Известковую и баритовую воду мы получим в результате энергичного и продолжительного встряхивания гидроксида кальция (гашеной извести) или соответственно гидроксида бария с водой и последующего фильтрования через мелкопористый фильтр.

Гидроксид аммония (аммиачная вода, NH₄OH + Н₂О) представляет собой водный раствор аммиака NH₃ в воде. Ион аммония NH₄⁺, хотя он, конечно, не является простым ионом одного элемента, ведет себя подобно ионам щелочных и щелочноземельных металлов, например, образует соли. Концентрированный водный раствор аммиака, поступающий в продажу, содержит около 25 % аммиака и имеет плотность приблизительно 0,91 г/см³. На воздухе он дымит газообразным аммиаком, имеющим очень резкий запах. Аммиак с парами кислот образует белый дым. Вдыхать аммиак в больших количествах опасно для здоровья.

Мы будем хранить этот раствор аммиака в тщательно закрытой склянке с резиновой или притертой пробкой на рабочем столе, а не в шкафу с другими реактивами. Приготовим также разбавленный (5 %-ный) раствор аммиака.

ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Материалы семинара по обработке сигналов

Глава 1

Введение. Виды сигналов, сравнение цифровых и аналоговых методов обработки сигналов

Уолт Кестер

Введение

Происхождение физических сигналов и единицы их измерения

В этой книге мы будем прежде всего иметь дело с обработкой физических сигналов, выполняемой на основе аналоговых и цифровых методов. Прежде всего, рассмотрим несколько ключевых понятий и определений, необходимых для понимания сущности предмета.

Новый университетский словарь Вебстера определяет сигнал как "обнаруживаемую (или измеряемую) физическую величину или импульс (типа напряжения, силы тока или напряженности магнитного поля), которая может быть передана как сообщение или как информация". Ключом к этому определению являются слова: обнаруживаемая, физическая величина и информация.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛОВ

Характеристики сигналов

♦ Сигналы являются физическими величинами

♦ Сигналы можно измерить

♦ Сигналы содержат информацию

♦ Все сигналы являются аналоговыми

Единицы измерения

♦ Температура: °С

♦ Давление: Н/м²

♦ Масса: кг

♦ Напряжение: В

♦ Электрический ток: А

♦ Мощность: Вт

Рис. 1.1

По своей природе все сигналы являются аналоговыми, будь то сигнал постоянного или переменного тока, цифровой или импульсный. Тем не менее, принято делать различие между аналоговыми и цифровыми сигналами, которое выражается в том, что в природе все измеримые физические величины представляются аналоговыми сигналами. В этой книге аналоговые сигналы характеризуются электрическими переменными, скоростью их изменения и связанной с ними энергией или мощностью. Для преобразования других физических величин (температуры, давления и т. п.) в электрические сигналы используются датчики. Такая область, как нормализация сигнала (signal conditioning), означает подготовку физических сигналов к обработке и включает в себя такие аспекты, как датчики (например, датчики температуры и давления), изолирующие и инструментальные усилители и т. д. (см. Приложение 1).

Некоторые сигналы представляют собой реакции на другие сигналы. Хороший пример — отраженный сигнал радара или ультразвуковой системы отображения, в которых отраженный сигнал является результатом действия известного переданного сигнала.

С другой стороны, существуют сигналы, которые называются цифровыми, где сигнал, определенным образом обработанный, преобразован в цифры. Возможно, эти цифровые сигналы связаны с реальными аналоговыми сигналами, но возможно, что между ними и нет связи. В качестве примера можно привести передачу данных в локальных вычислительных сетях (LAN) или в других высокоскоростных сетях.

В случае цифровой обработки сигнала (ЦОС) аналоговый сигнал преобразуется в двоичную форму устройством, которое называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового сигнала, которое затем обрабатывается арифметически цифровым сигнальным процессором (DSP). После обработки содержащаяся в сигнале информация может быть преобразована обратно в аналоговую форму с использованием цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Другой ключевой концепцией в определении сигнала является тот факт, что сигнал всегда несет некоторую информацию. Это ведет нас к ключевой проблеме обработки физических аналоговых сигналов — проблеме извлечения информации.

Цели обработки физических сигналов

Главная цель обработки физических сигналов заключается в необходимости получения содержащейся в них информации. Эта информация обычно присутствует в амплитуде сигнала (абсолютной или относительной), в частоте или в спектральном составе, в фазе или в относительных временных зависимостях нескольких сигналов. Как только желаемая информация будет извлечена из сигнала, она может быть использована различными способами.

В некоторых случаях желательно переформатировать информацию, содержащуюся в сигнале. В частности, смена формата имеет место при передаче звукового сигнала в телефонной системе с многоканальным доступом и частотным разделением (FDMA). В этом случае аналоговые методы используются, чтобы разместить несколько голосовых каналов в частотном спектре для передачи через радиорелейную станцию микроволнового диапазона, коаксиальный или оптоволоконный кабель. В случае цифровой связи аналоговая звуковая информация сначала преобразуется в цифровую с использованием АЦП. Цифровая информация, представляющая индивидуальные звуковые каналы, мультиплексируется во времени (многоканальный доступ с временным разделением, TDMA) и передается по последовательной цифровой линии связи (как в Т-carrier-системе).

Еще одна причина обработки сигналов заключается в сжатии полосы частот сигнала (без существенной потери информации) с последующим форматированием и передачей информации на пониженных скоростях, что позволяет сузить требуемую полосу пропускания канала. В высокоскоростных модемах и системах адаптивной импульснокодовой модуляции (ADPCM) широко используются алгоритмы устранения избыточности данных (сжатия), так же как и в цифровых системах мобильной связи, системах записи звука MPEG, в телевидении высокой четкости (HDTV).

Промышленные системы сбора данных и системы управления используют информацию, полученную от датчиков, для выработки соответствующих сигналов обратной связи, которые, в свою очередь, непосредственно управляют процессом. Обратите внимание, что эти системы требуют наличия как АЦП и ЦАП, так и датчиков, устройств нормализации сигнала (signal conditioners) и DSP (или микроконтроллеров). Analog Devices предлагает семейство микросхем Microconverters™, которые включают прецизионные аналоговые схемы, АЦП, ЦАП, микроконтроллеры и flash-память на одном кристалле.

В некоторых случаях в сигнале, содержащем информацию, присутствует шум, и основной целью является восстановление сигнала. Такие методы, как фильтрация, автокорреляция, свертка и т. д., часто используются для выполнения этой задачи и в аналоговой, и в цифровой областях.

ЦЕЛИ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

• Извлечение информации о сигнале (амплитуда, фаза, частота, спектральные составляющие, временные соотношения)