Wie elektrische Signale in Digital umgewandelt werden (binär 1 0)

Ihre Frage geht davon aus, dass es irgendwie zwei Arten von Elektrizität gibt, analog und digital. Das ist nicht der Fall. Der Unterschied zwischen analog und digital besteht darin, wie wir Menschen ein elektrisches Signal interpretieren. Strom ist Strom, es ist egal, wie wir ihn interpretieren.

Bei einem analogen Signal interpretieren wir seinen Pegelwert (Spannung oder manchmal Strom) als Übermittlung von Informationen mit unendlicher Auflösung: In der idealen Welt liefern 1,00000 Volt und 1,00001 Volt unterschiedliche Informationen (letzteres könnte beispielsweise bedeuten, dass die gemessene Temperatur um 0,1 Grad höher ist). ).

Bei einem digitalen Signal interpretieren wir seinen Pegel so, dass er nur ein Bit an Informationen übermittelt. Unterhalb von 2,5 V (aber idealerweise 0 V) ​​übermittelt es beispielsweise eine 0, über 2,5 V (idealerweise 5 V) übermittelt es eine 1.

Ein analoges Signal kann mit nur dem Pegel auf einer Leitung deutlich mehr Informationen vermitteln. Ein digitales Signal hingegen hat die sehr wichtige Eigenschaft, dass ein wenig Rauschen auf der Leitung die Information in einem idealen Signal nicht beeinflusst: 0V (idealer 0-Signalpegel) + 1V Rauschen => 1V, was noch als 0 erkennbar ist eben. Dies bedeutet, dass ein digitales Signal ohne Informationsverlust transportiert, gespeichert/abgerufen und verarbeitet werden kann .

Es stellt sich heraus, dass es viel einfacher und billiger ist, eine digitale Schaltung zu erstellen, die beispielsweise 20 Bits verarbeitet/speichert/überträgt (die zusammen ~ 1 * 10 ^ 6 verschiedene Werte darstellen können), als eine analoge Schaltung zu erstellen, die Dinge tun kann mit ein analoges Signal mit einer Genauigkeit von 1*10-6. Daher der Trend, alles digital zu machen.

Das bringt uns zurück zu Ihrer Frage der A/D-Wandlung. Unsere reale Welt ist von Natur aus analog, und so sind (fast?) alle unsere Sensoren, die mit der realen Welt verbunden sind. Sie erzeugen ein analoges Signal, das wir in unsere digitalen Schaltungen einspeisen möchten. Die dafür zuständige Schaltung wird als Analog-Digital-Converter bezeichnet. IIRC gibt es gute Erklärungen zu SE der Funktionsweise eines ADC.

Wenn der analoge Pegel höher als ein bestimmter Referenzpunkt ist (normalerweise ein Teil der Versorgungsspannung des Prozessors / der integrierten Schaltung, der das digitale Signal verwendet), wird dies als „digital hoch“ betrachtet. Wenn der analoge Pegel zu niedrig wird, wird dies berücksichtigt „digitales Tief“. Es handelt sich lediglich um Vergleichspunkte dessen, was als hohe und niedrige Pegel für ein digitales System angesehen werden sollte. Dies könnte einfach mit Operationsverstärkern als Komparatoren implementiert werden, mit Spannungsteilern von der Versorgungsschiene als Referenz.

Sie können digitale Niederspannungssysteme erhalten, deren „hohes“ Signal nicht hoch genug ist, damit andere Systeme auch sagen können, dass es „hoch“ ist. Das liegt daran, dass sie möglicherweise unterschiedliche Vergleichspegel oder sehr unterschiedliche Spannungsversorgungspegel haben.

A->D-Wandler sagen Ihnen nicht „digital hoch“ oder „digital niedrig“, sie sagen Ihnen in „Schritten“, wie groß das analoge Signal erkannt wird – so wie 2 V vom A->D-Wandler als „200“ dargestellt werden könnten, und 3 V könnten '300' usw. sein. Das hängt natürlich sehr von der analogen Referenzspannung, dem Wandler-IC, der Auflösung des Ausgangs (8, 10, 12 Bit usw.) ab, die Ihnen die Anzahl der Schritte angibt, die das erkannte Analog Signal kann zerlegt und von etwas gelesen werden.

„Power“-Systeme können als „analog“ angesehen werden, weil sie sich in all ihren interessanten Eigenschaften unterscheiden – es gibt keinen Standard für „powered“ und „nicht powered“ haha!

Alle Signale in der Natur sind analoge Signale. Um ein analoges Signal vollständig zu speichern, ist eine enorme Speicherkapazität erforderlich. Anstatt also alle Werte zu speichern, werden nur Samples eines Signals gespeichert und diese Samples können nur vordefinierte Werte haben. Der Wert der Stichproben wird auf den nächsten „zulässigen“ Wert „gerundet“. Eine solche Darstellung eines Signals wird als digitales Signal bezeichnet, und dieser vordefinierte Satz „zulässiger“ Werte wird durch Binärwerte (Kombination aus Einsen und Nullen) dargestellt.

Der Strom, mit dem wir in unserem täglichen Leben Computer, Kühlschränke und Fernseher betreiben, ist ein analoges Signal. Der Ausgang eines Mikrofons ist ein analoges Signal. Die ADCs werden verwendet, um diese Signale mit binären Werten darzustellen.

Hinweis: Da nur Abtastwerte genommen und Werte mit diskreten Pegeln dargestellt werden, führt die Analog-Digital-Wandlung zum Verlust einiger feiner Details im Signal. Die Konvertierung erfolgt jedoch in der Regel mit einer solchen Präzision, dass der Verlust von Details unter den zulässigen Grenzen oder außerhalb der menschlichen Wahrnehmungsgrenzen liegt.

Das ADC-Zeug ist nützlich, wenn Sie das empfangene Signal beschreiben möchten. Wenn Sie wissen, dass Sie ein numerisches Signal empfangen und erwarten, dass es 0 oder 1 ist, haben Sie viel effizientere Möglichkeiten, um festzustellen, ob Ihr Signal 0 oder 1 ist.

Sie wissen wahrscheinlich, dass die logische 1 oft 5 V und die 0 0 V beträgt. Diese Werte hängen von der verwendeten Technologie ab (die meisten Teile von High-End-Mikroprozessoren verwenden jetzt 1,2 V als 1 und 0 V als 0), aber ich werde in meiner Antwort aus Gründen der Lesbarkeit immer "5 V" sagen.

Wo kommt es her? Von Transistoren. Die digitale Elektronik verwendet Transistoren als Kommutatoren. Transistoren lassen den Strom entweder durch oder blockieren ihn. Wenn Sie 5 V an das Gate Ihres Transistors anlegen, lässt er den Strom passieren, wenn Sie 0 V anlegen, blockiert er den Strom (einige Transistoren arbeiten genau umgekehrt, einige sind nur anders, aber das spielt hier keine Rolle). Durch die Verwendung von 5 V in Ihrer gesamten Schaltung können Sie Transistoren mit anderen Transistoren ein- und ausschalten.

Warum also genau 5V? Tatsächlich brauchen wir nicht wirklich 5V. 4,5 V funktionieren auch gut, 5,5 V funktionieren auch gut, aber 10 V werden Ihren Transistor wahrscheinlich zum Brennen bringen, während 2 V dazu führen, dass Ihr Transistor etwas Strom durchlässt, ihm aber widersteht. Im ersten Fall zerstören Sie Ihre Schaltung, es ist offensichtlich, dass sie nicht funktioniert. Im zweiten Fall können Sie einfach nicht vorhersagen, ob Ihr Ausgang es zulässt, den folgenden Transistor auf 0 oder 1 zu setzen. Dies führt zu logischen Problemen, z. B. dass Ihr Prozessor eine Subtraktion anstelle einer Addition durchführt.

Zusammenfassend brauchen wir binäre Logik, und wir sorgen dafür, dass sich die Elektronik wie ein logisches System verhält. Wir haben gerade einige Teile der analogen Eigenschaften ausgewählt, die es uns ermöglichen, Logik zu betreiben und zu vermeiden, dass Transistoren zwischen einem Durchgangs- und einem Sperrzustand liegen, da dies in der binären Logik keinen Sinn macht.

Ich denke, der Aspekt, den Sie zu verstehen versuchen und an den die meisten Leute nicht denken, ist, was mit "analog" oder "analog" gemeint ist?

Es bedeutet wirklich "analog" -> Adjektiv (oft analog zu) in gewisser Hinsicht vergleichbar.

Dies bedeutet, dass es in elektrischer Hinsicht (Spannung, Strom) ein Repräsentant eines realen "Signals" ist. Wenn Sie ein Soundsystem entwerfen, arbeiten Sie nicht wirklich mit Ton, sondern verwenden einen Wandler (ein Mikrofon), um ein elektrisches Signal umzuwandeln, es im elektrischen Bereich zu manipulieren und es dann wieder umzuwandeln, wenn Sie es hören müssen erfolgt über einen anderen Wandler (einen Lautsprecher).

Die Unterscheidung im elektrischen Bereich besteht darin, ob das Signal kontinuierlich oder diskret ist. Ersteres wird im allgemeinen Sprachgebrauch verwirrenderweise einfach als "analog" bezeichnet, und letzteres wird im allgemeinen Sprachgebrauch als digital bezeichnet.

Es gibt heute relativ seltene Systeme, die Pneumatik zur Steuerung pneumatischer Systeme verwenden, und in einigen Fällen hatten diese eine diskrete Steuerung ("digital") und eine kontinuierliche Steuerung. Sie steuern die Luft, ohne "analogen" Schritt dazwischen. Automobile verwenden mechanische Systeme zur Steuerung mechanischer Systeme (Federn, Stoßdämpfer usw.).

In einigen Fällen können Sie das Signal der realen Welt (Ton, Licht usw.) direkt in die digitale Domäne (diskrete elektrische Signalisierung) umwandeln. Einfache Beispiele könnten ein Kontaktverschluss sein, der temperaturempfindlich ist, um einen Ofen zu steuern (Ein-Aus), bis hin zu komplexeren, wie einem Bildsensor, der einzelne Photonen erkennt und zählt (auf dieser Ebene könnte man Licht bereits als diskrete Einheiten betrachten). - da der Begriff so locker verwendet wird - könnte man ihn bereits als digital bezeichnen).

Hier ist ein Artikel darüber, warum die Unterscheidung zwischen analog und digital in bestimmten Bereichen möglicherweise nicht von Bedeutung ist. Es ist einfach nur "was ist die einfachste Darstellung, mit der ein Problem gelöst werden kann"