Лекция 2. Краткие сведения из физики

Классификация электронных устройств

 

По способу формирования и передачи сигналов электронные устройства делятся на два класса: аналоговые и дискретные.

Аналоговые электронные устройства(АУ) осуществляют прием, обработку и передачу электрических сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции, описывающей реальную физическую величину. Этой физической величине приводится в соответствие некоторый электрический параметр (аналог), например, напряжение, ток, частота, фаза. Отсюда и название – аналоговая электроника. Например, аналогами механических колебательных систем являются R-C-L-цепи. Постепенно электрические аналоги стали существовать как бы независимо от своих физических прототипов, но название осталось. Главное то, что функции аналоговой электроники – непрерывные функции.

Достоинства АУ: высокая точность (теоретическая) и быстродействие, простота устройства.

Недостатки: нестабильность параметров от температуры, времени (старение элементов схемы), внешних воздействий; искажения при передаче на большие расстояния, трудность хранения результата; низкая энергетическая эффективность.

Дискретные электронные устройства (ДУ) – осуществляют прием, обработку и передачу электрических сигналов, полученных дискретизацией (квантованием) исходной аналоговой функции. Квантование может быть по времени, по уровню, смешанное, т.е. по времени и уровню. В ДУ переход от аналогового сигнала к квантованному растянут во времени. В них используется только часть информации о реальной физической величине, частично информация теряется. Пример перевода аналогового сигнала в дискретный показан на рис. 1.1.

Основной недостаток ДУ – потеря части информации и более низкое быстродействие по сравнению с АУ.

Достоинства следующие:

1. Импульсная мощность может значительно превышать среднюю , где – скважность, т.е. отношение периода сигнала к его длительности . Более точно . Ясно, что может стремиться к .

2. В дискретных усилительных устройствах мощность, выделяемая в нагрузке, может существенно превышать мощность, выделяющуюся в усилительном элементе (в 10 – 20 раз). С точки зрения усилителей это отражается коэффициентом использования

 

.

3. ДУ более устойчива к дестабилизирующим факторам (температура и т.д.).

4. Выше помехоустойчивость. Например, при временном квантовании помеха может попасть между двумя моментами дискретизации и т.о. полностью отфильтроваться.

5. Схемотехника ДУ строится на значительно меньшем количестве базовых элементов, чем аналоговая. Отсюда простота, повышенная надежность, низкая стоимость и пр.

Дискретные электронные устройства по типу формирования сигнала из аналогового в дискретный подразделяются на импульсные, релейные и цифровые.

В импульсных устройствахосуществляется прием, преобразование, передача одиночных импульсов или импульсных последовательностей, а также с так называемыми радиоимпульсами, у которых модулируется: амплитуда – амплитудно-импульсная модуляция (АИМ); ширина (длительность) при неизменной амплитуде (широтно–импульсная модуляция ШИМ); фаза (фазо–импульсная модуляция ФИМ).

 

АИМ: f; ШИМ: f;

ФИМ: f; n – целое число.

Импульсные сигналы показаны на рис. 1.2.

Релейные импульсные устройства используют квантование по уровню (см. рис. 1.1в). В этих устройствах сохраняется непрерывность отображения информации. Они проще импульсных устройств (отсутствует модуляция), более быстродействующие. Релейные импульсные устройства основаны на преобразовании энергии. Они применяются в силовой электронике.

Цифровые электронные устройства.Они осуществляют квантование как по времени, так и по величине. Поэтому цифровой сигнал лишь приближенно соответствует аналоговому. Полученным дискретным значениям исходной величины ставится некоторое число. Это число затем переводится в другую систему исчисления, в двоичную, т.е. кодируется. Т.о. осуществляется процесс преобразования аналогового сигнала в двоичный код и последующая обработка в двоичном коде.

Недостатки: растянутость процесса во времени (больше, чем в ДУ предыдущих); малая точность отражения аналогового сигнала.

Достоинства: высокая помехоустойчивость, надежность, экономическая эффективность, возможность длительного хранения информации, энергетическая эффективность, высокая технологичность, совместимость с интегральной технологией и др.

Следует отметить, что подавляющее большинство электронных устройств являются твердотельными, использующими свойства полупроводников.