Каждый вечер я вожу на прогулку мою собаку. Часто мы встречаем других собак, и каждый раз повторяются принюхивания и хороводы, напоминающие танцы. Собаки обмениваются сообщениями, и эти обряды являются частью их общения. Частенько мы встречаем и кошек, но встреча с ними, к сожалению, не всегда заканчивается наилучшим образом, поэтому нам приходится менять место прогулки. К сожалению, между кошками и собаками никогда не было согласия в отношениях, а скорее полное недопонимание. Когда моя собака видит кошку, она хочет играть с ней, счастливо виляя хвостом. Для озадаченной кошки, однако, помахивание хвостом означает неприятности или конфликты. Даже если бы мы приблизились к кошке, собака захотела бы понюхать ее хвостик, но это было бы большой глупостью, потому что для кошки это очень оскорбительный жест!
Сигнал является средством для передачи и обмена информацией. Чтобы обмен прошел удачно, необходимо установить соглашение между отправителем и получателем, которое определяет правила, сроки и содержание сообщения. Писать ли нам через «Скайп» или по электронной почте? А может, мы будем использовать бумажные страницы, на которых напечатаны слова, цветные флаги, как это делают два корабля в море, или даже телеграфный ключ, который посылает короткие электрические импульсы. Если мы решим использовать «Скайп», мы должны согласовать время для связи, чтобы не ждать напрасно нашего собеседника. Сообщение будет зашифровано, потому что мы будем говорить на одном языке, а также договоримся о том, как будут писаться буквы. Многие из этих соглашений уже подразумеваются в общении между людьми, поэтому не будут повторяться каждый раз. Таким образом, мы имеем один передатчик, один приемник и один канал передачи. Канал может быть частично прерван, то есть нарушен в связи с шумом: это может быть туман, болтовня гостей на вечеринке, солнце в глаза или электрические разряды. Сообщение, достигающее получателя, должно быть расшифровано, а затем истолковано, чтобы получить содержащуюся в нем информацию. Электрические токи могут быть отлично использованы для создания сигналов, несущих информацию.
Аналоговые и цифровые сигналы
Микрофон является преобразователем, то есть устройством, которое преобразует механическую энергию звуковых волн в электрическую энергию. На его концах мы найдем сигнал, изменяющийся с течением времени, более или менее точно соответствующий вибрациям, которые производят звуковые волны. Если построить диаграмму этого сигнала, мы получим очень живую линию. Сигнал такого типа также называется аналоговым, потому что это сигнал, который изменяется от минимума до максимума и в пределах этого интервала может принимать любое значение. Цифровые сигналы могут принимать только два положения, равные минимальному или максимальному уровню. Сигналы такого типа используются в вычислительной технике.
Они, как правило, имеют четко установленное время срабатывания для формирования регулярного временного ряда. Каждый временной промежуток может принимать только определенное значение и совпадает с одним битом.
Рис. 6.1. Аналоговый сигнал (слева) может принимать любое значение внутри интервала; цифровой сигнал (справа) допускает только два возможных значения и, как правило, имеет установленное время срабатывания
Осциллограф
Осциллограф является очень полезным измерительным прибором, который способен отображать электрические сигналы, хотя и не совсем подходит для новичков. Прибор снабжен несколькими датчиками, схожими по принципу использования с щупами тестера. Осциллографы можно регулировать, изменяя промежуток времени, что позволяет отслеживать медленные и быстрые сигналы и регулировать амплитуду сигналов, то есть усиливать или ослаблять их, наблюдая изменения на экране. Осциллограф используется скорее для количественных оценок, чем для точных измерений, то есть позволяет понять поведение электрического сигнала, а также очень полезен в случае ремонта и для выявления неполадок.
Рис. 6.2. Осциллограф может отображать на экране сигналы, полученные с помощью его датчиков
В пределах нескольких сотен евро
[4] можно купить подержанный инструмент аналогового типа или инструменты азиатских производителей, характеристики которых пропорциональны цене. Несколько лет назад преобладали аналоговые приборы, и, хотя современные приборы являются цифровыми, старые аналоговые приборы более предпочтительны, так как отображают более чистые и четкие сигналы без промежуточной обработки. Цифровые приборы преобразуют сигнал в последовательность битов с целью его обработки и отображения на плоском экране. В аналоговых осциллографах усиленный сигнал направляет «непосредственно» электронные лучи на экран. Каждый осциллограф характеризуется полосой пропускания: 10, 20… 50, 100 МГц. Полоса пропускания указывает на максимальную возможную частоту, или скорость сигналов, которые могут быть отображены.
В приложении я добавил информацию и ссылки, для построения простого осциллографа с помощью «Ардуино».
Работа с сигналами
Электроника – это искусство управления слабыми токами, то есть электрическими сигналами. Используя пассивные компоненты, такие как транзисторы и интегральные схемы, мы можем генерировать любой тип сигнала и изменять его по желанию: усиливать, ослаблять, соединять, отделять, очищать или загрязнять.
Для любителей Hi-Fi-аппаратуры сигналы должны быть чистыми и в точности соответствовать источнику. Принимать сигналы, изменяя их наименьшим образом – это очень сложная задача, несмотря на то, что кажется простой. По этой причине усилители хорошего качества стоят очень дорого. Реальные схемы всегда искажают сигналы, которые проходят через них. Иногда, наоборот, требуется радикально изменить сигнал для того, чтобы использовать его в других целях, например для управления различными схемами, для извлечения особых данных, скрытых в его «кривых».
Одним из простейших сигналов является синусоидальная волна, которую математики записывают формулой:
Волна = А · Sin (угол)
Слово «синус» обозначает функцию, что-то вроде черного ящика, куда мы можем внести число, чтобы получить результат, т. е. новое число. Внеся в ящик sin угол от 0° до 360°, мы получим ширину синусоидальной волны, то есть число, которое плавно проходит от одного до минус одного. Если угол превышает 360°, результат повторяется сначала: 361° дает тот же результат, что и 1°. При умножении функции sin на число А ее амплитуда будет колебаться в пределах от + А до – А. К функции sin мы должны добавить угол, который преобразуется в число. Если мы хотим создать угол, который изменяется с течением времени, мы можем написать:
