Преобразователи сигналов: виды, принцип работы и назначение

В промышленности и в быту распространено применение различных типов преобразователей сигналов. Данные устройства могут быть представлены в самом широком спектре модификаций, приспособленных к решению задач в разных областях хозяйства. Какие разновидности преобразователей сигналов можно отнести к самым распространенным? В чем могут заключаться особенности их эксплуатации?

Преобразователи сигналов

В чем заключается предназначение преобразователей сигналов?

Преобразователи сигналов — устройства, которые действительно могут быть представлены в самом широком спектре решений. Данный термин фактически собирательный и может иметь отношение к оборудованию, применяемому в разных сегментах хозяйства и классифицируемому по совершенно несхожим критериям. Основные типы сигналов, которые могут преобразовывать устройства, о которых идет речь:

- электрические;

- звуковые;

- температурные;

- технологического характера.

В зависимости от задач, которые стоят перед пользователем преобразователя сигнала, в структуре соответствующего устройства могут объединяться модули, обрабатывающие несколько разных типов данных. Преобразование, таким образом, может осуществляться в рамках одного типа сигнала (например, с одной частоты на другую) либо являться механизмом, предполагающим трансляцию между разными категориями сигналов. Например, электрических в звуковые.

К самым распространенным девайсам относится преобразователь аналоговых сигналов в цифровые (и наоборот, если это предусмотрено структурой внутренних модулей устройства). Рассмотрим особенности его работы.

Аналого-цифровой преобразователь

Устройство, о котором идет речь, предназначено для преобразования какого-либо аналогового сигнала — например, представленного показателями напряжения, в цифровой вид (позволяющий, к примеру, записать соответствующий сигнал в файл).

Один из основных критериев эффективности работы рассматриваемого аппарата — разрядность данных на выходе. Его величина определяет уровень отношения сигнала к шуму.

Еще один значимый параметр, характеризующий качество работы такого устройства, как аналоговый преобразователь — скорость формирования выходного сигнала. В числе тех устройств, которые обеспечивают оптимальные ее показатели — те, что относятся к параллельному типу. В них осуществляется формирование больших потоков сигналов с использованием необходимого количества выводов. Данная особенность функционирования аппарата во многих случаях предопределяет выпуск соответствующих преобразователей, характеризующихся большими габаритами. Кроме того, аналоговые преобразователи сигналов могут иметь достаточно высокий уровень энергопотребления. Однако, с учетом эффективности работы данных устройств, отмеченные их особенности зачастую не рассматриваются как недостатки.

Преобразование сигналов с аналоговых в цифровые параллельными устройствами осуществляется весьма оперативно. Обеспечить еще более высокую скорость работы соответствующего типа девайсов можно посредством соединения нескольких устройств, благодаря чему они могут обрабатывать потоки сигналов по очереди.

Альтернативой параллельным решениям могут быть преобразователи сигналов последовательного типа. Они, как правило, менее производительны, но более энергоэффективны. Их применение может быть обусловлено в тех случаях, когда стоит вопрос об обеспечении трансляции сигналов в рамках инфраструктуры небольшой мощности, или же в том случае, если большей скорости преобразования, чем та, что обеспечивается последовательными девайсами, не требуется.

Можно отметить, что существуют устройства смешанного типа, сочетающие в себе функции последовательных и параллельных преобразователей. Во многих случаях они являются самыми оптимальными решениями с точки зрения соответствия критериям экономичности и производительности.

Выше мы отметили, что аналогово-цифровые преобразователи могут включать модули, посредством которых осуществляется преобразование цифровых сигналов в аналоговые. Есть и отдельная категория устройств соответствующего типа. Изучим их особенности.

Цифровая антенна

Цифро-аналоговые преобразователи

В случае если в распоряжении пользователя находится, к примеру, телевизор для аналогового сигнала, то его функционирование будет возможным при подключении соответствующей антенны. Либо при условии трансформирования исходных сигналов в аналоговые, которые данный телевизор сможет распознавать. Их источником может быть, в свою очередь, цифровая антенна. Или, как вариант, сигнал, получаемый через интернет.

Рассматриваемое устройство, таким образом, преобразует сигнал, содержащий цифровой код, в ток, напряжение или же заряд, который передается на обработку в аналоговые модули. Конкретные механизмы данной трансформации зависят от типа исходных данных. Например, если речь идет о звуке, то на входе он обычно бывает представлен в импульсно-кодовой модуляции. Если исходный файл сжатый, то в целях преобразования сигналов могут применяться специальные программные кодеки. В свою очередь, цифровая антенна обычно передает сигнал на обработку аппаратными методами.

Устройства, в состав которых входят рассматриваемые преобразователи, могут дополняться модулями различного назначения. Например, при обеспечении воспроизведения телевизионной трансляции может применяться усилитель видеосигнала в дополнение к тем модулям, что задействуются преобразователем. Он во многих случаях необходим для того, чтобы обеспечить высокое качество картинки при трансформации аналогового сигнала в цифровой. Также усилитель видеосигнала применяется, если нужно осуществить передачу картинки на значительное расстояние.

Телевидение — не единственная сфера активного применения устройств, о которых идет речь. Соответствующие преобразователи входят, к примеру, в состав проигрывателей CD-дисков, которые также трансформируют цифровой сигнал в аналоговый.

Ультразвуковые преобразователи

Следующая распространенная категория девайсов — ультразвуковой преобразователь. Можно отметить, что представлен он может быть устройствами, имеющими самый широкий спектр применений, а также принципов работы. В числе распространенных разновидностей ультразвуковых преобразователей — погружной агрегат, который предназначен для передачи в воду или иную жидкую среду ультразвука с определенной частотой. Данное устройство может применяться, к примеру, в целях осуществления очистки различных объектов от загрязнений — в составе ванн, используемых в целях ультразвуковой очистки.

Есть и иные сферы применения рассматриваемых устройств. Ультразвуковой преобразователь может применяться в целях контроля целостности тех или иных конструкций, соединений, проверки тех или иных объектов на предмет повреждений.

Ультразвуковой преобразователь

Линейные и импульсные преобразователи

Рассматривая особенности применения преобразователей, будет полезно обратить внимание на классификацию, по которой они подразделяются на линейные и импульсные. По сути, данные критерии отражают два важнейших принципа функционирования преобразователей.

Те, что относятся к линейным, могут работать по принципу аналоговой схемотехники, в рамках которого преобразуемые сигналы формируются плавными темпами. Импульсный преобразователь предполагает более активное представление сигналов как на выходе, так и при внутренней их обработке. Однако в случае если данная операция осуществляется лишь на внутреннем этапе обработки сигналов, соответствующее устройство может формировать фактически те же показатели, что и в случае, когда задействуется линейный преобразователь. Таким образом, понятие линейной либо импульсной обработки может рассматриваться только лишь в контексте принципа действия ключевых аппаратных компонентов девайса соответствующего типа.

Импульсные преобразователи в основном задействуются в тех случаях, когда в составе используемой инфраструктуры предполагается обработка сигналов большой мощности. Это связано с тем, что КПД соответствующих устройств в подобных случаях значительно выше, чем при их использовании в целях обработки сигналов меньшей мощности. Еще один фактор выбора данных решений — задействование трансформаторных или же конденсаторных устройств в составе используемой инфраструктуры, с которыми импульсные преобразователи имеют оптимальную совместимость.

В свою очередь, линейный преобразователь — это устройство, которое применяется в рамках инфраструктуры, в которой осуществляется обработка сигналов небольшой мощности. Либо если есть необходимость снизить помехи, образующиеся вследствие работы преобразователя. Стоит отметить, что КПД рассматриваемых решений в инфраструктуре большой мощности — не самый выдающийся, поэтому данные устройства чаще всего выделяют больший объем тепла, чем импульсные преобразователи. Кроме того, их вес и габариты также существенно больше.

Но, так или иначе, на практике функционирование преобразователя по импульсному принципу может предполагать формирование его передаточной функции в линейном виде. Поэтому, прежде чем внедрять соответствующие преобразователи сигналов в состав инфраструктуры, следует рассмотреть их внутреннюю структуру на предмет применяемой схемы обработки сигналов.

Системы автоматизации

Измерительные преобразователи

Еще одна распространенная категория решений — измерительные преобразователи. В чем заключаются их особенности? Измерительный преобразователь — устройство, которое также может быть представлено в большом количестве разновидностей. Объединяет данные девайсы приспособленность как к измерению, так и к преобразованию тех или иных величин.

Общераспространенной можно считать схему функционирования измерительных устройств соответствующего типа, при которой сигнал обрабатывается в несколько этапов. Сначала преобразователь принимает его, затем трансформирует в ту величину, которая может быть измерена, после — трансформирует в некую полезную энергию. Например, если используется аналоговый измерительный преобразователь тока, то осуществляется трансформация электрической энергии в механическую.

Конечно, конкретные механизмы применения соответствующих решений могут быть представлены в исключительно широком спектре. Распространено использование измерительных преобразований в научных целях как части инфраструктуры для проведения опытов, исследований. Объединяет большинство измерительных преобразователей их приспособленность, прежде всего, к работе с применением нормируемых характеристик при обработке или трансформации сигнала. Можно отметить, что данные характеристики не всегда могут быть предназначены для конечного пользователя преобразователя. Их задействование во многих случаях осуществляется в скрытом режиме. Человек, используя соответствующие преобразователи сигналов, получает лишь требуемый сигнал, приспособленный для применения в тех или иных целях, на выходе.

Таким образом, данные решения, как правило, не задействуются как самостоятельные типы инфраструктуры. Они входят в состав более сложных устройств — например, системы автоматизации измерений на производстве. Измерительные преобразователи чаще всего классифицируются на 2 основные группы — первичные и промежуточные. Полезно будет рассмотреть специфику тех и других.

Классификация измерительных преобразователей: первичные и промежуточные решения

Устройства, относящиеся к категории первичных, как правило, применяются как датчики. То есть представляют собой преобразователи, на которые та или иная измеряемая величина действует непосредственно. Остальные девайсы относятся к категории промежуточных. Они размещаются в измерительной инфраструктуре сразу после первых и могут отвечать за большое количество операций, связанных с преобразованием. Какие конкретно операции может выполнять преобразователь уровня сигнала соответствующего типа? К таковым принято относить:

- измерение физических показателей по тем или иным величинам;

- различные преобразования масштаба;

- трансформация цифровых сигналов в аналоговые и наоборот;

- функциональные преобразования.

Отметим, что подобную классификацию можно считать условной. Это связано прежде всего с тем, что в одном и том же инструменте измерений может находиться несколько первичных преобразователей. Еще одна причина считать рассмотренную выше классификацию условной — в том, что в разных типах инфраструктуры измерения могут осуществляться по несхожим принципам.

Преобразователь уровня сигнала

Электронно-оптические преобразователи

Еще один популярный в различных сферах хозяйства тип девайса — электронно-оптический преобразователь. Он, как и другие типы устройств, рассмотренных нами выше, может быть представлен в широком спектре исполнений. Объединяет электронно-оптические преобразователи общий принцип работы: он предполагает осуществление преобразования невидимого объекта — например, подсвечиваемого инфракрасными, ультрафиолетовыми или, к примеру, рентгеновскими лучами, в видимый спектр.

При этом соответствующая операция, как правило, осуществляется в 2 этапа. На первом невидимое излучение принимается на фотокатод, после чего оно трансформируется в электронные сигналы. Которые уже на втором этапе преобразовываются в видимую картинку и выводятся на экран. В случае если это компьютерный монитор, то сигнал может быть предварительно преобразован в цифровой код.

Электронно-оптические преобразователи — решения, которые традиционно классифицируются на несколько поколений. Устройства, относящиеся к первому, имеют в своем составе стеклянную вакуумную колбу. В ней располагаются фотокатод и анод. Между ними формируется разность потенциалов. При подаче на преобразователь оптимального напряжения внутри его формируется электронная линза, способная фокусировать потоки электронов.

Электронно-оптический преобразователь

В преобразователях второго поколения присутствуют модули ускорения электронов, вследствие чего усиливается яркость изображения. В устройствах третьего поколения применяются материалы, позволяющие увеличить чувствительность фотокатода как ключевого компонента электронно-оптического преобразователя более чем в 3 раза.

Особенности резистивных преобразователей

Еще один распространенный тип девайсов — резистивные преобразователи. Рассмотрим их особенности подробнее.

Данные преобразователи приспособлены к изменению собственного электрического сопротивления при воздействии той или иной измеряемой величины. Также они могут осуществлять корректировку углового и линейного перемещения. Чаще всего данные преобразователи включаются в системы автоматизации с датчиками давления, температуры, уровня освещенности, измерения интенсивности различных видов излучения. Основные преимущества резистивных преобразователей:

- надежность;

- отсутствие зависимости между точностью проводимых измерений и стабильностью питающего напряжения.

Существует большое количество разновидностей соответствующих устройств. В числе самых популярных — датчики температуры. Изучим их особенности.

Резистивные датчики температуры

Данные преобразователи сигналов обладают компонентами, которые имеют чувствительность к изменениям окружающей температуры. В случае если она повышается, то их сопротивление может увеличиваться. Данные устройства характеризуются прежде всего очень высокой точностью. В ряде случаев они дают возможность изменять температуру с точностью порядка 0.026 градуса Цельсия. В составе данных устройств присутствуют элементы, изготавливаемые из платины — в этом случае коэффициент сопротивления будет ниже, или меди.

Применение резистивных датчиков характеризуется рядом нюансов. Так, следует учитывать, что более высокие показатели тока возбуждения, подаваемого на датчик, увеличивают его температурную чувствительность, но, вместе с тем, разогревают элементы соответствующего преобразователя. Это во многих случаях обуславливает снижение его точности. Поэтому рекомендуется обеспечивать оптимальные показатели тока возбуждения с учетом конкретных условий проведения измерений. В расчет могут браться, к примеру, теплопроводность той среды, в которой применяется датчик — воздуха или воды. Как правило, рекомендуемые показатели по токам возбуждения устанавливаются фирмами-производителями датчиков соответствующего типа. При этом они могут значительно различаться в зависимости от металлов, примененных в конструкции устройств. Кроме того, при применении датчиков, о которых идет речь, необходимо брать в расчет такой показатель, как предельная величина по рабочему току. Обычно ее также определяет производитель.

Резистивные датчики — в числе самых распространенных в хозяйстве типов преобразователей. Это во многом обусловлено значимыми технологическими преимуществами многих их разновидностей. Например, если говорить о термисторах — таковые характеризуются высокой чувствительностью, компактностью, малым весом. Соответствующего типа датчики могут применяться в целях измерения температуры воздуха в различных условиях. Их изготовление чаще всего не предполагает значительных издержек. Правда, есть у термисторов и недостатки — прежде всего, это высокая степень нелинейности, вследствие чего применяться они могут на практике в достаточно узких диапазонах по температурам.

Соответствующего типа преобразователи сигналов (виды и назначение их могут определяться на основе разных критериев классификации) широко применяются в быту. Например, распространено включение температурных датчиков, содержащих в своем составе платиновые и медные элементы, в состав:

- отопительной инфраструктуры — в целях измерения показателей температуры теплоносителя на тех или иных участках оборудования, а также в отапливаемом помещении;

- стиральных машин — в целях измерения температуры воды и ее подстройки под различные программы стирки;

- утюгов — аналогично для обеспечения оптимальной температуры глажки в рамках того или иного режима работы;

- электроплиток, а также иных типов оборудования для готовки пищи — также в целях обеспечения их функционирования при активизации тех или иных пользовательских режимов.

Преобразователи сигналов виды и назначение

Реостатные преобразователи

Еще один популярный тип резистивных устройств — реостатные преобразователи. Их принцип работы основан на измерении электрического сопротивления того или иного проводника при воздействии входного перемещения. На практике данный преобразователь включает в себя элементы, которые приспособлены к перемещению по причине воздействия измеряемой величины. Чаще всего устройства, о которых идет речь, включаются в состав делителей напряжения или применяются в качестве составного элемента измерительных мостов.

Если говорить о достоинствах, характеризующих реостатные преобразователи, то к таковым можно отнести:

- отсутствие реактивного воздействия на подвижные компоненты;

- высокую эффективность;

- небольшие габариты, возможность использования в инфраструктуре, работающей как на постоянном, так и на переменном токе.

В то же время резистивные преобразователи соответствующего типа не всегда надежны и во многих случаях требуют от предприятия затрат значительных ресурсов на поддержание функциональности.

Статья закончилась. Вопросы остались?
Подписаться
Я хочу получать
Правила публикации
Следят за новыми комментариями — 7
Редактирование комментария возможно в течении пяти минут после его создания, либо до момента появления ответа на данный комментарий.