Was ist der Unterschied zwischen analog und digital?

Inhalt

• Die Zukunft ist digital?
• Wie werden analoge und digitale Displays verwendet?
• Was sind analoge Beispiele?
• Was sind Beispiele für digitale Displays?
• Was sind analoge und digitale Signale?
• Was ist ein Signal?
• Was ist ein Sensor?
• Wie funktionieren digitale Signale?
• Was bedeutet Probenahme?
• Ein Signal abtasten
• Analog-Digital-Wandlung
• Auflösung des A / D-Wandlers
• Minimale Abtastfrequenz einer Wellenform - Der Nyquist-Shannon-Abtastsatz
• Wiedergabe eines Signals - Digital-Analog-Wandler (DAC)
• Digitale Elektronik
• Erhöhen des Signal-Rausch-Verhältnisses
• Was sind die Vorteile digitaler Daten?
• Was sind die Nachteile digitaler Daten?
• Was sind TTL und CMOS?

Eugene ist ein qualifizierter Steuerungs- / Instrumentierungsingenieur Bsc (Eng) und hat als Entwickler von Elektronik und Software für SCADA-Systeme gearbeitet.

Die Zukunft ist digital?

Wir hören oft über Analog und Digital im Zusammenhang mit Kommunikation, Tonaufzeichnung, Kameras, Fernsehen, Radio und anderen elektronischen Geräten. Aber was genau ist der Unterschied und ist digital besser als analog? Warum hat Digital in Audio, Digital Imaging und elektronischer Kommunikation Analog ersetzt? In diesem Artikel hoffe ich, das Rätsel zu beleuchten.

Wie werden analoge und digitale Displays verwendet?

Obwohl dies nichts mit der tatsächlichen Unterscheidung zwischen analog und digital zu tun hat, werden diese Begriffe häufig verwendet, um die Art der Anzeigen auf Uhren, Messgeräten und elektronischen Instrumenten zu bezeichnen. Bei einer analogen Anzeige handelt es sich normalerweise um eine Art Zeiger, der einen Wert in Abhängigkeit von seiner Position oder seinem Winkel auf einer Skala anzeigt. Beispiele für analoge Anzeigen sind traditionelle Uhren, Waagen, Tachometer und bewegliche Spulen alten Stils oder bewegliche Eisenvoltmeter und Amperemeter. Beispiele finden Sie auf den Fotos unten.

Eine Digitalanzeige zeigt den Wert eines Parameters direkt an, indem tatsächlich eine Zahl angezeigt wird. Diese Nummer kann auf einem LED-, LCD- oder Nixie-Röhren-Display (Kaltkathode) erzeugt werden. Sogar die Anzeigen auf altmodischen elektromechanischen Registrierkassen könnten als digital angesehen werden, aber der Begriff ist normalerweise elektronischen Geräten vorbehalten.

Beachten Sie, dass die britische englische Schreibweise von analog "analog" ist.

Was sind analoge Beispiele?

Auf einer analogen Anzeige wird der Wert durch eine Linie oder einen Zeiger angezeigt.

Was sind Beispiele für digitale Displays?

Auf einer Digitalanzeige wird ein Wert als eine Reihe von 1 oder mehr numerischen oder alphanumerischen Ziffern angezeigt.

Was sind analoge und digitale Signale?

Eine weitere Unterscheidung zwischen analog und digital liegt im Bereich der Elektronik und der Signale. In der realen Welt können viele unterschiedliche Parameter als analog betrachtet werden. So ist beispielsweise die zeitliche Änderung der Temperatur in einem Raum eine analoge Größe, ebenso wie die Spannung einer Batterie beim Entladen. Das Merkmal eines analogen Parameters oder einer analogen Größe ist, dass sein Wert innerhalb eines Bereichs kontinuierlich variiert. Die Temperatur in einem Raum kann also zwischen 10 und 20 ° C variieren.

Der Zustand eines Lichtschalters ist entweder ein oder aus. Dies ist ein Beispiel für eine digitale Größe. Der Schalter befindet sich nicht in einem Zwischenzustand, er ist entweder ein- oder ausgeschaltet. Die digitale Technologie basiert im Wesentlichen auf dieser Idee von Ein- und Ausschaltzuständen von "Schaltern".

Was ist ein Signal?

Die Funktion eines Signals besteht darin, Informationen über das Verhalten eines Phänomens zu übermitteln. Ein Beispiel ist die Ausgabe eines Temperatursensors, der Informationen über die Temperatur in einem Raum liefert. Die Schwankungen des Lichtniveaus, die über Glasfaserkabel verlaufen, sind Signale (Signale müssen nicht elektrisch sein). Die Informationen können ein Telefongespräch, Internetdaten oder ein Fernsehprogramm sein. Der über die Zeit gemessene Zustand des Schalters im obigen Beispiel kann als digitales Signal betrachtet werden.

Was ist ein Sensor?

EIN Sensor wandelt einen realen Parameter wie Temperatur, Druck oder Lichtstärke in a um Signal. Dieses Signal kann dann verstärkt und / oder verarbeitet werden, bevor es für einen anderen Zweck verwendet wird. Einige Beispiele:

• Bei der Instrumentierung könnte das Signal von einem Sensor eine Anzeige ansteuern, die den gemessenen Wert anzeigt. z.B. Tachometer in einem Fahrzeug, Temperaturmesser oder Voltmeter
• In der Kommunikation werden Ton oder Bild von Mikrofonen oder Kameras in ein elektrisches Signal umgewandelt, das schließlich als Radiowellen übertragen wird

Wie funktionieren digitale Signale?

Ein digitales Signal hat zwei Zustände oder Pegel, hoch und niedrig. Die Signale in einem digitalen Computer oder einer Instrumentierung wie einem digitalen Voltmeter sind zwei Zustände. Ein Computer versteht keine analogen Signalpegel und arbeitet nur mit hohen und niedrigen Zuständen, effektiv Einsen und Nullen. Eine ausführlichere Erklärung und eine Erläuterung des Binärzahlensystems finden Sie in meinem Artikel Warum wird Binär in Computern verwendet?

Was bedeutet Probenahme?

Ein Signal abtasten

Sampling ist ein Prozess, der ein reales Signal in ein digitales Format konvertiert, das dann von einem Computer, einer Instrumentierung oder einer anderen digitalen Elektroniktechnologie verarbeitet werden kann.

Einige Beispiele:

• Ein digitales Multimeter (DMM) tastet eine Spannung ab, wandelt sie in eine digitale um und die digitalen Signale werden zum Ansteuern einer Anzeige verwendet
• Ein vom Objektiv einer Digitalkamera projiziertes Bild fällt auf das CCD (Charged Coupled Device) auf der Rückseite der Kamera. Das Bild wird in Zahlen umgewandelt und im Blitzspeicher der Kamera gespeichert
• Ein Scanner scannt ein Dokument. Das resultierende Bild wird im Speicher gespeichert
• Eine Tonaufnahme wird gemacht. Das Audiosignal wird in digital umgewandelt und auf der Festplatte gespeichert oder auf eine CD gedruckt

Analog-Digital-Wandlung

Als digitale Elektronik und Computer entwickelt wurden, entstanden Anwendungen zum Lesen von Signalen aus der realen Welt. Der Prozess dazu wird aufgerufen Probenahme wobei ein analoges Signal in eine Binärzahl umgewandelt wird, die für einen Computer verständlich ist. Ein Gerät, das dies tut, wird als a bezeichnetAnalog-Digital-Wandler (ADC). Ein ADC misst den Pegel des analogen Signals in regelmäßigen Abständen, die als Abtastfrequenz. Der Spannungsbereich, über den der ADC arbeitet (z. B. 0 bis 5 V oder 0 bis 10 V), wird in Bereiche mit gleichem Abstand aufgeteilt und jedem dieser Bereiche eine Binärzahl zugewiesen. Jedes Mal, wenn der ADC das Signal abtastet, gibt er eine Binärzahl aus, die für den Pegel zum Zeitpunkt der Abtastung repräsentativ ist. Diese Nummern können dann gespeichert, zur Ansteuerung einer Anzeige, zur Übertragung über eine Kommunikationsleitung usw. verwendet werden. Für einen 3-Bit-Wandler (siehe Abbildung unten) gibt es 2³ = 8 mögliche Binärzahlen. In der Realität haben ADC-Wandler eine Auflösung von 6, 12, 16 oder sogar 24 Bit. (16 Bit bei 44 kHz Abtastrate wird für CD-Aufnahmen verwendet). Dies bedeutet natürlich, dass es viel mehr Pegel gibt und der Konverter mehr Details im Signal auflösen kann.

Auflösung des A / D-Wandlers

Wie bereits erwähnt, haben A / D-Wandler normalerweise Auflösungen von 6 bis 16 Bit, obwohl 24-Bit-Wandler verfügbar sind.

Die Anzahl der Ebenen, die ein Konverter auflösen kann, beträgt 2ⁿ , wobei n die Anzahl der Bits des Wandlers ist. Für einen 6-Bit-Konverter gibt es also 64 Ebenen und für einen 16-Bit-Konverter 2¹⁶ = 65.536 Ebenen. Ein Wandler hat einen Eingangsbereich, über den er arbeitet, z. 0 bis 5 Volt, und es ist dieser Bereich, der in gleiche Bereiche aufgeteilt wird. Um die größtmögliche Menge an "Details" aus einem Signal herauszuholen, sollte das Signal so viel wie möglich von diesem Bereich umfassen.

Minimale Abtastfrequenz einer Wellenform - Der Nyquist-Shannon-Abtastsatz

Die Mathematik hinter diesem Theorem ist etwas kompliziert, aber im Grunde heißt es, dass die Abtastrate eines Signals mindestens doppelt so hoch sein muss wie der höchste Frequenzgehalt des Signals. Dies ist intuitiv korrekt, so dass beispielsweise das sich langsam ändernde Signal von einem Temperatursensor in einem Raum viel seltener abgetastet werden müsste als ein Audiosignal von einem Mikrofon oder ein Videosignal von einer Kamera, um die schnellen Änderungen des Signals zu bewahren.

Wiedergabe eines Signals - Digital-Analog-Wandler (DAC)

Sobald ein Signal abgetastet wurde, können verschiedene Dinge damit gemacht werden. Im Falle einer Instrumentierung, z. Bei einem Digitalmultimeter müssen möglicherweise keine Daten gespeichert werden. Stattdessen steuert das digitale Ausgangssignal des ADC die Anzeige am Instrument (über die Zwischen-Treiberelektronik). Alternativ können Daten in einem Computer als eine Reihe von Zahlen gespeichert werden: in Arbeitsspeicher (RAM), auf einer Festplatte oder auf einer CD oder DVD. Manchmal muss ein Signal, das abgetastet und gespeichert wurde, reproduziert werden. Ein Beispiel hierfür ist eine Audioaufnahme auf einer CD. Ein Gerät namens a Digital-Analog-Wandler (DAC) wird verwendet, um das ursprüngliche Signal zu reproduzieren. Der DAC erledigt den gleichen Job wie der ADC in umgekehrter Reihenfolge. Jede Binärzahl, die während der ursprünglichen Aufnahme gespeichert wurde, wird mit einer Wiedergaberate gleich der ursprünglichen Abtastfrequenz in den DAC eingegeben. Der Ausgang des DAC ist ein analoger Spannungspegel. Das Signal wird dann gefiltert, um den "Treppen" -Effekt aufgrund der Abtastung zu beseitigen

Digitale Elektronik

Einige elektronische Geräte sind fast rein digital und müssen keine analogen Signale abtasten. Ein Beispiel ist eine Digitaluhr, die einen Quarz verwendet Oszillator. Ein Oszillator ist ein System, das in regelmäßigen Abständen etwas tut, z. ein schwingendes Pendel oder ein blinkendes Licht. Die Frequenz eines Quarzoszillators ist sehr stabil und weist im Gegensatz zu den Komponenten einer mechanischen Uhr eine relativ geringe Temperaturempfindlichkeit auf. Der Ausgang des Oszillators ist eine Rechteckwellenspannung, üblicherweise bei 32.768 Hz. ein digitales Signal. Diese Frequenz ist eine Potenz von 2 und wird so gewählt, dass sie durch einen digitalen Zähler nacheinander durch 2 geteilt werden kann, um einen 1-Sekunden-Impuls zu erzeugen. Andere Zähler erzeugen dann alle 60 und 3600 Sekunden Minuten- und Stundenausgaben, um die Digitalanzeige anzusteuern. (Digitale Quarzuhren können auch analoge Anzeigen haben)

Erhöhen des Signal-Rausch-Verhältnisses

Der Prozess des Speicherns und Übertragens von Daten in digitalem Format erhöht tatsächlich die Signal-Rausch-Verhältnis (SNR oder S / N). Es gibt keine Signale mit niedrigem Pegel, nur Höhen und Tiefen. Die digitale Elektronik "entscheidet", ob ein Bit hoch oder niedrig ist, je nachdem, ob es innerhalb eines hohen oder niedrigen Spannungsbandes liegt.

Was sind die Vorteile digitaler Daten?

Sobald ein Signal abgetastet und die Daten in eine Reihe von Zahlen im Speicher umgewandelt wurden, können viele Dinge damit getan werden.

• Daten können ohne Verschlechterung unbegrenzt gespeichert und kopiert werden Dies liegt daran, dass Zahlen im Speicher oder auf digitalen Medien im Binärformat als Einsen und Nullen gespeichert werden. Im Speicher sind elektronische Schalter entweder ein- oder ausgeschaltet, was die Speicherung von 1 oder 0 darstellt. Diese einzelne Information wird als a bezeichnet bisschen. Auf einer CD kann entweder eine 1 oder eine 0 durch eine Vertiefung in der Oberfläche der Platte dargestellt werden. Vergleichen Sie dies mit einer analogen Aufnahme auf Band (bei der es sich um Audio oder Video handeln kann). Signale mit niedrigem Pegel werden mit der Zeit von Rauschen überschwemmt, und während des Kopiervorgangs wird auch Rauschen eingeführt. Dies gilt auch für die Bildaufzeichnung auf fotografischen Medien wie einem herkömmlichen Negativ.
• Klarere Audiokommunikation. Da das SNR digital erhöht wird, sind die Funk- und Telefonkommunikation sowie die Radiosendungen klarer, ohne dass Rauschen entsteht. Das Erhöhen des SNR ähnelt in gewisser Weise der Idee, wie das phonetische Alphabet während der Funkkommunikation oder eines Telefonanrufs zur Verbesserung der Verständlichkeit verwendet werden kann. Jeder Buchstabe einer Nachricht wird durch ein Wort dargestellt (z. B. "Auto" als "Charlie - Alpha - Romeo"), damit eine Übertragung verstanden werden kann.

• Daten können komprimiert werden Da Daten als Zahlen gespeichert werden, können ausgefallene Algorithmen verwendet werden, um die Daten zu komprimieren. Dies ist vorteilhaft, da Datendateien kleiner gemacht werden können und weniger Speicherplatz benötigen (denken Sie an JPEG und MP3, die Formate zum Speichern und Komprimieren von Bildern und Ton sind). Digitales Fernsehen und digitales Radio verwenden ebenfalls diese Komprimierungstechniken (MPEG 4-Komprimierung für TV). Das Hochfrequenzspektrum ist begrenzt und nur so viele Kanäle können auf das Spektrum gequetscht werden. Durch das Komprimieren von TV-Signalen wird die erforderliche Bandbreite für einen Kanal verringert, sodass mehr Kanäle in ein Frequenzband gequetscht werden können (was eine gute oder schlechte Idee sein kann! Es erinnert mich an Bruce Springsteens Song "57 Channels and Nothin 'On").

Was sind die Nachteile digitaler Daten?

• Ein Decodiergerät ist erforderlich Daten, die auf Medien gespeichert sind, werden normalerweise komprimiert, codiert und auf irgendeine Weise formatiert. Geräte zum Lesen und Dekodieren der archivierten Daten sind möglicherweise in Zukunft nicht mehr verfügbar. Wenn Sie beispielsweise 5 1/4 Zoll-Disketten mit Daten darauf haben, haben Sie noch einen Computer, der diese Disketten lesen kann? Es ist jedoch sogar möglich, Informationen aus Büchern zu lesen, die vor Hunderten von Jahren geschrieben wurden, und sich die Illustrationen oder Fotografien aus der Mitte des 19. Jahrhunderts anzusehen. Es wäre auch relativ einfach, eine Maschine zu bauen, die frühe phonografische Aufzeichnungen von Wachszylindern abspielen könnte. Dies ist offensichtlich ein Problem für Archivare wichtiger Informationen.
• Digitale Daten sind nicht unbedingt dauerhaft Während digitale Daten auf Medien theoretisch robust sind und weniger wahrscheinlich beeinträchtigt werden als analoge Aufzeichnungen, ist es in der Praxis möglicherweise nicht möglich, Daten zu lesen (z. B. eine stark zerkratzte CD), wenn die Medien beschädigt sind. Eine analoge Bandaufnahme könnte jedoch wahrscheinlich zusammengesetzt und abgespielt werden. In ähnlicher Weise kann ein Foto (ein traditioneller nicht digitaler Typ, bei dem es sich tatsächlich um eine zweidimensionale, analoge, optische Aufzeichnung handelt) immer noch betrachtet werden, wenn es auf andere Weise fleckig oder beschädigt ist. Die Moral der Geschichte ist, immer Ihre digitalen Daten zu sichern (und die Sicherung zu sichern!)

Was sind TTL und CMOS?

TTL (Transistor Transistor Logic) und CMOS (Complimentary Metal Oxide Silicon) sind zwei Technologien zur Implementierung von Schaltern in integrierten Schaltkreisen digitaler elektronischer Geräte. CMOS hat den Vorteil, dass es wenig Strom liefert, was natürlich für batteriebetriebene Geräte wichtig ist. Digitale ICs haben Eingangs- und Ausgangspins, und die Spannungen an diesen Pins liegen innerhalb der vorgesehenen Toleranzbänder.Wenn beispielsweise ein hoher Ausgang eines TTL-Chips mit dem Eingang eines anderen TTL-Chips verbunden ist, muss die Ausgangsspannung zwischen 2,7 und 5 Volt liegen. Eingänge zwischen 2 und 5 Volt werden als hoch interpretiert. Ebenso muss ein niedriger Ausgang zwischen 0 und 0,5 Volt liegen, obwohl alles zwischen 0 und 0,8 als niedrig interpretiert wird. Dies bedeutet, dass einem Signal bis zu 0,3 Volt Rauschen hinzugefügt werden können, ohne dass es falsch interpretiert wird.

Dieser Artikel ist genau und nach bestem Wissen des Autors. Der Inhalt dient nur zu Informations- oder Unterhaltungszwecken und ersetzt nicht die persönliche Beratung oder professionelle Beratung in geschäftlichen, finanziellen, rechtlichen oder technischen Angelegenheiten.