خانه / دانش و مهارت / الکترونیک / راهنمای شناخت سیگنال های الکتریکی : مفاهیم پایه ای (بخش اول)

راهنمای شناخت سیگنال های الکتریکی : مفاهیم پایه ای (بخش اول)

در عصر حاضر ما انسان ها همواره در محاصره انواع سیگنال ها هستیم. سیگنال های تصویری، صوتی، مکانیکی، الکتریکی، سیگنال های فعال و منفعل. اتفاقات فیزیکی که اطلاعاتی به ما منتقل می کنند، ما را از وضعیت خاصی آگاه می سازند و یا انرژی مورد نیازمان را به ما می رسانند.

به واسطه سیگنال های از قبل تعیین شده است که  می توانیم حدس بزنیم بعد از دریافت سیگنالی خاص قرار است چه اتفاقی بیفتد.برخی هم حاوی اطلاعات ارزشمندی هستند که باید پردازش و کد زدایی (Decode) شوند تا معنی آن ها آشکار گردد(مانند امواج تلویزیونی). برخی سیگنال ها هم توان و انرژی حمل می کنند و تنها اطلاعاتی که می توان از آن ها بدست آورد این است که برق وصل است و برق گرفتگی هم اتفاق خوشایندی نیست !

این سیگنال ها هستند که صبح ها ما را از خواب بیدار می کنند، ترافیک را کنترل می کنند، صدای گوینده رادیو را به ما می رسانند، تصویر تلوزیون را به ما می دهند و اخبار هر روز را هم به کمک همین فرشته های نامرئی دریافت کنیم! آن ها هستند که در مواقع اضطراری به ما هشدار می دهند که سیل یا طوفانی در راه است.

حتی وقتی در ظاهر خبری هم نیست، تا زمانی که چیزی را زیر نظر داریم، در واقع در حال جمع کردن اطلاعات از آن هستیم. برای مثال، تا وقتی چراغ مراجعه به تعمیرگاه خودرو ما روشن نشده است، این اطلاعات به ما انتقال پیدا می کند که “خودروی شما مشکل فنی ندارد!”. برخی سیستم ها ضربان قلب را به شما نشان می دهند و یا به سادگی و با یک دیود نورانی کوچک به شما اطلاع می دهند که همه چیز رو به راه است .

در میان این همه سامانه که زندگی ما را فرا گرفته است، سیگنال های الکتریکی همچنین اقداماتی را کنترل می کنند که راحتی و امنیت را برای ما به ارمغان می آورد.ما از آتش سوزی احتمالی با خبر می شویم، سامانه های آتش نشان به شکل اتوماتیک فعال می شوند. کولر گازی محل زندگی ما با بالا رفتن دما به شکل اتوماتیک فعال می شود. همه این ها مدیون وجود مفهومی به نام سیگنال است.

سیگنال ها و مهندسان برق

دنیای مهندسان برق دنیای سیگنال هاست. از نظر این مهندسان سیگنال ها داده های کدگذاری شده در ساختاری الکتریکی و یا الکترومکانیکی هستند. حتی با این تعریف محدود هم می توان با توجه به خصوصیات متفاوت فیزیکی ، کاربردی و … دسته بندی هایی را انجام داد.

می توان با روش هایی که بر اساس دستگاه های اندازه گیری است این سیگنال ها را دسته بندی کنیم یا این که این دسته بندی ها را با توجه به فرآیند های آزمایش و وسایل مورد نیاز انجام دهیم. حتی می توانیم در این دسته بندی ها موارد ایمنی و مقررات را هم دخیل کنیم.

در ساختنی بخوانید :  آشنایی با آی سی تایمر 555 -پایه ها و نحوه کار (بخش اول)

دسته بندی سیگنال ها در آنالیز ، پردازش و عیب یابی و تایید مدار های الکتریکی به ما کمک خواهد کرد. همان طور که گفتیمآن ها را می توان با استفاده از خواص فیزیکی دسته بندی کرد، از خواص ریاضی آن ها کمک گرفت و یا آن ها را بر اساس شکل اشان در هنگام رسم نمودارشان دسته بندی کرد.

همین سیگنال های الکتریکی می توانند با روش های مختلف دسته بندی در چند دسته بندی مختلف قرار بگیرند. برای مثال می توانیم آن ها را بر اساس این که مورد استفاده آن ها چیست و یا چگونه استفاده خواهند شد نیز بررسی و دسته بندی کنیم.

هر گرایش از رشته مهندسی برق ممکن است سیگنال ها را به شکل خاصی طبقه بندی کند و در این فرآیند جزئیات جدیدی را به دسته بندی ها اضافه نمایند. برای مثال در رشته آکوستیک ، برق قدرت ، الکترونیک یا مهندسی پزشکی و … دسته بندی ها معمولا متفاوت است.

طراحان مدارهای الکترونیک و مهندس های سیستم معمولا با گستره ای از سیستم های الکتریکی سر و کار دارند. شکلی که این مهندسان سیگنال ها را دسته بندی می کنند نیز ممکن است به ماهیت سیگنال ها و یا کل سیستمی که با آن سیگنال سر و کار دارد بستگی داشته باشد.

بیایید به چند نوع دسته بندی سیگنال ها که بسیار رایج است بپردازیم :

سیستم های الکتریکی DC و AC

رقابت توماس ادیسون و نیکلا تسلا باعث شد که امروزه دو سیستم مختلف الکتریکی داشته باشیم که از لحاظ تجهیزات، قطعات و نوع انتقال انرژی با هم بسیار متفاوت هستند. این دو سیستم جریان متناوب الکتریکی (AC) و جریان مستقیم الکتریکی (DC) هستند. هر دو سیستم کاربرد خودشان را دارند و ما به هردو این دو سیستم نیازمند هستیم.

فرق در تغذیه اولیه پایه ای ترین راه تمیز دادن این سیستم ها از هم دیگر است . عکس زیر نمودار دو مدار DC و AC را نشان می دهد:

فرق بین جریان AC و DC
فرق بین جریان AC و DC

جریان متناوب ،همان شکل در دسترس برق در خانه ها ، همان جریان سیسنوسی متغیر با زمان موجود در پریز خانه شما است. این برق به وسیله ژنراتور های موجود در نیروگاه های برق تولید و به مناطق مسکونی ، تجاری و صنعتی به شکل سه فاز تحویل داده می شود. البته ولتاژ این نوع از جریان برق در ابتدا بسیار بالا است و قبل از رسیدن به مصرف کننده با استفاده از ترانس های کاهنده به حدود ۲۲۰ ولت با فرکانس ۵۰ هرتز در اروپا و ایران – و ۱۲۰ ولت ۶۰ هرتز برای امریکای شمالی – می رسد.

در ساختنی بخوانید :  نوسان ساز یا اسیلاتور (Oscillator) چیست ؟

این سیگنال های قدرت معمولا در مقیاس با سیگنال هایی که برای تغذیه مدارهای الکترونیکی استفاده می شود متفاوت و بسیار بزرگ تر هستند.

کتاب های مهندسی برق پر است از مسائلی که در آن سیگنال به شکل زیر داده شده است:

S(t) = A sin(2πft ± θ)

که در آن A دامنه سیگنال ، f فرکانس آن و t متغیر زمان است. Θ (بخوانید تتا) هم مقدار فاز (تاخیر زاویه ای) است.

در عوض  جریان الکتریکی مستقیم (DC) به شکل باتری های دارای ولتاژ استاندارد – ۱٫۵ تا ۹ ولت – ، ژنراتور های خانگی و منبع تغذیه در دسترس است. منابع تغذیه مدارهایی هستند که جریان متناوب را گرفته و آن را تبدیل به یک جریان مستقیم و ثابت مشخص و با توجه به تنظیمات شما می کنند. با چشم پوشی از برخی موارد گذرا مانند نویز ، ولتاژ در جریان مستقیم یک مقدار ثابت است .

فرکانس (Frequency) سیگنال

دسته بندی سیگنال ها بر اساس فرکانس ، دسته بندی با روش توجه به طیف و انتشار است. سیگنال طیف تصویر ، طیف صوت ، امواج رادیویی ، مایکرو ویو ، با سیم ، فیبر نوری ، انشار در هوا ، خلا و یا فضا … جریان های متناوب (AC) دارای فرکانس هستند. در واقع ثابت بودن ولتاژ در جریان DC به معنای فرکانس صفر است.

در سیستم هایی مانند رایانه ها ، ساعت سیستم که بیشتر به نام سرعت ساعت یا سرعت پردازنده مطرح می شود مهم تر از فرکانس است. این معیار را در رایانه ها با اجرای دستور العمل ماشین در ثانیه (MIPS) یا پالس بر ثانیه (PPS) نشان می دهند.

ولتاژ (Voltage) سیگنال

ولتاژ یا دامنه پتانسیل الکتریکی در سیگنال ها را در سه دسته فشار ضعیف ، فشار قوی و فشار فوق قوی دسته بندی می کنند:
Low VoltageAC :1000 V and below;  DC: 3200 V and below
High Voltage: AC: above 1000 V
Ultra High Voltage: 1000kV or Greater AC Systems

در سیستم های دیجیتال ، استاندارهای مدار های منطقی هستند که مقدار ولتاژ را تعیین می کنند و از ولتاژ هایی بسیار کمتر از دسته بندی های بالا استفاده می شود. استاندارد منطق ترانزیستور به ترانزیستور (TTL) معمولا با ۵ ولت کار می کند. این در حالی است که سیستم های مبتنی بر CMOS معمولا از ولتاژ ها بالاتر و یا پایین تر از ۵ ولت استفاده می کنند.

در ساختنی بخوانید :  اسپیکر خورشیدی ارزان با قابلیت اتصال به بلوتوث بسازید

سیگنال دیجیتال و آنالوگ

سیگنال ها در مدار های الکترونیکی را می توان بر اساس پیوستگی بین اندازه های آن ها در طول زمان به دو دسته  آنالوگ و دیجیتال دسته بندی کرد. دسته آنالوگ AC در شکل های سینوس و کسینوس شکل پیوسته ای دارند که از کم ترین ولتاژ به بیشترین ولتاژ در حال تغییر است. برای هر لحظه از زمان دلخواه شما یک مقدار کاملا مشخص وجود دارد که به لحظه قبل و بعد خود نیز مربوط است به عبارت دیگر در هر بازه زمانی دلخواه ، بی نهایت لحظه وجود دارد و به متناظر با هر لحظه یک ولتاژ موجود است.

دسته دیجیتال اما دارای مقدار دامنه های کاملا مشخصی هستند. سیستم دو دویی ، صفر و یکی و یا همان باینری (Binary) دیجیتال دارای ۲ مقدار اساسی است. صفر و یک منطقی – فرض می کنیم صفر همان ۰ ولت و ۱ منطقی در واقع ۵ ولت است – . و در هر لحظه از زمان ممکن است که تنها یکی از این ان دو مقدار در سیگنال وجود داشته باشد.

این رفتار دسته دیجیتال به دلیل رفتار ترانزیستور، به وجود آورنده شاخه دیجیتال در مهندسی برق است که در آن ترانزیستور یا خاموش است و یا روشن ، یا هدایت و یا قطع می کند. برای شناخت ترانزیستور بهتر است به مطلب معرفی ترانزیستور ها مراجعه کنید.

سیگنال های گسسته و پیوسته

می توانیم سیگنال را با توجه به پیوستگی اش دسته بندی کنیم. همان طور که در بخش قبل هم تا حدودی اشاره کردیم، نوع پیوسته به ازای هر لحظه از زمان دارای مقدار است ، یعنی در یک بازه زمانی مشخص هیچ جایی نیست که پیوستگی بشکند و یا سیگنال وجود نداشته باشد. سینوس و کسینوس از انواع پیوسته هستند.در حالی که موج های مربعی یا قطار پالس ها پیوسته نیستند و در زمان هایی وجود ندارند.

سیگنال های گسسته تنها در زمان های مشخصی دارای مقدار هستند. مدار های نمونه برداری مقدار سیگنال های گسسته را در زمان هایی که نمونه برداری انجام می شود ثبت می کنند. تفاوت بین سیگنال گسسته و پیوسته را در شکل زیر می بینید :

در قسمت بعدی راهنمای ساختنی با ویژگی های پیشرفته تر و تخصصی تر سیگنال های الکتریگی شامل پریودیک بودن ، زوج و فرد بودن و … آشنا می شوید.

منبع (با تغییرات از تیم ساختنی)

خلاصه مطلب
راهنمای شناخت سیگنال های الکتریکی برای علاقه مندان
عنوان مطلب
راهنمای شناخت سیگنال های الکتریکی برای علاقه مندان
توضیح کوتاه
سیگنال های الکتریکی را بیشتر و بهتر بشناسید و درک خود را از این موضوعات عمیق تر کنید.
نویسنده
ساختنی
ساختنی

بیشتر بخوانید:

آشنایی با تایمر ۵۵۵ – مدار اسیلاتور بای استابل (بخش سوم)... در بخش های قبلی آموزش آی سی تایمر 555 به معرفی تایمر 555 پرداختیم و دیدیم که می توان با این تراشه یک اسیلاتور مونواستابل ساخت. در این بخش می خواهیم با...
دستگاه هویه رومیزی بسازید و از لحیم کاری لذت ببرید !... یکی از ابزار های مهمی که باید روی میز کار همه دوستانداران مدارات الکترونیکی باشد، دستگاه هویه است . برای این که صاحب یک دستگاه لحیم باشید لازم نیست حت...
فانشن ژنراتور یا تولید کننده شکل موج بسازید !... اگر دانشجوی رشته الکترونیک ، یکی از دوست داران پروژه های الکترونیکی و یا در حال آموزش الکترونیک هستید و یا اگر دوست دارید در کارگاه شخصی خودتان یک دست...
مدار زنگ درب الکترونیکی با حافظه و توانایی کنترل دو درب... زنگ درب الکترونیکی یکی از کاربردی ترین پروژه های الکترونیکی موجود در ساختنی است که می توانید تجربه ساختن آن را داشته باشید. این مدار همچنین به گونه ای...
هدفون معمولی را به هدفون بلوتوثی تبدیل کنید!... بلوتوث باکس نام گجتی است که در این ساختنی طرز ساختش را یاد می گیرید. با این گجت کوچک می توانید هدفون های معمولی را به هدفون بلوتوثی تبدیل کنید. افراد ...
پروژه آردوینو : با ترکیب نور، صدا و الکترونیک یک ساز چندنفره بسازید... در این ساختنی طرز ساخت یک پروژه آردوینو متفاوت، جالب و البته سرگرم کننده را یاد می گیرید. یک گنبد چوبی که از ۱۲۰ مثلث ساخته می شود و هر مثلث یک LED و ...

درباره مهرداد جمالی

مهرداد جمالی
مهرداد جمالی ، متولد 1367 ، دانش آموخته رشته لیسانس مهندسی مخابرات دانشگاه ملی زنجان و دانشجوی ارشد مدیریت صنعتی است. وی بنیان گذار اصلی پروژه ساختنی و یکی از مدیران ارشد وبسایت است.

پیشنهاد می کنیم

با تراشه UM66 مدار ملودی ساز ساده و جالب بسازید

تراشه UM66 یک آی سی ملودی ساز است که در زنگ های هشدار، تلفن، اسباب …

پاسخ دهید