سیستم‌های الکترونیکی

یک سیستم الکترونیکی شامل اتصال فیزیکی اجزا یا قطعات است که مقادیر مختلف اطلاعات را جمع‌آوری می‌کند. این کار به کمک دستگاه‌های ورودی مانند حسگرها انجام می‌شود. حسگرها به‌نوعی به این اطلاعات پاسخ می‌دهند و سپس از انرژی الکتریکی در قالب یک خروجی استفاده می‌کنند برای کنترل یک فرایند فیزیکی یا انجام یک عملیات ریاضی روی سیگنال. 

دپارتمان برق و الکترونیک مجتمع فنی تهران

اما سیستم‌های کنترل الکترونیکی را می‌توان گونه‌ای فرایند نیز تعریف کرد که یک سیگنال را به سیگنال دیگر تبدیل می‌کند تا پاسخ مورد نیاز سیستم باشد. پس می‌توان گفت یک سیستم الکترونیکی ساده شامل یک ورودی، یک فرایند و یک خروجی است که متغیر ورودی به سیستم و متغیر خروجی از سیستم هر دو سیگنال هستند.

راه‌های گوناگونی برای نمایش یک سیستم وجود دارد، برای نمونه می‌توان یک سیستم را به صورت ریاضی، توصیفی، به کمک تصویر یا به‌شیوه شماتیک نمایش داد. سیستم‌های الکترونیکی اغلب به‌صورت شماتیک و به‌عنوان مجموعه بلوک‌ها و سیگنال‌های به‌هم‌پیوسته نمایش داده می‌شود که هر بلوک دارای مجموعه ورودی‌ها و خروجی‌های خاص خود است.

در نتیجه حتی پیچیده‌ترین سیستم‌های کنترل الکترونیکی را می‌توان به صورت ترکیبی از بلوک‌های ساده نشان داد که هر بلوک مشتمل بر یا نماینده یک جز مجزا یا یک سیستم فرعی (زیرسیستم) (sub-system) کامل باشد. نمایش یک سیستم الکترونیکی یا یک سیستم کنترل فرایند به‌ شکل تعدادی بلوک یا جعبه به‌هم‌پیوسته معمولاً با نام «نمایش نمودار بلوکی» شناخته می‌شود.

نمایش نمودار بلوکی یک سیستم الکترونیکی ساده

سیستم‌های الکترونیکی دارای ورودی و خروجی هستند که خروجی یا خروجی‌ها از طریق پردازش ورودی‌ها تولید می‌شوند. همچنین سیگنال‌ یا سیگنال‌ها ورودی ممکن است باعث تغییر فرایند یا تغییر عملکرد سیستم شوند. بنابراین ورودی یا ورودی‌های یک سیستم «علت» تغییر هستند و نتیجه عملی که به دلیل ورودی روی خروجی سیستم اتفاق می‌افتد «اثر یا معلول» خوانده می‌شود که نتیجه آن علت است.

به عبارت دیگر، یک سیستم الکترونیکی را می‌توان در ذاتش یک سیستم علی و معلولی دانست، زیرا رابطه مستقیمی بین ورودی و خروجی آن وجود دارد. تجزیه و تحلیل سیستم‌های الکترونیکی و نظریه کنترل فرایند، در کل مبتنی است بر این تحلیل علی و معلولی.

از این رو مثلاً در یک سیستم صوتی، یک میکروفون (دستگاه ورودی) علت آن است که امواج صوتی تبدیل به سیگنال‌های الکتریکی شوند و به یک تقویت‌کننده برسند تا آنها را تقویت کند (فرایند) و پس از آن، یک بلندگو (دستگاه خروجی) امواج صوتی را به عنوان معلول سیستم تقویت سیگنال‌های صوتی ایجاد می‌کند.

اما یک سیستم الکترونیکی لزوماً یک عملیات ساده یا منفرد نیست. این سیستم می‌تواند اتصال چندین سیستم فرعی (زیرسیستم) باشد که همه با هم در یک سیستم اصلی کار می‌کنند.

دپارتمان برق و الکترونیک مجتمع فنی تهران

به‌ عنوان مثال، همان سیستم صوتی ممکن است شامل اتصال پخش سی‌دی، دی‌وی‌دی، ام‌پی‌تری یا گیرنده رادیویی نیز باشد که همه اینها ورودی‌های مختلفی هستند که به یک تقویت‌کننده متصل‌اند و این تقویت‌کننده یک یا چند مجموعه بلندگوی استریو یا بلندگوی صدای فراگیر سینمای خانگی را کنترل می‌کند.

اما یک سیستم الکترونیکی ممکن نیست فقط شامل مجموعه ورودی‌ها و خروجی‌ها باشد و لازم است «کاری انجام دهد»، حتی اگر این کار صرفاً نظارت بر یک سوییچ یا روشن کردن یک چراغ باشد. می‌دانیم که حسگرها، دستگاه‌های ورودی هستند که اندازه‌گیری‌های دنیای واقعی را به سیگنال‌های الکترونیکی تبدیل می‌کنند یا این سیگنال‌ها را شناسایی می‌کنند تا سیستم بتواند آنها را پردازش کند.

این سیگنال‌های الکترونیکی به‌صورت ولتاژ یا جریان وارد سیستم می‌شوند. دستگاه مقابل یا دستگاه خروجی که یک فعال‌ساز خوانده می‌شود سیگنال‌های پردازش‌شده را به یک عملیات یا کنش تبدیل می‌کند و اغلب آن را به صورت حرکت مکانیکی در می‌آورد.

انواع سیستم‌های الکترونیکی

سیستم‌های الکترونیکی یا بر «سیگنال‌های زمان پیوسته» (CT) عملیات انجام می‌دهند یا بر «سیگنال‌های زمان گسسته» (DT). سیستم زمان پیوسته آنی است که سیگنال‌های ورودی آن در امتداد یک پیوستگی زمانی تعریف می‌شوند، مانند سیگنال‌ آنالوگ که در طول زمان «امتداد دارد» و یک سیگنال زمان پیوسته را تولید می‌کنند.

اما سیگنال‌های زمان پیوسته ممکن است از نظر بزرگی متنوع باشند یا ماهیت‌ تناوبی با دوره زمانی T داشته باشند. در نتیجه سیستم‌های الکترونیکی زمان پیوسته (Continuous-time) معمولاً سیستم‌هایی تماماً آنالوگ هستند که با سیگنال‌های ورودی و خروجی خود یک عملیات خطی را در یک دوره زمانی مشخص انجام می‌دهند.

برای نمونه،‌ دمای یک اتاق را می‌توان یک سیگنال زمان پیوسته دانست که بین دو مقدار یا نقطه مرجع اندازه‌گیری می‌شود، مثلاً از سرد تا گرم یا از شنبه تا چهارشنبه. می‌توانیم یک سیگنال زمان پیوسته را با استفاده از متغیر مستقل زمان t نشان دهیم که در این صورت x(t) سیگنال ورودی و y(t) سیگنال خروجی در بازه زمانی t خواهند بود.

به‌طور کلی بیشتر سیگنال‌های موجود در جهان واقعی که می‌توانیم از آنها استفاده کنیم، سیگنال‌های زمان پیوسته هستند، مانند ولتاژ، جریان، دما، فشار، سرعت و غیره.

از سوی دیگر، یک سیستم زمان گسسته (Discrete-time) سیستمی است که در آن سیگنال‌های ورودی پیوسته نیستند، بلکه دنباله یا مجموعه‌ای از مقادیر سیگنال هستند که در نقاط زمانی «گسسته» تعریف شده‌اند. نتیجه آن یک خروجی زمان گسسته است که معمولاً به‌صورت دنباله‌ای از مقادیر یا اعداد نمایش داده می‌شود.

به‌طور کلی یک سیگنال گسسته فقط در فواصل مجزا، مقادیر مجزا یا نقاطی با فاصله زمانی مساوی مشخص می‌شود. پس مثلاً دمای یک اتاق در ساعت سیزده، چهارده و پانزده و سپس دوباره در ساعت شانزده اندازه‌گیری می‌شود، بدون توجه به اینکه دمای آن اتاق در فاصله بین این ساعات، مثلاً در ساعت سیزده‌ و ‌سی‌ دقیقه یا چهارده و چهل‌وپنج دقیقه واقعاً چقدر بوده است.

با این حال یک سیگنال زمان پیوسته x(t) را می‌توان به‌صورت مجموعه‌ای مجزا از سیگنال‌ها صرفاً در فواصل گسسته یا «لحظاتی در زمان» نشان داد. سیگنال‌های گسسته نسبت به زمان اندازه‌گیری نمی‌شوند، بلکه در فواصل زمانی گسسته ترسیم می‌شوند که در آن n بازه نمونه است. در نتیجه سیگنال‌های زمان گسسته معمولاً به صورت x(n) برای سیگنال ورودی و y(n) برای سیگنال خروجی نمایش داده می‌شوند.

پس می‌توانیم سیگنال‌ها ورودی و خروجی یک سیستم را به‌ترتیب x و y و خود سیگنال‌ یا سیگنال‌ها را با متغیر t که معمولاً زمان یک سیستم پیوسته است یا با متغیر n که یک مقدار صحیح برای یک سیستم گسسته است نشان دهیم.

سیستم‌های زمان پیوسته و زمان گسسته

اتصال سیستم‌ها

یکی از جنبه‌های عملی سیستم‌های الکترونیکی و نمایش نمودار بلوکی این است که می‌توان آنها را به‌صورت سری یا موازی با هم ترکیب کرد و یک سیستم بسیار بزرگ‌تر ساخت. بسیاری از سیستم‌های واقعی بزرگ‌تر با اتصال چندین زیرسیستم ساخته می‌شوند و با استفاده از نمودارهای بلوکی هر زیرسیستم را نمایش می‌دهند. همچنین می‌توانیم یک نمایش گرافیکی از کل سیستم تحلیل‌شده ارائه دهیم.

وقتی زیرسیستم‌ها را برای ساختن یک مدار سری ترکیب می‌کنیم، خروجی کلی در y(t) معادل حاصل ضرب سیگنال‌های ورودی x(t) خواهد بود و این نشان می‌دهد که زیرسیستم‌ها به‌صورت سری به هم متصل شده‌اند.

سیستم اتصال سری

برای یک سیستم زمان پیوسته اتصال سری، سیگنال خروجی y(t) در اولین زیرسیستم، یعنی «A» به سیگنال ورودی زیرسیستم دوم تبدیل می‌شود، یعنی «B» که خروجی آن نیز ورودی سومین زیرسیستم، یعنی «C» خواهد بود و به همین ترتیب زنجیره سری A x B x C الی آخر تشکیل می‌شود.

پس سیگنال‌های ورودی اصلی از طریق یک سیستم سری به هم متصل می‌شود و برای دو زیرسیستم که به‌صورت سری به هم متصل شده‌اند، خروجی معادل مجزا برابر با ضرب سیستم‌ها خواهد بود، یعنی

y(t) = G1(s) x G2(s)

و G نشان‌دهنده تابع انتقال زیرسیستم است.

توجه داشته باشید که اصطلاح «تابع انتقال» یک سیستم، اشاره به رابطه ریاضی بین ورودی و خروجی سیستم یا رابطه ورود/خروج دارد و در نتیجه رفتار سیستم را توصیف می‌کند.

دپارتمان برق و الکترونیک مجتمع فنی تهران

همچنین برای یک سیستم متصل سری، از نظر سیگنال‌های ورودی و خروجی ترتیب انجام عملیات سری اهمیتی ندارد، زیرا G1(s) x G2(s) معادل G2(s) x G1(s) است. نمونه یک مدار متصل سری ساده، یک میکروفون مجزاست که به یک تقویت‌کننده و پس از آن یک بلندگو وصل است.

سیستم‌های الکترونیکی اتصال موازی

برای یک سیستم زمان پیوسته اتصال موازی، همه زیرسیستم‌ها سیگنال ورودی یکسان دریافت می‌کنند و خروجی‌های مجزای آنها با هم جمع می‌شود تا یک خروجی کلی یعنی y(t) تولید شود. پس برای دو زیرسیستم متصل موازی، سیگنال خروجی معادل مجموع دو ورودی مجزا خواهد بود یعنی

y(t) = G1(s) + G2(s)

نمونه یک مدار اتصال موازی ساده چند میکروفون است که به یک میز میکس وصل شده‌اند که به نوبه خود به یک سیستم تقویت‌کننده وصل است و یک بلندگو را تغذیه می‌کند.

سیستم‌های بازخورد الکترونیکی

یکی دیگر از اتصالات مهم سیستم‌ها که به‌طور گسترده در سیستم‌های کنترلی مورد استفاده قرار می‌گیرد، «پیکربندی بازخورد» (feedback configuration) است. در سیستم‌های بازخورد، کسری از سیگنال خروجی بازگردانده شده و به سیگنال ورودی اضافه یا از آن کم می‌شود. نتیجه این است که خروجی سیستم به‌طور مستمر در حال تغییر و به‌روزرسانی ورودی خود با هدف اصلاح پاسخ سیستم و بهبود پایداری آن است. همان‌طور که در ادامه می‌بینید، به یک سیستم بازخورد، سیستم «حلقه بسته» (Closed-loop System) نیز می‌گویند.

سیستم بازخورد حلقه بسته

سیستم‌های بازخورد در اکثر سیستم‌های الکترونیکی که برای تثبیت سیستم و افزایش کنترل آن طراحی شده‌اند، بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. اگر حلقه بازخورد مقدار سیگنال اصلی را کاهش دهد،‌ به آن حلقه «بازخورد منفی» می‌گویند. اگر حلقه بازخورد به مقدار سیگنال اصلی اضافه کند، به آن حلقه «بازخورد مثبت» می‌گویند.

مثال یک سیستم بازخورد ساده، سیستم گرمایشی دارای کنترل ترموستات در خانه است. اگر خانه بیش از حد گرم باشد،‌ حلقه بازخورد سیستم گرمایشی را خاموش می‌کند تا هوا خنک‌تر شود. اگر خانه بیش از حد سرد باشد، حلقه بازخورد سیستم گرمایشی را روشن می‌کند تا خانه گرم‌تر شود. در این مثال،‌ سیستم اصلی از یک سیستم گرمایشی، دمای هوا و حلقه بازخورد کنترل‌شده با ترموستات تشکیل شده است.

تابع انتقال سیستم‌ها

هر زیرسیستم را می‌توان یک بلوک ساده با یک ورودی و یک خروجی نشان داد. به طور کلی، ورودی را به صورت θi و خروجی را به ‌صورت θo نشان می‌دهند. نسبت خروجی به ورودی نشان‌دهنده بهره (G) زیرسیستم است و بنابراین به ‌صورت زیر تعیین می‌شود:

G = θo/θi

در این مورد G نشان‌دهنده تابع انتقال سیستم یا زیرسیستم است. هنگام بحث در مورد سیستم‌های الکترونیکی براساس تابع انتقال آنها، از یک عملگر مختلط یا s استفاده می‌شود. پس معادله بهره سیستم را می‌توان به‌صورت زیر بازنویسی کرد:

G(s) = θo(s)/θi(s)

چکیده سیستم‌های الکترونیکی

در این مقاله نشان دادیم که یک سیستم الکترونیکی ساده شامل یک ورودی، یک فرایند، یک خروجی و احتمالاً بازخورد است. سیستم‌های الکترونیکی را می‌توان با استفاده از نمودارهای بلوکی به‌هم‌پیوسته نمایش داد که در آن خطوط بین بلوک‌ها یا زیرسیستم‌ها، جریان و جهت سیگنال را در سیستم نشان می‌دهند.

لازم نیست نمودارهای بلوکی فقط یک سیستم ساده مجزا را نشان دهند،‌ بلکه می‌توان به کمک آنها سیستم‌های بسیار پیچیده و متشکل از زیر‌سیستم‌های به‌هم‌پیوسته متعدد را نشان داد. زیرسیستم‌ها را می‌توان به‌صورت سری، موازی یا ترکیبی از هر دو به هم متصل کرد و این به جریان سیگنال‌ها بستگی دارد.

همچنین نشان دادیم که سیگنال‌های و سیستم‌های الکترونیکی ممکن است ماهیت زمان پیوسته یا زمان گسسته داشته باشند و ممکن است آنالوگ،‌ دیجیتال یا هر دو باشند. از حلقه بازخورد می‌توان برای افزایش یا کاهش عملکرد یک سیستم خاص و تثبیت یا کنترل بهتر آن استفاده کرد. کنترل فرایندی است که باعث می‌شود یک متغیر سیستم از یک مقدار خاص که مقدار مرجع نامیده می‌شود تبعیت کند.

منبع: electronics-tutorials

مترجم: بهناز دهکردی