Παράμετροι αναλογικού και ψηφιακού σήματος
Αναλογικά και ψηφιακά σήματα
1.1 Γενικές αρχές ηλεκτρονικής
Σε κάθε χώρο που ζούμε και εργαζόμαστε έχουμε γύρω μας ηλεκτρονικές συσκευές. Το τηλέφωνο είναι σήμερα ηλεκτρονικό. Η τηλεόραση αποτελείται από ηλεκτρονικά κυκλώματα. Το video, το ΕΑΧ, ο ηλεκτρονικός υπολογιστής είναι μερικές από τις ηλεκτρονικές συσκευές που συναντάμε στην καθημερινή μας ζωή.
ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ονομάζεται ο κλάδος της επιστήμης και τεχνολογίας που ασχολείται με τις ηλεκτρονικές συσκευές και την χρήση τους.
Η Ηλεκτρονική πήρε το όνομα της από το ηλεκτρόνιο που είναι ο φορέας διάδοσης του ηλεκτρικού ρεύματος στις συσκευές αυτές. Στη σημερινή εποχή ο τεχνικός πρέπει απαραίτητα να γνωρίζει ηλεκτρονι¬κά, για να είναι σε θέση να λειτουργήσει, επισκευάσει, συντηρήσει και ρυθμίσει όλες αυτές τις ηλεκτρονικές συσκευές.
Οι ηλεκτρονικές συσκευές χωρίζονται σε οικιακές - καταναλωτικές όπως τηλεόραση, video, ενισχυτής, c.d. player, κ.λ.π. τηλεπικοινωνιακές όπως τηλέφωνα (ενσύρματα, ασύρματα, κινητά), τηλεομοιότυπα (ΕΑΧ), τηλεφωνητές, ραδιόφωνα αλλά και όργανα μέτρησης όπως βολτόμετρα, αμπερόμετρα, παλμογράφοι, βιοιατρικά όπως καρδιογράφοι, υπερηχογράφοι κ.λ.π. Στο σχήμα 1.1.1 φαίνονται ορισμένες ηλεκτρονικές συσκευές.
Σχήμα1.1.1 Ηλεκτρονικές συσκευές
Οι συσκευές αυτές αποτελούνται από ηλεκτρονικά εξαρτήματα που θα εξετάσουμε στα επόμενα κεφάλαια. Τα ηλεκτρονικά αυτά εξαρτήματα κατασκευάζονται είτε σε διακριτή μορφή, είτε σαν τμήματα ενός ενιαίου κυκλώματος με περισσότερα εξαρτήματα τα οποία τοποθετούνται στο ίδιο κέλυφος που ονομάζεται ολοκληρωμένο κύκλωμα (ο.κ.)
Οι βασικές αρχές της Ηλεκτρονικής, που είναι στην ουσία εφαρμοσμένη Φυσική, διέπουν την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στους αγωγούς η ημιαγωγούς των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.
Η Ηλεκτρονική διέπεται από ορισμένους νόμους και θεωρήματα με τα οποία ασχολείται το μάθημα Κυκλώματα συνεχούς και εναλλασσομένου ρεύματος, αλλά και θα αναλυθούν στα επόμενα κεφάλαια.
Η Ηλεκτρονική είναι ένας κλάδος των θετικών επιστημών ο οποίος αναπτύσσεται ταχύτατα. Πριν από 30 - 40 χρόνια η τηλεόραση ήταν μια συσκευή ογκώδης, με πολύ μεγάλο βάρος η οποία κατανάλωνε αρκετή ηλεκτρική ισχύ. Σήμερα η τηλεόραση έχει επίπεδη οθόνη, μικρότερο βάρος, μικρότερη κατανάλωση, μεγαλύτερη ευκρίνεια και πρόσθετες δυνατότητες όπως τηλεχειρισμό, teletext κ.α.
Ομοίως ο ηλεκτρονικός υπολογιστής ήταν ένα μηχάνημα που καταλάμβανε όγκο ενός δωματίου, ήταν πολύ αργός, δεν είχε μνήμη και έκανε απλές πράξεις. Σήμερα ο Η/Υ μπορεί να τοποθετηθεί σε μία γωνιά του γραφείου εργασίας, είναι ταχύτατος, προγραμματίζεται για να εκτελέσει σύνθετες πράξεις, πολλές άλλες λειτουργίες και είναι προσιτός
Σε λίγα χρόνια η εξέλιξη της ηλεκτρονικής θα είναι τόσο μεγάλη ώστε θα «φοράμε» ένα πολυμηχάνημα στην ζώνη, το οποίο θα είναι ταυτόχρονα ηλεκτρονικός υπολογιστής, κινητό τηλέφωνο, εκτυπωτής, ραδιοκασετόφωνο και τηλεόραση. Και όλα αυτά με την βοήθεια της σύγχρονης ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ η ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ.
1.2 Αναλογικά και ψηφιακά σήματα
Αναλογικό είναι το σήμα το οποίο συνεχώς μεταβάλλεται με το χρόνο και έχει θεωρητικά άπειρες τιμές.
Αναλογικά σήματα που εκφράζουν φυσικά φαινόμενα είναι η θερμοκρασια ενος δωματίου, η πίεση ενος δοχείου με υγρο η αέριο, η ταχύτητα του αυτοκινήτου, η τάση μιας πηγής τάσης κ.λ.π. Ονομάζονται αναλογικά γιατί η τιμή τους είναι ανάλογη του φυσικού φαινομένου που παριστούν.
Ένα παράδειγμα αναλογικού σήματος είναι η ηλεκτρική τάση μιας μπαταρίας. Έστω ότι διαθέτουμε μια μπαταρία ονομαστικής τάσης Vi = 10 Volt. Μπορούμε να πάρουμε πολλές τιμές χρησιμοποιώντας ένα διαιρέτη τάσης συνδεδεμένο όπως στο σχήμα 1.2.1.
Όταν η μεσαία λήψη του διαιρέτη είναι στην άνω θέση (1) τότε:
V23 = V13 =10 Volt.
Στην κάτω θέση (3): V 23 = V3 = 0V.
Για κάθε ενδιάμεση λήψη (2) θα έχουμε: 0< V23 < 10 V.
Τα φυσικά φαινόμενα εκφράζονται με αναλογικά μεγέθη όπως για παράδειγμα ο ήχος, η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, η υγρασία, η πίεση της ατμόσφαιρας, η δύναμη και η ταχύτητα του ανέμου κ.λ.π. Η ανθρώπινη ομιλία, το ραδιοφωνικό σήμα, η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος αντιστοιχούν σε αναλογικά σήματα. Τα σήματα μπορούν να
παρασταθούν με διάφορα σχήματα οπως ημιτονικες, τριγωνικές η άλλου είδους καμπύλες. Στο σχήμα 1.2.2(α) εικονίζεται το σήμα φθόγγου ενός ομιλητή, όπου ο κάθε φθόγγος έχει διαφορετική κυματομορφη.
Στο σχήμα 1.2.2(β) παρίσταται ένα ημίτονο που είναι ένα αρμονικό σήμα με περίοδο Τ, πλάτος Α και συχνότητα f =1/Τ.
Ουσιαστικά, κάθε σήμα μπορεί να παρασταθεί με πολλά ημιτονικά
σήματα. Τέλος στο σχήμα 1.2.2(γ) φαίνεται ένα ραδιοφωνικό σήμα με διαμόρφωση πλάτους (AM) που είναι ένα σύνθετο σήμα.
Ψηφιακό σήμα είναι το σήμα που παίρνει μονο διακριτές τιμές, οι
οποίες εκφράζονται από συγκεκριμένους αριθμούς όπως π.χ. 1, 3, 7,
-5, 8 , -4 κ.λ.π.
Ένα ψηφιακό σήμα μπορεί να προέλθει από το αντίστοιχο αναλογικό
όταν το μετρήσουμε σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές.
Στο προηγούμενο παράδειγμα του διαιρέτη τάσης (σχ. 1.2.1), αν
μετράμε την τάση σε διάφορες θέσεις της μεσαίας λήψης θα έχουμε μια
ακολουθία τάσεων π.χ. 1V, 1,5V, 2,3V, 6,5V, 8,1V, 9V και 10V. Οι
αριθμοί αυτοί παριστάνουν ψηφιακά σήματα Τα ψηφιακά σήματα μπορούν να πάρουν μια μεγάλη γκάμα τιμών.
Στο σχήμα 1.2.3 φαίνεται με κόκκινη γραμμή η συνεχής μεταβολή της
αναλογικής τάσης από 0 - 10V, ενώ οι διακριτές (ψηφιακές) τιμές σημειώνονται με πράσινες γραμμές.
μεσαίας λήψης
Σχήμα 1.2.3 Καμπύλη μεταβολής τάσης, διαιρέτη τάσης
Θα ασχοληθούμε με μια συγκεκριμένη κατηγορία ψηφιακών σημάτων που λαμβάνουν μόνο 2 τιμές, την τιμή λογικό "0" και την τιμή λογικό "1" που ονομάζονται μπιτς (Bits). Τα ψηφιακά σήματα αυτά που είναι μονάδες η μηδενικά είναι πολύ χρήσιμα διότι μπορούν να παραχθούν πολύ εύκολα, π.χ. διακόπτης κλειστός - λάμπα αναμμένη = λογικό "1" διακόπτης ανοικτός - λάμπα σβηστή = λογικό "0" κύκλωμα που διαρρέεται από ρεύμα = λογικό "1" κύκλωμα ανοικτό = λογικό "0".
Το ψηφιακό σήμα που λέγεται και λογικό "1" έχει τάση +5V και ονομάζεται HIGH, ενώ το λογικό "0" έχει τάση 0V και ονομάζεται LOW.
Το ψηφιακό σήμα μπορεί να προέλθει από μία μπαταρία και ένα διακόπτη όπως στο σχήμα 1.2.4.
Σχήμα 1.2.4.
Δημιουργία ψηφιακού σήματος
1.3 Αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα
Τα όργανα που μετρούν τις αναλογικές η ψηφιακές ποσότητες λέγονται αντίστοιχα αναλογικά η ψηφιακά όργανα. Την ταχύτητα ενός οχήματος τη μετράμε με το ταχύμετρο, την πίεση με το μανόμετρο κ.λ.π. Τα ηλεκτρικά μεγέθη που μας ενδιαφέρουν τα μετράμε, τη μεν ηλεκτρική τάση με το βολτόμετρο, την ένταση με το αμπερόμετρο και την ισχυ με το βαττόμετρο.
Το αναλογικό πολύμετρο, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3.1, αποτελείται από μία αναλογική κλίμακα τάσεων και η ένδειξη καθορίζεται από τη θέση της βελόνας πάνω στην κλίμακα.
Ονομάζεται και VOM.
Στο ψηφιακό βολτόμετρο, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3.2, σε μια οθόνη απεικονίζεται η τιμή του μετρουμενου μεγέθους υπό μορφή αριθμητικών ψηφίων.
Κύκλωμα είναι μία διάταξη όπου συνδέονται ηλεκτρικά στοιχεία σε κλειστό βρόχο.
Κλειστός διακόπτης
V„p = 5 V (λογικό "1")
Ανοικτός διακόπτης
V„p = 0 V (λογικό "0").
Τα ψηφιακά σήματα των δυο καταστάσεων λέγονται δυαδικά (binary) και είναι τα σήματα των ηλεκτρονικών υπολογιστών (Η/Υ).
Το σχήμα 1.2.5 απεικονίζει ένα τερματικό και μία κεντρική μονάδα Η/Υ που επικοινωνούν μεταξυ τους με δυαδικους ψηφιακους αριθμους 0 και 1.
Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίοταοη του κυκλώματος RK, τόοο μικρότερο είναι το ρεύμα I.
Ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα, όπως αυτό του οχήματος 1.3.3, μπορεί να αποτελείται από μία ηλεκτρική πηγή (Vι), μία ηλεκτρική αντίσταση (R) και μία λυχνία (Λ).
Στο κύκλωμα ρέει ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο εκφράζεται από τη μεταβλητή I που η τιμή του εξαρτάται από τη συνολική αντίσταση του κυκλώματος RK και την τάση της πηγής V|, όπως δίδεται από την σχέση (νόμος του Ohm) (1.3.1):
Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση του κυκλώματος Rk τόσο μικρότερο είναι το ρεύμα Ι.
Αντίθετα ένα ψηφιακό κύκλωμα, όπως αυτό του οχήματος 1.3.4, δημιουργείται αν ένα αναλογικό σήμα μετατραπεί σε ψηφιακό μέοω ενός αναλογικού/ψηφιακού μετατροπέα (Α /D) και ακολούθως διαβιβασθεί για επεξεργασία σ' ένα ψηφιακό ηλεκτρονικό υπολογιστή (Η/Υ).
Σήμερα παρατηρείται η τάση, εκεί όπου υπάρχουν οι κατάλληλες προϋποθέσεις, συσκευές που παραδοσιακά ήταν αναλογικές να μετατρέπονται σε ψηφιακές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το pick up (αναλογική συσκευή), το οποίο αντικαταστάθηκε απο το compact disk player (ψηφιακή συσκευή). Η επίτευξη αυτού του στόχου έγινε δυνατή
αφού σχεδιάστηκαν ειδικά κυκλώματα μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και αντίστροφα, γιατί όπως αναφέραμε τα φυσικά φαινόμενα εκφράζονται με αναλογικά σήματα. Μερικοί απο τους λόγους για τους οποίους συμβαίνει αυτό είναι οι εξής:
α. Σχεδιάζονται ευκολότερα.
β. Χρησιμοποιούνται ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα που είναι πολύ φθηνά.
γ. Τα ψηφιακά κυκλώματα μπορουν να αποθηκεύσουν και επεξεργασθουν πληροφορίες γρήγορα και αξιόπιστα.
δ. Υπάρχει μεγαλύτερη ακρίβεια από τα αναλογικά κυκλώματα.
ε. Μπορούν να προγραμματισθούν για οποιαδήποτε λειτουργία.
στ. Οι παρεμβολές και ο θόρυβος επηρεάζουν λιγότερο τα ψηφιακά κυκλώματα.
