Любая физическая величина может быть постоянной (если она имеет только одно постоянное значение), дискретной (если она может иметь два или более постоянных значений) или аналоговой (если она может иметь бесконечное число значений) по способу изменения своих значений. Все эти величины могут быть преобразованы в цифровую форму.
Аналоговые сигналы
Аналоговый (т.е. непрерывно изменяющийся во времени) сигнал — это сигнал, который может быть представлен в виде непрерывной линии с несколькими значениями, определенными в каждый момент времени относительно оси времени.
Значения аналогового сигнала произвольны в каждый момент времени, поэтому в принципе он может быть представлен как некоторая непрерывная функция (в зависимости от времени как переменной) или как кусочно-непрерывная функция времени.
Непрерывные сигналы генерируются непрерывными процессами и системами. Это, например, ЭЭГ — генерируемая электрической активностью мозга, ЭКГ — генерируемая электрической активностью сердца, выход датчика, например, датчика скорости — тахогенератора и т.д.
Аналоговым сигналом может быть, например, звуковой сигнал, генерируемый обмоткой электромагнитного микрофона или ламповым акустическим усилителем, поскольку сигнал является непрерывным, а его значения (напряжение или ток) значительно изменяются от момента к моменту.
На следующей иллюстрации показан пример такого типа аналогового сигнала.
Аналоговые величины могут иметь бесконечное число значений в определенных пределах. Они непрерывны, и их значения не могут меняться скачками.
Пример аналогового сигнала: термопара посылает аналоговое значение температуры на программируемый контроллер, который управляет температурой электрической духовки с помощью твердотельного реле.
Любой аналоговый сигнал может быть представлен в виде его цифрового эквивалента, точность которого зависит от количества цифр эквивалентного числа.
Логические элементы используются для обработки аналоговых сигналов. ЦАП и АЦП используются для сопряжения электронных устройств, обрабатывающих аналоговые сигналы, с устройствами, обрабатывающими двоичные (цифровые) сигналы.
Дискретные сигналы
Если сигнал принимает произвольные значения только в определенные моменты времени, такой сигнал называется дискретным. Чаще всего дискретные сигналы распространяются по равномерной временной сетке, шаг которой называется интервалом выборки.
АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЫ
Дискретный сигнал принимает только некоторые ненулевые значения в точках выборки, т.е. он не является непрерывным в отличие от аналогового сигнала. Если из звукового сигнала вырезать небольшие фрагменты через равные промежутки времени, то такой сигнал будет называться дискретным.
Дискретный сигнал состоит из последовательности выборок, которые в принципе могут принимать любое значение. Этот сигнал обычно создается путем дискретизации аналогового сигнала.
Пример такого дискретного сигнала с интервалом дискретизации T показан ниже. Обратите внимание, что квантуется только интервал дискретизации, а не сами значения сигнала.
Дискретные сигналы имеют два или более фиксированных значения (количество их значений всегда выражается целым числом).
Пример простого двоичного сигнала с двумя значениями: срабатывание концевого выключателя (переключение контактов выключателя при определенном положении машины). Сигнал от концевого выключателя может быть принят только в двух вариантах — разомкнутый контакт (нет действия, нет напряжения) и замкнутый контакт (действие присутствует, напряжение присутствует).
В отечественной литературе коммутационные устройства также называют "дискретными", "логическими", "релейными" или "релейными устройствами".
Преимущества дискретных устройств во многом обусловлены тем, что их компоненты достаточно просты и надежны. В большинстве случаев они имеют только два различных состояния: включено — выключено (реле), открыто — закрыто (транзистор) и т.д.
Такие элементы могут генерировать или обрабатывать сигналы только с двумя значениями: одно значение сигнала связано с одним состоянием элемента, другое — с другим. Поэтому название "дискретный сигнал" часто относится к сигналу с двумя значениями. Физически это означает, что сигнал импульсный: самый высокий уровень — одно значение, самый низкий — другое. Эти уровни обычно обозначаются как 1 и 0.
Цифровые сигналы
Если дискретный сигнал принимает только определенные постоянные значения (которые могут быть расположены в виде сетки с определенным шагом), такие, что они могут быть представлены в виде определенного количества величин, мы называем такой дискретный сигнал цифровым сигналом.
То есть, цифровой сигнал — это такой дискретный сигнал, который квантуется не только по временным интервалам, но и по уровню.
Последовательности импульсов представляют собой последовательности цифр и могут рассматриваться как двоичные числа. Поэтому они называются цифровыми сигналами, а также соответствующие методы обработки таких сигналов и связанное с ними оборудование и системы.
Цифровой сигнал — это сигнал, который дискретизируется и затем квантуется. Он состоит из последовательности образцов, которые могут принимать только ограниченное число значений, поэтому его можно представить в виде последовательности целых чисел.
При преобразовании аналогового сигнала в цифровой (как при дискретизации, так и при квантовании) информация всегда теряется. Однако, увеличивая частоту дискретизации и количество уровней квантования, можно приблизить исходный сигнал с минимально возможным отклонением.
Например, каждый из двух каналов стереофонической аудиозаписи на компакт-диске может быть представлен в виде последовательности 44 100 шестнадцатеричных чисел в секунду, а цифровой телефонный сигнал в сети ISDN — в виде последовательности 8 000 восьмибитных чисел в секунду.
Практически, дискретные и цифровые сигналы определяются во многих задачах и могут быть легко заданы в виде отсчетов с помощью вычислительного устройства.
В отечественной литературе для обозначения этих сигналов, устройств и систем чаще всего используется термин "дискретный". Термин "цифровой" используется реже. Это обосновано тем, что значение последнего термина больше относится к конкретным приборам с цифровыми показаниями (цифровые вольтметры, амперметры и т.д.).
Аналоговые сигналы должны быть преобразованы в цифровой формат, прежде чем они смогут быть интерпретированы микропроцессором.
На рисунке показан пример генерации цифрового сигнала из аналогового. Обратите внимание, что значения цифрового сигнала должны принимать не промежуточные значения, а только определенное количество шагов вертикальной сетки.
Программирование ПЛК. 5.Цифровые и аналоговые сигналы.
Цифровой сигнал можно легко хранить и переписывать в память вычислительных устройств, легко читать и копировать без потери точности, тогда как переписывание аналогового сигнала всегда связано с потерей некоторой, пусть даже небольшой, части информации.
Цифровая обработка сигналов позволяет создавать очень высокопроизводительные устройства, выполняя вычислительные операции практически без потери качества.
Благодаря этим преимуществам цифровые сигналы сегодня повсеместно используются в системах хранения и обработки данных. Все современные воспоминания — цифровые. Аналоговые носители информации (такие как кассеты с пленкой и т.д.) уже давно ушли в прошлое.
Аналоговые и цифровые приборы для измерения напряжения:
Но даже у цифровых сигналов есть свои недостатки. Они не могут быть переданы непосредственно в такой форме, поскольку передача обычно осуществляется с помощью непрерывных электромагнитных волн. По этой причине при передаче и приеме цифровых сигналов необходимо проводить дополнительную модуляцию и аналого-цифровое преобразование.
Более низкий динамический диапазон цифровых сигналов (отношение наибольшего значения к наименьшему), вызванный квантованием значений сетки, является еще одним недостатком.
Есть также области, где аналоговый сигнал незаменим. Например, аналоговый звук никогда не сравнится с цифровым, именно поэтому ламповые усилители и пластинки до сих пор в моде, несмотря на обилие цифровых форматов записи с высочайшей частотой дискретизации.
