В чем отличие цифровых и аналоговых электрических приборов?
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
Введение в цифровую электронику
Всем доброго времени суток! Сегодня моя запись о основах цифровой электроники. Но для начало, как говорил один человек, надо определиться с терминологией. То есть, что есть что в цифровой электронике.
Электрический сигнал — это электрическая величина (напряжение, ток), которая изменяется со временем. В основном вся электроника работает с электрическими сигналами, но в последнее время всё чаще используются и другие виды сигналов (например давление, температура, свет).
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Аналоговый сигнал — это сигнал, который может принимать любые значения в определённых пределах (например, напряжение может плавно изменяться в пределах нескольких десятков вольт). Устройства, которые работают только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми устройствами.
Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только два значения (иногда — три значения). Причём разрешены некоторые отклонения от этих значений. Устройства, которые работают только с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами.
Достоинство и недостатки аналоговых и цифровых устройств
Изначально все электронные устройства были только лишь аналоговыми, но со временем, когда требования к электронным устройствам выросли, начали проявляться недостатки аналоговой электроники. Всё дело в том, что аналоговые сигналы чувствительны к всяким паразитным воздействиям — шумам, наводкам, помехам, которые искажают полезный сигнал, а при передаче сигнала на большие расстояния они ослабляются.
В отличие от аналоговых сигналов, цифровые, имеющие всего два уровня разрешённых значений, защищены от воздействия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Имеющиеся небольшие отклонения от разрешённых значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений. Однако у цифровых устройств имеется крупный недостаток. Дело в том, что для распознавания уровня сигнала необходимо, чтобы этот уровень поддерживался в течении определённого интервала. А аналоговый сигнал может принимать любое значение в течении любого, даже самого минимального, периода времени. Поэтому часто аналоговые сигналы называют непрерывными во времени, а цифровые — дискретные по времени сигналы. Отсюда можно сделать вывод, что максимально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально выше, чём цифровых.
Математика и электроника
В настоящее время люди умеют считать гораздо лучше, чем в прошлом: у них есть замечательные помощники — умные вычислительные машины. Сегодня вычисления ведутся в сотни тысяч раз быстрее, чем сто лет назад. Как удалось достигнуть этого? Разработчики электронной и компьютерной техники, говорят, что этого достигли тем, что стали считать по другому. Не обязательно считать десятками, сотнями и тысячами ответят они.
Давно известны не десятичные системы счисления, например, система счисления с основанием 12. В роли «десятка» (единицы 2-го разряда) в ней выступает «дюжина», в роли «сотни» (единицы 3-го разряда) — «гросс» (дюжина в квадрате), а единицу четвёртого разряда называют «фут» (дюжина в кубе).
Но в мире цифровой электроники наиболее привлекательными оказались системы счисления с основанием 2, 8 и 16, то есть двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления. Наиболее используемая система счисления — это конечно же двоичная. Для этого имеется ряд оснований.
Всякое цифровое устройство должно уметь «читать», «запоминать» и «демонстрировать» цифры и числа, составленные из них. В двоичной системе счисления цифр всего две: 0 и 1.
Легко придумать способ демонстрации двоичных чисел. Двоичное число, например 10012, можно записать при помощи гирлянды электрических лампочек: зажжённая лампочка обозначает «1», а не зажжённая — «0». Так изображенное число легко прочитать.
В цифровое устройство двоичное число можно вводить по проводникам электрического тока, например, 5 вольт значит, что демонстрируется «1», а если напряжение равно нулю, то демонстрируется «0».
Для запоминания двоичных чисел используются различные электрические и физические свойства с ярко выраженными двумя состояниями (например, в жёстких дисках используется эффект намагниченности отдельных участков, в оптических дисках — различие в отражающей способности или же на триггерном эффекте когда сама электронная схема хранит информацию).
Второе важное основание для использования двоичной системы — простота двоичной арифметики. Например, таблица сложения будет выглядеть следующим образом:
| + | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 10 |
и таблица умножения
| х | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
Операции над числами
Как уже упоминалось выше цифровые устройства должно иметь возможность считывать число, запоминать и демонстрировать его. Но для выполнения этих функций не нужно было бы такое разнообразие цифровых устройств. Самое главное что должно уметь выполнять цифровое устройство — это выполнять операции над числами, которые оно принимает на свой вход и на выходе получать какой то результат.
Существует великое множество операций над числами, но в цифровой электронике этих основных операций всего три — это логическое умножение, логическое сложение и логическое отрицание.
1. Логическое умножение (функция «И»). Как же будет зависеть результат на выходе от входных данных? Мы привыкли употреблять союз И так, что слова которые он объединяет понимаются, как неразрывное целое. Например, пусть даны два простых выражения.
Володя принёс молоток — А;
Володя принёс стамеску — В.
Составим их логическое произведение.
Володя принёс молоток И Володя принёс стамеску — (АВ).
Истинным такое высказывание будет только при условии, что Володя принёс оба предмета (А = 1, В = 1). Зависимость истинности логического произведения от сомножителей можно задать таблицей, называемой таблицей истинности:
| A | B | AB |
| 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 |
2. Логическое сложение (функция «ИЛИ»). Воспользовавшись нашими высказываниями:
| A | B | A + B |
| 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 0 |
3. Логическое отрицание (функция «НЕ»). Указание совершить операцию отрицания на высказыванием А записывается так: А . Ясно, что если данное высказывание истинно, то его отрицание ложно и наоборот.
Солнце всходит на востоке (А = 1); Солнце не всходит на востоке ( А = 0).
Таблица истинности будет такой:
| A | А |
| 1 | 0 |
| 0 | 1 |
Простейшие логические схемы
Реализацию логических выражений можно осуществить с помощью простых электронных схем, на входы которых поступают электрические входные сигналы, а на выходе формируется выходной сигнал, который соответствует логической функции.
1. Логический элемент И. Представляет собой схему, в которой сигнал 1 на выходе появляется только тогда, когда на входе А и входе В совпадают сигналы 1. Простейший логический элемент И может быть реализован на последовательно включённых контактах реле, управляемых с помощью кнопок.
Релейно-контактная схема элемента И
Условное обозначение логического элемента И с двумя входами показано ниже. На выходе логического элемента И сигнал 1 появится только тогда, когда на всех входах совпадут сигналы 1.
Условное графическое изображение логического элемента И
2. Логический элемент ИЛИ. Представляет собой схему, на выходе которой появляется сигнал 1, если на входе А или входе В или на обоих входах присутствует сигнал 1. Простейший логический элемент ИЛИ может быть реализован на параллельно включённых контактах реле, управляемых с помощью кнопок.
Релейно-контактная схема элемента ИЛИ
Условное обозначение логического элемента ИЛИ с двумя входами показано ниже. На выходе логического элемента ИЛИ сигнал 1 появится в случае появления хотя бы на одном из входов сигнала 1.
Условное графическое изображение логического элемента ИЛИ
3. Логический элемент НЕ. Представляет собой схему, на выходе А которой появляется сигнал 1 при отсутствии на входе А сигнала 1. Простейший логический элемент НЕ реализован на реле с нормально замкнутыми контактами.
Релейно-контактная схема элемента НЕ
Условное обозначение логического элемента НЕ показано ниже. На выходе логического элемента НЕ сигнал 1 появится в случае отсутствия сигнала 1 на входе
Условное графическое изображение логического элемента НЕ
Логические элементы И, ИЛИ и не предназначены для выполнения трёх основных операций цифровой логики над дискретными сигналами. С помощью этих элементов можно реализовать логические операции любой сложности. Поэтому эти элементы называются основными.
Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ
Аналоговая и цифровая электроника
Электроника делится на аналоговую и цифровую, причем последняя практически по всем позициям вытеснила аналоговую.
Аналоговая электроника изучает устройства, формирующие и обрабатывающие непрерывные во времени сигналы.
Цифровая электроника использует дискретные во времени сигналы, выраженные чаще всего в цифровой форме.
Что же такое сигнал? Сигнал – это что-либо, несущее информацию. Свет, звук, температура, скорость — всё это физические величины, изменение которых имеет для нас определённое значение: либо как процесс жизнедеятельности, либо как технологический процесс.
Многие физические величины человек способен воспринимать, как информацию. Для этого у него есть преобразователи – органы чувств, которые разнообразные внешние сигналы преобразуют в импульсы (имеющие, кстати, электрическую природу), поступающие в головной мозг. При этом все виды сигналов: и свет, и звук, и температура преобразуются в импульсы одной природы.
В электронных системах функции органов чувств выполняют датчики (сенсоры), которые преобразуют все физические величины в электрические сигналы. Для света – фотоэлементы, для звука – микрофоны, для температуры – терморезистор или термопара.
Почему именно в электрические сигналы? Ответ очевиден, электрические величины универсальны, так как любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот; электрические сигналы удобно передавать и обрабатывать.
После поступления информации, человеческий мозг на основе обработки этой информации отдаёт управляющие воздействия мышцам и другим механизмам. Аналогично в электронных системах электрические сигналы управляют электрической, механической, тепловой и другими видами энергии, посредством электродвигателей, электромагнитов, электрических источников света.
И так, вывод. То, что раннее делал человек (или не мог делать), выполняют электронные системы: контролируют, управляют, регулируют, связывают на расстоянии и т.п.
Способы представления информации
При использовании в качестве носителя информации электрических сигналов возможны две её формы:
1) аналоговая – электрический сигнал аналогичен исходному в каждый момент времени, т.е. непрерывен во времени. Температура, давление, скорость изменяются по непрерывному закону – датчики преобразуют эти величины в электрический сигнал, который изменяется по такому же закону (аналогичен). Величины, представленные в такой форме, могут принимать бесконечно много значений в каком-то диапазоне.
2) дискретная — импульсная и цифровая – сигнал представляет собой последовательность импульсов, в которых закодирована информация. При этом кодируются не все значения, а только в конкретные моменты времени – дискретизация сигнала.
Импульсный режим работы — кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой.
По сравнению с непрерывным (аналоговым), импульсный режим работы имеет ряд преимуществ:
— большие значения выходной мощности на такой же объем электронного устройства и более высокий коэффициент полезного действия;
— повышение помехоустойчивости, точности и надежности электронных устройств;
— уменьшение влияния температур и разброса параметров приборов, так как работа осуществляется в двух режимах: «включено» — «выключено»;
— реализация импульсных устройств на однотипных элементах, легко выполняемых методом интегральной технологии (на микросхемах).
На рисунке 1, а представлены способы кодирования непрерывного сигнала прямоугольными импульсами – процесс модуляции.
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) — амплитуда импульсов пропорциональна входному сигналу.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — ширина импульсов tимп пропорциональна входному сигналу, амплитуда и частота импульсов постоянны.
Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) — входной сигнал определяет частоту следования импульсов, которые имеют постоянную длительность и амплитуду.
Рисунок 1 – а) Способы кодирования непрерывного сигнала прямоугольными импульсами, б) Основные параметры прямоугольных импульсов
Наиболее распространены импульсы прямоугольной формы. На рисунке 1, б приведена периодическая последовательность прямоугольных импульсов и их основные параметры. Импульсы характеризуются следующими параметрами: Um — амплитуда импульса; tимп — длительность импульса; tпаузы — длительность паузы между импульсами; Tп=tи + tп — период повторения импульсов; f=1/Tп — частота повторения импульсов; QH = Tп/tи — скважность импульсов.
Наряду с прямоугольными импульсами в электронной технике широко применяются импульсы пилообразной, экспоненциальной, трапециидальной и другой формы.
Цифровой режим работы — информация передается в виде числа, которому соответствует определенный набор импульсов (цифровой код), при этом существенно только наличие или отсутствие импульса.
Цифровые устройства чаще всего работают только с двумя значениями сигналов – нулём «0» (обычно низкий уровень напряжения или отсутствие импульса) и «1» (обычно высокий уровень напряжения или наличие прямоугольного импульса), т.е. информация представляется в двоичной системе счисления.
Это обусловлено удобством создания, обработки, хранения и передачи сигналов, представленных в двоичной системе: ключ замкнут – разомкнут, транзистор открыт – закрыт, конденсатор заряжен – разряжен, магнитный материал намагничен – размагничен и т.д.
Цифровая информация представляется двумя способами:
1) потенциальным — значениям «0» и «1» соответствуют низкий и высокий уровни напряжения.
2) импульсным — двоичным переменным соответствует наличие или отсутствие электрических импульсов в определённые моменты времени.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Описание отличий аналогового сигнала и цифрового простым языком, их разница
Сигналы используются для передачи информации от одного устройства к другому. В электротехнике это считается фундаментальным показателем, который представляет информацию. Если рассматривать понятие с точки зрения математики, сигнал представляет собой функцию, передающую информацию. При этом отличия аналогового сигнала от цифрового известны далеко не всем людям.
Виды сигналов
Сегодня известно несколько разновидностей сигналов, передающих информацию. Каждый из них имеет свои особенности. Это требуется принимать во внимание при выборе конкретных устройств и девайсов.
Аналоговый
Если говорить простым языком, запах, вкус, слух воспринимаются людьми в виде аналоговых сигналов. Мозг управляет органами и получает от них сведения в аналоговом виде. Все данные в природы распространяются именно так.
В электронике аналоговый сигнал базируется на передаче электричества. Конкретным параметрам напряжения отвечают частота и амплитуда звука, оттенок и насыщенность света. Это означает, что звук или информация представляют собой аналоги электрического напряжения.
Аналоговым называют непрерывный сигнал, который со временем изменяется. Этот параметр сложно анализировать, поскольку для него характерно большое количество значений. В структуру входят положительные и отрицательные значения. К тому же аналоговое устройство отличается высоким потреблением энергии. Обычно аналоговые сигналы отличаются тенденцией к снижению качества передачи в силу искажения. В качестве типичного примера такого сигнала в жизни людей стоит привести человеческий голос.
Цифровой
Цифровой сигнал является прерывистым и дискретным. Для него характерна форма прямоугольной волны. Эта величина представляет информацию в двоичной форме, состоящей из нулей и единиц. При этом 1 – это высокие значения, а 0 – низкие. Для этих сигналов не характерны отрицательные значения, чем они и отличаются от аналоговых.
Применение аналоговых параметров для связи часто становится причиной проблем. Так, сложно устанавливать связь на внушительные расстояния. Это обусловлено наличием помех и искажением. Цифровые сигналы считаются прекрасным решением. Они в меньшей степени подвергаются искажениям. Таким образом, аналоговые значения трансформируются в цифровые для более точной и четкой связи. Современные смартфоны, компьютеры и прочие девайсы работают с использованием цифровых сигналов.
Для приведения аналоговой информации в цифровую форму применяются специальные устройства. Для этого используют DSP, или digital signal processor. Он присутствует во всех цифровых устройствах. Первые изделия были придуманы еще в семидесятые годы двадцатого века. Методики и алгоритмы постоянно изменяются и улучшаются, однако принцип остается неизменным – аналоговая информация трансформируется в цифровую.
Обработка и распространение цифрового сигнала определяется параметрами процессора. При этом имеют значение разрядность и скорость. Чем выше эти показатели, тем более качественным будет сигнал. Скорость приводится в MIPS. У качественных процессоров она достигает нескольких десятков. Именно от скорости зависит качество изображения в телевизоре и звука в динамике.
Ключевые отличия
Рассматриваемые виды технологий характеризуются рядом особенностей и отличий. В этом требуется разбираться многим современным людям.
По способу передачи данных
Один сигнал отличается от другого по особенностям передачи информации. К примеру, звук и изображение представляют собой аналоговые сигналы. Камера и микрофон воспринимают окружающую действительность, трансформируя ее в электромагнитные колебания. На частоту колебаний на выходе влияет частота звука и света. На амплитуде передачи отражаются яркость и громкость.
Картинка и звук, которые трансформируются в электромагнитные колебания, передаются в пространство при помощи антенны. При этом в приемнике протекает обратный процесс трансформации электромагнитных колебаний в видео и звук.
Распространение электромагнитных колебаний может нарушаться из-за грозы, рельефа, облаков. Также к возможным помехам относят ветер и рельеф местности. Частота и амплитуда часто подвергаются искажениям. Как следствие, сигнал от передатчика к приемнику поступает с изменениями.
Изображение и голос аналогового сигнала воспроизводятся с искажениями, которые связаны с помехами. При этом фоном могут быть хрипы, искажение цветов, шипение. Чем ниже качество приема, тем более четкими получаются посторонние эффекты. Если информация дошла, то ее хотя бы как-то удается увидеть и услышать.
При цифровой передаче звук и изображение перед выходом в эфир оцифровываются. Потому к приемнику они поступают без искажений. При этом воздействие внешних факторов является минимальным. Цвет и звук имеют высокое качество или их вообще нет.
Сигнал обязательно передается на определенное расстояние. Однако для передачи на внушительную дистанцию требуется целый ряд ретранслирующих устройств. Потому для распространения сотового сигнала антенны располагают максимально близко друг к другу.
По применению
Разница между рассматриваемыми типами сигналов затрагивает и сферу их применения. Прежде всего, их используют при создании вычислительной техники. Впервые аналоговые устройства для вычислений придумали еще в тридцатые годы прошлого века. Они представляли собой весьма примитивные приборы, которые предназначались для реализации специализированных задач. Аналоговые компьютеры были придуманы в сороковых годах, а получили широкое распространение – в шестидесятых.
Иногда аналоговые компьютеры применяют и сегодня. Они могут использоваться для решения задач, в которых точность обмена результатами вычислений не особенно важна. При этом в начале двадцать первого века на смену аналоговым пришли цифровые технологии. При создании вычислительной техники смешанные аналоговые и цифровые сигналы используют только для обработки информации на основе ряда микросхем.
Если рассматривать сферу звукозаписи и телефонии, тут тоже имеются особенности. Аналоговые технологии применяются в виниловых пластинках и магнитных лентах. Такие изделия выпускают по сей день. Они весьма востребованы у целого ряда ценителей.
Еще одним примером рассматриваемых технологий являются микшеры и синтезаторы звука. При этом сегодня для изготовления таких устройств преимущественно применяют цифровые технологии. Использование аналоговых сигналов обычно связано с предрассудками и привычками. Бытует мнение, что цифровая запись пока не сумела добиться требуемого эффекта полноценной передачи музыки. Он характерен только для аналоговых технологий.
Преимущества и недостатки
Каждая из рассматриваемых величин отличается определенными преимуществами и недостатками.
У аналогового сигнала
Плюсом этого вида сигнала считается то, что именно в аналоговом виде люди воспринимают звуки. Несмотря на то, что слуховая система людей трансформирует звуковой поток в цифровой вид и именно в таком виде он попадает в мозг, современные устройства не позволяют в таком виде напрямик подключать источники звука.
Минусом аналог-сигнала считается ограничение возможностей по его хранению и передаче. В случае записи на виниловую пластинку или магнитную ленту качественные характеристики звучания будут зависеть от параметров материала. Спустя некоторое время лента теряет свои магнитные свойства, что приводит к ухудшению качества записанного звука. По мере увеличения числа считываний носитель разрушается. При этом перезапись вносит ряд искажений.
У цифрового
Минусом цифры считается то, что звук в таком виде представляет собой промежуточный этап. На точность итогового аналогового сигнала влияет точность описания звуковой волны при помощи координат. Чем больше точек используется, тем точнее получится волна. Однако по сей день нет одного мнения, какое число координат является достаточным.
При этом цифровые технологии обладают и большим количеством преимуществ. Главным плюсом считается высокое качество звука и изображения, которое передается. К тому же цифровое телевидение позволяет просматривать большое число телеканалов – до 130. К тому же цифра позволяет просматривать телеканалы в HD-качестве. Для этого только требуется иметь Cam-модуль. Аналоговые технологии не могут похвастаться такими высокими параметрами.
Что лучше использовать
При выборе конкретного варианта для использования требуется учитывать следующее:
- Аналоговый сигнал часто искажают помехи. При этом цифровой помехи полностью забивают или он приходит без искажений. Потому поступающая информация получается качественной или вообще отсутствует.
- Аналоговый сигнал могут воспринимать все девайсы, которые функционируют по такому же принципу, что и передатчик. Цифра надежно защищена кодом. Ее сложно перехватить случайно.
- Аналоговую информацию, которая записана непосредственно на винил или аудиокассету, нельзя перезаписать без потери качества. При этом волну в цифровом представлении удается скопировать максимально точно – бит в бит. Потому перезаписанная информация получается очень качественной и не уступает оригиналу.
Аналоговые и цифровые сигналы характеризуются множеством особенностей и отличий. Разница между ними заключается в способах распространения информации и сферах применения. Также есть определенные отличия в качественных характеристиках поступающей информации. Это рекомендуется учитывать при выборе конкретных девайсов.