Перетворювачі сигналів: види, принцип роботи та призначення

У промисловості і в побуті поширене застосування різних типів перетворювачів сигналів. Дані пристрої можуть бути представлені в самому широкому спектрі модифікацій, пристосованих до вирішення завдань у різних галузях господарства. Які різновиди перетворювачів сигналів можна віднести до найпоширенішим? У чому можуть полягати особливості їх експлуатації?

У чому полягає призначення перетворювачів сигналів?

Перетворювачі сигналів — пристрої, які дійсно можуть бути представлені в самому широкому спектрі рішень. Цей термін фактично збірний і може мати ставлення до обладнання, що застосовується в різних сегментах господарства і классифицируемому за абсолютно несхожим критеріям. Основні типи сигналів, які можуть перетворювати пристрої, про які йде мова:


- електричні; - звукові; - температурні; - технологічного характеру. В залежності від завдань, які стоять перед користувачем перетворювача сигналу, в структурі відповідного пристрою можуть об'єднуватися модулі, які обробляють кілька різних типів даних. Перетворення, таким чином, може здійснюватися в рамках одного типу сигналу (наприклад, з однієї частоти на іншу) або механізмом, що передбачає трансляцію між різними категоріями сигналів. Наприклад, в електричних звукові. До найпоширенішим девайсів відноситься перетворювач аналогових сигналів в цифрові (і навпаки, якщо це передбачено структурою внутрішніх модулів пристрою). Розглянемо особливості його роботи.

Аналого-цифровий перетворювач

Пристрій, про який йде мова, призначена для перетворення будь-якого аналогового сигналу — наприклад, представленого показниками напруги, цифровий вигляд (що дозволяє, наприклад, записати відповідний сигнал у файл). Один з основних критеріїв ефективності роботи даного апарату — розрядність даних на виході. Його величина визначає рівень відношення сигналу до шуму. Ще один важливий параметр, що характеризує якість роботи такого пристрою, як аналоговий перетворювач — швидкість формування вихідного сигналу. У числі тих пристроїв, які забезпечують оптимальні її показники — ті, що відносяться до паралельного типу. У них здійснюється формування великих потоків сигналів з використанням необхідної кількості висновків. Дана особливість функціонування апарату в багатьох випадках зумовлює випуск відповідних перетворювачів, які характеризуються великими габаритами. Крім того, аналогові перетворювачі сигналів можуть мати досить високий рівень енергоспоживання. Однак, з урахуванням ефективності роботи даних пристроїв, зазначені їх особливості часто не розглядаються як недоліки. Перетворення сигналів з аналогових на цифрові паралельними пристроями здійснюється досить оперативно. Забезпечити ще більш високу швидкість роботи відповідного типу девайсів можна за допомогою з'єднання декількох пристроїв, завдяки чому вони можуть обробляти потоки сигналів по черзі.
Альтернативою паралельним рішень можуть бути перетворювачі сигналів послідовного типу. Вони, як правило, менш продуктивні, але більш енергоефективні. Їх застосування може бути обумовлено в тих випадках, коли стоїть питання про забезпечення трансляції сигналів в рамках інфраструктури невеликої потужності, або ж у тому випадку, якщо більшій швидкості перетворення, ніж та, що забезпечується послідовними девайсами, не потрібно. Можна відзначити, що існують пристрої змішаного типу, що поєднують в собі функції послідовних і паралельних перетворювачів. У багатьох випадках вони є найбільш оптимальними рішеннями з точки зору відповідності критеріям економічності і продуктивності. Вище ми відзначили, що аналогово-цифрові перетворювачі можуть включати модулі, за допомогою яких здійснюється перетворення цифрових сигналів в аналогові. Є й окрема категорія пристроїв відповідного типу. Вивчимо їх особливості.

Цифро-аналогові перетворювачі

У разі якщо в розпорядженні користувача знаходиться, наприклад, телевізор для аналогового сигналу, то його функціонування можливим при підключенні відповідної антени. Або за умови трансформування вихідних сигналів в аналогові, які даний телевізор зможе розпізнавати. Їх джерелом може бути, у свою чергу, цифрова антена. Або, як варіант, сигнал, одержуваний через інтернет. Розглянуте пристрій, таким чином, перетворює сигнал, що містить цифровий код, струм, напруга або ж заряд, який передається на обробку в аналогові модулі. Конкретні механізми цієї трансформації залежать від типу вихідних даних. Наприклад, якщо мова йде про звук, то на вході він зазвичай буває представлений в імпульсно-кодової модуляції. Якщо вихідний файл стиснутий, то в цілях перетворення сигналів можуть застосовуватися спеціальні програмні кодеки. У свою чергу, цифрова антена зазвичай передає сигнал на обробку апаратними методами. Пристрої, до складу яких входять розглянуті перетворювачі, можуть доповнюватися модулями різного призначення. Наприклад, при забезпеченні відтворення телевізійної трансляції може застосовуватися підсилювач відеосигналу в додаток до тих модулів, що задіюються перетворювачем. Він у багатьох випадках необхідний для того, щоб забезпечити високу якість картинки при трансформації аналогового сигналу в цифровий. Також підсилювач відеосигналу застосовується, якщо потрібно здійснити передачу картинки на значну відстань.
Телебачення — не єдина сфера активного застосування пристроїв, про яких йде мова. Відповідні перетворювачі входять, наприклад, до складу програвачів CD-дисків, які також трансформують цифровий сигнал в аналоговий.

Ультразвукові перетворювачі

Наступна поширена категорія девайсів — ультразвуковий перетворювач. Можна відзначити, що представлений він може бути пристроями, що мають широкий спектр застосувань, а також принципів роботи. В числі найпоширеніших різновидів ультразвукових перетворювачів — занурювальний агрегат, який призначений для передачі у воду або іншу рідку середу ультразвуку з певною частотою. Даний пристрій може застосовуватися, наприклад, у цілях здійснення очищення різних об'єктів від забруднення — у складі ванн, які використовуються в цілях ультразвукового очищення. Є й інші сфери застосування розглянутих пристроїв. Ультразвуковий перетворювач може застосовуватися в цілях контролю цілісності тих чи інших конструкцій, з'єднань, перевірки тих чи інших об'єктів на предмет пошкоджень.

Лінійні та імпульсні перетворювачі

Розглядаючи особливості застосування перетворювачів, буде корисно звернути увагу на класифікацію, за якою вони поділяються на лінійні та імпульсні. По суті, дані критерії відображають два найважливіших принципи функціонування перетворювачів. Ті, що відносяться до лінійних, можуть працювати за принципом аналогової схемотехніки, в рамках якого перетворені сигнали формуються плавними темпами. Імпульсний перетворювач передбачає більш активне представлення сигналів на виході, так і при внутрішній обробці. Однак в разі якщо ця операція здійснюється лише на внутрішньому етапі обробки сигналів, відповідний пристрій може формувати фактично ті ж показники, що й у випадку, коли задіюється лінійний перетворювач. Таким чином, поняття лінійної або імпульсної обробки може розглядатися лише в контексті принципу дії ключових апаратних компонентів девайса відповідного типу. Імпульсні перетворювачі в основному використовуються в тих випадках, коли в складі використовуваної інфраструктури передбачається обробка сигналів великої потужності. Це пов'язано з тим, що ККД відповідних пристроїв в подібних випадках значно вище, ніж при їх використанні в цілях обробки сигналів меншої потужності. Ще один фактор вибору даних рішень — задіяння трансформаторних або ж конденсаторних пристроїв у складі використовуваної інфраструктури, з якими імпульсні перетворювачі мають оптимальну сумісність. У свою чергу, лінійний перетворювач — це пристрій, що застосовується в рамках інфраструктури, в якій здійснюється обробка сигналів невеликої потужності. Або якщо є необхідність знизити перешкоди, які утворюються внаслідок роботи перетворювача. Варто відзначити, що ККД розглянутих рішень в інфраструктурі великої потужності — не самий видатний, тому дані пристрої найчастіше виділяють більше тепла, ніж імпульсні перетворювачі. Крім того, їх вага і габарити також істотно більше. Але, так чи інакше, на практиці функціонування перетворювача по імпульсному принципом може передбачати формування його передавальної функції у лінійному вигляді. Тому, перш ніж впроваджувати відповідні перетворювачі сигналів до складу інфраструктури, слід розглянути їх внутрішню структуру на предмет застосовуваної схеми обробки сигналів.

Вимірювальні перетворювачі

Ще одна поширена категорія рішень — вимірювальні перетворювачі. У чому полягають їх особливості? Вимірювальний перетворювач — пристрій, який також може бути представлено у великій кількості різновидів. Об'єднує дані девайси пристосованість як до вимірювання, так і до перетворення тих чи інших величин. Загальнопоширеною можна вважати схему функціонування вимірювальних пристроїв відповідного типу, при якій сигнал обробляється в кілька етапів. Спочатку перетворювач приймає його, потім трансформує в ту величину, яка може бути виміряна, після — трансформує в якусь корисну енергію. Наприклад, якщо використовується аналоговий вимірювальний перетворювач струму, то здійснюється трансформація електричної енергії в механічну. Звичайно, конкретні механізми застосування відповідних рішень можуть бути представлені у надзвичайно широкому спектрі. Поширене використання вимірювальних перетворень в наукових цілях як частини інфраструктури для проведення дослідів, досліджень. Об'єднує більшість вимірювальних перетворювачів їх пристосованість, насамперед, до роботи із застосуванням нормованих характеристик при обробці або трансформації сигналу. Можна відзначити, що дані характеристики не завжди можуть бути призначені для кінцевого користувача перетворювача. Їх задіяння у багатьох випадках здійснюється в прихованому режимі. Людина, використовуючи відповідні перетворювачі сигналів, отримує лише необхідний сигнал, пристосований для застосування в тих або інших цілях, на вихід. Таким чином, дані рішення, як правило, не використовуються як самостійні типи інфраструктури. Вони входять до складу більш складних пристроїв — наприклад, системи автоматизації вимірювань на виробництві. Вимірювальні перетворювачі найчастіше класифікуються на 2 основні групи — первинні і проміжні. Корисно буде розглянути специфіку тих і інших.

Класифікація вимірювальних перетворювачів: первинні і проміжні рішення

Пристрої, що відносяться до категорії первинних, як правило, застосовуються як датчики. Тобто являють собою перетворювачі, на які та чи інша вимірювана величина діє безпосередньо. Інші девайси відносяться до категорії проміжних. Вони розміщуються в вимірювальної інфраструктурі відразу після перших і можуть відповідати за велику кількість операцій, пов'язаних з перетворенням. Які конкретно операції може виконувати перетворювач рівня сигналу відповідного типу? До таких прийнято відносити: - вимірювання фізичних показників по тим чи іншим величинам; - різні перетворення масштабу; - трансформація цифрових сигналів в аналогові і навпаки; - функціональні перетворення. Зазначимо, що подібну класифікацію можна вважати умовною. Це пов'язано насамперед з тим, що в одному і тому ж засобі вимірювань може перебувати кілька первинних перетворювачів. Ще одна причина вважати розглянуту вище класифікацію умовної — в тому, що в різних типах інфраструктури вимірювання можуть здійснюватися за несхожим принципам.

Електронно-оптичні перетворювачі

Ще один популярний в різних сферах господарства тип девайса — електронно-оптичний перетворювач. Він, як і інші типи пристроїв, розглянутих нами вище, може бути представлений в широкому спектрі виконань. Об'єднує електронно-оптичні перетворювачі загальний принцип роботи: він передбачає здійснення перетворення невидимого об'єкта — наприклад, підсвітлюваний інфрачервоними, ультрафіолетовими або рентгенівськими променями, у видимий спектр. При цьому відповідна операція, як правило, здійснюється в 2 етапи. На першому невидиме випромінювання приймається на фотокатод, після чого вона трансформується в електронні сигнали. Які вже на другому етапі перетворюються в видиму картинку і виводяться на екран. У разі якщо це комп'ютерний монітор, то сигнал може бути попередньо перетворено в цифровий код. Електронно-оптичні перетворювачі — рішення, які традиційно класифікуються на кілька поколінь. Пристрої, що відносяться до першого, мають у своєму складі вакуумну скляну колбу. У ній розташовуються фотокатод та анод. Між ними формується різниця потенціалів. При подачі на перетворювач оптимальної напруги всередині його формується електронна лінза, здатна фокусувати потоки електронів. В перетворювачах другого покоління присутні модулі прискорення електронів, внаслідок чого посилюється яскравість зображення. У пристроях третього покоління застосовуються матеріали, що дозволяють збільшити чутливість фотокатода як ключового компонента електронно-оптичного перетворювача більш ніж в 3 рази.

Особливості резистивних перетворювачів

Ще один поширений тип девайсів — резистивні перетворювачі. Розглянемо їх особливості докладніше. Перетворювачі пристосовані до зміни власного електричного опору при впливі тієї чи іншої вимірюваної величини. Також вони можуть здійснювати коригування кутового і лінійного переміщення. Найчастіше дані перетворювачі включаються до системи автоматизації з датчиками тиску, температури, рівня освітленості, вимірювання інтенсивності різних видів випромінювання. Основні переваги резистивних перетворювачів: - надійність; - відсутність залежності між точністю проведених вимірювань і стабільністю живлячої напруги. Існує велика кількість різновидів відповідних пристроїв. У числі найбільш популярних — датчики температури. Вивчимо їх особливості.

Резистивні датчики температури

Перетворювачі сигналів володіють компонентами, які мають чутливість до змін температури довкілля. У разі якщо вона підвищується, то їх опір може збільшуватися. Дані пристрої характеризуються насамперед дуже високою точністю. У ряді випадків вони дають можливість змінювати температуру з точністю порядку 0026 градуси Цельсія. У складі даних пристроїв присутні елементи, виготовлені з платини — в цьому випадку коефіцієнт опору буде нижче або міді. Застосування резистивних датчиків характеризується низкою нюансів. Так, слід враховувати, що більш високі показники струму збудження, що подається на датчик, збільшують його температурну чутливість, але, разом з тим, розігрівають елементи відповідного перетворювача. Це у багатьох випадках зумовлює зниження його точності. Тому рекомендується забезпечувати оптимальні показники струму збудження з урахуванням конкретних умов проведення вимірювань. До уваги можуть братися, наприклад, теплопровідність того середовища, в якій застосовується датчик — повітря або води. Як правило, рекомендовані показники за струмів збудження встановлюються фірмами-виробниками датчиків відповідного типу. При цьому вони можуть значно відрізнятися в залежності від металів, застосованих у конструкції пристроїв. Крім того, при застосуванні датчиків, про яких йде мова, необхідно брати до уваги такий показник, як гранична величина по робочому струму. Зазвичай її також визначає виробник. Резистивні датчики — в числі найпоширеніших в господарстві типів перетворювачів. Це багато в чому обумовлено значними технологічними перевагами багатьох їх різновидів. Наприклад, якщо говорити про термисторах — такі характеризуються високою чутливістю, компактністю, малою вагою. Відповідного типу датчики можуть застосовуватися з метою вимірювання температури повітря в різних умовах. Їх виготовлення найчастіше не передбачає значних витрат. Правда, є у термісторів і недоліки — насамперед, це висока ступінь нелінійності, внаслідок чого вони можуть застосовуватися на практиці в досить вузьких діапазонах за температур. Відповідного типу перетворювачі сигналів (види і їх призначення можуть визначатися на основі різних критеріїв класифікації) широко застосовуються в побуті. Наприклад, поширене включення температурних датчиків, що містять у своєму складі платинові і мідні елементи, склад: - опалювальної інфраструктури — в цілях вимірювання показників температури теплоносія на тих або інших ділянках обладнання, а також в опалювальному приміщенні; - пральних машин — з метою вимірювання температури води і її підстроювання під різні програми прання; - прасок — аналогічно для забезпечення оптимальної температури прасування в рамках того або іншого режиму роботи; - електроплиток, а також інших типів обладнання для готування їжі — також в цілях забезпечення їх функціонування при активізації тих чи інших режимів.

Реостатние перетворювачі

Ще один популярний тип резистивних пристроїв — реостатние перетворювачі. Їх принцип роботи заснований на вимірюванні електричного опору того чи іншого провідника при впливі вхідного переміщення. На практиці даний перетворювач включає в себе елементи, які пристосовані до переміщення через дії вимірюваної величини. Найчастіше пристрої, про які йде мова, включаються до складу дільників напруги або застосовуються в якості складового елемента вимірювальних мостів. Якщо говорити про переваги, які характеризують реостатние перетворювачі, то до таких можна віднести: - відсутність реактивного впливу на рухомі компоненти; - високу ефективність; - невеликі габарити, можливість використання в інфраструктурі, що працює як на постійному, так і на змінному струмі. У той же час резистивні перетворювачі відповідного типу не завжди надійні і у багатьох випадках вимагають від підприємства значних витрат ресурсів на підтримку функціональності.