سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال
دنیای ما یک دنیای آنالوگ است. بینهایت رنگ وجود دارد که می‌توانیم برای یک شیء استفاده کنیم (هرچند شاید تفاوتشان را با چشم متوجه نشویم، ولی با این حال وجود دارند)، بینهایت تن صدا وجود دارد که می‌توانیم بشنویم، و بینهایت بو وجود دارد که می‌توانیم بو کنیم. موضوع مشترکی که بین همه این‌ها وجود دارد، بینهایت بودن آنها است.
سیگنال‌ها و اشیای دیجیتال در محدوده‌ای تهی و متناهی قرار دارند، یعنی تعداد مقدارهایی که می‌توانند داشته باشند محدود است. آنها می‌توانند فقط دو، ۲۵۵، ۴,۲۴۹,۹۶۷,۲۹۶ و یا هر تعداد مقدار دیگری داشته باشند؛ فرقی نمی‌کند، با این حال محدود هستند.
کار با برق و وسایل برقی یعنی که باید با هر دو سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال به صورت ورودی و خروجی، کار کنید. وسایل الکترونیکی که تولید می‌کنیم باید از یک طریقی با دنیای آنالوگ ارتباط برقرار کنند، ولی اکثر ریزپردازنده‌ها، رایانه‌ها و واحدهای منطقی تماما از اجزای دیجیتال تشکیل شده‌اند. این دو سیگنال همانند دو زبان متفاوت در دنیای الکترونیک می‌مانند. برخی از اجزای الکترونیکی به هردوی این زبان‌ها صحبت می‌کنند، ولی بقیه تنها یکی از این زبان‌ها را می‌فهمند.
در این آموزش، به بررسی سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ می‌پردازیم و برای هر کدام مثال‌هایی می‌زنیم. علاوه بر آن، راجع به اجزا و مدارهای دیجیتال و آنالوگ نیز توضیحاتی خواهیم داد.
سیگنال‌های آنالوگ
تعریف سیگنال
قبل از اینکه خیلی عمیقاً وارد موضوع شویم، باید اول ببینیم اصلا سیگنال، به ویژه سیگنال الکترونیک، دقیقاً چیست (این سیگنال با سیگنال‌های ترافیکی و سیگنال‌های برقراری ارتباط و … اشتباه گرفته نشود). سیگنال‌هایی که ما داریم راجع به آن صحبت می‌کنیم مقادیری هستند که در طول زمان ثابت نیستند و نوعی اطلاعات را منتقل می‌کنند. در مهندسی برق به این مقادیر متغیر در زمان معمولا ولتاژ گفته می‌شود (یا در برخی جاها به آن جریان می‌گویند). پس هرکجا حرف از سیگنال زدیم، به ولتاژهایی فکر کنید که در طول زمان در حال تغییر هستند.
سیگنال‌ها بین دستگاها رفت و آمد می‌کنند تا اطلاعات را منتقل کنند، که این اطلاعات می‌توانند ویدیو، صوت یا نوعی داده‌ی رمزنگاری شده باشد. معمولا این سیگنال‌ها توسط سیم‌ها منتقل می‌شوند، ولی همچنین می‌توان آنها را از طریق هوا توسط امواج رادیویی نیز منتقل کرد؛ مثلا سیگنال‌های صوتی ممکن است بین کارت صدای رایانه شما و بلندگوها جابه‌جا شوند، درحالی که سیگنال‌های اینترنت در هوا بین تبلت و روتر وای‌فای رد و بدل می‌شوند.
گراف سیگنال آنالوگ
از آنجایی که سیگنال‌ها در طول زمان متفاوت هستند، بهتر است که آنها را برروی گراف‌هایی بکشیم که خط افقی در مدار xها نشان دهنده‌ی زمان و خط عمودی در مدار yها نشان دهنده‌ی ولتاژ باشد. نگاه کردن به گراف سیگنال معمولا ساده‌ترین راه برای تشخیص آنالوگ یا دیجیتال بودن سیگنال است. یک گراف زمان-ولتاژ آنالوگ باید نرم و دنباله‌دار باشد.
درست است که شاید این سیگنال‌ها در یک مقدار حداقل و حداکثر محدود شده باشند، ولی هنوز هم در همان محدوده، بینهایت مقدار قرار دارد. برای مثال، سیگنال آنالوگی که از پریز برق منزلتان خارج می‌شود، ممکن است بین -۱۲۰ ولت و +۱۲۰ ولت ثابت باشد، ولی اگر با نرخ بیشتری آن را بررسی کنید، متوجه می‌شوید که درواقع این سیگنال‌ها می‌توانند بینهایت مقدار داشته باشند (مثل ۶۴/۴، ۶۴/۴۲، ۶۴/۴۲۴ و بینهایت مقدار اعشاری دیگر).
مثال برای سیگنال‌های آنالوگ
سیگنال‌های ویدیو و صوت معمولا در نوع آنالوگ ثبت و منتقل می‌شوند. برای مثال سیگنال‌های ویدیویی که توسط سیم‌های قدیمی RCA (سیم‌های سه شاخه‌ی زرد و قرمز و سفید) منتقل می‌شوند، توسط سیگنال‌های آنالوگی بین ۰ تا ۰/۰۷۳ ولت منتقل می‌شوند. کوچکترین تغییری در این سیگنال‌ها می‌تواند تاثیر بزرگی برروی رنگ و محل فیلم داشته باشد.
یک سیگنال آنالوگ که از یک صف از سیگنال ویدیویی گرفته شده‌است.
سیگنال‌های صوتی خام نیز آنالوگ هستند. سیگنالی که از یک میکروفون خارج می‌شود پر از فرکانس‌های آنالوگ و هارمونیک است که در مجموع با یکدیگر یک موسیقی زیبا را تشکیل می‌دهند.
سیگنال‌های دیجیتال
سیگنال‌های دیجیتال باید در محدوده‌ی متناهی قرار داشته باشند. تعداد مقدارهای ممکن در این نوع سیگنال باید چیزی بین دو و هر تعداد عددی که بینهایت نباشد، باشد. معمول‌ترین تعداد سیگنال در دیجیتال دو عدد است، مثل ۰ ولت و ۵ ولت. گراف زمانی این نوع سیگنال‌ها معمولا موج‌های مربعی شکل را نشان می‌دهند.
البته سیگنال‌های دیجیتال هم می‌توانند شکل موجی مانند سیگنال‌های آنالوگ داشته باشند. مثلا سیگنال زیر را وقتی از دور نگاه می‌کنید احتمالا نرم و آنالوگ به نظر می‌رسد، ولی وقتی از نزدیک به آن نگاه کنید می‌توانید قدم‌های سیگنال را که نشان از دیجیتال بودن آن دارند را ببینید:
تفاوت بزرگ سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ در همین است. امواج آنالوگ نرم و دنباله‌دار هستند در حالی که امواج دیجیتال پلکانی، مربعی شکل و با فاصله هستند.
مثال برای سیگنال‌های دیجیتال
درست است که گفتیم سیگنال‌های ویدیو و صوت معمولا آنالوگ هستند، ولی همیشه اینطور نیست. سیگنال‌های استانداردشده مانند HDMI در ویدیو (و صوت)، و MIDI، I²S و AC’۹۷ در صوت، به صورت دیجیتال منتقل می‌شوند.
بیشتر ارتباطات در مدارهای یکپارچه از نوع دیجیتال هستند. رابط‌هایی نظیر serial، I²C وSPI داده‌های خود را در سکانس‌های کدگذاری شده مربعی شکل ارسال می‌کنند.
رابط‌های سریال از تعداد زیادی سیگنال دیجیتال برای ارسال داده بین دستگاه‌ها استفاده می‌کنند.
مدارهای آنالوگ و دیجیتال
مدارهای آنالوگ
اکثر تجهیزات پایه‌ی الکترونیک (مقاومت‌ها، خازن‌ها، سلف‌ها، دیودها، ترانزیستورها و تقویت‌کننده‌ها) از نوع آنالوگ هستند. مداری که با مجموعی از این تجهیزات ساخته شده‌باشد، معمولا آنالوگ است.
مدارهای آنالوگ معمولا از ترکیب پیچیده‌ی تقویت‌کننده‌ها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و سایر اجزای پایه‌ی الکترونیک تشکیل شده‌اند. این تصویر یک مثال از یک تقویت‌کننده صوت آنالوگ از نوع کلاس ب است.
مدارهای آنالوگ می‌توانند با تعداد زیادی از اجزا، طراحی شیکی را ارائه دهند، و یا می‌توانند خیلی ساده باشند، مثل دو تا مقاومت که با هم ترکیب می‌شوند تا یک کاهش‌دهنده ولتاژ را شکل دهند. ولی به طور کلی، طراحی مدارهای آنالوگ خیلی سختتر از طراحی مدارهای دیجیتال است. طراحی یک مدار آنالوگ گیرنده رادیویی و یا شارژر باتری، کار هر کسی نیست. در واقع تجهیزات دیجیتال برای این ساخته شده‌اند که کار طراحی را خیلی ساده‌تر کنند.
مدارهای آنالوگ معمولا به نویز (تغییرات کوچک و ناخواسته در ولتاژ) خیلی حساس هستند. یک تغییر کوچک در ولتاژ می‌تواند خطاهای زیادی را در عملکرد به همراه داشته باشد.
مدارهای دیجیتال
مدارهای دیجیتال توسط سیگنال‌های دیجیتال و گسسته کار می‌کنند. این مدارها معمولا از ترکیب ترانزیستورها و گیت‌های منطقی تشکیل شده‌اند (در مراحل بالاتر، ریزپردازنده‌ها و چیپ‌های کامپیوتری نیز استفاده می‌شوند). اکثر پردازنده‌ها، چه پردازنده‌های بزرگی که در رایانه‌ها فعالیت می‌کنند، یا میکروکنترلرهای کوچک، همه به صورت دیجیتال کار می‌کنند.
مدارهای دیجیتال از تجهیزاتی نظیر گیت‌های منطقی یا ICهای پیچیده‌تر دیجیتال تشکیل شده‌اند.
مدارهای دیجیتال معمولا از روش‌های دودویی برای ارسال سیگنال‌های خود استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها از دو ولتاژ متفاوت برای تعریف دو منطق متفاوت استفاده می‌کنند. یک ولتاژ بالا (نظیر ۵، ۳/۳ یا ۱/۸ ولت) برای یک مقدار، و یک ولتاژ کم (معمولا ۰ ولت) برای مقدار دیگر استفاده می‌کنند.
با اینکه طراحی مدارهای دیجیتال عموماً ساده‌تر است، ولی طراحی آنها نسبت به طراحی مدار آنالوگ مشابه، گرانتر تمام می‌شود.
ترکیب مدارهای دیجیتال و آنالوگ
دیدن ترکیبی از تجهیزات آنالوگ و دیجیتال در یک مدار موضوع عجیبی نیست. با اینکه میکروکنترلرها غول‌های دیجیتال هستند، ولی معمولا مدارهایی درون خودشان دارند که به آنها اجازه برقراری ارتباط با مدارهای آنالوگ، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال، مدولاسیون عرض پالس و مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ را می‌دهد. مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) به میکروکنترلر امکان ارتباط با سنسور‌های آنالوگ (نظیر فتوسل‌ها یا دماسنج‌ها) و دریافت ولتاژهای آنالوگ را می‌دهد. برخی اوقات نیز از مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ استفاده می‌شود تا به یک میکروکنترلر اجازه‌ی تولید ولتاژ آنالوگ را بدهد (این کار در مواقعی که میکروکنترلر نیاز به تولید صدا داشته باشد، بسیار کارآمد است).
حالا که تفاوت سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ را می‌دانید کارکردن با میکروکنترلرها یا هر تجهیزات برقی منطقی، به معنای این است که بیشتر با محیط دیجیتال سروکار خواهید داشت. اگر بخواهید نور یا دما را حس کنید، و یا از یک میکروکنترلر برای ارتباط با سنسور‌های آنالوگ مختلف استفاده کنید، باید بدانید که چگونه ولتاژهای آنالوگ تولید شده را به مقادیر دیجیتال تبدیل کنید.
همچنین بد نیست کمی هم راجع به مدولاسیون عرض پالس (PWM) تحقیق کنید. PWM یک حقه است که میکروکنترلرها استفاده می‌کنند تا سیگنال‌های دیجیتال را طوری جلوه دهند که آنالوگ به نظر برسد.
مشاوره پیش از ثبت نام
جهت اطلاع از جزئیات و شهریه دوره ها با ما در ارتباط باشید.مقالات مرتبط
