【技术专辑】电气工程中使用的信号分类

对信号进行分类是一种组织我们周围信号的方法。它侧重于设计,测试要求,测量工具和预期结果。有很多方法可以对信号进行分类!

 

支持信息

 

•电信号类型

 

•模拟和数字信号

 

信号环绕我们

 

我们被信号包围着。视觉,听觉,机械,电气; 主动,被动; 物理事件传达信息,提醒我们特定条件,并提供我们的能量。通过预先安排的信号,我们可以在信号出现时立即知道发生了什么。其他信号携带其中的信息,需要进行解码和处理,以了解它们的含义。不过,其他信号带电,我们得到的唯一信息是我们的建筑仍然接收120V AC。

 

信号按时到达,控制流量; 提供广播,电视和新闻。当我们的河流处于洪水阶段或大风的力量时,他们会告诉我们。即使没有激活,只要我们知道被监控的是什么,我们就会获得信息。当Check Engine图标未激活时,我们知道我们的汽车系统正在按预期工作。其他系统可以提供心跳信号或连续点亮的LED以显示系统在规格内运行。

 

嵌入系统内的电信号也可以启动动作以确保我们的安全性和舒适性。我们被警告可能发生火灾; 灭火器被激活。我们的空调在温度升高时自动开启。检测到并发现地下系统中的泄漏。我们依赖于我们的信号!

 

电气工程师(EEs)和信号

 

电气工程师的世界是信号之一。EE将信号描述为电气或机电编码数据。即使在这个狭窄的定义中,也有很多类型的信号通过物理特性或其他方法对它们进行分类,有助于组织所需的设备类型,所需的测试程序和测量设备,以及解决任何安全问题或规定。信号分类有助于分析,处理和验证电路。信号可以按其物理特性,预期用途进行分类; 和他们的视觉和数学属性。根据系统正在做什么以及如何使用信号,可以以不止一种方式对相同信号进行分类。具体的工程领域可能强调一种方法将一种信号分类为另一种信号。并且每个场可以不同地对信号进行分类,在他们继续研究时添加更多细节,例如声学,功率或脑电图信号(EEG)信号。广播工程师可能在有线系统(数字化,压缩,加密信号)或无线信号(模拟,RF)中工作。在软件操作系统中,信号可以指示错误,正常中断,非法事件以及采取直接操作。

 

电路设计人员和系统工程师可以在各种系统上工作。它们对信号进行分类的方式可以指代单个信号或处理该类型信号的整个系统。很多时候,信号的数学表示是可能的,并有助于分析。让我们看看信号可能被分类的某些方式。

 

电气系统

 

感谢托马斯爱迪生和尼古拉特斯拉,今天有两种电气系统在使用; 设备,组件和交付选项各不相同。交流电(AC)和直流电(DC)都有它们的用途,我们都需要它们。主要功率的差异是区分信号的基本方法。图1显示了交流和直流电路。

 

从熟悉的电源插座获得的交流电(AC)是正弦时变信号。它由发电机产生,可以作为三相正弦信号输送到建筑物和个人住宅的发电厂,在北美以60赫兹降至120V AC; 在欧洲使用50赫兹。提供功率的信号的大小与EE在其电路中通常使用的采购电路中使用的信号大小不同。

 

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图1.交流和直流电路

 

教科书充满了问题,将来源称为:

 

E(t)= k sin(ωt)其中k是幅度,ω=2πf

 

这是更一般的等式的子集:  

 

S(t)= A sin(2πft±θ)其中A是最大振幅

 

f是频率(1 / T(周期)

 

t是瞬时时间

 

θ是相位 

 

直流(DC)可通过标准电压(1.5V DC,9V DC)的电池,发电机或电源提供,旨在提供电路或设备所需的特定电压。(24V DC,48V DC,120V DC)。除瞬态效应外,输出的电压是恒定的。

 

频率

 

按频率对信号进行分类可识别频谱和传播方法。视觉,音频,射频,微波; 有线,光纤,空气/真空/空间。AC信号识别频率。在具有系统时钟驱动电路的DC系统中,使用的术语可以是时钟速度,每秒处理器机器指令(MIPS)和每秒脉冲数(PPS)。

 

电压

 

AC和DC电力系统都被分类为低压或高压。IEEE定义了AC和DC的标准,包括论文,会议,实验室和专门针对每种标准的研究。定义通常如下:

 

低压 AC:1000 V及以下; DC:3200 V及以下

 

高压:AC:1000 V以上

 

超高压:1000kV或更高AC系统

 

在数字系统中,逻辑系列决定了电压要求,使用了更低的信号电平。晶体管逻辑通常需要5VDC,而CMOS和低功率系统可能使用更高和更低的电压。

 

模拟/数字

 

电路中的信号可以通过幅度值的连续性来分类 - 模拟或数字。像正弦波和余弦波一样的模拟交流信号具有不断变化的值,其范围从信号幅度范围的最小值到最大值。每个时间点的振幅值与波形的先前和未来值成比例。

 

数字信号具有特定的幅度值。数字二进制系统只有2个值,通常在0到5V DC之间工作; (尽管在实际电路中,接受范围)。这是晶体管特性的结果。无论是开还是关,无论是否导通,输出端口都会显示两个值。 

 

连续/离散

 

信号也可以按时间连续性分类:连续信号具有所有时间值的值,没有中断或信号不存在的区域。正弦和余弦波形是连续的,其中切线波形具有不存在值的不连续性。

 

离散信号仅在特定时间具有值。采样电路仅在采样发生的时间产生信号值。

 

图2和图3显示了离散和连续的信号。

 

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图2.离散信号:时间和幅度

 

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图3.时间和幅度值的连续信号

 

波形特征 - 周期性/非周期性

 

可以根据波形的视觉特性对信号进行分类。周期性信号在给定时间段内重复。在数学上用等式表示:

 

s(t)= s(t + T)其中T是周期(1 /频率)。

 

AC(模拟)和DC(数字)系统中都存在周期性信号,如正弦波或数字系统时钟信号。图4显示了一些周期性信号。非周期性信号不重复。一些数学工具仅适用于周期性信号。傅立叶级数被开发用于周期性信号。为了用于非周期信号,该信号被视为具有无限周期的周期信号。这允许傅里叶变换用于所有信号。

 

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图4.数字和模拟周期信号

 

波形特征 - 偶数/奇数

 

甚至信号关于y轴对称。数学上,f(x)= f(-x)。点(X,Y)在(-X,Y)处具有相同的点值。该傅里叶级数分解的信号转换成正弦和余弦的总和:

 

FS = A0 +ΣAnsin(n)+ΣBn cos(n);

 

其中A0是DC分量,并且每个项具有相关的幅度和三角分量(正弦和余弦)。

 

当只有余弦分量组成信号时,甚至会产生信号。余弦本身是偶数信号,关于y轴对称。图5显示了偶数信号和余弦波形。

 

奇数信号关于原点是对称的。数学上,f(t)= - (f(-t))。傅里叶级数的奇数信号仅具有正弦分量。正弦本身是一个奇数信号,并且关于原点对称,如图6所示。信号可以分解为偶数和奇数信号。

 

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图5.偶数信号; 关于y轴对称

 

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图6.奇数信号; 关于Origin的对称性

 

确定性/随机

 

如果您熟悉建模和分析程序,则可以使用分类为确定性或随机的信号。确定性信号可以通过过去的行为来预测,并且完全由数学方程式捕获。所有可能的结果都是已知的,并且没有风险因素。确定性信号在通信中是有用的,其中知道载波信号的确切值对于调制技术是重要的。

 

随机信号是不可预测的,并且由概率论中熟悉的概率函数表示,如泊松函数。电路噪声通常被建模为随机信号。

 

因果信号有些相似。虽然很容易看到因果波形图并认为它们与时序有关,但因果关系是系统建模的结果。原因信号仅根据过去或现在的条件确定为输入。当系统在t = 0时启动时,从初始条件计算以下数据,然后从先前结果生成。系统可以继续无限。控制系统说明了这种行为。

 

反因果系统也会产生未来事件的结果,并在t = 0时停止。在现实生活中没有表现,反因果信号允许可以分析可能的未来事件的情景。非因果信号波形具有任何时间t <0和t> 0的值和结果。

 

编码

 

传感器信号输出可以根据所使用的数据编码类型进行分类。传感器通常测量物理量; 温度,压力等模拟数据。根据传感器的不同,模数转换可在单元内处理,结果以数字形式提供:二进制,八进制,十六进制,二进制编码 - 十进制(BCD),和格雷码输出。

 

同步/异步

 

数字系统具有分成控制或数据信号的信号。控制信号可以分为同步或异步。重复周期时钟信号驱动逻辑和处理功能的时序。当逻辑电平全部根据时钟的时序改变状态时,信号是同步的,与时钟同步。元件输入端的逻辑电平仅对时钟信号的时序有效。

 

无论时钟周期如何,异步信号的输出逻辑状态随时都在变化。无论时钟定时如何,都可以随时接收复位信号并使输出电平达到预定状态。异步信号还可以提供握手和其他协议,以适应较慢或外部的外设。

 

概要

 

信号涉及电气工程的所有方面。信号分类是设计,讨论,传达结果和分析的简写。根据感兴趣的区域,研究领域和数学表示,有许多方法可以对信号进行分类。您对使用的信号越熟悉,您就越有可能对它们进行分类!

 

FS = A0 +ΣAnsin(n)+ΣBn cos(n)

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计
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