W celu ułatwienia zrozumienia zagadnień związanych z systemami wbudowanymi, podsumowano treści książki obejmujące transformację Fouriera, sygnały analogowe i cyfrowe oraz podstawowe teorie obwodów.
Opisano charakterystykę i zasadę działania takich elementów jak: rezystory, kondensatory, cewki, tranzystory, a także przedstawiono koncepcje takie jak: pull-up, pull-down, open collector.
Materiał ten ma na celu przyswojenie podstawowej wiedzy niezbędnej do projektowania i rozumienia systemów wbudowanych, a także poznanie roli i wzajemnego oddziaływania komponentów obwodów elektronicznych.
Studiowałem elektronikę, ale podczas studiów nie zastanawiałem się nad sensem i potrzebą poszczególnych przedmiotów, po prostu zbierałem punkty. Oczywiście po zakończeniu semestru i wakacji w mojej głowie nie zostawało nic… ㅜ_ㅜ
Na tę książkę natknąłem się podczas wyszukiwania materiałów do nauki w zakresie systemów wbudowanych. Przejrzałem ją pobieżnie i okazała się bardzo dobrze skonstruowana. W przystępny sposób wyjaśnia trudne zagadnienia z zakresu systemów wbudowanych, a jednocześnie treści są treściwe i dają poczucie solidności.
Tym razem chciałbym zapamiętać choć trochę wiedzy, więc postanowiłem podsumować treść książki na blogu!!!
Każdy sygnał można przedstawić jako sumę funkcji cosinus lub sinus!! → W efekcie rozdzielamy sygnał na poszczególne częstotliwości.
Na przykładzie funkcji prostokątnej,
Z perspektywy częstotliwości funkcja prostokątna przekształca się w funkcję sinc. Oznacza to, że funkcja prostokątna jest złożona z wielu ciągłych fal sinusoidalnych, a fale o niższej częstotliwości w pobliżu 0 mają większą amplitudę i dłuższy okres, podczas gdy fale o wyższej częstotliwości mają mniejszą amplitudę i krótszy okres.
Dzięki takiemu spojrzeniu z perspektywy częstotliwości możemy sprawdzić, z ilu częstotliwości składa się dany sygnał oraz przeanalizować wielkość i amplitudę każdej z nich.
Na tej stronie można łatwiej zrozumieć transformację Fouriera!!! (Polecam zmienić kształt fali na prostokątny!)
2. Sygnał analogowy i cyfrowy oraz masa
Sygnał analogowy zazwyczaj składa się ze składowych AC i DC (prądu przemiennego i stałego), ACoznacza sygnał o zmiennej polaryzacji, a DCoznacza stały stan. W rozdziale 1 dowiedzieliśmy się, że każdy sygnał można stworzyć poprzez dodanie kilku sygnałów o różnych częstotliwościach. Oznacza to, że każdy sygnał analogowy można stworzyć poprzez dodanie kilku składowych o różnych częstotliwościach.
Sygnał cyfrowy składa się głównie ze składowej DC. Oznacza to, że sygnał cyfrowy jest również rodzajem sygnału analogowego. Różnica polega na tym, że ustawiamy określoną wartość progową i jeśli sygnał jest powyżej tej wartości, to uznajemy go za wysoki (High), a jeśli jest poniżej – za niski (Low).
Podczas zmiany sygnału cyfrowego z 0 na 1 lub z 1 na 0 może wystąpić odbicie (Bounce), co może powodować problemy w systemach cyfrowych (np. zbyt niskie napięcie lub błędy rozpoznawania). Dlatego należy uwzględnić ten aspekt podczas projektowania.
GND = GROUND oznacza referencyjne 0V i może również oznaczać ujemny biegun baterii. GND jest punktem, do którego zbiegają się wszystkie prądy i stanowi punkt odniesienia do rozróżniania sygnałów 0 i 1.
3. Bardzo prosta teoria obwodów
Rezystor : Rezystor ogranicza ilość prądu płynącego w obwodzie! Po przejściu przez rezystor spada napięcie równe iloczynowi rezystancji i natężenia prądu. W formie wzoru można to zapisać jako V=IR
Kondensator : Kondensator przepuszcza składową prądu przemiennego (AC), ale blokuje składową prądu stałego (DC). Innymi słowy, rezystancja kondensatora jest różna w zależności od częstotliwości składowej prądu przemiennego i stałego. dV/dt = I / C, czyli im większa jest szybkość zmian napięcia w czasie, tym łatwiej przepływa prąd i tym mniejsza jest rezystancja. Im większa wartość C, tym większy przepływ prądu!!
Kolejną właściwością kondensatora jest zdolność do gromadzenia i uwalniania ładunku.
Cewka : Cewka zapobiega zmianom natężenia prądu. V = L dI/dt, czyli przepuszcza jedynie prąd o niskiej częstotliwości. Oznacza to, że blokuje gwałtowne zmiany sygnału. Im większa wartość L, tym mniejsze natężenie prądu!!
Podsumowując, dla określonego napięcia możemy kontrolować natężenie prądu,
W przypadku R, im większa jego wartość, tym mniejszy przepływ prądu, W przypadku C, im mniejsza jego wartość, tym mniejszy przepływ prądu, W przypadku L, im większa jego wartość, tym mniejszy przepływ prądu.
Z perspektywy częstotliwości, dla określonych wartości RLC, R nie zależy od częstotliwości, C ma mniejszą rezystancję przy wyższych częstotliwościach (większy przepływ prądu), L ma większą rezystancję przy wyższych częstotliwościach (trudniejszy przepływ prądu).
Filtr!
Filtr dolnoprzepustowy (LPF) : Przepuszcza tylko składowe o niskiej częstotliwości. Zazwyczaj szum ma wysoką częstotliwość, dlatego często stosuje się filtry dolnoprzepustowe.
Kondensator nie przepuszcza prądu stałego (DC), więc obwód jest otwarty. Oznacza to, że VinDC = DoutDC
Gdy kondensator przepuszcza prąd przemienny (AC), obwód jest zwarty. W tym przypadku natężenie prądu zależy od rezystancji R. Możemy zwiększyć wartość R, aby zmniejszyć natężenie prądu i tym samym zmniejszyć wydzielanie ciepła.
Tranzystor
Tranzystor służy do swobodnej regulacji natężenia prądu!
B to baza, E to emiter, a C to kolektor. Jeśli baza włączy przełącznik, to połączy E-C i umożliwi przepływ prądu, w przeciwnym razie go przerwie. Jak określić natężenie przepływającego prądu? Zależy to od wielkości napięcia przyłożonego między B-E!!
W zależności od wielkości napięcia przyłożonego do bazy powstają obszary: nasycenia, aktywny i odcięcia. Obszar aktywny: natężenie prądu między C-E silnie zmienia się pod wpływem sygnału wejściowego B! Obszar odcięcia: napięcie B jest zbyt niskie, aby prąd mógł płynąć między C-E! Obszar nasycenia: napięcie B jest zbyt wysokie, aby prąd mógł dalej płynąć między C-E!
Z tranzystora wynikają dwie funkcje: wzmacnianie i przełączanie!
Funkcja przełączania wykorzystuje obszary odcięcia i nasycenia,
Funkcja wzmacniania wykorzystuje obszar aktywny.
4. Pull up, Pull down i Open Collector
Low Active oznacza stan niski (np. CS(chip Select)_, /) i oznacza, że układ działa przy niskim napięciu. Przeciwnie, High Active oznacza stan wysoki i oznacza, że układ działa przy wysokim napięciu.
Jak pokazano na rysunku, jeśli układ cyfrowy ma dużą rezystancję, to w przypadku Low Active Pull up oznacza, że przy włączonym przełączniku na układ cyfrowy jest przyłożona wartość 0, a Pull down oznacza, że przy wyłączonym przełączniku na układ jest przyłożona wartość wysoka. W przypadku High Active jest odwrotnie!!
Pull up i Pull down określają domyślny poziom napięcia. W rzeczywistych układach, w przypadku układu pokazanego na przykładzie, nawet mały ładunek elektrostatyczny może spowodować uruchomienie silnika. Jeśli silnikiem byłaby armata, byłoby to bardzo niebezpieczne.
Tranzystor pełni tę samą funkcję co Pull up i Pull down.
