И В. С. Ямпольсний о основы автоматики и электронно- вычислительной техники нститутов

§ 1.4. ИМПУЛЬСНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЫ
Электрическим импульсом называют отклонение напряжения или тока от первоначального значения в течение короткого промежутка времени. На рисунке 1.7, а изображены простейшие разнополярные импульсы прямоугольной и трапецеидальной форм. Повторяющиеся импульсы образуют последовательность импульсов. Если мгновенные значения последовательности импульсов повторяются через равные интервалы времени, то они образуют периодическую последователь­ность импульсов (рис. 1.7, б).

В реальных устройствах из-за влияния нелинейных и реактивных сопротивлений форма импульса (рис. 1.7, в) искажается: затя­гивается время нарастания ,и уменьшения напряжения (или тока), скашивается вершина, появляются выбросы. В результате становится неоднозначной длительность импульса, которая зависит от уровня нагфяжения (или тока), при котором она определяется. Для устра­нения неоднозначности в описании импульсов условились исполь­зовать параметры, смысл которых поясняется на рисунке 1.7, в:

U₄ — амплитуда импульса;
Ли — скос (завал) вершины;
/ф — длительность фронта, равная времени нарастания импуль- • са от 0,1£7* до 0,9 £/„;
*с — длительность среза, равная времени уменьшения импульса от 0,9 1/_м до 0,1 и_т\ ~ ■ >
U —длительность импульса, измеряемая на уровне 0,1 U_M (в вычислительной технике длительность импульса часто определяют и на уровне 0,5 £/_м);
Т — период повторения импульса;
Q=Tft_1i — скважность импульса.
Из последовательности импульсных сигналов можно составить сообщение, отображающее как дискретную, так и аналоговую ин­формации. Например, в виде последовательности импульсов с де­сятью дискретными значениями амплитуд можно отобразить любое десятичное число (абсолютно то^но) или суточный ход температуры (приближенно).
Представление сообщений в виде комбинации из небольшого числа исходных знаков (точка, тире и пауза в коде Морзе) на­зывается кодированием информации. Число разных символов (знаки, элементы, сигналы), используемых при кодировании, называется основанием кода, а числ > элементов, образующих кодовую комби­нацию,— значностью кода. Код, все комбинации которого имеют одинаковую значность, называется равномерным.
Например:

• 
  телеграфный код Морзе имеет основание, равное трем (точка, тире, пауза), и является неравномерным, так как при коди­ровании букв и цифр образуются комбинации различной длины;
  
• 
  .почтовый адресный код на конвертах писем имеет основание, равное десяти (цифры от 0 до 9), и является равномерным, так как при кодировании любого почтового отделения всегда используется только шестизначная комбинация.
  

Как вадно из примеров, кодирование позволяет представить различные сообщения в стандартной форме, имеющей некоторые свойства чисел. В самом деле, кодированный сигнал, так же как и число, дискретен и составляется из^ ограниченного набора эле­ментов. Поэтому кодированные сигналы принято называть цифро­выми сигналами.
Наиболее простым является код с основанием, равным двум, например цифры 0 и 1 в двоичной позиционной системе счисления, состояния «включен^» и «выключен» в термостате с биметалли­ческим регулятором и т. д. При этом различным символам кода могут соответствовать импульсы с разной амплитудой. Обычно сим­волу 1 соответствует положительный импульс напряжения, а символу
О — отрицательный (или отсутствие) импульса (рис. 1.8, а).
В двоичных символах можно закодировать и передать любую информацию. Кодированное сообщение, состоящее, из нескольких
символов, может быть представлено в последовательной или парал­лельной форме. При последовательном представлении импульсы сообщения формируются поочередно в одной цепи (рис. 1.8, б), а при параллельном—одновременно в разных цепях (рис. 1.8, в).

В предыдущем параграфе мы рассмотрели причины, по которым в системах автоматики преимущественное применение находят электрические сигналы. Сейчас отметим, что из всех видов электри­ческих сигналов отдают предпочтение цифровым сигналам. Происхо­дит это из-за необходимости обеспечить чрезвычайно высокую на­дежность современных автоматических систем. Ведь от их без­аварийной работы зависят благосостояние, здоровье, а то и жизнь миллионов людей, занятых на производстве, пользующихся общест­венным транспортом, да и просто живущих рядом с энергети­ческими, химическими, нефтеперерабатывающими и другими пред­приятиями. Оказалось, что среди разных типов элементов, из которых можно собирать автоматические устройства и большие системы, наилучшими эксплуатационными параметрами и наибольшей надеж­ностью обладают цифровые элементы, т. е. элементарные устройства, работающие с цифровыми сигналами.
Повышенная помехоустойчивость цифровых сигналов и цифровых устройств объясняется дискретностью уровней цифровых сигналов. В любой электрической цепи под действием внешних и внутренних причин возникают всевозможные помехи. Поэтому выходной сигнал будет определяться не только известной функциональной зависи­мостью от входного сигнала, но еще и непредсказуемыми слу­чайными помехами. В сложных аналоговых системах даже незна­чительные отклонения в отдельных элементах могут привести к на­коплению погрешностей, что явится причиной неустойчивой работы всей системы. В самом деле, случайный характер отклонения сигнала в аналоговой системе не позволяет при передаче искаженного сиг­нала от одного элемента к другому определить уровень ошибки и отделить ее от полезного сигнала. Каждый следующий элемент, реагирующий на «ошибочный» сигнал, добавит к нему свою ошибку, и искажение сигнала растет от входа к выходу системы, подобно снежному кому.
В устройствах, работающих с дискретными сигналами, накопле­ние погрешностей можно предотвратить. Возьмем шаг квантования ДА больше удвоенного значения максимально возможного случайно­го отклонения сигнала а, возникающего из-за внешних или внут­ренних помех: &А>2а. Квантованный сигнал с помехой (л-ДЛ=Ьа) с выхода первого элемента подадим на вход следующего. Если второй элемент также производит квантование, то для сигнала, искаженного даже максимальной помехой, ближайший уровень кван­тования останется' прежним (л*АЛ). Иначе говоря, искаженный сигнал на каждом этапе сравнивается с набором п разрешенных эталонов и заменяется на ближайший по уровню эталонный сигнал. . Легко понять, что чем меньше будет эталонов и чем сильнее они будут отличаться друг от друга, тем проще будет создать техническое устройство, реализующее операцию сравнения, и тем менее вероятна будет ошибка при сравнении реального сигнала и эталона. Поэтому с позиций помехоустойчивости и простоты технической реализации наиболее выгодными должны являться двух­уровневые (двоичные) цифровые сигналы и устройства, которые

работают только с единичным (высоким) и нулевым (низким) уровнями напряжения.
Большая роль цифровых элементов в автоматических системах и устройствах электронно-вычислительной техники предопределила и распределение материала в этом пособии, значительная часть которого посвящена цифровым элементам, устройствам и системам обработки цифровых сигналов.