Содержание
Что такое аналоговый и цифровой сигнал
Любой, даже самый маленький радиолюбитель, программист или DIY-мастер, слышал о понятии разделения сигнала на два основных вида - аналоговый и цифровой. В чем же разница между ними, если она вообще есть, и который из них лучше? Попробуем разобраться.
Аналоговый сигнал, согласно определению, порождается физическим процессом, параметры которого можно измерить в любой момент времени. То есть в любой конкретный момент времени аналоговый сигнал имеет конкретное значение из множества возможных от минимального до максимального.
Например, любой звук, который мы слышим, это меняющееся во времени давление воздуха на наши барабанные перепонки. В каждый микроскопически малый период времени это давление принимает какое-то определенное значение, измеряемое в долях Паскаля. Это значение может быть очень малым или очень большим, но оно непрерывно меняется, создавая непрерывную волну, что и является аналоговым сигналом.
Застывшую звуковую волну, как она есть, можно увидеть на виниловой пластинке, вооружившись микроскопом.
Звук - типичный пример аналогового сигнала. Хорошо рассмотреть его можно записав при помощи микрофона и подходящего программного обеспечения.
Каждой точке на оси Х, что отвечает за время, соответствует положение на оси Y, отвечающее за звуковое давление, которое воспринимается нашими органами слуха как звук.
То же самое справедливо для аналогового электрического сигнала, где вместо давления непрерывно изменяется напряжение электрического тока, принимая конкретное значение в вольтах в каждый момент времени.
Благодаря схожей природе, легко перевести звуковой сигнал в электрический и обратно, тем самым передавая звук на расстоянии по проводам. Именно так работали первые переговорные устройства, в том числе телефоны. Так работали записывающие и воспроизводящие устройства - проволочные и ленточные магнитофоны.
Аналоговый сигнал естественен и воспринимается нами нормально в чистом виде. Зачем же изобретать что-то иное?
Первые электронные устройства создавались по человеческим стандартам, по принципу “что хорошо для нас, то должно быть хорошо им”. Но по мере развития электроники становилось понятно, что законы восприятия для разных форм существования различаются, а значит и предпочтения тоже. Аналоговый сигнал весьма хрупок, подвержен искажению, затуханию и прочим изменениям, которые даже в незначительном виде складываются, накапливаются и в какой-то момент критично портятся. Магнитные ленты постепенно размагничиваются, пластинки изнашиваются, теряя информацию. Трудно передавать и сохранять данные без изменений с точностью до сотых и тысячных Вольт и Тесл. Электронный мозг хочет конкретики: тут “да”, а здесь - “нет”.
Именно такой “конкретный”, точный и стабильный сигнал пришел на смену аналоговому. “Да” - это наличие напряжения, “нет” - отсутствие. Условились: “да” - это цифра ”один”, “нет” - цифра “ноль”. Сигнал так и назвали - цифровой, а заодно и всю технику, которая работает на этом принципе. Поток нулей и единиц для электронных устройств звучит понятнее и однозначнее, потому что они ими “думают”. Для нас же цифровой сигнал просто какой-то шум в ушах. Вот так мы и заговорили на разных языках.
Преимущества и недостатки
Чем же так привлекателен для электроники цифровой язык? В первую очередь своей простотой и, как следствие, надежностью. Отличить “выключено” от “включено”, “есть напряжение” от “нет напряжения”, ноль от единицы, куда проще, чем одну сотую Вольта от двух сотых. Легче отличить, проще запомнить и обработать, а также создать и передать.
Дублирование цифровых данных, например копирование файлов, осуществляется со стопроцентной точностью. Копия полностью равна оригиналу. Перезапись же аналогового сигнала неизбежно ведет к потере данных, какой бы качественной ни была аппаратура, и с каждой новой копией ошибок все больше. Кто застал перезапись музыки с кассеты на кассету прекрасно знают об этом на собственном опыте. Это все равно что многократно последовательно фотографировать фотографию.
Контроллеры и процессоры всегда работают с нулями и единицами, так устроен их “мозг”, по большей части состоящий из транзисторов-триггеров, каждый из которых способен принимать лишь одно из двух состояний - ноль или единицу. Разумеется, данные для них тоже состоят из нулей и единиц, в таком виде они хранятся, обрабатываются и передаются.
Цифровой сигнал легче зашифровать и защитить. Исказить аналоговый сигнал до неузнаваемости, а потом вернуть в изначальное состояние практически невозможно.
Цифровые данные имеют четкий и предсказуемый размер, при этом мало зависят от качества носителя. Сами носители практически полностью избавились от механических подвижных деталей, которые изнашиваются и ломаются, а значит стали гораздо надежнее, компактнее, экономичнее и дешевле.
Есть ли у аналогового сигнала преимущества при таком тотальном разгроме?
Аналоговый сигнал проще и чаще всего не требует сложных устройств для передачи, записи и воспроизведения. Например, простое аналоговое переговорное устройство состоит из нескольких радиодеталей и мотка проволоки, телефон не сильно сложнее. Магнитофон ремонтируется в домашних условиях, а прослушать запись на пластинке можно хоть при помощи ногтя.
Больше шансов восстановить поврежденную аналоговую запись, хотя бы на том фрагменте носителя, который остался. Частичное повреждение цифрового файла, обычно приводит к его полной потере.
Электроника, механика, профиль и направляющие.
Все, что вам нужно из ЧПУ комплектующих — можно купить в нашем онлайн магазине https://3d-diy.ru/catalog/cnc-components/ с оплатой онлайн и доставкой от 1 дня.
Теоретически аналоговый сигнал способен передать больше информации за единицу времени, так как может принимать не два, а очень большое количество значений в каждый момент. Вероятно, именно поэтому настоящие ценители музыки предпочитают слушать записи исключительно с аналоговых носителей.
Некоторые датчики и приборы получают информацию об изучаемом объекте или явлении в аналоговом виде. Например, термопара, датчик влажности или давления. Перевести их в язык цифры уже вторая задача.
Итого: использование аналогового сигнала в современной технике возможно в случае, если этот сигнал нельзя сделать цифровым, например в воспроизведении звука или датчиках аналогового процесса. В остальном же аналог может использоваться только в целях упрощения и удешевления оборудования там, где это требуется и экономически оправдано.
Туда и обратно
Разумеется, необходимость преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно возникла сразу как только техника до него эволюционировала. Перенос изначально аналоговой информации, такой как звук и изображение, в понятный компьютерам вид далеко не вся задача преобразования. Передача данных по проводам или по радиоканалу, по природе своей, тоже постоянное конвертирование сигнала из одного вида в другой.
Вот так на осциллографе выглядит цифровой сигнал обмена данными по RS-485. Не очень похоже на ровный ряд прямоугольников из нулей и единиц, не так ли?
Гуляя по проводам, любой, даже самый образцовый ноль или единица приобретают некоторую свободу и отклоняются от идеальных значений. Главное ограничить их разгул допустимыми к распознаванию рамками, для чего существуют некоторые радиодетали, схемы и решения на их основе. Например, триггер Шмитта, о котором вспомним чуть ниже.
Для начала следует определиться, что считать нулем, а что единицей. Границы напряжений, которые приняты за то или другое, отличаются от системы к системе и могут различаться в разы. Самый частый пример - UART в пятивольтовой Ардуино, например UNO, Nano, Mega и прочих, который ближе всего соответствует так называемой логики TTL (транзисторно-транзисторная логика).
Принимая сигнал, все что выше 3 В контроллер считает единицей, все что ниже 1,5 В - нулем. Как характеризовать промежуточное положение, зависит от контекста, то есть, от того, что было раньше, если сигнал вырос с 0,5 В до 2 В - единица, если упал до тех же 2 В с 4 В - ноль.
Обратите внимание, что на исходящий сигнал у протокола требования более жесткие, это для того, чтобы максимально уменьшить ошибку, увеличивая диапазон на аналоговые отклонения в цепи.
Arduino и робототехника
Модули, дисплеи, датчики и т. д. можно приобрести в нашем магазине 3DIY https://3d-diy.ru/catalog/arduino-and-robotics/ с доставкой по всей России.
Упомянутый выше триггер Шмитта занимается именно этим, разделяя сплошной аналоговый сигнал на четкие нули и единицы. Применяется в качестве вспомогательного средства для фильтрации особо зашумленной сети.
У контроллеров с логикой 3.3 В, разумеется, уровни пропорционально ниже. А для передачи данных на большие расстояния уровни напряжения напротив повышают, как, к примеру, в RS-232 или RS-485 от 12 В и более. Чем шире диапазон, тем меньше влияние помех.
Вторая задача - преобразование аналоговых данных в цифровые. Для этого существуют так называемые АЦП - аналогово-цифровые преобразователи, по-английски - ADC. АЦП в основном отличаются скоростью работы и разрядностью, то есть количеством шагов между минимальным и максимальным значением напряжения.
Свои десятиразрядные АЦП есть в Ардуино, на пинах начинающиеся с буквы А. Они способны довольно точно распознавать напряжение от 0 до 5 В, что соответствует значению от 0 до 1024 в цифровом виде. Аналоговые датчики, переменные резисторы, датчики силы тока, фоторезисторы и тому подобные элементы способны работать с Ардуино напрямую, благодаря встроенному в контроллер АЦП.
Скоростные внешние АЦП способны оцифровывать звук и фиксировать более быстрые изменения аналоговой волны. Например, чип MCP3008 делает до 200 тысяч измерений в секунду на восьми каналах и передает готовый оцифрованный результат на контроллер по шине SPI.
За обратное преобразование отвечает устройство ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, по английски - DAC. К сожалению, в классической Ардуино его уже нет, возможна только частичная имитация методами ШИМ, о чем мы рассказывали в другой статье. Зато существует много внешних ЦАП, подключать и работать с которыми не намного сложнее. Например MCP4725, двенадцатибитный скоростной ЦАП с интерфейсом I2C. Для удобства DIY мастеров продается в виде готового к работе модуля.
Назначение ЦАП - выдавать напряжение заданного уровня или построенный на его изменении аналоговый сигнал. Например любой звук воспроизводится с цифровых носителей только благодаря ЦАП. Используется широко, от регулировки подсветки без ШИМ до управления аналоговыми моторами и прочими силовыми устройствами.
Вывод
Нельзя сказать наверняка, какой сигнал однозначно лучше - аналоговый или цифровой. Все зависит от требований, условий и имеющегося оборудования. Разумеется, в современных компьютерных системах цифра правит бал давно, заслуженно и полностью, но списывать аналоговый сигнал в утиль полностью еще рано, да и вряд ли такое время настанет, во всяком случае пока у нас на голове настоящие глаза и уши. Кроме того, в природе почти все процессы аналоговые, в цифру и обратно они переносятся лишь для удобства работы с компьютером.
Знать и понимать тот и другой вид сигналов для обмена данными, их хранения и обработки, а также для коммуникации с внешним миром, в том числе и человеком, должен уметь каждый уважающий себя DIY-мастер.
FAQ
Существует много протоколов обмена цифровыми данными, например UART, SPI, I2C и так далее, зачем их несколько, если у них общая цель?Протоколы создавались в разное время разными фирмами. Каждый имеет своих последователей и наработки. Какие-то более древние, работают с медленным “железом” и не требовательны к электронным компонентам, другие очень быстры, но не всякий контроллер за ними угонится. Все они имеют свои плюсы и минусы, о чем у нас на сайте можно почитать более подробно в соответствующих статьях.
С какой скоростью способен работать доступный для Ардуино ЦАП?
Упомянутый MCP4725 выдает “треугольник”, то есть нарастающий на единицу сигнал с 0 до 4096 и обратно с частотой до 100 Гц, что довольно быстро, но все равно следует это учитывать в своих проектах.
Как переводятся цифровые сигналы из одной систему в другую, например TTL в RS232 или RS485?
Существуют специальные микросхемы для конвертации сигнала, например MAX3232 или MAX485, MAX487 и так далее. Их очень много и между ними есть эксплуатационные отличия, следует ознакомиться с требованиями и характеристиками перед их использованием.
Как звуковой сигнал передается по радио?
Старые передатчики и приемники работали на амплитудной модуляции AM. Кстати, некоторые работают до сих пор. Амплитудная модуляция - суть аналоговый сигнал. Современные радиостанции используют частотную модуляцию FM, что можно назвать цифровым сигналом, тем более, что в нем же кодируются дополнительные данные, вроде названия передачи, трека, текущего времени и так далее.
