تفاوت آنالوگ و دیجیتال در مدارات الکترونیکی چیست؟

امروزه مدارات دیجیتال و مدارات آنالوگ کاربردهای متنوعی در زندگی ما دارند. برخی از کاربردهای مدار های دیجیتال انجام محاسبات، سیستم‌های کنترلی و پردازش داده‌ها، ارتباطات و همچنین اندازه‌گیری آن‌ها می باشند. بسیاری از کارهایی که در زمان گذشته توسط سیستم‌های آنالوگ انجام می شد، امروزه توسط سیستم‌های دیجیتال انجام می‌گردد؛ زیرا سیستم دیجیتال دقت و قابلیت اعتماد بیش‌تری دارد. در ادامه به بررسی دقیق‌تر تفاوت آنالوگ و دیجیتال خواهیم پرداخت.

تفاوت آنالوگ و دیجیتال چیست؟

البته که تفاوت آنالوگ و دیجیتال بسیار است، در یک سیستم دیجیتال، سیگنال‌ها مقادیری گسسته دارند، درحالی‌که در سیستم آنالوگ، مقادیر به شکلی پیوسته‌ تغییر می‌کنند.

برای مثال، خروجی یک سیستم دیجیتال می‌تواند تنها دو مقدار صفر یا پنج ولت باشد؛ در حالی که خروجی یک سیستم آنالوگ می‌تواند چیزی بین مقادیر ۱۰ ولت و منفی ۱۰ ولت نوسان کند و تمام مقادیر را در اختیار داشته باشد.

به دلیل آن‌که سیستم‌های دیجیتال با مقادیری گسسته سروکار دارند و خروجی آن‌ها گسسته است، می‌توان اطمینان پیدا کرد که برای بازه‌ای از ورودی‌ها، خروجی به‌طور کاملاً دقیقی صحیح خواهد بود. برای عنوان مثال اگر از یک دستگاه دیجیتال برای ضرب دو عدد پنج‌رقمی بهره ببریم، همه ارقام عدد حاصل درست خواهند بود. انجام همین کار با یک سیستم آنالوگ، همواره با درصدی از خطا همراه است.

ما در حال زندگی در یک دنیای آنالوگ هستیم؛ تعداد نامتناهی تُن صدا وجود دارد که می‌توانیم آن‌ها را بشنویم و تعداد نامتناهی بو وجود دارد که می‌توانیم آن‌ها را استشمام کنیم. قسمت مشترک همه این سیگنال‌های آنالوگ، نامتناهی بودن و پیوسته بودن آن‌هاست.

در الکترونیک، ما با دو نوع سیگنال آنالوگ و دیجیتال در ورودی‌ و خروجی‌های مدار روبه‌رو هستیم؛ ولی اکثر تجهیزات الکترونیکی همانند ریزپردازنده‌ها، کامپیوترها، گیت‌های منطقی و غیره، به‌طور خالص دیجیتالی می‌باشند. برای درک بهتر مفهوم آنالوگ و دیجیتال، بهتر است نگاهی به معنای سیگنال بیندازیم. در ادامه مقاله با ما همراه باشید تا بیشتر به بحث تفاوت آنالوگ و دیجیتال بپردازیم.

سیگنال چیست؟

منظور از سیگنال، هر نوعی از کمیت است که در مدت‌ زمان تغییر می کند و نوعی از اطلاعات را حمل‌ و نقل می‌نماید. در مهندسی برق این کمیت اغلب ولتاژ یا جریان است؛ پس می‌توانید یک ولتاژ متغیر در زمان را به‌عنوان سیگنال ذهن سپاری کنید.

سیگنال میان تجهیزات مختلف رد و بدل شده تا اطلاعات مختلفی مثل متن، تصویر، ویدیو و غیره را منتقل نماید. سیگنال‌ها اکثراً از طریق کابل‌های فیزیکی ردوبدل می‌شوند؛ اما می‌توانید آن‌ها را از طریق هوا (یا موج‌های رادیو فرکانسی) نیز جابه‌جا کنید.

سیگنال دیجیتال و سیگنال آنالوگ چیست؟

سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال برای انتقال اطلاعات استفاده می‌گردند، اما تفاوتی هم با هم دارند. سیگنال‌های دیجیتال برخلاف سیگنال‌های آنالوگ، گسسته می‌باشند و به‌جای بی‌نهایت داده، فقط میزان مشخصی از اطلاعات را قادرند حمل کنند. هم‌چنین سیگنال‌های دیجیتال برای انتقال دادن داده به پهنای باند بیشتری نیاز دارند.

سیگنال آنالوگ برحسب زمان تغییراتی دارد و به‌طور کل به یک محدوده‌ی خاصی مثلاً مابین صفرتا ۱۲ ولت محدود است؛ اما ویژگی متمایز این نوع سیگنال این است که در همین طیف محدودیت دار و پیوسته، بی‌شمار نقطه وجود دارد که هر یک مقدار متفاوتی دارند. به عبارت ساده‌تر، ممکن است در هرلحظه، سیگنال مقداری مشخص و شاید هم متفاوت با سایر لحظات داشته باشد. در یک سیگنال الکتریکی آنالوگ، میزان ولتاژ، جریان یا فرکانس سیگنال می‌تواند بیانگر اطلاعات موردنیاز باشد؛ و این در واقع تفاوت آنالوگ و دیجیتال است.

نمودار سیگنال آنالوگ (نشان دادن تفاوت سیگنال و آنالوگ بر روی نمودار)

از آنجایی‌که سیگنا آنالوگ متناسب با زمان در حال تغییر است، برای آن‌که درک بهتری از آن داشته باشیم، بهتر است نمودارش را رسم کنیم. در نمودار سیگنال، محور افقی را زمان گرفته و محور عمودی را هم کمیت موردنظر (معمولاً ولتاژ) در نظر می‌گیریم. نگاه کردن به نمودار یک سیگنال، آسان‌ترین روش برای درک تفاوت آنالوگ و دیجیتال است. نمودار یک سیگنال آنالوگ بایستی پیوسته و بدون هیچ‌گونه پرشی باشد. دقت داشته باشید که الزامی به پریودیک بودن نمودار نیست. نمودار زیر یک نمونه‌ از سیگنال آنالوگ پریودیک را نشان می‌دهد.

یک مثال از سیگنال آنالوگ

سیگنال‌های صوتی و همچنین ویدیویی اغلب در قالب یک سیگنال آنالوگ منتقل می‌شوند. برای مثال ویدیوهای تلویزیون‌های قدیمی که از راه آنتن منتقل می‌شدند، نمونه‌ای از سیگنال آنالوگ می‌باشند. این سیگنال‌ها معمولاً رنجی بین ۰ و ۱.۰۷۳ ولت دارند. تغییرات کم در ولتاژ این نوع سیگنال‌های آنالوگ باعث ایجاد تغییر بسیاری در رنگ و تصویر می‌گردد. به شکل زیر که نمونه‌ای از چنین سیگنالی را نشان می‌دهد توجه کنید:

سیگنال‌های دیجیتال بایستی مجموعه محدودی از مقادیر را اتخاذ کنند. مشهورترین نوع سیگنال دیجیتال، سیگنال‌هایی می‌باشند که دو مقدار می‌گیرند (مثلا صفر و ۵ ولت). نمودار زیر نمونه‌ای از سیگنال دیجیتال را نشان می‌دهد:

همچنین نمودار زیر هم یک سیگنال دیجیتال را نشان می‌دهد؛ چون اگر به‌دقت و از نزدیک به آن خیره شوید، مجموعه‌ای از مقادیر نسبتاً زیاد گسسته می باشند:

تمام سیگنال‌های ویدیویی و صوتی، آنالوگ نیستند؛ بعضی از سیگنال‌های استاندارد همانند HDMI و MIDI به شکل دیجیتال منتقل می‌شوند. بسیاری از ارتباطات بین مدارهای مجتمع (IC) به شکل دیجیتال انجام می‌گردد.

تفاوت آنالوگ و دیجیتال در مدار

حالا به بحث تفاوت آنالوگ و دیجیتال بپردازیم. بسیاری از عناصر و تجهیزات الکترونیکی پایه‌، همانند مقاومت، خازن، سلف و دیود، ترانزیستور و op-amp، تماما ذات آنالوگ دارند. مدارهایی که با بهره‌گیری از این اجزا ساخته می‌‌شوند هم معمولاً آنالوگ هستند.

مدارهای آنالوگ می توانند ساختارها و طراحی‌های بسیار پیچیده‌‌ای داشته باشند و می‌‌توانند ساده هم باشند؛ برای مثال یک مدار با دو مقاومت می تواند یک تقسیم‌‌کننده ولتاژ ساده باشد که به شکل آنالوگ کار می‌‌کند. در کل، مدارهای آنالوگ در مقایسه با مدارهای دیجیتال با عملکرد شبیه به هم ساختار بسیار پیچیده‌‌تری دارند. مثلاً طراحی و ساخت یک رادیوی آنالوگ، دانش و مهارت بسیار زیادی می‌‌خواهد؛ درحالی‌که ساخت همان رادیو به‌صورت دیجیتالی، آن‌قدرها هم پیچیدگی ندارد. علاوه بر این، مدارهای آنالوگ اغلب نسبت به نویز (تغییرات اندک و نامطلوب در ولتاژ)، بسیار حساس هستند. تغییرات کم در ولتاژ مدارهای آنالوگ می‌‌توانند خطاهای بسیار بزرگی را ایجاد کنند.

یک مدار دیجیتال، با سیگنال‌‌های دیجیتال و گسسته سروکار دارد. این مدارها اکثراً ترکیبی از ترانزیستور و گیت‌‌های منطقی هستند (خود این گیت‌‌ها هم اغلب از ترانزیستور و مقاومت تشکیل‌شده‌اند)؛ یا از میکروکنترلرها و سایر تراشه‌‌ها تشکیل شده اند. بسیاری از پردازنده‌‌ها، خواه میکروکنترلرهای کوچک باشند خواه پردازنده‌‌های قدرتمند کامپیوتری، به‌صورت دیجیتال کار می‌‌کنند.

سیستم‌‌های دیجیتال گفته‌شده معمولاً از سیستم باینری بهره می‌برند. در این سیستم‌‌‌ها، یک ولتاژِ بالا (اغلب ۵ یا ۳.۳ یا ۱.۸) را به‌عنوان یک منطقی و یک ولتاژ پایین (اغلب ۰) را به‌عنوان صفر منطقی در نظر می گیریم. با این‌که طراحی مدارهای دیجیتال آسان‌تر است، ولی معمولاً نسبت به مدارهای آنالوگ با یک کارکرد واحد، قیمت بالاتری دارند؛ و این تفاوت آنالوگ و دیجیتال در مدار می باشد.

مدار ترکیبی آنالوگ و دیجیتال

مشاهده قطعات دیجیتال و آنالوگ در یک مدار، چیز عجیبی نیست. میکروکنترلرها ضمن کار به‌عنوان یک سیستم دیجیتال ساخته‌شده‌اند؛ اما اجزایی در داخل آن‌ها وجود دارد که امکان ایجاد مدارهای ترکیبی آنالوگ و دیجیتال را فراهم کرده‌اند. برای مثال ADC و DAC دو نمونه از این ابزارها می‌باشند. ADC که مبدل آنالوگ به دیجیتال می باشد، برای تبدیل داده‌‌های آنالوگ سنسورها به داده‌‌های دیجیتال استفاده می‌‌شود. DAC که نسبتا کاربرد کمتری دارد، برای تبدیل دیجیتال به آنالوگ (مثلا برای تولید صدا) استفاده می‌گردد.

این محتوا ادامه دارد…