Analoge und digitale Elektronik

Die Elektronik wird in analoge und digitale Elektronik unterteilt, wobei letztere in fast allen Bereichen die analoge ersetzt.

Die analoge Elektronik untersucht Geräte, die im Laufe der Zeit kontinuierlich Signale erzeugen und verarbeiten.

Digitale Elektronik verwendet zeitdiskrete Signale, die meist in digitaler Form ausgedrückt werden.

Was ist ein Signal? Ein Signal ist etwas, das Informationen trägt. Licht, Schall, Temperatur, Geschwindigkeit – all das sind physikalische Größen, deren Veränderung für uns eine bestimmte Bedeutung hat: entweder als Lebensprozess oder als technologischer Prozess.

Der Mensch ist in der Lage, viele physikalische Größen als Information wahrzunehmen. Dazu verfügt es über Wandler – Sinnesorgane, die verschiedene äußere Signale in Impulse (die übrigens elektrischer Natur sind) umwandeln, die ins Gehirn gelangen. Dabei werden alle Arten von Signalen: Licht, Ton und Temperatur in Impulse gleicher Art umgewandelt.

In elektronischen Systemen werden die Funktionen der Sinnesorgane von Sensoren (Sensoren) übernommen, die alle physikalischen Größen in elektrische Signale umwandeln.Für Licht – Fotozellen, für Ton – Mikrofone, für Temperatur – ein Thermistor oder Thermoelement.

Warum gerade in elektrischen Signalen? Die Antwort liegt auf der Hand: Elektrische Größen sind universell, weil alle anderen Größen in elektrische Größen umgewandelt werden können und umgekehrt; elektrische Signale werden komfortabel übertragen und verarbeitet.

Nach dem Empfang von Informationen leitet das menschliche Gehirn auf der Grundlage der Verarbeitung dieser Informationen Steueraktionen für Muskeln und andere Mechanismen ein. Ebenso steuern elektrische Signale in elektronischen Systemen elektrische, mechanische, thermische und andere Energiearten durch Elektromotoren, Elektromagnete und elektrische Lichtquellen.

Also das Fazit. Was der Mensch früher tat (oder nicht konnte), leisten elektronische Systeme: Sie steuern, verwalten, regeln, kommunizieren aus der Ferne usw.

Möglichkeiten der Informationspräsentation

Bei der Nutzung elektrischer Signale als Datenträger sind zwei Formen möglich:

1) analog – das elektrische Signal ist zu jedem Zeitpunkt dem Original ähnlich, d. h. kontinuierlich in der Zeit. Temperatur, Druck, Geschwindigkeit ändern sich nach einem kontinuierlichen Gesetz – Sensoren wandeln diese Werte in ein elektrisches Signal um, das sich nach demselben Gesetz (ähnlich) ändert. Die in dieser Form dargestellten Werte können innerhalb eines angegebenen Bereichs unendlich viele Werte annehmen.

2) Ein separates – Impuls- und Digitalsignal – ist eine Reihe von Impulsen, in denen Informationen kodiert sind. In diesem Fall werden nicht alle Werte kodiert, sondern nur zu bestimmten Zeitpunkten – Signalabtastung.

Pulsbetrieb – kurzzeitige Einwirkung des Signals im Wechsel mit einer Pause.

Gegenüber dem kontinuierlichen (analogen) Betrieb hat der Impulsbetrieb mehrere Vorteile:

— große Ausgangsleistungswerte bei gleichem Volumen elektronischer Geräte und höherer Effizienz;

— Erhöhung der Störfestigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit elektronischer Geräte;

— Verringerung des Einflusses von Temperaturen und Streuung der Geräteparameter, da die Arbeit in zwei Modi ausgeführt wird: „Ein“ – „Aus“;

— Implementierung von Impulsgeräten auf Elementen eines einzelnen Typs, die einfach durch die Methode der Integraltechnologie (auf Mikroschaltungen) implementiert werden können.

Abbildung 1a zeigt die Methoden zur Kodierung eines kontinuierlichen Signals mit Rechteckimpulsen – den Modulationsprozess.

Pulsamplitudenmodulation (PAM) – die Amplitude der Impulse ist proportional zum Eingangssignal.

Pulsweitenmodulation (PWM) — Die Impulsbreite tpulse ist proportional zum Eingangssignal, die Amplitude und Frequenz der Impulse sind konstant.

Pulsfrequenzmodulation (PFM) – das Eingangssignal bestimmt die Wiederholungsrate von Impulsen mit konstanter Dauer und Amplitude.

Abbildung 1 – a) Methoden zur Kodierung eines kontinuierlichen Signals mit Rechteckimpulsen, b) Grundparameter von Rechteckimpulsen

Die häufigsten Impulse sind rechteckig. Abbildung 1b zeigt eine periodische Folge von Rechteckimpulsen und ihre Hauptparameter. Die Impulse werden durch folgende Parameter charakterisiert: Um – Impulsamplitude; timp ist die Impulsdauer; tpause – die Dauer der Pause zwischen den Impulsen; Tp = tp + tp – Pulswiederholungsperiode; f = 1 / Tp – Pulswiederholungsfrequenz; QH = Tp / tp – Puls-Tastverhältnis.

Neben Rechteckimpulsen werden in der Elektrotechnik häufig Sägezahn-, Exponential-, Trapez- und andere Impulse verwendet.

Digitaler Betriebsmodus – Informationen werden in Form einer Zahl übertragen, die einem bestimmten Satz von Impulsen (digitaler Code) entspricht, und nur das Vorhandensein oder Fehlen eines Impulses ist entscheidend.

Digitale Geräte arbeiten meist mit nur zwei Signalwerten – Null „0“ (normalerweise niedrige Spannung oder kein Impuls) und „1“ (normalerweise hoher Spannungspegel oder das Vorhandensein einer Rechteckwelle), d. h. Die Informationen werden in einem binären Zahlensystem dargestellt.

Dies liegt an der Bequemlichkeit der Erzeugung, Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Signalen, die im Binärsystem dargestellt werden: Der Schalter ist geschlossen – offen, der Transistor ist offen – geschlossen, der Kondensator ist geladen – entladen, das magnetische Material ist magnetisiert – entmagnetisiert, usw. .

Digitale Informationen werden auf zwei Arten dargestellt:

1) Potenzial – die Werte „0“ und „1“ entsprechen Nieder- und Hochspannung.

2) Impuls – binäre Variablen entsprechen dem Vorhandensein oder Fehlen elektrischer Impulse zu bestimmten Zeitpunkten.