В чем разница между аналоговым и цифровым?

Содержание

• Будущее за цифровыми технологиями?
• Как используются аналоговые и цифровые дисплеи?
• Что такое аналоговые примеры?
• Каковы примеры цифровых дисплеев?
• Что такое аналоговые и цифровые сигналы?
• Что такое сигнал?
• Что такое датчик?
• Как работают цифровые сигналы?
• Что означает отбор проб?
• Выборка сигнала
• Аналого-цифровое преобразование
• Разрешение аналого-цифрового преобразователя
• Минимальная частота дискретизации сигнала - теорема Найквиста – Шеннона о дискретизации
• Воспроизведение сигнала - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
• Цифровая электроника
• Повышение отношения сигнал / шум
• Каковы преимущества цифровых данных?
• Каковы недостатки цифровых данных?
• Что такое TTL и CMOS?

Евгений - квалифицированный инженер по КИПиА, бакалавр (Eng) и работал разработчиком электроники и программного обеспечения для систем SCADA.

Будущее за цифровыми технологиями?

Мы часто слышим об аналоговом и цифровом в контексте связи, звукозаписи, фотоаппаратов, телевидения, радио и других электронных устройств. Но в чем именно разница и лучше ли цифровое аналоговое? Почему цифра заменила аналоговую в аудио, цифровой обработке изображений и электронной связи? В этой статье я надеюсь пролить свет на эту тайну.

Как используются аналоговые и цифровые дисплеи?

Хотя это не имеет ничего общего с реальным различием между аналоговым и цифровым, эти термины часто используются для обозначения типа дисплеев на часах, измерительных устройствах и электронных приборах. Аналоговый дисплей обычно включает в себя некоторую форму указателя, который указывает значение в зависимости от его положения или угла на шкале. Примерами аналоговых дисплеев являются традиционные часы, весы, спидометры, подвижная катушка старого образца или подвижные железные вольтметры и амперметры. Примеры смотрите на фотографиях ниже.

Цифровой дисплей показывает значение параметра напрямую, фактически отображая число. Это число может быть отображено на светодиодном, жидкокристаллическом дисплее или дисплее Nixie (с холодным катодом). Даже дисплеи на старомодных электромеханических кассовых аппаратах можно рассматривать как цифровые, но этот термин обычно используется для электронных устройств.

Обратите внимание, что британское английское написание аналога - «аналог».

Что такое аналоговые примеры?

На аналоговом дисплее значение указывается линией или указателем.

Каковы примеры цифровых дисплеев?

На цифровом дисплее значение отображается как последовательность из 1 или более цифровых или буквенно-цифровых цифр.

Что такое аналоговые и цифровые сигналы?

Еще одно различие между аналоговым и цифровым - в области электроники и сигналов. В реальном мире многие изменяющиеся параметры можно рассматривать как аналог. Так, например, изменение температуры в комнате во времени является аналоговой величиной, как и напряжение батареи при ее разряде. Характеристика аналогового параметра или величины состоит в том, что его значение непрерывно изменяется в пределах определенного диапазона. Таким образом, температура в комнате может варьироваться от 10 до 20 градусов по Цельсию.

Состояние переключателя света - включено или выключено. Это пример цифровой величины. Переключатель не находится в промежуточном состоянии, он либо включен, либо выключен. В основе цифровых технологий лежит идея включения и выключения «переключателей».

Что такое сигнал?

Функция сигнала - передать информацию о поведении какого-либо явления. Примером может служить выходной сигнал датчика температуры, который предоставляет информацию о температуре в помещении. Колебания уровня света, проходящие по оптоволоконным кабелям, являются сигналами (сигналы не обязательно должны быть электрическими). Информацией может быть телефонный разговор, данные в Интернете или телепрограмма. Состояние переключателя в приведенном выше примере, измеренное во времени, можно рассматривать как цифровой сигнал.

Что такое датчик?

А датчик преобразует параметр реального мира, такой как температура, давление или уровень освещенности, в сигнал. Затем этот сигнал может быть усилен и / или обработан перед использованием для других целей. Несколько примеров:

• В измерительных приборах сигнал от датчика может управлять дисплеем, показывающим измеряемое значение. например спидометр в автомобиле, датчик температуры или вольтметр
• При общении звук или изображения с микрофонов или камер преобразуются в электрический сигнал, который в конечном итоге передается в виде радиоволн.

Как работают цифровые сигналы?

Цифровой сигнал имеет два состояния или уровня: высокий и низкий. Сигналы в цифровом компьютере или приборах, таких как цифровой вольтметр, имеют два состояния. Компьютер не понимает уровни аналоговых сигналов и просто работает с высокими и низкими состояниями, фактически с единицами и нулями. Для более подробного объяснения этого и объяснения двоичной системы счисления см. Мою статью Почему двоичные файлы используются в компьютерах?

Что означает отбор проб?

Выборка сигнала

Выборка - это процесс, который преобразует реальный сигнал в цифровой формат, который затем может быть обработан компьютером, приборами или другой цифровой электронной технологией.

Несколько примеров:

• Цифровой мультиметр (DMM) измеряет напряжение, преобразует его в цифровую форму, а цифровые сигналы используются для управления дисплеем.
• Изображение, проецируемое объективом цифровой камеры, падает на ПЗС-матрицу (устройство с зарядовой связью) на задней стороне камеры. Изображение преобразуется в числа и сохраняется во флэш-памяти камеры.
• Сканер сканирует документ. Полученное изображение сохраняется в памяти.
• Сделана звукозапись. Аудиосигнал преобразуется в цифровой и сохраняется на жестком диске или распечатывается на компакт-диске.

Аналого-цифровое преобразование

По мере развития цифровой электроники и компьютеров возникли приложения для считывания сигналов из реального мира. Процесс для этого называется отбор проб посредством чего аналоговый сигнал преобразуется в двоичное число, понятное компьютеру. Устройство, которое делает это, называетсяаналогово-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП измеряет уровень аналогового сигнала через равные промежутки времени, известные как частота дискретизации. Диапазон напряжения, в котором работает АЦП (например, от 0 до 5 В или от 0 до 10 В), разбит на равные интервалы, и каждому из этих диапазонов присваивается двоичное число. Каждый раз, когда АЦП производит выборку сигнала, он выдает двоичное число, представляющее уровень в момент выборки. Эти числа затем могут быть сохранены, использованы для управления дисплеем, переданы по линии связи и т. Д. Для 3-битного преобразователя (см. Диаграмму ниже) есть 2³ = 8 возможных двоичных чисел. На самом деле преобразователи АЦП имеют разрешение 6, 12, 16 или даже 24 бита. (16 бит при частоте дискретизации 44 кГц используется для записи компакт-дисков). Очевидно, это означает, что существует намного больше уровней, и преобразователь может разрешить более детализированные сигналы в сигнале.

Разрешение аналого-цифрового преобразователя

Как я упоминал ранее, аналого-цифровые преобразователи обычно имеют разрешение от 6 до 16 бит, хотя доступны 24-битные преобразователи.

Количество уровней, которые может разрешить конвертер, равно 2^п , где n - количество бит преобразователя. Таким образом, для 6-битного преобразователя есть 64 уровня, а для 16-битного преобразователя - 2 уровня.¹⁶ = 65 536 уровней. Конвертер имеет входной диапазон, в котором он работает, например От 0 до 5 вольт, и именно этот диапазон разделен на равные диапазоны. Таким образом, чтобы получить наибольшее количество «деталей» из сигнала, сигнал должен охватывать как можно большую часть этого диапазона.

Минимальная частота дискретизации сигнала - теорема Найквиста – Шеннона о дискретизации

Математика, лежащая в основе этой теоремы, немного сложна, но в основном она гласит, что частота дискретизации сигнала должна быть как минимум в два раза выше самой высокой частотной составляющей сигнала. Это интуитивно верно, поэтому, например, медленно меняющийся сигнал от датчика температуры в комнате необходимо будет отбирать гораздо реже, чем аудиосигнал с микрофона или видеосигнал с камеры, чтобы сохранить быстрые изменения сигнала.

Воспроизведение сигнала - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

После дискретизации сигнала с ним можно делать несколько вещей. В случае контрольно-измерительных приборов, например цифровой мультиметр, данные могут не сохраняться. Вместо этого цифровой выходной сигнал АЦП управляет отображением на приборе (через промежуточную электронику драйвера). В качестве альтернативы данные могут быть сохранены в компьютере в виде набора чисел: в оперативная память (RAM), на жестком диске, CD или DVD. Иногда необходимо воспроизвести выбранный и сохраненный сигнал. Примером этого является аудиозапись на компакт-диске. Устройство под названием цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) используется для воспроизведения исходного сигнала. ЦАП выполняет ту же работу, что и АЦП, в обратном направлении. Каждое двоичное число, которое было сохранено во время исходной записи, вводится в ЦАП со скоростью воспроизведения, равной исходной частоте дискретизации. На выходе ЦАП находится аналоговый уровень напряжения. Затем сигнал фильтруется, чтобы удалить эффект «лестницы» из-за выборки.

Цифровая электроника

Некоторые электронные устройства почти полностью цифровые и не нуждаются в выборке аналоговых сигналов. Примером могут служить цифровые часы или часы, в которых используется кварц. осциллятор. Осциллятор - это система, которая что-то делает через определенные промежутки времени, например качающийся маятник или мигающий свет. Частота кварцевого генератора очень стабильна и имеет относительно низкую чувствительность к температуре в отличие от компонентов механических часов. Выходной сигнал генератора представляет собой прямоугольную волну напряжения, обычно 32 768 Гц. то есть цифровой сигнал. Эта частота является степенью двойки и выбирается так, чтобы ее можно было последовательно разделить на 2 с помощью цифрового счетчика для получения импульса длительностью 1 секунда. Затем другие счетчики генерируют минуты и часы каждые 60 и 3600 секунд для управления цифровым дисплеем. (Цифровые кварцевые часы также могут иметь аналоговые дисплеи)

Повышение отношения сигнал / шум

Процесс хранения и передачи данных в цифровом формате, по сути, увеличивает отношение сигнал / шум (SNR или S / N). Нет сигналов низкого уровня, только максимумы и минимумы. Цифровая электроника «решает», является ли бит высоким или низким, в зависимости от того, находится ли он в диапазоне высоких или низких напряжений.

Каковы преимущества цифровых данных?

После дискретизации сигнала и преобразования данных в серию чисел в памяти с ним можно делать много вещей.

• Данные можно хранить и копировать неограниченное время без ухудшения качества Это связано с тем, что числа в памяти или на цифровых носителях хранятся в двоичном формате как единицы и нули. В памяти электронные переключатели либо включены, либо выключены, что соответствует хранению 1 или 0. Этот единственный фрагмент информации известен как немного. На компакт-диске цифра 1 или 0 может быть представлена ​​ямкой на поверхности диска. Сравните это с аналоговой записью на ленту (которая может быть аудио или видео). Сигналы низкого уровня со временем заглушаются шумом, и шум также появляется во время процесса копирования. Это также относится к записи изображений на фотографические носители, такие как традиционный негатив.
• Более четкая аудиосвязь. Поскольку цифровое вещание увеличивает SNR, радио- и телефонная связь и радиовещание становятся более четкими без появления шума. Увеличение отношения сигнал / шум в некоторой степени похоже на идею использования фонетического алфавита во время радиосвязи или телефонного звонка для улучшения разборчивости. Каждая буква сообщения представлена ​​словом (например, «Автомобиль» как «Чарли - Альфа - Ромео»), чтобы можно было понять передачу.

• Данные могут быть сжаты Поскольку данные хранятся в виде чисел, для их сжатия можно использовать необычные алгоритмы. Это выгодно, потому что файлы данных могут быть уменьшены и требуют меньше места для хранения (подумайте о JPEG и MP3, которые являются форматами для хранения и сжатия изображений и звука). Цифровое телевидение и цифровое радио также используют эти методы сжатия (сжатие MPEG 4 для телевидения). Радиочастотный спектр ограничен, и в него можно втиснуть только определенное количество каналов. Сжатие телевизионных сигналов сужает требуемую полосу пропускания для канала, чтобы в полосу частот можно было сжать больше каналов (что может быть хорошей или плохой идеей! Это напоминает мне песню Брюса Спрингстина "57 каналов и ничего не включено")

Каковы недостатки цифровых данных?

• Требуется декодирующее устройство Данные, которые хранятся на носителе, обычно каким-либо образом сжимаются, кодируются и форматируются. Оборудование для чтения и декодирования архивных данных может быть недоступно в будущем. Например, если у вас есть дискеты размером 5 1/4 дюйма с данными, есть ли у вас компьютер, который может читать эти диски? Тем не менее, можно даже прочитать информацию из книг, написанных сотни лет назад, и просмотреть иллюстрации или просмотреть фотографии середины девятнадцатого века. Также было бы относительно легко построить машину, которая могла бы воспроизводить ранние фонографические записи с воскового цилиндра. Очевидно, это проблема для архивистов важной информации.
• Цифровые данные не обязательно долговечны Хотя цифровые данные на носителе теоретически надежны и с меньшей вероятностью будут повреждены, чем аналоговая запись, на практике, если носитель поврежден, чтение данных может оказаться невозможным (например, сильно поцарапанный компакт-диск). Однако аналоговую магнитофонную запись, вероятно, можно было собрать по кусочкам и воспроизвести. Точно так же фотография (традиционный нецифровый тип, который фактически представляет собой двумерную аналоговую оптическую запись) все еще может просматриваться, если она испачкана или повреждена каким-либо другим образом. Мораль этой истории - всегда создавать резервные копии ваших цифровых данных (и резервные копии!)

Что такое TTL и CMOS?

TTL (транзисторная транзисторная логика) и CMOS (комплементарный металлооксидный кремний) - это две технологии, используемые для реализации переключателей в интегральных схемах цифровых электронных устройств. Преимущество CMOS в том, что это низкое энергопотребление, что, конечно, важно для устройств с батарейным питанием. Цифровые ИС имеют входные и выходные контакты, и напряжения на этих контактах находятся в пределах установленных диапазонов допусков.Например, если высокий выход микросхемы TTL подключен к входу другой микросхемы TTL, выходное напряжение должно быть между 2,7 и 5 вольт. Входы от 2 до 5 вольт интерпретируются как высокие. Точно так же низкий выходной сигнал должен находиться в диапазоне от 0 до 0,5 вольт, даже если значение от 0 до 0,8 интерпретируется как низкое. Это означает, что к сигналу можно добавить шум до 0,3 В без его неправильной интерпретации.

Эта статья точна и правдива, насколько известно автору. Контент предназначен только для информационных или развлекательных целей и не заменяет личного или профессионального совета по деловым, финансовым, юридическим или техническим вопросам.