การประมวลผลสัญญาณทำงานอย่างไร

สัญญาณคืออะไร?

สัญญาณคือตัวแปรทางกายภาพใดๆ ที่มีค่าหรือการเปลี่ยนแปลงตามเวลาประกอบด้วยข้อมูล ข้อมูลนี้สามารถเกี่ยวข้องกับเสียงพูดและดนตรี หรือกับปริมาณทางกายภาพ เช่น อุณหภูมิของอากาศหรือแสงในห้อง ตัวแปรทางกายภาพที่สามารถนำพาข้อมูลในระบบไฟฟ้าได้แก่ แรงดันและกระแส.

ในบทความนี้ โดย "สัญญาณ" เราหมายถึงแรงดันหรือกระแสเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม แนวคิดส่วนใหญ่ที่กล่าวถึงในที่นี้ยังคงใช้ได้สำหรับระบบที่ตัวแปรอื่นๆ สามารถเป็นผู้ให้บริการข้อมูลได้ ดังนั้น พฤติกรรมของระบบทางกล (ตัวแปร—แรงและความเร็ว) หรือระบบไฮดรอลิก (ตัวแปร—ความดันและการไหล) มักจะแสดงด้วยระบบไฟฟ้าที่เทียบเท่ากัน หรือตามที่กล่าวกันว่าเป็นการจำลอง ดังนั้นการทำความเข้าใจพฤติกรรมของระบบไฟฟ้าจึงเป็นพื้นฐานสำหรับการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ที่หลากหลายมากขึ้น

สัญญาณอนาล็อกและดิจิตอล

สัญญาณสามารถส่งข้อมูลได้สองรูปแบบ สัญญาณอะนาล็อก ดำเนินการข้อมูลในรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องในเวลาของแรงดันหรือกระแส ตัวอย่างของสัญญาณแอนะล็อกคือแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจาก ที่ทางแยกเทอร์โมคัปเปิลที่อุณหภูมิต่างกัน เมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อเปลี่ยนไป แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมเทอร์โมคัปเปิลจะเปลี่ยนไป ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าจึงแสดงความแตกต่างของอุณหภูมิแบบอะนาล็อก

เทอร์โมคัปเปิล — สารประกอบของโลหะสองชนิดที่ต่างกัน เช่น ทองแดงและคอนสแตนแทน แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากทางแยกทั้งสองใช้เพื่อวัดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อทั้งสอง

เป็นสัญญาณอีกแบบหนึ่ง สัญญาณดิจิตอล… มันสามารถรับค่าในสองฟิลด์แยกกัน สัญญาณดังกล่าวใช้เพื่อแสดงข้อมูลเปิด/ปิดหรือใช่-ไม่ใช่

ตัวอย่างเช่น ตัวควบคุมอุณหภูมิในบ้านสร้างสัญญาณดิจิทัลเพื่อควบคุมเครื่องทำความร้อน เมื่ออุณหภูมิห้องลดลงต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้ สวิตช์ควบคุมอุณหภูมิจะปิดหน้าสัมผัสและเปิดเครื่องทำความร้อน เมื่ออุณหภูมิห้องสูงพอ สวิตช์จะปิดเครื่องทำความร้อน กระแสที่ไหลผ่านสวิตช์จะแสดงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในรูปแบบดิจิทัล: เปิดเย็นเกินไปและปิดอุ่นเกินไป

ข้าว. 1. สัญญาณอนาล็อกและดิจิตอล

ระบบประมวลผลสัญญาณ

ระบบประมวลผลสัญญาณคือชุดของส่วนประกอบและอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อระหว่างกันซึ่งสามารถรับสัญญาณอินพุต (หรือกลุ่มของสัญญาณอินพุต) ดำเนินการกับสัญญาณในลักษณะเฉพาะเพื่อดึงข้อมูลหรือปรับปรุงคุณภาพ และนำเสนอข้อมูลที่เอาต์พุตใน ในรูปแบบที่เหมาะสมและในเวลาที่เหมาะสม

สัญญาณไฟฟ้าจำนวนมากในระบบทางกายภาพถูกสร้างขึ้นโดยอุปกรณ์ที่เรียกว่า เซ็นเซอร์… เราได้อธิบายตัวอย่างเซนเซอร์อะนาล็อก — เทอร์โมคัปเปิลไปแล้ว มันแปลงความแตกต่างของอุณหภูมิ (ตัวแปรทางกายภาพ) เป็นแรงดันไฟฟ้า (ตัวแปรทางไฟฟ้า) โดยทั่วไป เซ็นเซอร์ — อุปกรณ์ที่แปลงปริมาณทางกายภาพหรือเชิงกลเป็นสัญญาณแรงดันหรือกระแสที่เทียบเท่า อย่างไรก็ตาม ไม่เหมือนกับเทอร์โมคัปเปิลตรงที่ เซ็นเซอร์ส่วนใหญ่ต้องการการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าบางรูปแบบในการทำงาน

การเลือกสัญญาณที่เอาต์พุตของระบบสามารถทำได้หลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับว่าข้อมูลที่อยู่ในสัญญาณอินพุตจะถูกนำไปใช้อย่างไร ข้อมูลสามารถแสดงได้ทั้งในรูปแบบแอนะล็อก (เช่น ใช้อุปกรณ์ที่ตำแหน่งของลูกศรระบุค่าของตัวแปรที่สนใจ) หรือในรูปแบบดิจิทัล (ใช้ระบบองค์ประกอบดิจิทัลบนจอแสดงผลที่แสดงตัวเลข ตรงกับมูลค่าดอกเบี้ยให้เรา)

ความเป็นไปได้อื่นๆ ได้แก่ การแปลงสัญญาณเอาต์พุตเป็นพลังงานเสียง (ลำโพง) ใช้เป็นสัญญาณอินพุตสำหรับระบบอื่น หรือใช้เพื่อควบคุม ลองดูตัวอย่างเพื่ออธิบายบางกรณีเหล่านี้

ระบบสื่อสาร

พิจารณาระบบการสื่อสารที่มีสัญญาณอินพุตอาจเป็นเสียงพูด ดนตรี หรือข้อมูลบางอย่างที่ผลิตขึ้นในที่เดียวและส่งสัญญาณได้อย่างน่าเชื่อถือในระยะทางไกลเพื่อกู้คืนสัญญาณอินพุตดั้งเดิมที่นั่นอย่างแม่นยำ

ตัวอย่างเช่น มะเดื่อ 2 เป็นแผนผังของระบบกระจายเสียงแบบแอมพลิจูดมอดูเลต (AM) แบบธรรมดาในการมอดูเลต AM แอมพลิจูด (พีคทูพีค) ของสัญญาณความถี่วิทยุจะเปลี่ยนไปตามขนาดของสัญญาณความถี่ต่ำ (สัญญาณเสียงที่สอดคล้องกับความถี่เสียง)

ข้าว. 2. ระบบสื่อสารออกอากาศพร้อมการปรับแอมพลิจูด

เครื่องส่งสัญญาณของระบบกระจายเสียงวิทยุ AM รับสัญญาณอินพุตจากอุปกรณ์อินพุต (ไมโครโฟน) ใช้สัญญาณนี้เพื่อควบคุมความกว้างของสัญญาณความถี่วิทยุ (สถานีวิทยุแต่ละแห่งมีความถี่วิทยุเฉพาะของตัวเอง) และกระแสความถี่วิทยุ ขับเคลื่อนอุปกรณ์ส่งออก (เสาอากาศ) ซึ่งสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกสู่อวกาศ

ระบบรับสัญญาณประกอบด้วยอุปกรณ์อินพุต (เสาอากาศ) โปรเซสเซอร์ (ตัวรับ) และอุปกรณ์เอาต์พุต (ลำโพง) เครื่องรับขยาย (ทำให้แรงขึ้น) สัญญาณที่ค่อนข้างอ่อนที่ได้รับจากเสาอากาศ เลือกสัญญาณของความถี่วิทยุที่ต้องการจากสัญญาณของเครื่องส่งสัญญาณอื่น ๆ ทั้งหมด สร้างสัญญาณเสียงขึ้นใหม่ตามการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดของสัญญาณความถี่วิทยุ และ กระตุ้นผู้พูดด้วยสัญญาณเสียงนี้

ระบบการวัด

งานของระบบการวัดคือการรับข้อมูลจากเซ็นเซอร์ที่เกี่ยวข้องเกี่ยวกับพฤติกรรมของระบบทางกายภาพบางอย่างและลงทะเบียนข้อมูลนี้ ตัวอย่างของระบบดังกล่าวคือเทอร์โมมิเตอร์แบบดิจิตอล (รูปที่ 3)

ข้าว. 3. แผนภาพการทำงานของเทอร์โมมิเตอร์แบบดิจิตอล

การเชื่อมต่อเทอร์โมคัปเปิลสองจุด—จุดหนึ่งสัมผัสความร้อนกับร่างกายที่ต้องการวัดอุณหภูมิ ส่วนอีกจุดหนึ่งจุ่มอยู่ในภาชนะบรรจุน้ำแข็ง (เพื่อให้ได้จุดอ้างอิงที่มั่นคง)—สร้างแรงดันไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายและน้ำแข็ง . แรงดันไฟฟ้านี้ป้อนเข้าสู่โปรเซสเซอร์

เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของเทอร์โมคัปเปิลไม่ได้แปรผันตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิ การแก้ไขเล็กน้อยจึงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้สัดส่วนที่เข้มงวด กำลังดำเนินการแก้ไข อุปกรณ์เชิงเส้น… แรงดันไฟฟ้าอะนาล็อกจากเทอร์โมคัปเปิลจะถูกขยายก่อน (เช่น ทำให้เพิ่มขึ้น) แล้วจึงปรับเป็นเส้นตรงและแปลงเป็นดิจิทัล ในที่สุดก็ปรากฏในการลงทะเบียนจอแสดงผลดิจิตอลที่ใช้เป็นอุปกรณ์ส่งออกของเทอร์โมมิเตอร์

หากภารกิจหลักของระบบสื่อสารคือการส่งสำเนาที่ถูกต้องของสัญญาณต้นทาง ภารกิจหลักของระบบการวัดก็คือการรับข้อมูลที่เป็นตัวเลขที่ถูกต้อง ดังนั้นจึงควรคาดหวังว่าการตรวจจับและกำจัดข้อผิดพลาดแม้เพียงเล็กน้อยที่สามารถบิดเบือนสัญญาณในทุกขั้นตอนของการประมวลผลจะมีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับระบบการวัด

ระบบควบคุมป้อนกลับ

พิจารณาระบบควบคุมป้อนกลับซึ่งข้อมูลที่เอาต์พุตเปลี่ยนสัญญาณที่ควบคุมระบบ

รูปที่ 4 แสดงไดอะแกรมของเทอร์โมสตัทที่ใช้รักษาอุณหภูมิห้อง ระบบประกอบด้วยอุปกรณ์อินพุตสำหรับกำหนดอุณหภูมิห้อง (โดยปกติจะเป็นสิ่งนี้ แถบ bimetallicซึ่งจะงอเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง) กลไกสำหรับตั้งอุณหภูมิที่ต้องการ (ปุ่มหมุนหลัก) และสวิตช์เชิงกลสั่งงานโดยรีเลย์แบบไบเมทัลลิกและควบคุมฮีตเตอร์

ข้าว. 4. ตัวอย่างระบบควบคุมวงปิด

ลองใช้ระบบง่ายๆ นี้เป็นตัวอย่าง ซึ่งจริงๆ แล้วไม่มีส่วนประกอบทางไฟฟ้าอื่นนอกจากสวิตช์ ลองพิจารณาดู แนวคิดข้อเสนอแนะ… สมมติว่าบรรทัดความคิดเห็นในรูป3 เสียนั่นคือไม่มีกลไกในการเปิดและปิดเครื่องทำความร้อน จากนั้นอุณหภูมิในห้องจะเพิ่มขึ้นสูงสุด (สอดคล้องกับการรวมฮีตเตอร์อย่างต่อเนื่อง) หรือลดลงต่ำสุด (สอดคล้องกับความจริงที่ว่าฮีตเตอร์ปิดอยู่ตลอดเวลา)

สมมติว่าร้อนเกินไปที่อุณหภูมิสูงสุดและเย็นเกินไปที่อุณหภูมิต่ำสุด ในกรณีนี้ ต้องมี «อุปกรณ์ควบคุม» เพื่อเปิดและปิดเครื่องทำความร้อน

«อุปกรณ์ควบคุม» ดังกล่าวอาจเป็นคนที่เปิดฮีตเตอร์เมื่ออากาศเย็นและปิดเมื่อมันร้อน เมื่อถึงระดับนี้ ระบบ (พร้อมกับหน้าปัด) เป็นระบบควบคุมวงปิด เนื่องจากข้อมูลเกี่ยวกับสัญญาณเอาต์พุต (อุณหภูมิห้อง) ใช้เพื่อเปลี่ยนสัญญาณควบคุม (การเปิดและปิดเครื่องทำความร้อน)

ตัวควบคุมอุณหภูมิจะทำสิ่งที่มนุษย์ทำโดยอัตโนมัติ นั่นคือเปิดเครื่องทำความร้อนเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าจุดที่ตั้งไว้ และปิดเครื่องหากไม่เป็นเช่นนั้น มีระบบป้อนกลับอื่นๆ อีกมากมาย รวมถึงระบบที่ใช้ประมวลผลสัญญาณ การใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์.