تفاوت مدار آنالوگ و دیجیتال (تفاوت سیگنال، داده‌ها و خروجی‌ های آنالوگ و دیجیتال)

تفاوت مدار آنالوگ و دیجیتال چیست؟ ما در دنیای آنالوگ زندگی می‌کنیم. برای رنگ کردن یک شی، بی نهایت رنگ وجود دارد (حتی اگر این تفاوت برای چشم غیر قابل تشخیص باشد)، تعداد نامحدود تن صدا می‌توانیم بشنویم و تعداد نامحدود بو می‌توانیم استشمام کنیم. موضوع مشترک تمام این سیگنال‌های آنالوگ، امکان نامحدود آن‌هاست.

سیگنال‌ها و وسایل دیجیتال در حوزه گسسته و محدود هستند. به این معنی که مجموعه ای محدود از مقادیر را می‌توانند داشته باشند. این به معنی تنها دو مقدار کل ممکن است،  255, 4,294,967,296، یا هرچیزی تا زمانی که بینهایت (∞) نیست.

اشیای دنیای واقعی می‌توانند داده هایی را که به صورت آنالوگ و دیجیتال جمع‌آوری می‌کنند را نمایش دهند. (از چپ به راست): ساعت، مولتی‌متر، و جویستیک (آنالوگ بالا و دیجیتال پایین)

کار با الکترونیک به معنی برخورد با هر دو سیگنال آنالوگ و دیجیتال به صورت ورودی و خروجی است. پروژه های الکترونیک ما باید به نحوی با دنیای واقعی و آنالوگ تعامل داشته باشند، اما اکثر ریزپردازنده ها، رایانه ها و واحد های منطقی ما اجزای کاملا دیجیتالی هستند. این دو نوع سیگنال مانند زبان های مختلف الکترونیکی هستند؛ برخی از قطعات الکترونیک دو زبانه هستند، بعضی دیگر فقط می توانند یکی از این دو را درک کنند و صحبت کنند.

این آموزش، ما مبانی هردو سیگنال دیجیتال و آنالوگ را شامل می شود، از جمله نمونه هایی از هر کدام را پوشش می‌دهد. همچنین در مورد مدارهای آنالوگ و دیجیتال و قطعات آن‌ها صحبت خواهیم کرد.

سیگنال‌های آنالوگ

سيگنال چيست؟

قبل از ادامه موضوع، باید کمی درباره ماهیت سیگنال و به طور خاص سیگنال الکترونیکی (در مقابل سیگنال‌های ترافیکی,، یا یک وسیله عمومی برای ارتباطات) صحبت کنیم. سیگنال‌هایی که دربارشان صحبت میکنیم، مقادیر متغیر با زمان هستند که نوعی از اطلاعات را منتقل می‌کنند. در مهندسی برق مقداری که متغیر با زمان است، معمولا ولتاژ (در غیر این صورت، معمولا جریان) است. بنابراین وقتی از سیگنال صحبت می‌کنیم، آن‌ها را ولتاژهای متغیر با زمان در نظر می‌گیریم.

سیگنال‌هایی که بین دستگاه‌ها برای ارسال و دریافت اطلاعات جابجا می‌شوند، ممکن است ویدیویی، صوت یا نوعی از داده‌های کدگذاری شده باشند. معمولا سیگنال‌ها از طریق سیم‌ها جابجا می‌شوند، ولی می‌توانند از میان هوا از طریق امواج فرکانس رادیویی (RF)عبور کنند.سیگنال‌های صوت، به عنوان مثال باید بین کارت‌ صدای کامپیوتر شما و بلندگوها منتقل شوند، در حالیکه سیگنال‌های داده باید از طریق هوا بین تبلت و مودم WiFi منتقل شوند.

نمودارهای سیگنال آنالوگ

از آنجا که یک سیگنال در طول زمان متغیر است، رسم آن بر روی نموداری که محور افقی آن زمان، محور x، و ولتاژ روی محور عمودی، محور y، کمک کننده است. معمولا مشاهده یک نمودار از سیگنال ساده ترین راه برای شناسایی آن است که سیگنال آنالوگ یا دیجیتال است؛ نمودار زمان ولتاژ سیگنال آنالوگ باید صاف و پیوسته باشد.

در حالی که ممکن است این سیگنال‌ها محدود به یک محدوده مینیمم و ماکزیمم باشند، تعداد نامحدود مقدار ممکن در این محدوده قرار دارد. به عنوان مثال، ولتاژ آنالوگ خروجی پریز دیوار می‌تواند بین -120V و +120V باشد، اما با افزایش رزولوشن، سیگنال مقدار نامحدود از مقادیر را می‌تواند داشته باشد (مثل 64.4V، 64.42V، 64.424V و بینهایت مقدار با دقت بیشتر).

مثال سیگنال‌های آنالوگ

معمولا انتقال و ضبط ویدئو و صدا با استفاده از سیگنال‌های آنالوگ انجام می‌شود. به عنوان مثال، ویدیو کامپوزیت خروجی RCA jack قدیمی ، یک سیگنال آنالوگ کد شده است که معمولا بین 0 تا 1.073V است. تغییرات کوچک در سیگنال بزرگیاثر بزرگی در رنگ یا موقعیت ویدئو دارد.

یک سیگنال آنالوگ که نشان دهنده یک خط از داده ویدئویی کامپوزیت است.

سیگنال‌های دیجیتال

سیگنال‌های دیجیتال باید یک مجموعه محدیود از مقادیر ممکن را داشته باشند. تعداد مقادیر در مجموعه می‌تواند بین دو و یک عدد بزرگ غیر بینهایت باشد. اکثر سیگنال‌های دیجیتال بین دو مقدار هستند، مانند 0 و 5 ولت. نمودار زمانی این سیگنال‌ها شبیه امواج مربعی به نظر می‌آید.

یا یک سیگنال دیجیتال ممکن است نمایش گسسته از شکل موج آنالوگ باشد. از دور ممکن است، تابع موج زیر نرم و آنالوگ به نظر آید، ولی وقتی از نزدیک می‌بینیم، گام‌های گسسته کوچک به عنوان سیگنال سعی می‌کنند مقادیر را تقریب بزنند.

این تفاوت بزرگی بین امواج آنالوگ و دیجیتال است. امواج آنالوگ نرم و پیوسته و امواج دیجیتال پله ای، مربعی و گسسته هستند.

مثال سیگنال‌های دیجیتال

همه سیگنال‌های صوتی و تصویری آنالوگ نیستند. سیگنال‌های استاندارد مانند HDMI برای ویدئو (و صوت) و MIDI، I2S یا  AC’97 برای صوت، همگی دیجیتال منتقل می‌شوند.

بیشترین ارتباط بین مدارهای مجتمع، دیجیتال است. ارتباطهایی مانند سریال، I2C، SPI همگی داده را به صورت امواج کد شده مربعی گسسته منتقل می‌کنند.

رابط سریال محیطی (SPI) از سیگنال‌های دیجیتالل بسیاری برای انتقال داده بین دستگاه‌ها استفاده می‌کند.

مدار آنالوگ و دیجیتال

الکترونیک آنالوگ

اکثر قطعات اصلی الکترونیک  – مقاومت‌ها، خازن‌ها، سلف‌ها، دیودها، ترانزیستورها و تقویت‌کننده‌های عملیاتی- به طور ذاتی آنالوگ هستند. مدارهای ساخته شده تنها با ترکیب این قطعات، معمولا آنالوگ هستند.

معمولا مدارهای آنالوگ ترکیب پیچیده ای از آپ‌امپ‌ها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و دیگر قطعات پایه ای الکترونیک است. این شکل مثالی از تقویت‌کننده آنالوگ صوتی کلاس B است.

مدارهای آنالوگ می‌توانند طرح‌های بسیار ظریف با اجزای زیاد داشته باشند یا طراحی بسیار ساده مانند ترکیب دو مقاومت برای ساخت تقسیم‌کننده ولتاژ داشته یاشند. به طور کلی، مدارهای آنالوگ طراحی بسیار دشوارتری نسبت به حالت دیجیتال با همان کارکرد دارند.برای طراحی یک گیرنده رادیویی آنالوگ یا یک شارژر باتری آنالوگ، یک نوع خاص از مدار آنالوگ به کار می‌رود. قطعات دیجیتال برای ساخت این طرح‌ها خیلی ساده‌تر هستند.

معمولا مدارهای آنالوگ بسیار حساس به نویز می‌باشند(تغییرات کوچک و ناخواسته در ولتاژ). تغییرات کوچک در سطح ولتاژ سیگنال آنالوگ ممکن است خطاهای قابل توجهی هنگام پردازش ایجاد کنند.

الکترونیک دیجیتال

مدارهای دیجیتال با استفاده از سیگنال‌های گسسته دیجیتال کار می‌کنند. معمولا این مدارها از ترکیب ترانزیستورها و گیت‌های منطقی و در سطوح بالاتر، میکروکنترلرها یا سایر تراشه‌های محاسباتی ساخته می‌شوند. اکثر پردازنده‌ها، چه در پردازنده‌های بزرگ کامپیوتر شما یا میکروکنترلرهای کوچک ریز، در حوزه دیجیتال کار می‌کنند.

مدارهای دیجیتال از اجزایی مانند گیت‌های منطقی تراشه‌های دیجیتال پیچیده‌تر (که معمولا با مستطیل‌هایی با پایه‌های برچسب‌دار خارج شده از آن‌ها نمایش داده می‌شوند) استفاده می‌کنند.

معمولا مدارهای دیجیتال از یک رویه باینری برای سیگنال‌دهی دیجیتال استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها دو ولتاژ مختلف را به دو سطح منطقی مختلف اختصاص می‌دهند- ولتاژ بالا (معمولا 5V، 3.3V و 1.8V) نشان‌دهنده یک سطح ولتاژ پایین (معمولا 0V) نشان‌دهنده سطح دیگر است. اگرچه مدارهای دیجیتال به طور کلی طراحی ساده‌تری دارند، اما معمولا گران‌تر از مدار آنالوگ با همان کارکرد است.

ترکیب آنالوگ و دیجیتال

مشاهده ترکیب قطعات آنالوگ و دیجیتال غیرمعمول نیست، گرچه معمولا میکروکنترلرهای دیجیتال هستند، معمولا مدار داخلی دارند که آن‌ها را قادر می‌سازد با مدارهای آنالوگ ارتباط برقرار کنند (مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال، مدولاسیون عرض پالس و مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ). یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) به میکروکنترلر اجازه اتصال به سنسور آنالوگ (مانند فتوسل یا سنسورهای دما)، برای خواندن ولتاژ آنالوگ را می‌دهد. مبدل دیجیتال به آنالوگ با رواج کمتر، به میکروکنترلر اجازه تولید ولتاژهای آنالوگ را می‌دهد که برای زمانی که نیاز به تولید صدا است، مفید است.

منابع و چشم‌انداز

اکنون شما تفاوت بین سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال , تفاوت مدار آنالوگ و دیجیتال را می‌دانید،. کار با میکروکنترلرها، یا هرگونه چیز الکترونیکی بر پایه منطق، در اغلب اوقات به معنای کار در عرصه دیجیتال است. اگر شما می‌خواهید نور، دما را اندازه بگیرید یا اتصال یک میکروکنترلر با انواع دیگر سنسورهای آنالوگ را بشناسید، باید بدانید چگونه ولتاژ آنالوگ به دیجیتال تبدیل می‌شود.

همچنین خواندن آموزش مدولاسیون عرض پالس (PWM) ما را در نظر بگیرید. PWM یک ترفند میکروکنترلر است که می‌تواند استفاده شود تا یک سیگنال دیجیتال به عنوان آنالوگ به نظر آید.

یا اگر می‌خواهید بیشتر در قلمرو آنالوگ جستجو کنید، این آموزش‌ها را چک کنید:

• مقاومت‌ها
• دیودها
• خازن‌ها
• ترانزیستورها

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.