Перетворювачі сигналів: види, принцип роботи і призначення

У промисловості та побуті поширено застосування різних типів перетворювачів сигналів. Дані пристрої можуть бути представлені в найширшому спектрі модифікацій, пристосованих до вирішення завдань в різних областях господарства. Які різновиди перетворювачів сигналів можна віднести до найпоширеніших? У чому можуть полягати особливості їх експлуатації?

У чому полягає призначення перетворювачів сигналів?

Перетворювачі сигналів — пристрої, які дійсно можуть бути представлені в найширшому спектрі рішень. Даний термін фактично збірний і може мати відношення до обладнання, що застосовується в різних сегментах господарства і класифікується за абсолютно несхожими критеріями. Основні типи сигналів, які можуть перетворювати пристрої, про які йдеться:

— електричні;

— звукові;

— температурні;

— технологічного характеру.

Залежно від завдань, які стоять перед користувачем перетворювача сигналу, в структурі відповідного пристрою можуть об’єднуватися додатки, що обробляють кілька різних типів даних. Перетворення, таким чином, може здійснюватися в рамках одного типу сигналу (наприклад, з однієї частоти на іншу) або бути механізмом, що передбачає трансляцію між різними категоріями сигналів. Наприклад, електричних у звукові.

До найпоширеніших девайсів належить перетворювач аналогових сигналів на цифрові (і навпаки, якщо це передбачено структурою внутрішніх модулів пристрою). Розгляньмо особливості його роботи.

Аналого-цифровий перетворювач

Пристрій, про який йдеться, призначений для перетворення якогось аналогового сигналу — наприклад, представленого показниками напруги, на цифровий вигляд (що дозволяє, наприклад, записати відповідний сигнал у файл).

Один з основних критеріїв ефективності роботи розглянутого апарату — розрядність даних на виході. Його величина визначає рівень ставлення сигналу до шуму.

Ще один значущий параметр, що характеризує якість роботи такого пристрою, як аналоговий перетворювач — швидкість формування вихідного сигналу. Серед 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. Ця особливість функціонування апарату в багатьох випадках зумовлює випуск відповідних перетворювачів, що 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 вищу швидкість роботи відповідного типу девайсів можна за допомогою з’єднання декількох пристроїв, завдяки чому вони можуть обробляти потоки сигналів по черзі.

Альтернативою паралельним рішенням 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 більшої швидкості перетворення, ніж та, що забезпечується послідовними девайсами, не потрібно.

Можна зазначити, що існують пристрої змішаного типу, що поєднують в собі функції послідовних і паралельних перетворювачів. У багатьох випадках вони є найоптимальнішими рішеннями з точки зору відповідності критеріям економічності і продуктивності.

Вище ми зазначили, що аналогово-цифрові перетворювачі можуть включати модулі, за допомогою яких здійснюється перетворення цифрових сигналів на 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 буде можливим при підключенні відповідної антени. Або за умови трансформування вихідних сигналів в аналогові, які даний телевізор зможе розпізнавати. Їх джерелом може бути, в свою чергу, цифрова антена. Або, як варіант, сигнал, що отримується через інтернет.

Цей пристрій, таким чином, перетворює сигнал, що містить цифровий код, на струм, напругу або заряд, який передається на обробку в аналогові додатки. Конкретні механізми цієї трансформації залежать від типу вихідних даних. Наприклад, якщо мова йде про звук, то на вході він зазвичай буває представлений в імпульсно-кодовій модуляції. Якщо вихідний файл стиснутий, можна застосувати спеціальні кодеки для перетворення сигналів. У свою чергу, цифрова антена зазвичай передає сигнал на обробку апаратними методами.

Пристрої, до складу яких входять розглянуті перетворювачі, можуть доповнюватися додатками різного призначення. Наприклад, при забезпеченні відтворення телевізійної трансляції може застосовуватися підсилювач відеосигналу на додаток до тих модулях, що задіяні 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 які йдеться. 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 зазначити, що представлений він може бути пристроями, що мають найширший спектр застосувань, а також принципів роботи. Серед поширених різновидів ультразвукових перетворювачів — занурний агрегат, який призначений для передачі у воду або інше рідке середовище ультразвуку з певною частотою. Цей пристрій може застосовуватися, наприклад, з метою здійснення очищення різних об’єктів від забруднень — у складі ванн, що використовуються з метою ультразвукового очищення.

Є й інші сфери застосування розглянутих пристроїв. Ультразвуковий перетворювач може застосовуватися з метою 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, ці критерії відображають два найважливіших принципи функціонування перетворювачів.

Ті, що належать до лінійних, можуть працювати за принципом аналогової схемотехніки, в рамках якого перетворювані сигнали формуються плавними темпами. Імпульсний перетворювач передбачає більш активне представлення сигналів як на виході, так і при внутрішній їх обробці. Однак якщо ця операція здійснюється лише на внутрішньому етапі обробки сигналів, відповідний пристрій може формувати фактично ті ж показники, що і в разі, 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 задіюються 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, який застосовується в рамках інфраструктури, в якій здійснюється обробка сигналів невеликої потужності. Або якщо є необхідність знизити перешкоди, що утворюються внаслідок роботи перетворювача. Варто відзначити, що ККД розглянутих рішень в інфраструктурі великої потужності — не найвидатніший, тому дані пристрої найчастіше виділяють більший обсяг тепла, ніж імпульсні перетворювачі. Крім того, їх вага і габарити також істотно більші.

Але, так чи інакше, на практиці функціонування перетворювача за імпульсним принципом може передбачати формування його передавальної функції в 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 їхні особливості? Вимірювальний перетворювач — пристрій, який також може бути представлений 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 його в ту величину, яка може бути вимірена, 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 виключно широкому спектрі. Поширено використання вимірювальних перетворень у 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 зазначити, що ці характеристики не завжди можуть бути призначені для кінцевого користувача перетворювача. Їх задіяння в багатьох випадках здійснюється в прихованому режимі. Людина, використовуючи відповідні перетворювачі сигналів, отримує лише необхідний сигнал, пристосований для застосування в тих чи інших цілях, на виході.

Таким чином, дані рішення, як правило, не задіюються 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 та проміжні. Корисно буде розглянути специфіку тих та інших.

Класифікація вимірювачів: первинні та 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 у вимірювальній 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 за тими чи іншими величинами;

— 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 інструменті вимірювань може знаходитися кілька первинних перетворювачів. Ще одна причина вважати розглянуту вище класифікацію умовною — в тому, що в різних типах інфраструктури вимірювання можуть здійснюватися за несхожими принципами.

Електронно-оптичні перетворювачі

Ще один популярний у різних сферах господарства тип девайсу — 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, підсвічуваного інфрачервоними, ультрафіолетовими або, наприклад, рентгенівськими променями, у видимий спектр.

При цьому відповідна операція, як правило, здійснюється в 2 етапи. На першому невидиме випромінювання приймається на фотокатод, після чого воно трансформується в електронні сигнали. Які вже на другому етапі перетворюються на видиму картинку і з’являються на екран. У разі якщо це комп’ютерний монітор, сигнал може бути попередньо перетворений на цифровий код.

Електронно-оптичні перетворювачі — рішення, які традиційно класифікуються на кілька поколінь. Пристрої, що належать до першого, мають у своєму складі скляну вакуумну колбу. У ній розташовуються фотокатод і анод. Між ними формується різність потенціалів. Під час подачі на перетворювач оптимальної напруги всередині його формується електронна лінза, здатна фокусувати потоки електронів.

У 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. Розгляньмо їхні особливості детальніше.

Ці перетворювачі пристосовані до зміни власного електричного опору під час впливу тієї чи іншої вимірюваної величини. Також вони можуть здійснювати коригування кутового і лінійного переміщення. Найчастіше дані перетворювачі включаються в 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. Серед найпопулярніших — датчики температури. Вивчимо їх особливості.

Резистивні датчики температури

Дані перетворювачі сигналів мають компоненти, які мають чутливість до змін навколишнього температури. 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 близько 0.026 градуса Цельсія. У складі даних пристроїв присутні елементи, що виготовляються з платини — в цьому випадку коефіцієнт опору буде нижчим, 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 в багатьох випадках обумовлює зниження його точності. Тому рекомендується забезпечувати оптимальні показники струму збудження з урахуванням конкретних умов проведення вимірювань. У розрахунок можуть братися, наприклад, теплопровідність того середовища, в якому застосовується датчик — повітря або води. Як правило, рекомендовані показники за струмами порушення встановлюються фірмами-виробниками датчиків відповідного типу. При цьому вони можуть значно відрізнятися залежно від металів, застосованих у конструкції пристроїв. Крім того, при застосуванні датчиків, про яких йде мова, необхідно брати в розрахунок такий показник, як гранична величина по робочому струму. Зазвичай її також визначає виробник.

Резистивні датчики — серед найпоширеніших у господарстві типів перетворювачів. Це багато в чому обумовлено значущими технологічними перевагами багатьох їх різновидів. Наприклад, якщо говорити про термісторів — 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 застосовуватися вони можуть на практиці в досить вузьких діапазонах за температурами.

Відповідного типу перетворювачі сигналів (види та призначення їх можуть визначатися на основі різних критеріїв класифікації) широко застосовуються в побуті. Наприклад, поширено включення температурних датчиків, що містять у своєму складі платинові та мідні елементи, до складу:

— опалювальної інфраструктури — з метою вимірювання показників температури теплоносія на тих чи інших ділянках обладнання, а також в опалювальному приміщенні;

— пральних машин — з метою вимірювання температури води та її підбудови під різні програми прання;

— прасок — аналогічно для забезпечення оптимальної температури глажки в рамках того чи іншого режиму роботи;

— електроплиток, а також інших типів обладнання для готування їжі — також з метою забезпечення їх функціонування при активізації тих чи інших користувальницьких режимів.

Реостатні перетворювачі

Ще один популярний тип резистивних пристроїв — реостатні перетворювачі. Їх принцип роботи заснований на вимірюванні електричного опору того чи іншого провідника при впливі вхідного переміщення. На практиці цей перетворювач включає в себе елементи, які пристосовані до переміщення через вплив вимірюваної величини. Найчастіше пристрої, про які йдеться, включаються до складу ділителів напруги або застосовуються як складовий елемент вимірювальних мостів.

Якщо говорити про достоїнства, що характеризують реостатні 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.

Водночас резистивні перетворювачі відповідного типу не завжди надійні і в багатьох випадках вимагають від підприємства витрат значних ресурсів на підтримку функціональності.