Компьютеры и цифровая техника заполонили всё неспроста. Сегодня даже самое простое аналоговое устройство вроде таймера разработчик предпочтёт сделать на микроконтроллере, вместо использования микросхемы 555.
На то есть причины.
Цифра очень хорошо масштабируема и повторяема. Тебе не нужно знать внутреннее устройство схемы или библиотеки. Ты используешь ее в качестве кирпичика, чтобы построить что-то своё. Это работает и в архитектуре процессора, и в высокоуровневом коде.
Цифра линейна и предсказуема за счёт отсутствия непрерывных процессов. Она как точный механизм - если настроили, то он не собьётся. Компьютеры часто называют машинами, потому что они по сути и являются механизмами. Только электронными.
Конечно, в цифре тоже бывают ошибки, но зачастую они возникают на таких высоких частотах, где в цифру начинает вмешиваться аналог.
Аналог нелинеен. И именно это я покажу на простейших схемотехнических примерах далее.
Аналог не масштабируем. Это вытекает из нелинейности. Небольшое изменение существенных характеристик модуля часто требует радикального изменения схемы, компонентов и даже принципов работы.
Линейные аналоговые схемы линейны в только в некотором интервале параметров. Представьте, что складываете 1+1 на компьютере, а ответ будет -1, потому что на этом участке компьютер складывает числа нелинейно. Бред.
Каждая аналоговая схема требует настройки. Как и струна на гитаре со временем она может расстроиться. А ещё она может быть чувствительна к температурам, обладает гистерезисом и несёт в себе много других сюрпризов.
Сегодня я на простых примерах покажу, где в аналоге начинается и заканчивается линейность. Я очень хотел бы, чтобы мне кто-нибудь это рассказал в универе, но пришлось до этого доходить самому.
Основы
Аналоговая электроника начинается с закона Ома и закона непрерывности потока. Возьмём самую простую схему: резистор R, зажатый между питанием V и землей.
Разность уровней между питанием и землей создаёт причину для электронов течь от V к земле. Сопротивление пытается замедлить скорость этого потока. В итоге получаем силу тока I = V/R. Это закон Ома.
И тут все линейно. Чем больше питание, тем больше ток. Чем больше сопротивление, тем меньше ток. Если заменим R на потенциометр, то получим линейное изменение тока.
На секунду может даже показаться, что природа к нам благосклонна. Никаких экспонент или полиномов тут нет.
Добавим последовательно ещё одно (токоограничевающее) сопротивление и я покажу закон сохранения потока.
Так как току некуда деться он протекает в одинаковом количестве через R1 и R2. Обозначим общий ток I
Такое соединение сопротивлений ничем не отличается от одного эквивалентного суммарного сопротивления. Этот факт Ом доказал экспериментально, а не это ваше "очевидно, понятно".
По закону Ома сила протекающего тока равна напряжению, делённому на сопротивление R1 + R2. Окей, ток мы нашли. В этой системе мы не знаем только значение напряжения Vx. Давайте найдём и его.
Запишем закон Ома для разности потенциалов между Vx и землей. Ток мы знаем, сопротивление мы знаем. Найдём Vx. Оно получается пропорционально напряжению питания V, пропорционально сопротивлению R2 и обратно пропорционально суммарному сопротивлению.
Думаю, вы знаете, что эта схема называется делитель напряжения. И она выдает на свой выход часть входного напряжения питания. Управлять этой схемой мы может с помощью параметра R2, если заменим его на потенциометр.
Зависимость получилась нелинейной. Изменяя управляющее сопротивление, мы также меняем и суммарное сопротивление. Но такая нелинейность неплохая. Она плавно меняется от нуля до максимального напряжения питания.
Эту нелинейность можно легко побороть, используя один потенциометр и снимая показания с его срединной точки. Так суммарное сопротивление всегда постоянно, а управляющее может плавно меняться в его пределах.
Но на этом месте линейность в аналоговой электронике заканчивается.
Добавим нагрузку
Пока что спроектированный нами делитель напряжения существует сам по себе. Чтобы его использовать, нужно приложить его выход к какой-нибудь схеме, чтобы он делал полезное дело.
Я хотел бы написать про зажигание абстрактной лампочки, но в комменты тут же набегут люди с ВАХами реальных светодиодов, а мне это не надо. Поэтому будем просто гонять ток через сопротивление нагрузки. Посмотрим, как этот небольшой сюрприз быстренько все нам поломает.
Для тока создаётся дополнительный путь от Vout к земляному проводу. Сумма токов I2 и I3 равняется току через R1.
Vout сейчас неизвестно, но мы хотим его найти. Для этого запишем три раза закон Ома: для разности потенциалов V-Vout через R1 найдём ток I1
Для разности Vout-0 через R2 и для разности Vout-0 через r найдём токи I2 и I3 соответственно
Через равенство токов получим уравнение, в котором неизвестно только Vout. Считай нашли решение. Но от его наличия не стало легче.
По моему скромному мнению, это самая важная формула аналоговой электроники. Глядя на нее, каждый должен решить для себя, хочет ли он продолжать заниматься аналогом или стоит выбрать что-то другое.
Чтобы понять, как будет вести себя выход такого делителя, давайте измерять R2 в долях сопротивления нагрузки r, смотреть вид формулы и сравнивать ее с формулой делителя без нагрузки.
Соединяя два сопротивления параллельно, мы создаём для тока дополнительный путь между потенциалами. Эквивалентное сопротивление описывается нелинейной формулой.
От этого в схеме происходит перекос. Ручка управления, теперь это параметр альфа, больше не даёт линейно менять напряжение на выходе.
Хуже того, что с ростом сопротивления ручки, когда a >> 1 (много больше единицы) ток все сильнее начинает утекать в сторону нагрузки, и теперь r является нашим делителем, а вовсе не ручка. Мы полностью теряем контроль над схемой.
Какие есть способы исправить положение?
Логично будет использовать нагрузку с относительно высоким сопротивлением, чтобы наша ручка никогда не выходила за допустимые границы сопротивления. Но в этом случае в нагрузку будет утекать мизерный ток.
Усилитель
В аналоговой электронике, все части схемы являются единым и неразрывным целым. Они оказывают друг на друга влияние, как нагрузка на делитель напряжения. Отделить части схемы друг от друга можно только большим (в идеале бесконечным) сопротивлением. Но слабый входной ток нужно потом как-то усилить.
На этом этапе вам уже должно стать понятно, почему за изобретение транзистора дали Нобелевку. Транзистор отлично решает задачу умножения небольшого входного тока на заданный коэффициент. До этого использовали громоздкие лампы, которые бились и сильно грели, а транзистор был еще и компактным.
Транзисторные схемы тоже те еще штучки, лучше чем ничего, но массовый пользователь хочет еще более простое и линейное решение.
Именно поэтому появился операционный усилитель. Этакий линейный умножитель без побочных эффектов, которые есть у транзистора. Если посмотрите на любую профессиональную схему, то там почти всё будет обложено операционниками, чтобы надежно изолировать модули друг от друга.
Выводы
А ведь мы рассматривали только самые простые статичные схемы. Когда в аналоге нужно организовать какую-то динамика (сгенерировать сигнал, например) вместе с ней приходят комплексные экспонаты, которые позволяют сигналам проникать в самые удаленные уголки схем, а также производные. Системы уравнений из линейных становятся линейными дифференциальными.
Это невероятно сложно для нашего понимания. А люди, которые все это изобретали? Герои! Вся аналоговая электроника результат перебора огромного числа гипотез множеством людей, часть из которых оказалась рабочей.
Если бы это было не так, то каждый усилитель не носил бы фамилию своего изобретателя. Просто нашелся бы какой-нибудь Гаусс 20го века и придумал бы все возможные схемы транзисторных усилителей.
В общем, надеюсь было интересно. Всем спасибо за внимание!
Комментарии (31)
N-Cube
15.07.2024 17:52+3разработчик предпочтёт сделать на микроконтроллере, вместо использования микросхемы 555
Ерунда. Эти микросхемы массово выпускались и выпускаются, что подтверждает к ним стабильный интерес разработчиков и производителей. Кстати, микроконтроллеры в таком же формфакторе требуют какой-никакой обвязки, так что элементов на плате столько же выходит, только еще и программу надо написать и загрузить, так что нужно выводы для этого на плате предусматривать или прошивать контроллер до установки, это лишние усложнения, когда 555 хватает.
vadjuse Автор
15.07.2024 17:52+1А я знаю мужика, который разводит конечные автоматы через логические схемы.
Бывает всякое, но тенденция такая (к сожалению), что будет не просто мк вместо таймера, но будет целый одноплатный компьютер с операционкой вместо таймера (и с выходом в интернет).
Hik
15.07.2024 17:52+2Нет никакой тенденции. Если Вы сталкиваетесь с такой ситуацией, это автоматически не делает положение дел таким как Вы описываете. Если один разработчик влепил МК вместо таймера, а другой бездумно повторил, это не значит, что так делают все и везде. Годный инженер решает тех. задачу исходя из ТЗ и имеющегося ресурса. А то, что Вы называете тенденцией по массовому использованию МК, raspberry pi и т.п. решений говорит лишь о том, что разработка "электроники" стала доступнее (порог вхождения ниже). Но это не = качественный продукт. Программисты вдруг стали -электронщиками. Прошивку на чем только уже не пишут. Проблема одна только - это плодит псевдо электронщиков. Какие-то компании это устраивает, но часто это мелкие конторы, с мелкими проектами и мелкими бюджетами и маленькой ответственностью. И поверьте мужик который делает конечные автоматы на логике более квалифицирован, чем почитатели "давайте воткнëм МК лампочкой помигать". К слову сказать, если бы на собесе я задал такой вопрос, то взял бы этого мужика. И не потому, что он древние технологии знает, а потому, что это показатель уровня инженера.
P. S. Я лишь наблюдаю нехорошую тенденцию на хабре по написанию некачественного контента в области схемотехники и электроники. Это начинает пугать.
P. S. S. Отвечаю на потенциально возникающий вопрос. Я не собираюсь писать статьи с качественным контентом. 1. Мне своих студентов и лекций хватает. 2. Мне жалко времени (даже на этот коммент жалко, но просто уже наболело) 3. Практические знания достаются кровью, потом и сгоревшими устройствами. И просто так делиться ими большее количество профессионалов не будет просто так. Как говорится попробуйте найти хоть одного бизнесмена который бесплатно научит Вас зарабатывать много денег. Надо либо личным падаваном при наставнике, либо заплатить очень много денег. тчк.
Kudesnick33
15.07.2024 17:52+1Да, 555 массово используются, но проффессионалами, в серийных разработках. В DIY гораздо меньше. МК в качестве простейшего таймера может вообще не содержать обвязки: внутренний генератор, внутренняя схема сброса - и вперед. Насчет написания программы и процесса программирования - полностью согласен. Но опять же, если у меня под рукой лежит bluepill или что-то наподобие, то я зашью его тем, что мне надо, а не буду ждать кучу рассыпухи, чтобы её еще потом отлаживать. Естественно, дальше прототипа такой подход неприемлем.
JoshMil
15.07.2024 17:52Бесценны тексты в которых до деталей докапываются в привычно простых системах. Они помогают человечеству абстрагировавшись от онтологической картины мира - не отстегнутся от нее необратимым образом.
ACO-Andrew
15.07.2024 17:52+1Пардонте, а что такоэ "закон непрерывности потока" в применении к електричеству? Закон Киркгофа?
vadjuse Автор
15.07.2024 17:52да, закон сохранения массы, заряда, потока. У нас это так называли. Нетривиальная вещь, кстати, во времена Ома
aamonster
15.07.2024 17:52Законы (правила) Кирхгофа – какая-то жуткая неудобная шляпа. Контура какие-то ищи непонятно зачем.
Закон Ома для участка цепи + закон сохранения заряда или как его там (что сумма токов в узле цепи равна нулю, сколько втекает – столько и вытекает) гораздо практичнее.
voldemar_d
15.07.2024 17:52+1Вы почти что процитировали, собственно, один из законов Кирхгофа:
Первый закон Кирхгофа (Закон токов) гласит, что алгебраическая сумма токов в любом узле любой цепи равна нулю - значения вытекающих токов берутся с обратным знаком.
aamonster
15.07.2024 17:52К первому правилу претензий нет :-)
Но внезапно кроме первого правила – есть ещё второе, для которого за каким-то хреном вводится совершенно ненужное понятие контуров. И из которого получаешь на ровном месте уравнения с кучей членов в каждом вместо трёх при использовании закона Ома для участка цепи + большие шансы получить вырожденную СЛАУ из-за неправильного выбора контуров.
Не, ну я понимаю, во времена Кирхгофа ещё не привыкли пользоваться понятием потенциала и решать задачи на графах, но на хрена детей в школе учат этой архаике, имеющей лишь историческое значение?
ACO-Andrew
15.07.2024 17:52Пральна! Надо сразу выносить мозг уравнениями Максвелла! Шоб надежно! LOL
Законы Киркгофа, Ома, Фарадея всего лишь описывают (упрощенные) модели электрических цепей и применяются для инженерных рассчетов. Их нужо уметь применять, только и всего!
aamonster
15.07.2024 17:52Чувак, ещё раз: закон Ома для участка цепи проще и удобнее второго правила Кирхгофа.
ACO-Andrew
15.07.2024 17:52+1"(что сумма токов в узле цепи равна нулю, сколько втекает – столько и вытекает)" - это называеццо первый закон Киркгофа. LOL
aamonster
15.07.2024 17:52Я чуть выше ответил. Правила Кирхгофа надо рассматривать как единую систему, и они имеют только историческое значение.
ACO-Andrew
15.07.2024 17:52+3И ещё, вас кто-то обманул: "Разность уровней между питанием и землей создаёт причину для электронов течь от V к земле." У вас положительное питание относительно земли, следовательно електроны бегут из земли в питатель.
y_mur
15.07.2024 17:52Не все так просто:)
Дело в том, что исторически изначально электроны считались положительными. Именно с этой идеей и работали Ом, Кирхгоф и др. Потом узнали что электроны отрицательны, но в инженерной схемотехнике договорились считать что ток по прежнему течет от + к -, чисто для совместимости версий.
Да, это добавляет путаницу (совместимость она такая), но поменять местами + и - в уже созданной теории никто не решился.
evgenyk
15.07.2024 17:52+2Вообще, у аналоговой техники есть один жирный плюс, по сравнению с теми, которые устроены на компьютере и ОС. И плюс этот - включил питание и утройство готово к работе.
randomsimplenumber
15.07.2024 17:52Внутри самого цифрового компьютера под капотом происходят очень даже аналоговые процессы.
Yami-no-Ryuu
15.07.2024 17:52+2Вы в глаза-то аналоговую технику видели?
Выход на режим, прогрев, стабилизация от всего на свете начиная с влажности и кончая фазой Луны. Ага, включил и работай.
MountainGoat
15.07.2024 17:52Ага, щас. Включил - и готово к работе через 5-15 минут, время зависит от температуры перед включением. И не дай бог ты сдуру сразу следующее устройство в цепи включишь: пока это не прогрелось, из него такие шумы летят, что после усиления и спалить что-то можно.
KstnRF
15.07.2024 17:52+1Вначале ожидал увидеть более подробно разность между аналоговыми и цифровыми схемами, и область где граница между ними размывается. И не столько разность в схемотехнике, сколько в технологии.
А потом казалось что введение растянулось. Но это было не введение(( И статья резко оборвалась.
Надеюсь, будет продолжение.
barabacka
15.07.2024 17:52аналоговая такое. Лет за 20 кор сформируется. Говорят RF - топ. Не знаю... боюсь.
Hik
15.07.2024 17:52+2Пустая статья. Вводящая в заблуждение начинающих в электронике. Кишит неточностями и некорректной информацией. Проходим мимо.
goldexer
И все? Я думал, вот, прошли введение с примерами на сопротивлениях, а теперь автор раскроет тему, будут сложные примеры с неожиданными подводными камнями и изящными решениями, к которым приходили в результате многих, местами гениальных, умозаключений... А нет, как и куча другого, простите, хлама на Хабре: «расскажу вам невероятную историю о сложных процессах в пневматических системах! Есть колесо, недокачали - плохо, перекачали - тоже плохо, выводы делайте сами»
В общем, если есть возможность, хотелось бы развития тем. Ведь по аналоговой электронике есть масса интересного и это было бы очень занятно читать...
vadjuse Автор
спасибо за отзыв, я пока прощупываю почву, если людям зайдёт, напишу ещё кулстори из жизни и не очень.
aamonster
Хоровица и Хилла в комиксах?