.

Это позволяет получать высокоточные импульсные регуляторы для систем автоматизации без проведения натурных экспериментов.

Внедрение цифровых систем управления

Благодаря активному применению моделирования, современные предприятия все чаще внедряют дискретные системы вместо аналоговых.

Это обеспечивает гибкость, высокое быстродействие и точность управления технологическими процессами.

Разработка кода цифровых устройств

Дискретные сигналы, в отличие от аналоговых, позволяют передать логику работы устройства в виде программного кода.

Например, на языках описания аппаратуры (HDL) можно смоделировать и разработать сложную цифровую схему, полностью оперирующую дискретными сигналами, не прибегая к натурным испытаниям.

А затем этот код будет напрямую использован при конфигурировании ПЛИС или заказе специализированной микросхемы.

Автоматизация проектирования

Это позволяет выполнять проектирование и тестирование дискретных электронных устройств в автоматизированном режиме с использованием программных инструментов.

• Системы автоматизированного проектирования (САПР)
• Программы симуляции и отладки

Перспективы развития

Ожидается, что благодаря прогрессу вычислительных мощностей моделирование дискретных систем выйдет на новый уровень.

В будущем компьютерная симуляция будет во многом заменять натурную отладку сложных дискретных устройств на всех этапах их жизненного цикла.

Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы

Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы — это три разных вида сигналов, которые используются для передачи и обработки информации. Они отличаются по способу представления данных, физическим свойствам и применению в различных областях.

Любая физическая величина по характеру изменения ее значения может быть постоянной (если она имеет только одно фиксированное значение), дискретной (если она может иметь два или более фиксированных значений), или аналоговой (если она может иметь бесчисленное множество значений). Все эти величины могут быть преобразованы в цифровую форму.

Аналоговые сигналы

Аналоговым (т. е. непрерывно меняющимся во времени) называется такой сигнал, который может быть представлен непрерывной линией из множества значений, определенных в каждый момент времени относительно временной оси.

Значения аналогового сигнала произвольны в каждый момент времени, поэтому он может быть в принципе представлен как некая непрерывная функция (зависящая от времени как от переменной) либо как кусочно-непрерывная функция времени.

Непрерывные сигналы генерируются непрерывными процессами и системами. Это, например, ЭЭГ – возникает из-за электрической активности головного мозга, ЭКГ – вырабатывается электрической активностью сердца, выход датчика, например такого как датчик частоты вращения — тахогенератор и т.п.

Аналоговым сигналом можно назвать, например, звуковой сигнал, генерируемый обмоткой электромагнитного микрофона или ламповым акустическим усилителем, поскольку такой сигнал непрерывен и его значения (напряжение или ток) сильно отличаются друг от друга в каждый момент времени.

На приведенном ниже рисунке изображен пример подобного рода аналогового сигнала.

Аналоговые величины могу иметь бесконечное множество значений в определенных пределах. Они непрерывны и их значения не могут изменяться скачками.

Пример аналогового сигнала: термопара передает в аналоговом виде значение температуры в программируемый логический контроллер, который управляет с помощью твердотельного реле температурой в электрической печи.

Любой аналоговый сигнал может быть представлен в виде соответствующего ему цифрового эквивалента, при этом точность представления зависит от количества разрядов эквивалентного числа.

Для обработки аналоговых сигналов применяются логические элементы.

По физическому признаку различают потенциальный и импульсный способ представления переменных в логических элементах. В потенциальных элементах высокий потенциал соответствует логической единице (1), низкий потенциал — нулю (0). Потенциалы могут быть как положительными так и отрицательными. При импульсном способе представлении чисел наличие импульса — состояние 1, отсутствие его — 0.

Для взаимодействия электронных устройств, обрабатывающих аналоговые сигналы с устройствами, оперирующими двоичными (цифровыми) сигналами, применяют цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.

Дискретные сигналы

Если некий сигнал принимает произвольные значения лишь в отдельные моменты времени, то такой сигнал называют дискретным. Чаще всего на практике применяются дискретные сигналы, распределенные по равномерной временной решетке, шаг которой называется интервалом дискретизации.

Дискретный сигнал принимает определенные не нулевые значения лишь в моменты дискретизации, то есть он является не непрерывным в отличие от аналогового сигнала. Если из звукового сигнала вырезать небольшие кусочки определенного размера через равные интервалы, такой сигнал можно будет назвать дискретным.

Дискретный сигнал состоит из последовательности выборок, которая в общем случае может принимать любое значение. Этот сигнал обычно создается путем дискретизации аналогового сигнала.

Ниже приведен пример формирования подобного дискретного сигнала с интервалом дискретизации Т. Обратите внимание, что квантуется лишь интервал дискретизации, но не сами значения сигнала.

Дискретные сигналы имеют два и более фиксированных значений (количество их значений всегда выражается целыми числами).

Пример простого дискретного сигнала на два значения: срабатывание путевого выключателя (переключение контактов выключателя в определенном положении механизма). Сигнал с путевого выключателя может быть получен только в двух вариантах — контакт разомкнут (нет действия, нет напряжения) и контакт замкнут (есть действие, есть напряжение).

В отечественной литературе переключательные устройства называются также «дискретными», «логическими», «устройствами релейного действия» или «релейными устройствами».

Преимущества дискретных устройств обусловлены во многом тем, что их элементы достаточно просты и надежны. В большинстве случаев они имеют всего два различных состояния: включено — выключено (реле), открыт — заперт (транзистор) и т. д.

Такие элементы могут формировать или перерабатывать сигналы, обладающие только двумя значениями: одно значение сигнала связано с одним состоянием элемента, второе — со вторым. Поэтому часто под названием «дискретный сигнал» подразумевают сигнал с двумя значениями. Физически это означает, что сигнал имеет импульсный характер: высший уровень — одно значение, низший — другое. Обычно эти уровни обозначаются 1 и 0.

Цифровые сигналы

Когда дискретный сигнал принимает только какие-то фиксированные значения (которые могут быть расположены по сетке с определенным шагом), такие что они могут быть представлены как количество квантовых величин, такой дискретный сигнал называется цифровым.

То есть цифровой сигнал — это такой дискретный сигнал, который квантован не только по промежуткам времени, но и по уровню.

Последовательности импульсов представляют последовательности цифр и могут рассматриваться как двоичные числа. Поэтому их называют цифровыми, а связанные с ними методы обработки таких сигналов и соответствующие устройства и системы также называются цифровыми.

Цифровой сигнал — это сигнал, который дискретизируется и впоследствии квантуется. Он состоит из последовательности выборок, которые могут принимать только ограниченное число значений, поэтому его можно представить последовательностью целых чисел.

Информация всегда теряется при преобразовании аналогового сигнала в цифровой (как при дискретизации, так и при квантовании). Однако, увеличивая частоту дискретизации и количество уровней квантования, можно приблизиться к исходному сигналу со сколь угодно малым отклонением.

Например, каждый из двух стереоканалов записи аудио компакт-диска может быть представлен как последовательность из 44 100 шестнадцатибитных чисел в секунду, а цифровой телефонный сигнал в ISDN в виде последовательности 8000 восьмибитных чисел в секунду.

Практически дискретные и цифровые сигналы в ряде задач отождествляются, и могут быть легко заданы в форме отсчетов с помощью вычислительного устройства.

В отечественной литературе по отношению к описанным сигналам, устройствам и системам используется чаще термин «дискретные». Термин «цифровые» используется реже. Это оправдано тем, что по смыслу последний термин лучше относить к конкретным приборам с цифровым отсчетом (цифровым вольтметрам, амперметрам и т. п.).

Аналоговые сигналы должны быть преобразованы в цифровой формат, прежде чем они могут быть интерпрети рованы микропроцессором.

На рисунке приведен пример формирования цифрового сигнала на базе аналогового. Обратите внимание, что значения цифрового сигнала не могут принимать промежуточных значений, а только определенные — целое количество вертикальных шагов сетки.

Цифровой сигнал легко записывается и перезаписывается в память вычислительных устройств, просто считывается и копируется без потери точности, тогда как перезапись аналогового сигнала всегда сопряжена с утратой некоторой, пусть и незначительной, части информации.

Обработка цифровых сигналов позволяет получать устройства с очень высокими характеристиками благодаря выполнению вычислительных операций совершенно без потерь качества, либо с пренебрежимо малыми потерями.

В силу этих достоинств, именно цифровые сигналы повсеместно распространены сегодня в системах хранения и обработки данных. Вся современная память — цифровая. Аналоговые носители информации (такие, как пленочные кассеты и т.д.) давно ушли в прошлое.

Аналоговый и цифровой приборы для измерения напряжения:

Но даже у цифровых сигналов есть свои недостатки. Их невозможно передать напрямую как есть, ибо передача обычно реализуется посредством непрерывных электромагнитных волн. Поэтому при передаче и приеме цифровых сигналов необходимо прибегать к дополнительной модуляции и аналого-цифровому преобразованию.

Меньший динамический диапазон цифровых сигналов (отношение наибольшего значения к наименьшему), обусловленный квантованностью значений по сетке, является еще одним их недостатком.

Существуют и такие области, где аналоговые сигналы незаменимы. Например, аналоговый звук никогда не сравнится с цифровым, поэтому ламповые усилители и пластинки до сих пор не выходят из моды, несмотря на обилие цифровых форматов записи звука с самой высокой частотой дискретизации.

Присоединяйтесь к нашему каналу в Telegram «Автоматика и робототехника»! Узнавайте первыми о захватывающих новостях и увлекательных фактах из мира автоматизации: Автоматика и робототехника в Telegram

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Дискретный и непрерывный сигнал — это что такое?

Непрерывный и дискретный сигналы являются фундаментальными понятиями в области передачи и обработки информации. Понимание их сущности крайне важно для специалистов в сфере информационных технологий.

Определение непрерывного сигнала

Непрерывный сигнал это сигнал, который может принимать любые значения внутри заданного диапазона. То есть он определен в каждый момент времени и изменяется плавно, без разрывов.

Математически непрерывный сигнал можно представить в виде непрерывной функции. Например, синусоидальные колебания электрического тока или напряжения являются непрерывными сигналами.

Непрерывный сигнал это сигнал, который никогда не прекращается (по-другому он называется аналоговый сигнал).

К непрерывным сигналам относятся:

• звуковые сигналы (речь, музыка)
• видеосигналы
• показания аналоговых измерительных приборов (например, ртутного термометра)

Определение дискретного сигнала

Дискретный сигнал это сигнал, который принимает значения только в определенные моменты времени. Между этими моментами сигнал как бы «заморожен».

То есть дискретный сигнал определен не в каждый момент времени, а дискретно, с некоторым интервалом.

В отличие от непрерывного, дискретный сигнал может принимать значения только из заранее заданного конечного множества.

Дискретным сигналом называется сигнал прерывный, отсюда и название discretus или разделенный.

К дискретным сигналам относятся:

• текстовая и числовая информация
• показания цифровых часов
• коды команд в вычислительных машинах

Примеры одновременно непрерывных и дискретных сигналов:

• показания осциллографа (непрерывное изменение сигнала во времени и дискретные отсчеты по осям)
• кодированная речь в цифровых системах связи (непрерывный аналоговый сигнал преобразуется в дискретный цифровой код)

Преимущества и недостатки непрерывных сигналов

Главное преимущество непрерывных сигналов в том, что они наиболее полно и точно описывают большинство процессов в природе и технике:

• Естественные физические процессы, как правило, аналоговые и описываются непрерывными функциями
• Непрерывные сигналы обеспечивают высокую точность представления информации при условии достаточно частого отсчета значений

Однако у непрерывных сигналов есть и недостатки:

• Они подвержены искажениям и шумам при передаче и обработке
• Требуют использования аналоговых устройств, которые сложнее и дороже цифровых
• Имеют ограничения по дальности и скорости передачи

Преимущества и недостатки дискретных сигналов

Дискретные сигналы обладают следующими достоинствами:

• Высокая помехоустойчивость при передаче за счет цифрового кодирования
• Возможность передачи на большие расстояния и с большими скоростями
• Простота обработки и хранения дискретной информации с помощью цифровых устройств

К недостаткам дискретных сигналов относятся:

• Потеря части информации при переходе от непрерывных сигналов к дискретным (при дискретизации)
• Бóльшие объемы данных по сравнению с аналоговыми при высокой точности представления

Преобразование непрерывных сигналов в дискретные

Непрерывные сигналы преобразуются в дискретные с помощью процесса, называемого дискретизацией или оцифровкой сигналов.

Дискретизация включает два этапа:

1. Выборочный отсчет мгновенных значений непрерывного сигнала через равные промежутки времени
2. Квантование — округление полученных отсчетов до ближайшего уровня в числовом ряду с заранее заданным шагом

При правильном выборе частоты дискретизации и шага квантования можно с высокой точностью представить исходный аналоговый сигнал в цифровом виде.

Обратным преобразованием занимаются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

Аналоговый сигнал	→	Дискретизация и квантование	→	Дискретный (оцифрованный) сигнал
Дискретный сигнал	←	ЦАП	←	Аналоговый сигнал

Благодаря процессам дискретизации и обратного преобразования становится возможной цифровая обработка изначально аналоговых данных (звука, изображений) с помощью компьютеров и других цифровых устройств.

Области применения непрерывных и дискретных сигналов

Непрерывные и дискретные сигналы находят широкое применение в различных областях науки и техники.

Непрерывные сигналы чаще всего используются в:

• Аналоговой связи
• Измерительных приборах
• Бытовой радиоэлектронной аппаратуре

Приведите примеры непрерывных сигналов:

• Аналоговое радиовещание
• Показания вольтметра
• Звук в магнитофонах и проигрывателях виниловых пластинок

Дискретные сигналы используются в таких областях, как:

• Цифровая связь и компьютерные сети
• Цифровая бытовая техника
• Измерительные комплексы с цифровой обработкой данных

Приведите примеры дискретных сигналов:

• Передача данных по оптоволокну
• Показания цифровых часов
• Видеосигнал в цифровых фото- и видеокамерах

Сравнение непрерывных и дискретных сигналов

Чем отличается непрерывный сигнал от дискретного? Давайте сравним их основные характеристики:

Характеристика	Непрерывный сигнал	Дискретный сигнал
Определение во времени	Определен в любой момент	Определен в отдельные моменты
Множество значений	Любые значения из диапазона	Конечный набор значений
Представление	Непрерывная функция	Дискретная функция или ряд отсчетов
Помехоустойчивость	Низкая	Высокая

Как видно из сравнения, эти два типа сигналов существенно отличаются друг от друга.

Цифровые системы передачи информации

В настоящее время происходит быстрый переход от аналоговых способов передачи информации к цифровым.

• Высокое качество передачи за счет помехоустойчивого кодирования
• Возможность передачи разных видов информации по одному каналу
• Лучшая защита от несанкционированного доступа

Основные этапы обработки информации в цифровых системах связи:

1. Дискретизация и квантование непрерывных аналоговых сигналов
2. Цифровое кодирование и модуляция дискретных сигналов
3. Передача закодированных сообщений
4. Прием, декодирование и цифро-аналоговое преобразование сигналов

Преимущества цифровых методов передачи информации

По сравнению с аналоговыми способами, цифровые методы обладают следующими преимуществами:

• Высокое качество сигнала при передаче благодаря устойчивости к шумам
• Возможность сжатия информации без потери качества
• Гибкость — возможность передавать разные типы данных (текст, аудио, видео)
• Высокая скорость передачи данных по каналам связи
• Удобство цифрового хранения и обработки информации

Эти качества цифровых сигналов обусловили повсеместный переход от аналоговых технологий к цифровым в области телекоммуникаций и связи.

Недостатки использования дискретных сигналов

При всех достоинствах у дискретных сигналов есть и определенные недостатки:

• Сложность реализации высококачественного аналого-цифрового преобразования сигналов
• Большой объем данных при высоком качестве представления информации
• Необходимость сжатия цифровых данных для передачи и хранения

Кроме того, некоторые эксперты считают, что в ряде случаев аналоговая передача обеспечивает более естественное звучание, чем цифровая.

Перспективы развития методов передачи информации

Можно предположить следующие направления совершенствования способов передачи информации:

• Разработка новых высокоэффективных алгоритмов сжатия цифровых данных
• Создание аналого-цифровых преобразователей нового поколения
• Увеличение пропускной способности и скорости передачи по каналам связи
• Развитие комплексных цифровых систем, включающих передачу, обработку и хранение разнородной информации

Реализация этих инноваций позволит сделать цифровые методы передачи данных еще более универсальными и эффективными.

Особенности сигналов

Непрерывные и дискретные сигналы имеют свои особенности и области наиболее эффективного применения. Постепенный переход к цифровым методам обработки и передачи информации обусловлен их высокой помехоустойчивостью и универсальностью. Однако аналоговая форма представления данных также сохраняет актуальность в ряде задач.

Дальнейшее развитие методов передачи информации будет, скорее всего, связано с совершенствованием цифровых технологий, несмотря на отдельные присущие им недостатки.