1.4 电子系统

我们日常生活中使用的每一个电子设备都是一种系统。依赖于电子变量（如功率、电压或电流）工作的系统被称为电子系统。多个具有不同输入 - 输出关系的模块相互连接，形成一个用于执行特定任务或过程的系统。

电子系统

电子系统也被称为“控制系统”。用于控制或调节其他系统输出的系统称为控制系统。它也是由多个不同的系统和模块组成的集合。

在重工业中使用的工业自动化系统是控制系统的例子。它们用于控制工业中的生产过程。

基本控制系统的方框图（带控制回路）如下所示。

输入信号连接到控制器以控制系统的输出，控制器的输出连接到系统或处理器，后者处理输出。

如果产生的系统输出偏离期望输出，表明系统遇到了某种噪声或误差。误差信号反馈到控制器，以便根据系统需求对系统进行调整。

系统可以用多种方式表示，例如图形方式、描述方式、原理图和数学方式等。然而，许多电子系统是通过将各个模块串联连接起来进行原理图表示的。

系统的每个模块都有其自身的输入和输出。控制系统中的每个模块代表一个系统或系统的一个单独组件。

电子系统的系统方框图

简单系统的方框图如下所示，带有各自的输入和输出。

电子系统可能具有多个输入和多个输出。系统接受输入，并处理所需的任务以产生输出。通过处理输入可以改变系统的状态。因此，输入是系统平衡状态变化的“原因”。

这意味着系统的输入和输出之间存在直接关系，输入会对输出产生影响。这种控制系统的分析被称为“因果分析”。

音频系统、电视或任何 MP3 播放器都是电子系统的例子。声波被转换为电信号，并通过扬声器放大以处理输出，产生高强音频信号。

示例

我们在日常生活中遇到许多系统，例如洗衣机、烘干机、键盘、空调等。我们主要在工业用途中使用控制系统，如航天技术、武器、电力系统以及工业自动化等产品质量控制。

电子系统的类型

正如我们之前所解释的，每个控制系统都有其自身的输入和输出。输入信号可能是连续的或离散的。根据提供给系统的输入信号，控制系统被分为两种类型：

• 连续系统
• 离散系统

连续系统

连续系统是指输入信号被定义为模拟信号的系统。模拟信号本质上是连续的，因此被称为“连续时间信号”。

连续信号的幅度会随时间周期 $T$ 而变化。由于输入是模拟的，连续电子系统产生类似的输出。这就是它们被称为“纯模拟系统”的原因。

连续系统的值仅随时间变化。

连续系统的示例

测量房间温度的过程是连续系统的例子。由于温度是在一段时间范围内测量的，例如从周一到周六，或从冷到热的温度级别等，温度监测系统本质上是模拟的，或者说是一个连续电子系统的例子。

其他连续电子系统的例子包括电流和电压信号、压力、速度和温度信号等。

离散系统

离散系统被定义为输入为离散时间值序列的系统。在特定时间间隔获得的值被称为“离散值”。由于离散系统的输入是瞬时值序列，输出将以数字序列的形式出现。

因此，这些离散系统也被称为“数字系统”。通常，数字系统的输出是一个二进制数字序列，例如由 0 和 1 组成的序列。

离散系统的一个重要特点是，定义在特定时间间隔的离散值必须等间距。例如，如果时间周期是 $t_1, t_2, t_3, t_4$ 和 $t_5$，那么 $t_1 - t_2 = t_2 - t_3 = t_3 - t_4 = t_4 - t_5$。离散系统的值不会在时间周期内变化，而是在特定时间点发生变化。

离散系统的示例

仅在特定时间间隔测量房间温度的温度测量（监测）系统，例如在特定的几天（如周一、周二）或特定的时间间隔（如下午 1 点、2 点、3 点等），是离散时间电子系统的例子。

将连续系统表示为离散区间集合

我们可以通过改变系统的域，将连续电子系统表示为离散电子系统。这意味着，输入和输出信号分别为 $X(t)$ 和 $Y(t)$ 的连续系统可以表示为输入和输出分别为 $X(n)$ 和 $Y(n)$ 的离散电子系统，其中 $X(t)$ 和 $Y(t)$ 表示时域，而 $X(n)$ 和 $Y(n)$ 表示频域。

系统的互联

电子系统的模块可以相互连接，以形成更复杂的系统。这被称为“模块的互联”。这些互联的模块将执行特定的动作或任务。这种互联有两种类型：

1. 并联连接
2. 串联连接

串联连接的电子系统

通过串联连接各个模块形成的系统被称为“串联连接系统”。由两个模块串联形成的系统的输出等于这两个单独模块输出的乘积。

让我们看看下面的系统。这里通过连接两个单独的模块 $G_1$ 和 $G_2$ 形成了一个复杂的系统。

如果第一个系统的输出是 $G_1$，第二个系统的输出是 $G_2$，那么串联连接系统的输出等于 $Y(t) = G_1(s) \times G_2(s)$。

如果系统有 3 个模块 $A$、$B$ 和 $C$ 串联连接，那么串联连接系统的输出等于 $Y = A \times B \times C$。我们可以将此应用于任意数量的串联模块。

示例：麦克风连接到放大器和扬声器。

并联连接的电子系统

通过并联连接各个模块形成的系统被称为“并联连接系统”。由两个模块并联形成的系统的输出等于这两个单独模块输出的和。

让我们看看下面的系统。这里通过连接两个单独的模块 $G_1$ 和 $G_2$ 形成了一个复杂的系统。

如果第一个系统的输出是 $G_1$，第二个系统的输出是 $G_2$，那么并联连接系统的输出等于 $Y(t) = G_1(s) + G_2(s)$。

如果系统有 3 个模块 $A$、$B$ 和 $C$ 并联连接，那么并联连接系统的输出等于 $Y = A + B + C$。我们可以将此应用于任意数量的并联模块。

示例：多个麦克风连接到单个放大器和单个扬声器系统。

电子反馈系统

反馈是系统互联的另一种类型。反馈回路意味着将输出值的一部分连接回输入。具有连接反馈回路的电子系统被称为“闭环反馈系统”。

反馈回路允许系统检查误差，并自动纠正其输出中出现的误差。因此，这些系统比开环系统（没有反馈回路）更稳定。

根据反馈回路的性质，闭环系统被分为正反馈系统和负反馈系统。

反馈回路增加系统输出水平的系统被称为“正反馈电子系统”。同样，反馈回路减少系统输出水平的系统被称为“负反馈电子系统”。

示例：自动加热系统是一个简单的反馈系统的例子。