Введение в аналоговую электронику
Аналоговая электроника — это отрасль электроники, которая работает с непрерывно изменяющимися сигналами. Аналоговая электроника широко используется в радио и звуковом оборудовании, а также в других приложениях, где сигналы получаются от аналоговых датчиков перед преобразованием в цифровые для последующего хранения и обработки.
Хотя цифровые схемы считаются доминирующей частью современного технологического мира, некоторые из наиболее фундаментальных компонентов цифровой системы фактически являются аналоговыми по своей природе.
Аналоговый означает непрерывный и настоящий. Мир, в котором мы живем, аналогичен по своей природе, что подразумевает, что он полон бесконечных возможностей. Количество запахов, которые мы можем почувствовать, количество тонов, которые мы можем услышать, или количество цветов, которыми мы можем рисовать, все бесконечно.
Люди, работающие в области аналоговой электроники, в основном имеют дело с аналоговыми устройствами и схемами. Например, если мы построим схему, и она считает такие значения, как 1, 2, 3, 4 и 5. Значения не являются ни бесконечными, ни непрерывными. С другой стороны, если схема считает как 1.00000, 1.00001, 1.00002, 4.99999, 5.00000, количество информации будет бесконечным.
В электротехнике сигналы — это в основном изменяющиеся во времени величины (обычно напряжение или ток). Итак, когда мы говорим о сигнале, это означает, что мы говорим о напряжении, которое меняется со временем.
Сигналы передаются между устройствами для получения или отправки информации в форме аудио, видео или закодированных данных. Передача происходит по проводам или по воздуху через радиоволны. Например, аудиосигналы передаются со звуковой карты компьютера на динамики, а сигналы данных между планшетом и маршрутизатором Wi-Fi проходят по воздуху.
Аналоговые сигналы используют атрибуты среды для передачи информации о сигнале. Например, барометр-анероид использует угловое положение иглы для отображения изменений атмосферного давления.
Сигналы принимают любое значение из заданного диапазона, и каждое значение сигнала обозначает различную информацию. Каждый уровень сигнала означает отдельный уровень явления, и любое изменение сигнала имеет смысл.
Аналоговые сигналы используют в случаях, когда выполняемое действие имеет характеристику, которая может принимать бесчисленное множество значений: «повернуть заслонку на 4°», или «…на 44°», или «…на 52,5°»; «переместить движок реостата на 27 мм», или «…на 11 мм», или «…на 2,7 мм»; «увеличить частоту вращения двигателя до 600 об/мин» или «…до 615 об/мин»; «нагреть деталь до 225 °С» или «…до 530 °С» и т. д. В этом случае управляющее воздействие должно быть изменяемым, чтобы обеспечить именно такую реакцию исполнительного механизма, которая требуется для правильного выполнения данной операции и всего алгоритма, т. е. управляющий сигнал должен содержать информацию о количественной характеристике действия. Например, исполнительный механизм должен переместить заготовку в зависимости от заданных условий или на 3 мм, или на 5,1 мм, или на 8,2 мм.
Большинство физических величин могут принимать любые значения. Если они изменяются, то их значения могут становиться чуть-чуть больше или чуть-чуть меньше, причем количество чуть-чуть отличающихся различных значений бесконечно. Такие величины называются аналоговыми. Они непрерывны, т.е. их значения не могут изменяться скачками.
Аналоговыми называются величины, которые могут иметь бесчисленное множество значений.
Следовательно, управляющие сигналы, которые могут иметь любые значения, т.е. бесчисленное множество значений, тоже являются аналоговыми. Понятие «любые значения» здесь не совсем точное, так как сигналы вырабатываются конкретными устройствами с определенными характеристиками, ограниченными, например, напряжением питания. Поэтому значения сигналов могут быть любыми только в определенных пределах.
Определить, является ли график сигнала аналоговым или цифровым, довольно легко. Первый — гладкий и непрерывный, второй — имеет форму ступенчатых квадратов. Ниже приведен график аналогового сигнала, представляющий изменение напряжения с изменением во времени.
График аналогового сигнала, представляющий график зависимости напряжения от времени
Аналоговые схемы можно определить как сложную комбинацию операционных усилителей, резисторов, конденсаторов и других основных электронных компонентов. Эти схемы могут быть такими простыми, как комбинация двух резисторов для создания делителя напряжения, или элегантно построены из множества компонентов. Такие схемы могут ослаблять, усиливать, изолировать, изменять, искажать сигнал или даже преобразовывать исходный в цифровой сигнал.
Чтобы понять, что такое аналоговый сигнал на практике, возьмем в качестве примера резистивный датчик влажности SYH-2R, сопротивление которого зависит от влажности. У этого датчика по мере увеличения влажности сопротивление уменьшается. Эта зависимость представлена в таблице в примечании к каталогу производителя:
Связь между влажностью и сопротивлением датчика
Если подключить систему как на рисунке ниже, мы получим значение падения напряжения на этом датчике:
Схема термистора, подключенного последовательно к источнику тока с измерением напряжения на выводах термистора
Это падение напряжения — пример аналогового сигнала. Допустим, мы записываем значение падения напряжения каждую секунду. Таким образом, мы создадим график, который описывает определенное изменение напряжения во времени.
Функция является непрерывной, потому что мы можем прочитать значение этого сигнала в любой момент времени. Аналоговый сигнал обладает этим основным свойством.
Для получения сигнала и простого понижения напряжения постоянного тока до определенного значения с аналоговых датчиков наиболее часто используются делители напряжения. Это делается с помощью двух резисторов в схеме, показанной ниже.
Формула для расчета выходного напряжения делителя:
Просто стоит помнить, что напряжение на выходе делителя напряжения — это деление нижнего резистора на сумму этих резисторов, и, наконец, вы должны умножить полученное значение на входное напряжение. Такие резисторы часто используются вместе с компараторами, то есть элементами, сравнивающими два значения напряжения.
Компараторы в электронных схемах:
Аналоговые компараторы
Простые схемы на компараторах
Подробнее про делители напряжения:
Делитель напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях
Преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму осуществляется с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП): Как происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой
Самые популярные аналоговые микросхемы: Легендарные аналоговые микросхемы
Аналоговые схемы сложны в разработке и требуют большей точности по сравнению с цифровыми схемами. Современные схемы редко бывают полностью аналоговыми, поскольку в наши дни аналоговые схемы могут использовать цифровые или микропроцессорные технологии для повышения производительности.
Основное различие между аналоговой и цифровой электроникой заключается в том, что в первой технологии информация преобразуется в электрические импульсы различной амплитуды, а во второй — в двоичный формат 0 и 1, где каждый бит представляет две различные амплитуды.
Если вас интересует электроника, особенно аналоговая электроника, вы обратились по адресу. Надеюсь, вы найдете информацию, которую ищете.
Представленного здесь материала будет достаточно для понимания принципов работы элементов и основных электронных схем, а также поможет самостоятельно спроектировать (рассчитать) простые схемы.
Очень полезная статья для начинающих изучать электронику:
Как научиться читать электронные схемы
Основными элементами аналоговых схем являются транзисторы:
Виды транзисторов и их применение
Биполярные транзисторы: схемы, режимы, моделирование
Полевые транзисторы: принцип действия, схемы, режимы работы и моделирование
Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения
Полупроводниковые выпрямители:
Как сделать выпрямитель и простейший блок питания
Тиристорные регуляторы мощности:
Способы и схемы управления тиристором или симистором
Аналоговые датчики:
Чем отличаются аналоговые и цифровые датчики
Как применять фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы
Датчики влажности
Датчики температуры
Аналоговые датчики линии
Аналоговые датчики: применение, способы подключения к контроллеру
Подключение аналоговых датчиков к Ардуино, считывание показаний датчиков
Измерение температуры и влажности на Arduino – подборка способов
Осциллограф — прибор для наблюдения и записи электрических процессов (характера их протекания во времени). Это лучший измерительный прибор для работы в области аналоговой электроники:
Что можно сделать с помощью осциллографа
Проведение измерений с помощью осциллографа
Яков Кузнецов
Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!
Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:
Факультет Интернет вещей
Вы сможете:
-
Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;
-
Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;
-
Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.
Starter box для первых экспериментов в подарок!
После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды…
Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.
Подробнее здесь:
Интернет вещей и современные встраиваемые системы