Analogelektronik

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Analoge elektronische Komponenten wie diese Thermistor Funktion mit a kontinuierlich Signale, anders als Digitale Elektronik die haben Diskrete Signale, normalerweise Binärcode

Analogelektronik (amerikanisches Englisch: Analoge Elektronik) sind elektronisch Systeme mit a ständig variabler Signal im Gegensatz zu Digitale Elektronik wo Signale normalerweise dauern Nur zwei Ebenen. Der Begriff "analog" beschreibt die proportionale Beziehung zwischen einem Signal und einer Spannung oder einem Strom, der das Signal darstellt. Das Wort analog wird von der abgeleitet griechisch: word ανάλογος ausgesprochen[n](Analogos) bedeutet "proportional".[1]

Analogsignale

Hauptartikel: Analoges Signal

Ein analoges Signal verwendet ein Attribut des Mediums, um die Informationen des Signals zu vermitteln. Zum Beispiel eine Aneroidbarometer verwendet die Winkelposition von einer Nadel als Signal, um die Informationen von Änderungen in zu vermitteln Luftdruck.[2] Elektrische Signale können Informationen darstellen, indem sie deren Spannung, Strom, Frequenz oder Gesamtladung ändern. Die Informationen werden von einer anderen physikalischen Form (wie Klang, Licht, Temperatur, Druck, Position) in ein elektrisches Signal durch a umgewandelt Wandler die einen Energietyp in einen anderen umwandelt (z. B. a Mikrofon).[3]

Die Signale nehmen einen beliebigen Wert aus einem bestimmten Bereich, und jeder eindeutige Signalwert stellt unterschiedliche Informationen dar. Jede Änderung des Signals ist aussagekräftig, und jede Ebene des Signals repräsentiert eine andere Ebene des Phänomens, das es darstellt. Angenommen, das Signal wird verwendet, um die Temperatur mit einem darzustellen Volt einen Grad Celsius darstellen. In einem solchen System würden 10 Volt 10 Grad darstellen und 10,1 Volt 10,1 Grad darstellen.

Eine andere Methode zur Vermittlung eines analogen Signals ist die Verwendung Modulation. Darin hat ein Basisträgersignal eines seiner Eigenschaften geändert: Amplitudenmodulation (AM) beinhaltet die Veränderung der Amplitude einer sinusförmigen Spannungswellenform durch die Quellinformationen, Frequenzmodulation (Fm) ändert die Frequenz. Andere Techniken, wie z. Phasenmodulation oder das Ändern der Phase des Trägersignals wird ebenfalls verwendet.[4]

In einer analogen Schallaufzeichnung die Variation des Drucks eines Klangs auffällt a Mikrofon Erstellt eine entsprechende Variation des Stroms, das durch ihn verläuft oder über die Spannung geht. Eine Erhöhung des Klangvolumens führt dazu, dass der Strom oder die Spannung proportional zunimmt und gleich Wellenform oder Form.

Mechanisch, pneumatisch, hydraulischund andere Systeme können auch analoge Signale verwenden.

Inhärentes Geräusch

Analoge Systeme umfassen ausnahmslos Lärm Das sind zufällige Störungen oder Variationen, einige verursacht durch die zufällige thermische Schwingungen von Atompartikeln. Da alle Variationen eines analogen Signals signifikant sind, entspricht jede Störung einer Änderung des ursprünglichen Signals und erscheint daher als Rauschen.[5] Da das Signal kopiert und neu gestaltet oder über große Entfernungen übertragen wird, werden diese zufälligen Variationen signifikanter und führen zu einer Signalverschlechterung. Andere Lärmquellen können umfassen Übersprechen aus anderen Signalen oder schlecht gestalteten Komponenten. Diese Störungen werden durch reduziert durch Abschirmung und durch Verwendung Verstärker mit niedriger Nutzung (LNA).[6]

Analogon gegen digitale Elektronik

Ein digitales Signal wie USB ist von Natur aus ein analoges Signal

Da die Informationen in analogem und unterschiedlich codiert sind und Digitale ElektronikDie Art und Weise, wie sie ein Signal verarbeiten, unterscheidet sich folglich. Alle Operationen, die an einem analogen Signal wie z. Verstärkung, Filterung, einschränkend und andere können auch in der digitalen Domäne dupliziert werden. Jede digitale Schaltung ist auch ein analogen Schaltkreis, da das Verhalten eines digitalen Schaltkreises unter Verwendung der Regeln der analogen Schaltkreise erläutert werden kann.

Die Verwendung von Mikroelektronik hat digitale Geräte billig und weit verbreitet gemacht.

Lärm

Der Effekt von Lärm Auf einer analogen Schaltung ist eine Funktion der eben von Lärm. Je größer der Geräuschpegel ist, desto mehr wird das analoge Signal gestört und wird langsam weniger verwendbar. Aus diesem Grund sollen analoge Signale "anmutig scheitern". Analoge Signale können immer noch verständliche Informationen mit sehr hohen Lärmpegeln enthalten. Digitale Schaltkreise hingegen sind durch das Vorhandensein von Rauschen überhaupt nicht betroffen, bis ein bestimmter Schwellenwert erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt versagen sie katastrophal. Für digital TelekommunikationEs ist möglich, die Rauschschwelle durch die Verwendung von zu erhöhen Fehlererkennung und Korrektur Codierungsschemata und Algorithmen. Trotzdem gibt es immer noch einen Punkt, an dem katastrophales Versagen der Verbindung auftritt.[7][8]

In der digitalen Elektronik, weil die Informationen sind quantisiertSolange das Signal in einem Wertebereich bleibt, stellt es die gleichen Informationen dar. In digitalen Schaltungen wird das Signal jeweils regeneriert Logik -Tor, verringern oder entfernen.[9][Fehlgeschlagene Überprüfung] In analogen Schaltungen kann der Signalverlust regeneriert werden Verstärker. Das Rauschen ist jedoch im gesamten System kumulativ und der Verstärker selbst wird das Geräusch entsprechend seinem Anteil erhöhen Rauschfigur.[10][11]

Präzision

Eine Reihe von Faktoren beeinflussen, wie präzise ein Signal ist, hauptsächlich das im ursprünglichen Signal vorhandene Rauschen und das durch Verarbeitung hinzugefügte Rauschen (siehe Signal-Rausch-Verhältnis). Grundlegende physikalische Grenzen wie die Schuss Lärm In Komponenten begrenzt die Auflösung von analogen Signalen. In der digitalen Elektronik wird zusätzliche Genauigkeit erhalten, indem zusätzliche Ziffern zur Darstellung des Signals verwendet werden. Die praktische Grenze in der Anzahl der Ziffern wird durch die Leistung der bestimmt Analog-zu-Digital-Konverter (ADC), da digitale Operationen normalerweise ohne Präzisionsverlust durchgeführt werden können. Der ADC nimmt ein analoges Signal und verändert es in eine Reihe von Binärzahlen. Der ADC kann in einfachen digitalen Displaygeräten verwendet werden, z. g., Thermometer oder Lichtmesser, kann aber auch bei der digitalen Schallaufzeichnung und bei der Datenerfassung verwendet werden. Allerdings a Digital-Analog-Konverter (DAC) wird verwendet, um ein digitales Signal in ein analoges Signal zu ändern. Ein DAC nimmt eine Reihe von Binärzahlen und konvertiert sie in ein analoges Signal. Es ist üblich, einen DAC im Gain-Control-System von einem zu finden Op-Amper Dies kann wiederum verwendet werden, um digitale Verstärker und Filter zu steuern.[12]

Entwurfsschwierigkeit

Analoge Schaltungen sind in der Regel schwieriger zu gestalten und erfordert mehr Fähigkeiten als vergleichbare digitale Systeme, um sie zu konzipieren.[13] Dies ist einer der Hauptgründe dafür, dass digitale Systeme häufiger geworden sind als analoge Geräte. Eine analoge Schaltung wird normalerweise von Hand ausgelegt, und der Vorgang ist viel weniger automatisiert als für digitale Systeme. Seit den frühen 2000er Jahren wurden einige Plattformen entwickelt, die ermöglichten, analoges Design mithilfe von Software zu definieren, was eine schnellere Prototyping ermöglicht. Wenn jedoch ein digitales elektronisches Gerät mit der realen Welt interagieren soll, wird es immer eine analoge Schnittstelle benötigen.[14] Zum Beispiel jeder digitales Radio Der Empfänger hat einen analogen Vorverstärker als erste Stufe in der Empfangskette.

Schaltungsklassifizierung

Analoge Schaltungen können vollständig sein passiv, bestehend aus Widerstände, Kondensatoren und Induktoren. Aktive Schaltungen enthalten auch aktive Elemente wie z. Transistoren. Traditionelle Schaltungen werden aus gebaut zusammengefasst Elemente - dh diskrete Komponenten. Eine Alternative ist jedoch Distributed-Element-Schaltungen, gebaut aus Stücken von Übertragungsleitung.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Prägnantes Oxford -Wörterbuch (10 ed.). Oxford University Press Inc. 1999. ISBN 0-19-860287-1.
  2. ^ Plympton, George Washington (1884). Das aneroide Barometer: seine Konstruktion und Verwendung. D. Van Nostran Co. Aneroidbarometer.
  3. ^ Singmin, Andrew (2001). Digitale Elektronik durch Projekte beginnen. Newnes. p. 9. ISBN 0-7506-7269-2. Signale kommen von Wandlern ...
  4. ^ Miller, Mark R. (2002). Elektronik auf einfache Weise. Barrons Bildungsserie. pp.232–239. ISBN 0-7641-1981-8. Bis das Radio kam ...
  5. ^ Hsu, Hwei Piao (2003). Schaums Umriss der Theorie und Probleme der analogen und digitalen Kommunikation. McGraw-Hill Professional. p. 202. ISBN 0-07-140228-4. Das Vorhandensein von Rauschen verschlechtert die Leistung von Kommunikationssystemen.
  6. ^ Carr, Joseph J. (2000). Geheimnisse des RF -Schaltungsdesigns. McGraw-Hill Professional. p. 423. ISBN 0-07-137067-6. Es ist häufig in Mikrowellensystemen ...
  7. ^ Richard Langton Gregory, Noch nervöse Wahrnehmungen, p. 161, Psychology Press, 1994 ISBN0415061067.
  8. ^ Robin Blair, Digitale Techniken im Rundfunkübertragung, p. 34, Focal Press, 2002, ISBN0240805089.
  9. ^ Chen, Wai-Kai (2005). Das Handbuch für Elektrotechnik. Akademische Presse. p. 101. ISBN 0-12-170960-4. Rauschen aus einer analogen (oder kleinen) Perspektive ...
  10. ^ Jon B. Hagen, Radiofrequenzelektronik: Schaltungen und Anwendungen, p. 203, Cambridge University Press, 1996 ISBN0521553563.
  11. ^ Jonathan Davidson, James Peters, Brian Gracely, Voice -Over IP -Grundlagen, Cisco Press, 2000 ISBN1578701686.
  12. ^ Scherz, Paul (2006). Praktische Elektronik für Erfinder. McGraw-Hill Professional. p. 730. ISBN 0-07-145281-8. Damit analoge Geräte ... mit digitalen Schaltungen kommunizieren ...
  13. ^ "Uhren - digital und analog". www.mathsifun.com. Abgerufen 2020-12-18.
  14. ^ Williams, Jim (1991). Analog Schaltungsdesign. Newnes. p. 238. ISBN 0-7506-9640-0. Auch innerhalb von Unternehmen, die sowohl analoge als auch digitale Produkte produzieren ...