V priemysle av každodennom živote je bežné používanie rôznych typov prevodníkov signálu. Tieto zariadenia môžu byť prezentované v najširšom spektre modifikácií prispôsobených na riešenie problémov v rôznych oblastiach ekonomiky. Aké typy prevodníkov signálu možno pripísať najbežnejším? Aké by mohli byť vlastnosti ich prevádzky?
Aký je účel prevodníkov signálu?
Prevodníky signálu sú zariadenia, ktoré možno skutočne prezentovať v najširšom spektre riešení. Tento pojem je v skutočnosti spoločný a môže sa vzťahovať na zariadenia používané v rôznych segmentoch hospodárstva a klasifikované podľa úplne iných kritérií. Hlavné typy signálov, ktoré môžu príslušné zariadenia konvertovať, sú:
- elektrické;
- zvuk;
- teplota;
- technologický charakter.
V závislosti od úloh, ktorým používateľ prevodníka signálu čelí, môže štruktúra príslušného zariadenia kombinovať moduly, ktoré spracúvajú niekoľko rôznych typov údajov. Konverzia sa preto môže uskutočňovať v rámci jedného typu signálu (napríklad z jednej frekvencie na druhú) alebo môže ísť o mechanizmus, ktorý zahŕňa preklad medzi rôznymi kategóriami signálov. Napríklad elektrický zvuk.
Medzi najbežnejšie zariadenia patrí prevodník analógových signálov na digitálne (a naopak, ak to umožňuje štruktúra vnútorných modulov zariadenia). Zvážte vlastnosti jeho práce.
A/D prevodník
Príslušné zariadenie je navrhnuté tak, aby konvertovalo akýkoľvek analógový signál - napríklad reprezentovaný indikátormi napätia, do digitálnej podoby (umožňujúce napríklad zapísať zodpovedajúci signál do súboru).
Jedným z hlavných kritérií účinnosti uvažovaného zariadenia je kapacita výstupných dát. Jeho hodnota určuje pomer signálu k šumu.
Ďalším významným parametrom, ktorý charakterizuje kvalitu prevádzky takého zariadenia, akým je analógový prevodník, je rýchlosť tvorby výstupného signálu. Medzi zariadenia, ktoré poskytujú optimálny výkon, patria zariadenia paralelného typu. Tvoria veľké toky signálov pomocou potrebného počtu pinov. Táto vlastnosť fungovania zariadenia v mnohých prípadoch predurčuje uvoľnenie zodpovedajúcich meničov, ktoré sa vyznačujú veľkými rozmermi. Okrem toho môžu mať prevodníky analógového signálu pomerne vysokú úroveň spotreby energie. Avšak vzhľadom na účinnosťpri prevádzke týchto zariadení sa ich vlastnosti často nepovažujú za nedostatky.
Konverzia signálov z analógových na digitálne paralelné zariadenia je veľmi rýchla. Ak chcete poskytnúť ešte vyššiu rýchlosť pre príslušný typ zariadení, môžete pripojiť niekoľko zariadení, aby mohli postupne spracovávať toky signálu.
Alternatívou k paralelným riešeniam môžu byť prevodníky signálu sériového typu. Majú tendenciu byť menej produktívne, ale energeticky efektívnejšie. Ich použitie môže byť podmienené v prípadoch, keď ide o zabezpečenie prenosu signálov v rámci nízkokapacitnej infraštruktúry, alebo v prípade, že nie je potrebný vyšší konverzný pomer ako poskytujú sériové zariadenia.
Je možné poznamenať, že existujú zariadenia zmiešaného typu, ktoré kombinujú funkcie sériových a paralelných prevodníkov. V mnohých prípadoch sú najlepším riešením z hľadiska splnenia kritérií nákladov a výkonu.
Vyššie sme uviedli, že analógovo-digitálne prevodníky môžu obsahovať moduly, ktoré konvertujú digitálne signály na analógové. Existuje aj samostatná kategória zariadení zodpovedajúceho typu. Poďme študovať ich vlastnosti.
Digitálne-analógové prevodníky
Ak má používateľ napríklad televízor na analógový signál, tak jehoprevádzka bude možná po pripojení vhodnej antény. Alebo podlieha transformácii pôvodných signálov na analógové, ktoré tento televízor dokáže rozpoznať. Ich zdrojom môže byť zasa digitálna anténa. Alebo signál prijatý cez internet.
Príslušné zariadenie teda konvertuje signál obsahujúci digitálny kód na prúd, napätie alebo náboj, ktorý sa prenáša do analógových modulov na spracovanie. Konkrétne mechanizmy tejto transformácie závisia od typu počiatočných údajov. Napríklad, ak hovoríme o zvuku, potom na vstupe je zvyčajne prezentovaný v pulznej kódovej modulácii. Ak je zdrojový súbor komprimovaný, na konverziu signálov možno použiť špeciálne softvérové kodeky. Digitálna anténa zase zvyčajne prenáša signál na spracovanie hardvérovými metódami.
Zariadenia, ktoré obsahujú predmetné prevodníky, môžu byť doplnené modulmi na rôzne účely. Napríklad pri poskytovaní prehrávania televízneho vysielania možno okrem modulov, ktoré používa prevodník, použiť aj zosilňovač video signálu. V mnohých prípadoch je to potrebné na zabezpečenie vysokej kvality obrazu pri konverzii analógového signálu na digitálny. Ak potrebujete prenášať obrázky na veľkú vzdialenosť, používa sa aj zosilňovač video signálu.
Televízia nie je jedinou oblasťou aktívnej aplikácie predmetných zariadení. Zodpovedajúce konvertory sú zahrnuté napríklad v prehrávačoch CD,ktoré tiež konvertujú digitálny signál na analógový.
Ultrazvukové prevodníky
Ďalšou spoločnou kategóriou zariadení je ultrazvukový prevodník. Je možné poznamenať, že to môžu byť zariadenia, ktoré majú najširšiu škálu aplikácií, ako aj princípy fungovania. Medzi bežné druhy ultrazvukových meničov patrí ponorná jednotka, ktorá je určená na prenos ultrazvuku pri určitej frekvencii do vody alebo iného kvapalného média. Toto zariadenie je možné použiť napríklad na čistenie rôznych predmetov od nečistôt - ako súčasť vaní používaných na čistenie ultrazvukom.
Existujú ďalšie oblasti použitia uvažovaných zariadení. Ultrazvukový prevodník možno použiť na kontrolu integrity určitých štruktúr, spojení, na kontrolu poškodenia určitých predmetov.
Lineárne a pulzné prevodníky
Vzhľadom na vlastnosti použitia meničov bude užitočné venovať pozornosť klasifikácii, podľa ktorej sa delia na lineárne a impulzné. V skutočnosti tieto kritériá odrážajú dva najdôležitejšie princípy fungovania konvertorov.
Tie, ktoré sú lineárne, môžu pracovať na princípe analógových obvodov, v ktorých sa konvertované signály vytvárajú plynulým tempom. Impulzný prevodník predpokladá aktívnejšiu reprezentáciu signálov ako na výstupe, tak aj pri ich internom spracovaní. Avšak v prípade aktáto operácia sa vykonáva iba vo vnútornej fáze spracovania signálu, príslušné zariadenie môže generovať prakticky rovnaké indikátory ako v prípade použitia lineárneho prevodníka. Koncepciu lineárneho alebo pulzného spracovania možno teda uvažovať iba v kontexte princípu fungovania kľúčových hardvérových komponentov zariadenia zodpovedajúceho typu.
Impulzné prevodníky sa používajú hlavne v prípadoch, keď sa očakáva, že použitá infraštruktúra bude spracovávať signály s vysokým výkonom. Je to spôsobené tým, že účinnosť zodpovedajúcich zariadení je v takýchto prípadoch oveľa vyššia, ako keď sa používajú na spracovanie signálov s nižším výkonom. Ďalším faktorom pri výbere týchto riešení je použitie transformátorových alebo kondenzátorových zariadení ako súčasti použitej infraštruktúry, s ktorými sú pulzné meniče optimálne kompatibilné.
Lineárny prevodník je zase zariadenie, ktoré sa používa v rámci infraštruktúry, v ktorej sa vykonáva nízkoenergetické spracovanie signálu. Alebo ak je potrebné znížiť hluk vznikajúci pri prevádzke meniča. Stojí za zmienku, že účinnosť zvažovaných riešení vo vysokovýkonnej infraštruktúre nie je najvýraznejšia, preto tieto zariadenia najčastejšie vyžarujú väčšie množstvo tepla ako pulzné meniče. Navyše ich hmotnosť a rozmery sú tiež výrazne väčšie.
Ale tak či onak, v praxi môže prevádzka meniča podľa pulzného princípu zahŕňaťformovanie jeho prenosovej funkcie v lineárnej forme. Preto pred implementáciou vhodných kondicionérov signálu do infraštruktúry by sa mala zvážiť ich vnútorná štruktúra pre použitú schému spracovania signálu.
Meracie prevodníky
Ďalšou bežnou kategóriou riešení sú prevodníky. Aké sú ich vlastnosti? Merací prevodník je zariadenie, ktoré môže byť tiež prezentované vo veľkom množstve odrôd. Čo spája tieto zariadenia, je ich schopnosť merať a transformovať určité veličiny.
Je bežné uvažovať o prevádzkovej schéme meracích zariadení zodpovedajúceho typu, v ktorých sa signál spracováva v niekoľkých stupňoch. Najprv ju konvertor prijme, potom ju premení na hodnotu, ktorá sa dá merať, a potom ju premení na nejakú užitočnú energiu. Ak sa napríklad použije analógový merací prevodník prúdu, elektrická energia sa premení na mechanickú energiu.
Samozrejme, špecifické mechanizmy na aplikáciu vhodných riešení môžu byť prezentované v mimoriadne širokom rozsahu. Využívanie transformácií meraní na vedecké účely ako súčasti infraštruktúry na vykonávanie experimentov a výskumu je rozšírené. Väčšinu meracích prevodníkov spája ich prispôsobivosť v prvom rade na prácu s využitím normalizovaných charakteristík pri spracovaní alebo transformácii signálu. MôcťUpozorňujeme, že tieto špecifikácie nemusia byť vždy určené pre koncového užívateľa meniča. Ich aktivácia sa v mnohých prípadoch vykonáva v skrytom režime. Osoba pomocou vhodných prevodníkov signálu prijíma na výstupe iba požadovaný signál prispôsobený na použitie na rôzne účely.
Tieto riešenia sa teda spravidla nepoužívajú ako nezávislé typy infraštruktúry. Sú súčasťou zložitejších zariadení – napríklad systémov automatizácie merania vo výrobe. Meracie prevodníky sa najčastejšie zaraďujú do 2 hlavných skupín – primárne a stredné. Bude užitočné zvážiť špecifiká oboch.
Klasifikácia meracích prevodníkov: primárne a stredné riešenia
Zariadenia patriace do kategórie primárnych sa spravidla používajú ako snímače. To znamená, že sú to prevodníky, na ktoré priamo pôsobí jedna alebo druhá nameraná hodnota. Zostávajúce zariadenia sú klasifikované ako stredné. Sú umiestnené v meracej infraštruktúre hneď po prvých a môžu byť zodpovedné za veľké množstvo operácií súvisiacich s transformáciou. Aké konkrétne operácie môže vykonávať prevodník úrovne signálu zodpovedajúceho typu? Bežne sa označujú ako:
- meranie fyzikálnych ukazovateľov pre rôzne veličiny;
- rôzne transformácie mierky;
- transformácia digitálnych signálov na analógové a naopak;
- funkčné transformácie.
Všimnite si, že podobnéklasifikáciu možno považovať za podmienenú. Je to spôsobené predovšetkým skutočnosťou, že niekoľko primárnych prevodníkov môže byť umiestnených v rovnakom meracom prístroji. Ďalším dôvodom, prečo považovať klasifikáciu diskutovanú vyššie za podmienenú, je to, že v rôznych typoch infraštruktúry možno merania vykonávať podľa odlišných princípov.
Zosiľňovacie trubice
Ďalším typom zariadenia populárnym v rôznych odvetviach hospodárstva je elektrónka na zosilňovač obrazu. Rovnako ako iné typy zariadení diskutovaných vyššie, môže byť prezentovaný v širokej škále dizajnov. Elektrónovo-optické konvertory spája spoločný princíp činnosti: ide o premenu neviditeľného objektu - napríklad osvetleného infračerveným, ultrafialovým alebo napríklad röntgenovým žiarením, na viditeľné spektrum.
V tomto prípade sa zodpovedajúca operácia spravidla vykonáva v 2 etapách. V prvej fáze je neviditeľné žiarenie prijímané fotokatódou, po ktorej sa transformuje na elektronické signály. Ktoré sú už v druhej fáze prevedené na viditeľný obraz a zobrazené na obrazovke. Ak ide o počítačový monitor, signál môže byť vopred prevedený na digitálny kód.
Elektrónky zosilňovača sú riešenia, ktoré sa tradične zaraďujú do niekoľkých generácií. Medzi zariadenia súvisiace s prvým patrí sklenená vákuová banka. Obsahuje fotokatódu a anódu. Medzi nimi sa vytvára potenciálny rozdiel. Pri žiadosti oOptimálny menič napätia vo vnútri tvorí elektronickú šošovku schopnú sústrediť toky elektrónov.
Prevodníky druhej generácie majú moduly na zrýchlenie elektrónov, čo vedie k zvýšeniu jasu obrazu. Zariadenia tretej generácie využívajú materiály, ktoré umožňujú zvýšiť citlivosť fotokatódy ako kľúčového komponentu elektrónovo-optického konvertora viac ako 3-krát.
Funkcie odporových meničov
Ďalším bežným typom zariadenia sú odporové prevodníky. Zvážte ich vlastnosti podrobnejšie.
Tieto prevodníky sú prispôsobené na zmenu vlastného elektrického odporu pod vplyvom jednej alebo druhej meranej veličiny. Môžu tiež korigovať uhlový a lineárny pohyb. Najčastejšie sú tieto prevodníky súčasťou automatizačných systémov so snímačmi tlaku, teploty, úrovne osvetlenia a merania intenzity rôznych druhov žiarenia. Hlavné výhody odporových prevodníkov:
- spoľahlivosť;
- žiadny vzťah medzi presnosťou meraní a stabilitou napájacieho napätia.
Existuje veľké množstvo rôznych súvisiacich zariadení. Medzi najobľúbenejšie patria teplotné senzory. Poďme študovať ich vlastnosti.
Odporové teplotné senzory
Tieto prevodníky signálu majú komponenty, ktoré sú citlivé na zmeny okolitej teploty. Ak stúpa, ich odpor sa môže zvýšiť. Tieto zariadenia sa vyznačujú predovšetkým veľmi vysokou presnosťou. V niektorých prípadoch umožňujú meniť teplotu s presnosťou asi 0,026 stupňa Celzia. Tieto zariadenia obsahujú prvky vyrobené z platiny - v tomto prípade bude koeficient odporu nižší, alebo z medi.
Používanie odporových snímačov sa vyznačuje množstvom nuancií. Malo by sa teda vziať do úvahy, že vyššie hodnoty budiaceho prúdu dodávaného do snímača zvyšujú jeho teplotnú citlivosť, ale zároveň zahrievajú prvky zodpovedajúceho prevodníka. To v mnohých prípadoch spôsobuje zníženie jeho presnosti. Preto sa odporúča zabezpečiť optimálny výkon budiaceho prúdu s prihliadnutím na špecifické podmienky merania. Výpočet môže vziať napríklad tepelnú vodivosť média, v ktorom sa snímač používa – vzduchu alebo vody. Odporúčané indikátory pre budiace prúdy spravidla stanovujú výrobcovia snímačov zodpovedajúceho typu. Môžu sa však výrazne líšiť v závislosti od kovov použitých pri konštrukcii zariadení. Okrem toho pri použití predmetných snímačov je potrebné vziať do úvahy taký indikátor, ako je hraničná hodnota pre prevádzkový prúd. Zvyčajne to určuje aj výrobca.
Odporové snímače patria medzi najbežnejšie typy prevodníkov v domácnostiach. Je to do značnej miery spôsobené významnými technologickými výhodami mnohých ich odrôd. Napríklad, akhovorte o termistoroch - vyznačujú sa vysokou citlivosťou, kompaktnosťou, nízkou hmotnosťou. Vhodným typom snímačov je možné merať teplotu vzduchu v rôznych podmienkach. Ich výroba väčšinou nezahŕňa významné náklady. Je pravda, že termistory majú aj nevýhody - v prvom rade ide o vysoký stupeň nelinearity, v dôsledku čoho ich možno v praxi použiť v pomerne úzkych teplotných rozsahoch.
Zodpovedajúci typ prevodníkov signálu (ich typy a účel možno určiť na základe rôznych klasifikačných kritérií) sú široko používané v každodennom živote. Napríklad je bežné zahrnúť do svojho zloženia teplotné senzory obsahujúce platinové a medené prvky:
- vykurovacia infraštruktúra – na meranie teploty chladiacej kvapaliny v určitých častiach zariadenia, ako aj vo vykurovanej miestnosti;
- práčky - na meranie teploty vody a jej prispôsobenie rôznym programom prania;
- žehličky – podobne na zabezpečenie optimálnej teploty žehlenia v rámci konkrétneho režimu prevádzky;
- elektrické sporáky, ako aj iné typy zariadení na varenie - aj preto, aby sa zabezpečilo ich fungovanie pri aktivácii určitých užívateľských režimov.
Reostatové konvertory
Ďalším populárnym typom odporových zariadení sú konvertory reostatu. Ich princíp činnosti je založený na meraní elektrického odporujedného alebo druhého vodiča pod vplyvom vstupného posunu. V praxi tento prevodník obsahuje prvky, ktoré sú prispôsobené na pohyb vplyvom nameranej hodnoty. Najčastejšie sú príslušné zariadenia zahrnuté v napäťových deličoch alebo sa používajú ako integrálny prvok meracích mostíkov.
Ak hovoríme o výhodách, ktoré charakterizujú konvertory reostatu, potom medzi ne patria:
- žiadny reaktívny účinok na pohyblivé komponenty;
- vysoká účinnosť;
- malé rozmery, možnosť využitia v infraštruktúre fungujúcej na jednosmerný aj striedavý prúd.
Odporové meniče zodpovedajúceho typu zároveň nie sú vždy spoľahlivé a v mnohých prípadoch vyžadujú značné zdroje od podniku na udržanie funkčnosti.
