Các dự án điện tử của chúng ta 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 ta 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 sử dụng song 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 tín hiệu tương tự (tín hiệu liên tục- Analog), và sự khác biệt giữa tín hiệu Analog và tín hiệu kỹ thuật số (Digital). Vậy Analog là gì? Ứng dụng và so sánh với tín hiệu digital?
Mục lục bài viết
1. Tín hiệu Analog là gì?
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, album của bộ ba quyền lực cuối cùng hoặc một phương tiện chung để liên lạc). Các tín hiệu mà chúng ta đang nói đến là các “đại lượng” thay đổi theo thời gian để truyền đạt 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 Wi-Fi.
Có hai loại tín hiệu chính được sử dụng trong điện tử: tín hiệu analog và tín hiệu digital.
Tín hiệu liên tục thay đổi theo thời gian và thường bị ràng buộc trong một phạm vi (ví dụ: + 12V đến -12V), nhưng có vô số giá trị trong phạm vi liên tục đó. Tín hiệu liên tục sử dụng một thuộc tính nhất định của phương tiện để truyền tải thông tin của tín hiệu, chẳng hạn như dòng điện di chuyển qua dây dẫn. Trong tín hiệu điện, điện áp, dòng điện hoặc tần số của tín hiệu có thể thay đổi để biểu diễn thông tin. Tín hiệu liên tục thường là các phản ứng được tính toán đối với những thay đổi về ánh sáng, âm thanh, nhiệt độ, vị trí, áp suất hoặc các hiện tượng vật lý khác.
Khi được vẽ trên đồ thị điện áp so với thời gian, tín hiệu analog sẽ tạo ra một đường cong mượt mà và liên tục. Không nên có bất kỳ thay đổi giá trị rời rạc nào
* Đồ thị tín hiệu analog
Vì tín hiệu thay đổi theo thời gian, nên sẽ hữu ích khi vẽ nó trên biểu đồ trong đó thời gian được vẽ trên trục hoành, trục x và điện áp trên trục y, thẳng đứng. 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. Ví dụ, video tổng hợp phát ra từ giắc cắm RCA cũ là một tín hiệu tương tự được mã hóa thường nằm trong khoảng 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.
Tín hiệu âm thanh thuần túy cũng là tín hiệu tương tự. Tín hiệu phát ra từ micrô có đầy đủ các tần số và sóng hài tương tự, chúng kết hợp với nhau để tạo nên những bản nhạc hay.
2. Ưu điểm và nhược điểm của tín hiệu analog:
Ưu điểm khi sử dụng tín hiệu analog, bao gồm hệ thống xử lý tín hiệu tương tự (ASP) và truyền thông, bao gồm những điều sau:
– Tín hiệu analog dễ dàng hơn để xử lý.
– Tín hiệu analog phù hợp nhất để truyền âm thanh và hình ảnh.
– Tín hiệu analog có mật độ cao hơn nhiều và có thể trình bày thông tin tinh tế hơn.
– Tín hiệu analog sử dụng ít băng thông hơn tín hiệu kỹ thuật số.
– Tín hiệu analog cung cấp sự thể hiện chính xác hơn những thay đổi trong các hiện tượng vật lý, chẳng hạn như âm thanh, ánh sáng, nhiệt độ, vị trí hoặc áp suất.
– Hệ thống truyền thông analog kém nhạy hơn về khả năng chịu điện.
Những nhược điểm khi sử dụng tín hiệu analog, bao gồm hệ thống xử lý tín hiệu tương tự (ASP) và truyền thông, bao gồm những điều sau:
– Truyền dữ liệu ở khoảng cách xa có thể gây ra nhiễu tín hiệu không mong muốn.
– Tín hiệu analog dễ bị suy hao thế hệ.
– Tín hiệu analog có thể bị nhiễu và biến dạng, trái ngược với tín hiệu kỹ thuật số có khả năng miễn nhiễm cao hơn nhiều.
– Tín hiệu analog nói chung là tín hiệu chất lượng thấp hơn tín hiệu kỹ thuật số.
3. Sự khác biệt giữa tín hiệu analog và tín hiệu digital:
Tín hiệu kỹ thuật số (tín hiệu digital): 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 a-rất-lớn-số-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 một 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
3.1. Mạch analog và mạch kỹ thuật số:
Mạch analog: 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 liên tục. Các mạch được xây dựng với sự kết hợp của các thành phần này thường là mạch analog.
Các mạch analog có thể là những thiết kế rất phức tạp 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 analog khó thiết kế hơn nhiều so với những mạch thực hiện cùng một nhiệm vụ kỹ thuật số. Cần có một loại trình hướng dẫn mạch analog 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 analog thường dễ bị nhiễu hơn nhiều (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.
3.2. Mạch 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 các cấp cao hơn là vi điều khiển hoặc các chip tính toán khác. Hầu hết các bộ xử lý, cho dù chúng là bộ 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 thường sử dụng một lược đồ nhị phân cho tín hiệu kỹ thuật 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.
3.3. Mạch tương tự và mạch kỹ thuật số hỗn hợp:
Không hiếm khi thấy một hỗn hợp các thành phần tương tự và kỹ thuật số trong một mạch. Mặc dù 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 bộ 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 bộ vi điều khiển tạo ra điện áp tương tự, rất tiện lợi khi cần tạo âm thanh.
