Tổng quát Tín hiệu tương tự và số

Tín hiệu tương tự và số : Chúng ta đang sống trong một thế giới tương tự. Có vô số màu sắc để vẽ một vật thể (ngay cả khi mắt chúng ta không thể nhìn thấy sự khác biệt), có vô số tông màu mà chúng ta có thể nghe thấy và có vô số mùi chúng ta có thể ngửi thấy. Chủ đề chung của tất cả các tín hiệu tương tự này là khả năng vô hạn của chúng .

Các tín hiệu kỹ thuật số và các đối tượng xử lý trong lĩnh vực rời rạc hoặc hữu hạn , có nghĩa là có một bộ giá trị giới hạn mà chúng có thể có. Điều đó có thể có nghĩa là chỉ có hai tổng giá trị có thể có, 255, 4,294,967,296 hoặc bất kỳ giá trị nào miễn là nó không phải là ∞ (vô cực).

Các đối tượng trong thế giới thực có thể hiển thị dữ liệu, thu thập đầu vào bằng các phương tiện tương tự hoặc kỹ thuật số. (Từ trái sang phải): Đồng hồ, vạn năng và cần điều khiển đều có thể ở một trong hai dạng (tương tự ở trên, kỹ thuật số ở dưới).

Làm việc với thiết bị điện tử có nghĩa là xử lý cả tín hiệu tương tự và kỹ thuật số, đầu vào và đầu ra. Các dự án điện tử của chúng tôi phải tương tác với thế giới thực, tương tự theo một cách nào đó, nhưng hầu hết các bộ vi xử lý, máy tính và đơn vị logic của chúng tôi hoàn toàn là các thành phần kỹ thuật số. Hai loại tín hiệu này giống như các ngôn ngữ điện tử khác nhau; một số linh kiện điện tử là hai ngôn ngữ, những thành phần khác chỉ có thể hiểu và nói một trong hai ngôn ngữ.

Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ trình bày những kiến ​​thức cơ bản về cả tín hiệu kỹ thuật số và tín hiệu tương tự, bao gồm các ví dụ về từng loại. Chúng ta cũng sẽ nói về mạch tương tự và kỹ thuật số và các thành phần.

Tham khảo thêm

Các khái niệm về tương tự và kỹ thuật số không yêu cầu nhiều kiến ​​thức về điện tử trước đó. Điều đó nói rằng, nếu bạn chưa có, bạn nên xem qua một số hướng dẫn sau:

Tín hiệu tương tự – Tín hiệu tương tự và số

Xác định: Tín hiệu

Trước khi đi sâu hơn, chúng ta nên nói một chút về tín hiệu thực sự là gì, đặc biệt là tín hiệu điện tử (trái ngược với tín hiệu giao thông). Các tín hiệu mà chúng ta đang nói đến là những “đại lượng” thay đổi theo thời gian để truyền tải một số loại thông tin. Trong kỹ thuật điện, đại lượng thay đổi theo thời gian thường là điện áp (nếu không, thì thường là dòng điện). Vì vậy, khi chúng ta nói về tín hiệu, hãy nghĩ về chúng như một điện áp thay đổi theo thời gian.

Tín hiệu được truyền giữa các thiết bị để gửi và nhận thông tin, có thể là video, âm thanh hoặc một số loại dữ liệu được mã hóa. Thông thường, các tín hiệu được truyền qua dây dẫn, nhưng chúng cũng có thể truyền qua không khí qua sóng tần số vô tuyến (RF). Ví dụ: tín hiệu âm thanh có thể được truyền giữa thẻ âm thanh của máy tính và loa, trong khi tín hiệu dữ liệu có thể được truyền qua không khí giữa máy tính bảng và bộ định tuyến WiFi.

Đồ thị tín hiệu tương tự

Bởi vì một tín hiệu thay đổi theo thời gian, sẽ hữu ích khi vẽ nó trên một biểu đồ trong đó thời gian được vẽ theo phương ngang, trục x và điện áp trên phương thẳng đứng, trục y . Nhìn vào biểu đồ của một tín hiệu thường là cách dễ nhất để xác định đó là tín hiệu tương tự hay kỹ thuật số; đồ thị thời gian so với điện áp của tín hiệu tương tự phải mượt mà và liên tục .

Mặc dù các tín hiệu này có thể bị giới hạn trong phạm vi giá trị tối đa và nhỏ nhất, nhưng vẫn có vô số giá trị có thể có trong phạm vi đó. Ví dụ: điện áp tương tự ra khỏi ổ cắm trên tường của bạn có thể bị kẹp giữa -120V và + 120V, nhưng khi bạn tăng độ phân giải ngày càng nhiều, bạn sẽ phát hiện ra vô số giá trị mà tín hiệu có thể thực sự là (như 64,4V , 64,42V, 64,424V và các giá trị vô hạn, ngày càng chính xác).

Ví dụ về tín hiệu tương tự

Truyền video và âm thanh thường được chuyển hoặc ghi lại bằng tín hiệu tương tự. Các composite video sắp ra của một jack RCA cũ, ví dụ, là một tín hiệu analog được mã hóa thường dao động từ 0 đến 1.073V. Những thay đổi nhỏ trong tín hiệu có ảnh hưởng rất lớn đến màu sắc hoặc vị trí của video.

Một tín hiệu tương tự đại diện cho một dòng dữ liệu video tổng hợp.

Tín hiệu âm thanh thuần túy cũng là tín hiệu tương tự. Tín hiệu phát ra từ micrô có đầy đủ các tần số tương tự và sóng hài, chúng kết hợp với nhau để tạo nên những bản nhạc hay.

Tín hiệu kỹ thuật số phải có một tập hợp hữu hạn các giá trị có thể. Số lượng giá trị trong tập hợp có thể nằm trong khoảng từ hai đến một-số-rất-lớn-đó-không-vô-cùng. Thông thường, tín hiệu kỹ thuật số sẽ là một trong hai giá trị – như 0V hoặc 5V. Đồ thị thời gian của những tín hiệu này trông giống như sóng vuông .

Hoặc tín hiệu kỹ thuật số có thể là một biểu diễn rời rạc của dạng sóng tương tự. Nhìn từ xa, hàm sóng bên dưới có vẻ mượt mà và tương tự, nhưng khi bạn nhìn kỹ sẽ có những bước rời rạc nhỏ khi tín hiệu cố gắng lấy các giá trị gần đúng:

Đó là sự khác biệt lớn giữa sóng analog và sóng kỹ thuật số. Sóng tương tự mượt mà và liên tục, sóng kỹ thuật số là bước, vuông và rời rạc.

Tín hiệu kỹ thuật số mẫu

Không phải tất cả các tín hiệu âm thanh và hình ảnh đều là tín hiệu tương tự. Các tín hiệu chuẩn hóa như HDMI cho video (và âm thanh) và MIDI , I ² S hoặc AC’97 cho âm thanh đều được truyền kỹ thuật số.

Hầu hết giao tiếp giữa các mạch tích hợp là kỹ thuật số. Các giao diện như nối tiếp , I ² C và SPI đều truyền dữ liệu thông qua một chuỗi các sóng vuông được mã hóa.

Giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI) sử dụng nhiều tín hiệu kỹ thuật số để truyền dữ liệu giữa các thiết bị.

Mạch tương tự và kỹ thuật số

Điện tử tương tự

Hầu hết các thành phần điện tử cơ bản – điện trở , tụ điện , cuộn cảm, điốt , bóng bán dẫn và bộ khuếch đại hoạt động – tất cả đều là tương tự. Các mạch được xây dựng với sự kết hợp của các thành phần này thường là mạch tương tự.

Các mạch tương tự thường là sự kết hợp phức tạp của op amps, điện trở, nắp và các thành phần điện tử cơ bản khác. Đây là một ví dụ về bộ khuếch đại âm thanh tương tự lớp B.

Các mạch tương tự có thể là những thiết kế rất thanh lịch với nhiều thành phần, hoặc chúng có thể rất đơn giản, giống như hai điện trở kết hợp để tạo thành một bộ phân áp . Mặc dù vậy, nói chung, các mạch tương tự khó thiết kế hơn nhiều so với những mạch thực hiện cùng một nhiệm vụ kỹ thuật số. Cần có một loại thuật sĩ mạch tương tự đặc biệt để thiết kế bộ thu sóng vô tuyến tương tự, hoặc bộ sạc pin tương tự; các thành phần kỹ thuật số tồn tại để làm cho những thiết kế đó đơn giản hơn nhiều .

Các mạch tương tự thường dễ bị nhiễu hơn (các biến đổi điện áp nhỏ, không mong muốn). Những thay đổi nhỏ trong mức điện áp của tín hiệu tương tự có thể tạo ra sai số đáng kể khi được xử lý.

Điện tử kỹ thuật số

Các mạch kỹ thuật số hoạt động bằng cách sử dụng tín hiệu kỹ thuật số, rời rạc. Các mạch này thường được làm bằng sự kết hợp của các bóng bán dẫn và cổng logic và ở mức cao hơn là vi điều khiển hoặc các chip tính toán khác. Hầu hết các bộ vi xử lý, cho dù chúng là bộ vi xử lý lớn mạnh mẽ trong máy tính của bạn hay bộ vi điều khiển nhỏ bé, đều hoạt động trong lĩnh vực kỹ thuật số.

Các mạch kỹ thuật số sử dụng các thành phần như cổng logic, hoặc IC kỹ thuật số phức tạp hơn (thường được biểu diễn bằng hình chữ nhật với các chân có nhãn mở rộng từ chúng).

Các mạch kỹ thuật số thường sử dụng một lược đồ nhị phân cho tín hiệu số. Các hệ thống này ấn định hai điện áp khác nhau làm hai mức logic khác nhau – điện áp cao (thường là 5V, 3,3V hoặc 1,8V) đại diện cho một giá trị và điện áp thấp (thường là 0V) đại diện cho giá trị kia.

Mặc dù các mạch kỹ thuật số thường dễ thiết kế hơn, nhưng chúng có xu hướng đắt hơn một chút so với một mạch tương tự có nhiệm vụ tương đương.

Analog và kỹ thuật số kết hợp

Không hiếm khi thấy sự kết hợp của các thành phần tương tự và kỹ thuật số trong một mạch. Mặc dù bộ vi điều khiển thường là con thú kỹ thuật số, chúng thường có mạch bên trong cho phép chúng giao tiếp với mạch tương tự ( bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số , điều chế độ rộng xung và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự. Bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số (ADC) ) cho phép vi điều khiển kết nối với cảm biến tương tự (như tế bào quang điện hoặc cảm biến nhiệt độ), để đọc ở điện áp tương tự. Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự ít phổ biến hơn cho phép vi điều khiển tạo ra điện áp tương tự, rất tiện dụng khi cần âm thanh.

Tiến xa hơn

Bây giờ bạn đã biết sự khác biệt giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu kỹ thuật số, chúng tôi khuyên bạn nên xem hướng dẫn Chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số . Làm việc với bộ vi điều khiển, hoặc thực sự là bất kỳ thiết bị điện tử dựa trên logic nào, có nghĩa là hầu hết thời gian làm việc trong lĩnh vực kỹ thuật số. Nếu bạn muốn cảm nhận ánh sáng, nhiệt độ hoặc giao diện vi điều khiển với nhiều loại cảm biến tương tự khác, bạn sẽ cần biết cách chuyển đổi điện áp tương tự mà chúng tạo ra thành giá trị kỹ thuật số.

Ngoài ra, hãy xem xét việc đọc hướng dẫn Điều chế độ rộng xung (PWM) của chúng tôi . PWM là một thủ thuật mà vi điều khiển có thể sử dụng để làm cho tín hiệu kỹ thuật số trở thành tín hiệu tương tự.