При передаче информации возникает задача формирования и распознавания сигналов. Поскольку сигнал есть материальный носитель информации (переносчик), между параметрами которого и передаваемым сообщением существует однозначное информационное соответствие, то задача форми рования сигнала заключается в придании элементам сигнала того или иного качественного признака. А распознавание сигнала сводится к селекции сигналов по тем качественным признакам, по которым было установлено это информационное соответствие.
Технические устройства - функциональные узлы, придающие элементам дискретного сигнала тот или иной качественный признак, называются формирователями качественных признаков. Функциональные узлы, распознающие сигналы по качественным признакам, называют селекторами.
В системах передачи информации, как правило, используются дискретные (цифровые) сигналы. Могут использоваться и непрерывные (аналоговые) сигналы.
Дискретный сигнал характеризуется конечным (счётным) множеством значений как по уровню (или состояниям), так и во времени, т. е. у дискретных сигналов различают отдельные элементы, которые существуют в дискретные моменты (и интервалы) времени. В зависимости от количества элементов различают одноэлементные и многоэлементные сигналы.
Непрерывный (аналоговый) сигнал характеризуется бесконечным множеством значений по уровню (в ограниченном диапазоне) и описывается непрерывными функциями во времени.
В системах передачи информации принято различать пять качественных признаков: 1) амплитудные; 2) временные; 3) частотные: 4) фазовые; 5) полярные.
Если в качестве переносчика используются гармонические либо электромагнитные (радиоволны) колебания, то для формирования сигналов при меняются первые четыре признака. Когда же в качестве переносчика используется периодическая последовательность импульсов постоянного тика либо одиночные импульсы, то возможно применение всех признаков. В этом случае признаки называют импульсными или просто сигнальными
Обычно при передаче сигналов учитывается требование обеспечения наибольшего количества передаваемой информации. Как известно, количество информации, содержащееся в дискретном сигнале, прямо пропорционально количеству его элементов и логарифму от числа возможных значений, которые может иметь каждый элемент сигнала. Поэтому при рассмотрении процессов формирования сигналов важными «параметрами» являются количество значений (градаций), которое может принять (иметь) элемент сигнала с тем или иным качественным признаком, помехоустойчивость сигнала с фиксированным признаком.
Под помехоустойчивостью сигнала понимают его способность противостоять действию помех. Сигнал, наделённый тем или иным качественным признаком, в различной степени подвержен вредному влиянию помех. Оценить по помехоустойчивости различные сигналы можно лишь в понятиях «малая», «средняя», «высокая», т. е. качественно или, сопоставляя сигналы друг с другом.
Нет сомнений в том, что создание устройств и систем на ИМС является актуальной задачей и имеет большое практическое значение при подготовке специалистов. С этой точки зрения целесообразно рассматривать варианты реализации названных функциональных узлов на микросхемах.
С другой стороны, определенный интерес представляют варианты реализации на дискретных компонентах электронной техники и даже на релейно-контактных элементах. Дело в том, что эти варианты достаточно просты, легко уясняются и понимаются. Поэтому, чисто в учебных целях, ниже будут приведены некоторые из таких вариантов.
Особенность реализации устройств на интегральных микросхемах заключается в том, что внутреннее «содержание» микросхемы на функциональных и принципиальных схемах не раскрывается. Микросхемы показывают их условными графическими обозначениями (УГО), по которым нельзя установить ни внутренние связи, ни номенклатуру логических элементов, входящих в состав ИМС. В то же время, по УГО можно уяснить назначение входов/выходов, основную функцию, выполняемую микросхемой, характер зависимости выходных сигналов от входных и многое другое. Для этого необходимо ознакомиться с ГОСТами ЕСКД (Единой Системы Конструкторской Документации) на условные графические и буквенно-цифровые обозначения элементов в электрических схемах. И, в частности, с ГОСТ 2.743-91 «Условные графические обозначения в электрических схемах. Элементы цифровой техники» и ГОСТ 2.759-91 «Условные графические обозначения в электрических схемах. Элементы аналоговой техники».
Формирователи и селекторы амплитуды импульсов
Придание элементам дискретного сигнала различных значений по амплитуде может быть выполнено электрическими цепями с различной проводимостью или масштабирующими «элементами».
Электрические цепи с различной проводимостью используются, если элементной базой являются релейно-контактные элементы или дискретные компоненты электронной техники (резисторы, транзисторы и т. д.).
В устройствах на ИМС сигналы различной амплитуды возможны, только когда устройства являются аналоговыми.
В цифровых устройствах уровни (амплитуда) сигналов остаются постоянными (уровни лог.0 и лог.1), а «промежуточные» значения амплитуды невозможны. Поэтому в полностью цифровых устройствах сигналы по амплитуде могут принимать только два значения: одно, условно принимаемое за логический ноль (лог.0), и другое значение, принимаемое за логическую единицу (лог.1). В частности, за сигнал лог.0 можно принять «отсутствие» импульса, а за сигнал лог.1 - «наличие» импульса на выходе формирователя. «Отсутствие» импульса рассматривается как импульс с амплитудой, равной нулю (уровень лог.0). «Наличие» же импульса - как уровень лог. 1 фиксированной (ограниченной) длительности.
На рис. 2.9 приведены схемы формирования и селекции импульсов по амплитуде для устройств на релейно-контактных элементах. Рис. 2.9,а иллюстрирует схему формирователя. Контакт 1Р2 является «выходом» генератора импульсов, он периодически замыкается и размыкается, создавая импульсы напряжения. Генератор построен на реле 1Р, которое периодически включается и отключается при подаче напряжения питания +Е. Контакт ΡΚΙ принадлежит реле «кодирования» РК. Когда нажимается кнопка SB, реле срабатывает, контакт РК1 замыкается и на выходе (точки 1-2) формирователя появляется импульс большей амплитуды.
Рис. 2.9. Формирователь (а), селектор (б) амплитуды, временные диаграммы работы селектора (в)
Селектором импульсов большей амплитуды (см рис. 2.9,б) является реле А, ток (напряжение) срабатывания которого в два раза больше тока срабатывания линейного реле Л. Иа схему селектора поступают импульсы из линии связи (точки 1-2). Реле Л срабатывает на импульс малой и большой амплитуды (см. временные диаграммы рис. 2.9,в), а реле А - только на импульсы большой амплитуды (U2). Выходом селектора является контакт А1 реле А Примерами формирователя и селектора импульсов по амплитуде на ИМС могут служить схемы рис. 2.10 и рис. 2.11 соответственно. В схеме рис. 2.10,а в качестве основного элемента использован операционный усилитель в интегральном исполнении, например К140УД6. Он выполняет функции «масштабирующего элемента».
Усилитель работает в режиме «суммирования» двух входных сигналов: с выхода элемента «И» (D1) и с выхода элемента «ЗАПРЕТ» (D2). Названные элементы являются цифровыми и их выходные сит налы имеют стандартные уровни (лог.0 и лог. 1). Предполагается, что входные сигналы от генератора импульсов «Ог ГИ» и управляющий сигнал «Упр. сигн.» имеют стандартные уровни напряжения. Коэффициенты передачи сигналов с выходов D1 и D2 на выход формирователя (Uвых) различны.
Рис. 2.10. Функциональная схема формирователя амплитуды импульсов (а), временные диаграммы его работы (б)
Известно, что коэффициент передачи операционного усилителя по конкретному входу равен отношению сопротивления в цепи обратной связи (R0) усилителя к сопротивлению на входе (R1 или R2). Поскольку R2=2r, a Rl r, где г некоторое фиксированное значение сопротивления, то амплитуда (U2) на выходе усилителя импульса, поступившего с выхода элемента D1, будет в два раза больше амплитуды (U1) импульсов, причиной которых является сигнал с выхода элемента D2 (см. временные диаграммы рис. 2.10,б).
Из анализа схемы (рис. 2.10,а) следует, что на выходах элементов D1 и D2 одновременно сигналы лог. 1 появиться не могут, т. к. управляющий сигнал подаётся на вход запрета элемента D2 (инверсный вход) и на второй вход элемента И (D1). Моменты появления импульсов на выходах элементов D1 и D2 совпадают с фронтом импульсов от ГИ, а наличие импульсов определяется значением управляющего сигнала: при значении лог.0 импульсы возникают на выходе D2, а при лог.1 - на выходе D1 (см. диаграммы рис. 2.10,б). Как видно из диаграмм, для нормальной работы формирователя требуется синхронизация управляющего сигнала импульсами генератора.
Бесконтактные амплитудные селекторы строятся па функциональных элементах с регулируемым «порогом срабатывания» («порогом чувствительности»), Такие «элементы» можно построить на дискретных компонентах электронной техники, например, на транзисторах с регулируемым запирающим напряжением или на трип ерах Шмитта (в интегральном исполнении). Трштер Шмитта - это электронное устройство («элемент») с двумя устойчивыми состояниями (лог.0 и лог.1), в одно из которых оно переходит под действием входного сигнала, а в другое - при снятии (исчезновении) входного сигнала. Причем входной сигнал может быть аналоговым, а выходной сигнал принимает только два дискретных значения - лог.0 и лог.1. На рис. 2.11,а приведена функциональная схема амплитудного селектора на основе триггера Шмитта серии ИМС К155 (К155ТЛ1), а на рис. 2.11,б временные диаграммы его работы.
Рис. 2.11. Амплитудный селектор: функциональная схема (а), временные диаграммы работы (б)
Выход триггера D1 инверсный, поэтому при Uвк=0 выходной сигнал равен лог.1. (см. диаграммы). Реальный триггер указанной серии имеет порог срабатывания ≈1,5В. С помощью делителя напряжения на резисторах Rl, R2 можно отрегулировать порог так, чтобы селектор не реагировал на импульс малой амплитуды (U1), а реагировал на импульс большой амплитуды (U2).
На диаграммах отображен также случай, когда входной сигнал (Uвк) не является цифровым, т. е. имеет плавно меняющуюся амплитуду. Тем не менее, выходной сигнал является цифровым. Моменты времени, когда значения Uвых меняются, помечены на диаграмме точками. Следует отметить, амплитудные селекторы можно реализовать и на операционном усилителе, на диодно-резисторных схемах и т.д.
