Электрические сигналы и их виды

"Эй, чувак, дай сигнал, если что-то пойдет не так". Очень часто эту фразу можно услышать в фильмах. Посигналить, дать сигнал, сигнал из космоса и тд. Что же такое "сигнал"?

По идее, это что-то такое, что можно передать через пространство и время. Регулировщик на перекрестке подает сигналы и водители едут в соответствии с этими сигналами, иначе их несоблюдение приведет к аварии. Сигналы-жесты очень часто также используют войска спецназа. Итак, какие условия должны быть, чтоб назвать сигнал "сигналом"?

1) Сигнал должен кем-либо создаваться (генерироваться).

2) Должен быть кто-то, для кого предназначен этот сигнал.

3) Этот кто-то должен принять этот сигнал и сделать для себя какие-либо выводы, то есть правильно трактовать сигнал.

Окунемся в Дикий Запад.

Думаю, не секрет, что индейцы разжигали костер, и дым от костра использовался для передачи сигнала. Значит, в нашем случае костер - генератор сигнала. Первый пункт работает). Для кого же был предназначен дым от костра? Для ковбоев? Конечно же нет! Для своих же - индейцев. Значит, работает пункт два ;-). Ну ладно, вы увидели два столба дыма, возвышающихся  в небо. Вам это что-то говорит? Кто-то наверное жарит шашлыки? Но если вы подойдете к этим кострам, то шашлык сделают именно из вас). Для индейцев эти два  столба дыма означали, что их отряд благополучно поохотился на ковбоев ;-). Ну вот и выполнилось третье правило ;-)

Но что же из себя представляет электрический сигнал? Терзают меня смутные сомнения, что где-то здесь замешан электрический ток :-).Чем характеризуется электрический ток? Ну конечно же,  напряжением  и силой тока. Самое примечательное, что электрический ток очень удобно передавать через пространство с помощью проводов. Хотя и электроны в проводочке движутся со скоростью всего несколько миллиметров в секунду, электрические поле охватывает весь проводочек со скоростью света! А как вы помните, скорость света равна 300 000 километров в секунду! Поэтому, электрон на другом конце проводочка практически сразу приходит в движение.

ОК, чтобы передать сигнал через пространство, будем использовать провода. Какие должны быть условия, чтобы сигнал назывался "сигналом"?  Первым делом, нам нужен генератор этих сигналов! То есть это может быть какая-либо батарея или схемка, которая бы генерировала  электрический ток. Далее, должен быть кто-то, кто бы принимал этот сигнал. Это может быть какая-нибудь нагрузка, типа лампочки, нагревашки или целой схемы, которая бы принимала этот сигнал. Ну и в-третьих, нагрузка должна как-то среагировать на этот сигнал. Лампочка должна источать свет, нагревашка - греться, а схема исполнять какую-либо функцию.

Как вы поняли из всего выше сказанного, главный козырь сигнала - это его генератор. Итак, как мы уже разобрали, по проводам можно передавать два параметра электрического тока - это напряжение и сила тока. То есть мы можем создать  генератор, который бы менял или свое напряжение или силу тока в нагрузке, которая бы цеплялась через провода к этому генератору. В основном в электронике используют именно параметр напряжение, так как его легко получать и менять.

Как я уже сказал, сигнал передается во времени и в пространстве. То есть время - важный параметр для электрического сигнала. Сейчас нам придется немного попотеть и вспомнить курс математики и физики за среднюю школу. Вспоминаем декартову систему координат. Как вы помните, по вертикали мы откладывали ось Y, по горизонтали Х:

В электронике и электротехнике по Х мы откладываем время, назовем его буквой t, а по вертикали мы отложим напряжение, обозначим его буквой U. В  результате наша система координат будет выглядеть вот таким образом:

Прибор, который показывает нам напряжение во времени называется осциллографом, а график этого напряжения называется осциллограммой. Осциллограф может быть цифровым:

или аналоговым:

Какой же электрический сигнал является самым простым сигналом в электронике? Я думаю, это сигнал постоянного тока. А что значит постоянный ток? Это ток, значение которого не меняется с течением времени. А так как мы рассматриваем в основном параметр "напряжение", то значит, сигнал постоянного тока представляет из себя какое-либо значение напряжения, которое не меняется со временем. Как же он выглядит на нашем графике? Примерно вот так:

Здесь мы видим сигнал постоянного тока в 3 Вольта.

По вертикали у нас напряжение в Вольтах, а по горизонтали -  ну, скажем, в секундах. Постоянный ток в течение времени всегда имеет одно и то же значение напряжения, поэтому неважно, в секундах или в часах у нас идет отсчет по времени. Напряжение ни прыгнуло, ни упало. Оно как было 3 Вольта, так и осталось. То есть можно сказать, что сигнал постоянного тока представляет из себя прямую линию, параллельную оси времени t.

Вот так выглядит сигнал постоянного тока "вживую":

Какие же генераторы могут выдать такой сигнал постоянного напряжения?

Это, конечно же различные батарейки

аккумуляторы для мобильного телефона

для ноутбука

автоаккумуляторы

и другие химические источники тока.

В лабораторных условиях проще получить постоянное напряжение из переменного. Прибор, который это умеет делать, называется лабораторным блоком питания постоянного напряжения.

А что будет, если напряжение будет принимать хаотическое значение? Получится что-то типа этого:

Такая бяка тоже называется сигналом, и такой сигнал называется шумом.

Думаю, некоторые из вас впервые видят  осциллограмму шума, но я уверен на 100%, что все слышали звучание этого сигнала ;-). Ну-ка нажмите на Play ;-)

Шипение радиоприемника или старого ТВ, не настроенного на станцию или на какой-нибудь канал - это и есть шум ;-) Как бы странно это не звучало,  но такой сигнал тоже очень часто используется в электронике. Например, можно собрать схемку глушака, который бы гасил все ТВ и радиоприемники в радиусе километра). То есть генерируем шумовой сигнал, усиливаем его и подаем в эфир ;-)

Все любят качаться на качелях?

Здесь мы видим девочку, которая с радостью на них качается. Но предположим, она не знает фишку, что можно раскачаться самой, вовремя сгибая и разгибая ноги. Поэтому пришел папа девочки и толкнул качельку с дочкой вперед.

Ниже на графике показан этот случай:

Как вы видите, траектория движения девочки во времени получилась очень забавной. Такой график движения носит название "синусоида". В электронике такой сигнал называют синусоидальным. Не будем углубляться в тригонометрию (я как и вы ненавижу алгебру и матан) просто скажу, что здесь замешан синус (sin). Вроде бы до боли самый простой график, но вы не поверите, именно на такой простой синусоиде строится вся электроника. 

Так как синусоидальный сигнал повторяет свою форму на протяжении всего времени, то его можно назвать периодическим. То есть вы периодически обедаете - периодами - равными отрезками времени. Тут то же самое. Этот сигнал периодически повторяется. Важные параметры периодических сигналов - это амплитуда, период и частота.

Амплитуда (A) - максимальное отклонение напряжения от нуля и до какого-то значения.

Период (T) - время, за которое сигнал снова повторяется. Замеряется в секундах. То есть если вы сегодня обедаете в 12:00, завтра тоже в такое же время, в 12:00, и послезавтра тоже в это же самое время, значит ваш обед идет с периодом в 24 часа. Все элементарно и просто ;-)

Частота (F) - это просто тупо единичка, поделенная на период, то есть

Замеряется в Герцах. Объясняется как "столько-то колебаний в секунду". Ну пока для начала хватит ;-).

Как я уже сказал, в электронике синусоида играет очень большую роль. Даже не надо далеко ходить. Достаточно сунуть паль... щупы осциллографа в свою домашнюю розетку, и можно уже наблюдать синусоидальный сигнал, частотой в 50 Герц и амплитудой в 310 Вольт ;-).

Очень часто в электронике используется и прямоугольный сигнал:

Прямоугольный сигнал на рисунке ниже, где время паузы и время длительности сигнала равны, называется меандром.

Близкие друзья синусоидального сигнала - это треугольный сигнал

У треугольного сигнала есть очень близкий кореш - это пилообразный сигнал

В электронике также используются сложные сигналы. Вот, например, один из них (я нарисовал его от балды):

Все эти сигналы относятся к периодическим сигналам, так как для них можно указать период, частоту следования и амплитуду самих сигналов:

Для сигналов, которые "пробивают пол", ну то есть могут иметь отрицательное значение напряжения, типа вот этих сигналов

кроме периода и амплитуды имеют еще один параметр. Называется он размах или двойная амплитуда. На буржуйском языке это звучит как amplitude Peak-to-peak, что в дословном переводе " амплитуда от пика до пика".

Вот двойная амплитуда для синусоиды:

а вот для треугольного сигнала:

Чаще всего обозначается как 2А, что говорит нам о том, что это двойная амплитуда сигнала ;-)

Также существуют сигналы, которые не подчиняются периодическому закону, но тоже играют немаловажную роль в электронике.

Импульсы - это те же самые сигналы, но они не поддаются периодическому закону, и меняют свое значение, в зависимости от ситуации.

Например, вот череда импульсов:

Каждый импульс имеет разную длительность по времени, поэтому мы не можем говорить о какой-то периодичности сигналов.

Также есть и звуковой сигнал

Хоть он и похож на белый шум, но несет информацию в виде звука. Если такой сигнал подать на динамическую головку, то можно услышать какую-либо запись.

В настоящее время электрические сигналы используются для передачи данных в цифровой электронике. Скорость передачи просто ошеломляющая! Это могут быть гигабайты информации в секунду. Ну и конечно же, используются очень сложные сигналы с большой частотой. А ведь когда то все начиналось с простой азбуки Морзе...

Читайте также