Analogni i Digitalni Signali

8/11/2019 Analogni i Digitalni Signali

1/13

Univerzitet Demal BijediFakultet Informacijskih TehnologijaMostar

WWOORRKKSSHHOOPPAArrhhiitteekkttuurraa RRaauunnaarrsskkiihh SSiisstteemmaa

PPooggllaavvll j jee 22:: AAnnaallooggnnii ii ddiiggiittaallnnii ssiiggnnaallii


2/13


3/13

Fakultet Informacijskih Tehnologija 2

2.1 Analogni signali

Kod analogne predstave veliina je predstavljena preko druge veliinekoja joj je proporcionalna. Na primjer, sobni termostat radi na taj nainto je zakrivljenost bimetalne trake proporcionalna sobnoj temperaturi.Kako se temperatura stalno mijenja savijenost trake se proporcionalnomijenja. Dakle, analogne veliine se postepeno mijenjaju unutarkontinualnog podruja vrijednosti. Za analogne signale je vano "koliki"

je trenutni nivo signala, dok je za digitalne signale vano "da li uope"postoji signal ili ne. Kod analognih sustava i najmanje pogrenoodstupanje signala znai i odreenu pogreku u rezultatu, za razliku oddigitalnog sustava u kojem promjene napona unutar pripadnog podrujauope nee imati utjecaja na tonost digitalnog sustava. Kao to smo reklikod digitalnog sustava samo je vano da li ima napona ili ne tj. da li je 0

ili 1.U gotovo svim poljima djelatnosti raunari su permanentno prisutni.Veliine koje se koriste u veini fizikalnih sistema se posmatraju, mjere,obrauju i registruju. Svijet u kome ivimo, najveim dijelom se prouavai objanjava preko promjenljivih fenomena kao to su vrijeme,temperatura, rastojanje, teina i brzina. U osnovi moemo predstavitinumerike vrijednosti ovih veliina na dva naina: analogno i digitalno.

Svijet je nekada potpuno ovisio o analognim procesima, maineriji i

komunikacijama za svoje funkcije. Varijable koje karakteriziraju analognisistem mogu imati beskonaan broj vrijednosti. Npr. kazaljke naanalognom satu mogu prikazati beskonaan broj puta u vrijeme u danu.


4/13


Slika 2. Analogni signal

2.2 Digitalni signali

Izraz digitalni potie od koritenja rijei pri opisu realnih brojeva. Kod digitalne predstave , veliine nisu predstavljene preko proporcionalnihveliina, ve simbolima nazvanim digiti. Digitalni signali se jo zovu"diskretni" signali. Digitalni signali mogu da se mijenjaju velikombrzinom, i informacija je obino sadrana u statikom stanju bita, odnosnogrupe bitova, u odreenom trenutku. Imaju stalnu amplitudu i samo dvijemogue vrijednosti (niski i visoki nivo). Radi razumijevanja najprikladnije

je znaenje 0 i 1 pridjeliti naponskim razinama tako da 0 V odgovara 0, a+5 V odgovara 1 (uproeno, TTL = transistor-to-transistor logicpromjene nivoa napona tj. voltae). Opsezi u kojima niski i visoki nivoiTTL signala mogu da budu su:

niski nivo: 0,0 0,8 V visoki nivo: 2,0 5,0 V

Mogu da se upotrijebe i drugi nivoi, kao npr. 24 ili 220 V.

Kao to vidimo gornja i dojnja granica varira bez ikakvog utjecaja nabinarno znaenje koje mu je pridjeljeno. Da bi razluivanje izmeu 0 i 1
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/logfam.html


5/13


bilo sigurno, u realnom sustavu mora izmeu njih postojati zabranjenopodruje u kojem se napon ne smije nai.

Posljednjih godina digitalni sistemi postali su dio naeg svakidanjegivota. U eljeno vrijeme budi nas digitalni sat sa unaprijed odabranommuzikom, vozimo se u digitalno upravljanim automobilima ili uprodavnicama kupujemo raunarski kodiranu robu. Digitalni raunari subez sumnje najbolje poznate i najire koritena klasa digitalnih sistema.Raunari su uinili moguim mnoge industrijske, naune, komercijalne iedukativne proboje koji na drugi nain ne bi bili ostvarivi.

Primjer: Digitalni sat daje vrijeme u obliku decimalne digitalne predstavesatova i minuta. Kad se vrijeme mijenja kontinualno, oitanje se nepojavljuje u kontinualnoj formi ve u diskretnim koracima jednim pominuti. Putanja aviona koji se sputa ima kontinualnu formu. Radarski

sistem za praenje tog aviona alje radarske impulse periodino, tako daoblik povratnog signala ima formu konane sekvence brojeva kojiaproksimativno predstavljaju tekui poloaj aviona, tekuu brzinu i buduipoloaj.

Slika 3. Digitalni signal


6/13


2.3 A/D, D/A konverzija

Digitalni sustavi koji slue za mjerenje, regulaciju ili automatizaciju nasvome e ulazu i izlazu u pravilu imati analognu veliinu. Najvei je brojprocesa u prirodi analogan po svojoj prirodi, a to vrijedi i za mnogeveliine u tehnikim sustavima. Zbog toga je potrebno imati ureaje zaautomatsko pretvaranje izmeu tih dvaju naina prikaza veliina. A/D iD/A konverziju najee susreemo u raunarima, a jedini jezik kojim"govore" dananji digitalni raunari je mainski jezik. Veina signala izprakse, kao na primjer amplituda, nivo, napon, jaina struje,temeperatura, pritisak, teina, vremenski period itd, nisu u formatu kojiraunar moe da prihvati. Zato sistem za akviziciju podataka mora dakonvertuje takve signale u oblik koji je razumljiv raunaru.

Glazbena kartica, danas vrlo esto sastavni dio uobiajene raunalne

konfiguracije, ima ukomponirana oba dva pretvornika kako bi omoguilasnimanje analognog glazbenog materijala na disk u binarni zapis tepretvaranje istog u glazbeni. esta oznaka takvog integriranog sklopa jeA/D/A pretvornik. Naela rada profesionalnih pretvornika su ista ali jetemeljna razlika u tonosti izvrene pretvorbe. Daljnji prikaz stoga e seodnositi na njihova osnovna naela rada i izvedbu, a ne na konkretnuprimjenu. Da bi se izvrila A/D ili D/A pretvorba treba prvo utvrditi kakvakvaliteta pretvorbe se eli postii, te prema tome odabrati pretvornik.Kako je broj razliitih kombinacija binarnog broja prema izrazu N = 2 m

N - obim koda; broj elemenata koda

m - broj bit-a upotrebljen za kodnu zamjenu.

proporcionalan broju bit-ova u binarnom broju, prvi je zakljuak da epretvorba bit kvalitetnija ako se u njoj koriste binarne kombinacije sveim brojem bit-a. Dakle:

Bit-a Kombinacija Namjena2 4 Nema znaaja

4 16 Jednostavniji ureaji8 256 Uobiajena pokusna mjerenja

16 65 536 Glazba i precizna mjerenja32 4 294 967 296 Vrlo precizna mjerenja

Odreena brojana veliina dobivena mjerenjem, na primjer napongalvanskog lanka, prilikom pretvorbe moe se podijeliti u vie razliitihdiskretnih nivoa. Mjerenje je preciznije ako se za istu veliinu koristi viebit-a, jer je raspodijeljena na vei broj nivoa. Prilikom uzimanja uzorka


7/13


nee se uzeti stvarna izmjerena vrijednost ve e se izvriti aproksimacijaprema najbliem nivou.

Drugi vaan imbenik u pretvorbi je u kojem vremenskom razdoblju trebaizvriti pretvorbu iz jednog oblika u drugi. Ako su promjene spore nije odvelikog znaaja vrijeme uzimanja uzorka kao ni vrijeme pretvorbe izmeudva uzorka, to e pojeftiniti elektroniku izvedbu ureaja. Bre promjenezahtijevati e elektronike ureaje s brim komponentama to e sigurnoutjecati na njihovu cijenu.

Trei imbenik od znaaja za pretvornike je mjerni raspon na ulazu iliizlazu. Ako ne zadovoljava potrebe, na primjer veliine koje se mjere vrlosu male, treba ga ukomponirati s pojaalom ili uzeti pretvornik koji je umogunosti raditi s vie mjernih raspona.

Kako pretvornici ne smiju utjecati na mjerni sustav njihove elektronikekomponente dizajniraju se tako da su im ulazni otpori vrlo veliki (preko 1MOHM), a izlazni vrlo mali (to blie nuli), te se senzori od kojihprikupljaju podatke uglavnom dizajniraju kao izvori napona s to manjimunutranjim otporom.

Dakle, za uinkovitu uporabu pretvornika treba spoznati unutar kojihgranica i s kojim tempom e se pratiti pojava koja se eli izuiti i shodnotome ugraditi pretvornik koji e pretpostavljenu zadau moi izvriti. Priodabiru treba izabrati pretvornik neke renomirane tvrtke koja e zasigurno

uz njega isporuiti kvalitetnu PROGRAMSKU POTPORU bez koje jeprimjena pretvornika gotovo nemogua. Treba voditi rauna i o tome da lioperativni sustav raunala omoguava uporabu programske potporepretvornika te da li je pretvornik dizajniran za vrstu raunala u koje gaelimo postaviti. U mjernim sustavima uglavnom e prednjaiti A/Dpretvornici, dok e u proizvodnim sustavima prednjaiti D/A pretvornici.


8/13


Slika 4. Ciklus konverzije informacije izmeu analogne i digitalne domene

2.3.1 A/D konverzija

Osnovna funkcija analognog ulaznog sistema je da analogni signal pretvoriu odgovarajui digitalni format. Analogno-digitalni konvertor (A/D) jeelektronsko kolo, koje se moe nalaziti na matinoj ploi i koji originalnuanalognu informaciju transformie u podatak koji raunar moe darazumije (digitalni, binarni kod). Pored A/D konvertora, potrebni su ipojaivai, kola za uzorkovanje i odabir (S/H), multiplekseri i filter (slika5).

Danas postoji nekoliko tipova A/D konvertora. Meu njima najpoznatiji suA/D konvertori sa "sukcesivnom aproksimacijom", "integrirajui" i"paralelni" (flash) konvertori. Najbri i najskuplji meu njima su paralelniA/D konvertori. Zbog svoje kompleksnosti ovi konvertori su ogranieni naprimjene ija rezolucija nije vea od 8 bita u komercijalnim varijantama.

Analogno-digitalni pretvornik ne pretvara u digitalnu vrijednost cjelokupananalogni signal, nego samo njegove UZORKE u vremenu. Pri tome se neuzima stvarni iznos uzorka ve se uzima vrijednost prema najbliemraspoloivom nivou u trenutku uzimanja uzorka. Naelo uzorkovanjaprikazano je na slici 1. Tijekom vremena uzimanja uzorka elektronikisklopovi pretvornika analiziraju koja je vrijednost nivoa najblia stvarnojvrijednosti analognog signala u tom trenutku. Ustanovljena vrijednostnivoa se pamti i do narednog uzorkovanja mora se izvriti pretvorba ubinarni oblik te binarna vrijednost isporuiti programskoj potpori koja e

istu pohraniti u memoriju raunala ili u datoteku na tvrdom disku teobino i grafiki prikazivati tekui proces na monitoru raunala. Dakle,


9/13


podosta radnji ima se obaviti za vrijeme trajanja pretvorbe. Vrijemeuzimanja uzorka mnogostruko je krae od perioda uzorkovanja(frekvencije uzorkovanja).

Primjer sa slike 1 pokazuje da je za pretvorbu analognog signala izabranoosam (8) razliitih nivoa s kojima e se njegove promjene vremenskipratiti. Tih osam nivoa mogu se binarno prikazati s kombinacijama od tri(3) bit-a. Tonost takvog sustava bila bi nedovoljna za kvalitetno praenjepromjena analognog glazbenog signala ili temperaturnih razlika tijekomgodine u nekom podneblju, ali bi recimo bila dostatna da se prati troenjegalvanskog lanka tijekom uporabe glede ocijene njegove uporabljivosti.Uzorci analognog signala, pretvoreni u binarni broj izmeu dvauzorkovanja, alju se najee preko sabirnice raunala ili prekoparalelnog porta u vidu paralelnog prijenosa digitalnom raunalu, koje ihpotom obrauje. to je vrijeme pretvorbe krae A/D pretvornik radi bre ito je njegovo najznaajnije svojstvo.Za mjerenje fizikalnih veliina pomou A/D mjernog sustava dobro jesluiti se viekanalnim mjerenjem kako bi se pratilo vie parametara (slika5). Raunalu i njegovoj programskoj potpori potpuno je svejedno analizirali jednu ili vie skupina podataka, to im danas bez osobitih zahtijevaomoguavaju njihove performanse. Za analizu i prikaz podataka brine seprogramska potpora. Fleksibilnost viekanalnog sustava oituje se u brojumultipleksiranih ulaza a kvaliteta o tome kako su pojedini ureajiimplementirani, prije ili poslije multipleksera. Naime dobro bi bilo da svaka

grana ima vlastita etiri predhodno navedena podsustava. Naravno da toviestruko poveava cijenu pretvornika ali omoguava daleko vei nadzornad procesima koji se prate.

Multiplekser omoguava da se u pravilnim vremenski razmacima omoguidiskretno praenje svih fizikalnih veliina na ulazu. Komponente-podsustavi koje slijede iza multipleksera imaju slijedeu zadau:

Pojaalo s filtromPojaalo ima zadau pojaati ili smanjiti ulazni analogni signal naodgovarajuu veliinu. esto puta e se koristiti normaliziranavrijednost na izlazu iz pojaala. Filtar ima zadau da otkloni sve vieharmonike povrh frekvencije uzorkovanja.

S/H (Sample & Hold) sklopSample&Hold sklop ima zadau da u trenutku uzorkovanja oitavrijednost analognog signala na ulazu je ga zadri sve do narednoguzorkovanja. Na neki nain djeluje kao memorija za pamenjeanalogne vrijednosti izmeu uzorkovanja kao se na ulazu u A/Dsklop ne bi mijenjala vrijednost tijekom pretvorbe.

A/D pretvornikAnalogno-digitalni pretvornik e u vremenu izmeu dva uzorkovanjaizvriti pretvorbe analogne vrijednosti u binarni zapis, najee uBCD kodu.


10/13


Port raunalaPort raunala je meusklop (kanal) koji binarnu vrijednostisporuuje na sabirnicu raunala i zadaje se kao brojana vrijednostprema preporuci proizvoaa. Mogue je da e trebati povestirauna da na doe do IRQ konflikta.

Slika 5. Vremensko multipleksiranje

Ako je vrijeme uzorkovanja i pretvorbe krae A/D pretvornik u cjelini jebri to njegovu konstrukciju ini sloenijom a time i skupljom. Postoji jonekoliko izvedbi pretvornika koje e raditi na slinim naelima, na primjerprema vrijednosti analognog signala mijenjati e kapacitet varicap-diodete e se promjena frekvencije generatora koji je koristi koristiti kaomeufaza u pretvorbi. To su detalji koji se kao krajnji rezultat oituju u

tonosti i brzini mjerenja.Da bi se na ulaz u A/D pretvornik doveo analogni signal koji je posljedicapromatranja neke pojave potrebno je izvriti pretvorbu vrijednostitemperature, pritiska ili nekog drugog fizikalnog ili kemijskog procesa uanalogni signal. Takvi pretvornici nazivaju se MJERNI PRETVORNICI iliSENZORI. Oni slue za pretvaranje neelektrinih veliina u elektrinenapone. Dakle senzori e uglavnom davati analogni izlaz. Od njih se uosnovi trai da ne djeluju na svojstva ili ponaanje sredine u kojoj senalaze. Kos senzora se nastoji na njihovom izlazu dobiti signal

proporcionalan fizikalnoj veliini koju mjeri uz minimalni upliv na istu.


11/13


Slika 6. Digitalizacija kontinuiranog signala

2.3.2 D/A konverzija

Digitalna obrada signala je fleksibilnija i monija od analogne obradesignala. Zato se esto analogni signali prvo pretvore u digitalne, zatim seu digitalnom domenu podaci obrade i na kraju pomou DA konvertorapretvaraju nazad u analogni oblik. Ovako se prave razni zvuni i videoefekti, pa i kompjuterski generisani filmovi. Unato mnogim prednostimakoje imaju digitalno kodirani signali, ipak je analogni prikaz u mnogosluajeva povoljniji, kao na primjer kada se cjelokupnim uvidom u skalumjernog instrumenta moe brzo odrediti prema poloaju kazaljkeinstrumenta gdje je otprilike mjerena veliina u odnosu na promatranimjerni opseg. Naravno tonost takvog oitavanja je upitna osobito ako supromjene male. Za razliku od prethodnog navedenog primjera, uregulacijskoj tehnici zbog izvrnog sklopa analogne prirode potrebno jedigitalne signale pretvoriti u analogne. Na primjer D/A pretvornik davati ena izlazu napon koji e napajati elektromotor nekog upravljakog ureaja.Tu zadau obavljaju digitalno-analogni (D/A) pretvornici. Naini realizacijevrlo su raznoliki ali u naelu koriste mreom otpora ili mreom strujnihizvora u takozvanoj paralelnoj pretvorbi kada se u jednom koraku binarnojkombinaciji dodjeljuje izlazni signal. Mi emo objasniti rad D/A konvertoras mreom otpora. Logiki krugovi za stvaranje analognog naponskog(voltanog) izlaza koriste digitalnu rije ili seriju bitova, za zatvaranje (iliotvaranje u zavisnosti da li je bit 1 ili 0) serije otpornika u kolu koji jepogonjen referentnim naponom. Standardna analogna irina izlaza je istakao i analogni ulazi: 5 V dc, 10 V dc, 0-10 V dc, i 4-20 mA dc.

Naziv paralelna pretvorba potjee iz toga to se istovremeno na svesklopke dovode odgovarajui bit-ovi od LSB do MSB bit-a (bit-ovi najvee i


12/13


najmanje teinske vrijednosti). Sklopkama upravljaju binarnekombinacije, u primjeru sa slike 7 veliine 4 bit-a. Sklopke po izvedbimogu biti elektromehanike ili elektronike, ee ove druge. Odnosizlaznog i ulaznog (referentnog) napona pojednostavljeno se moeprikazati matematikim izrazom:

Svojstvo operacionog pojaala s vrlo velikim ulaznim otporom i vrlo malimizlaznim otporom omoguava navedenu jednostavnu matematiku analizu.Pojaalo ne radi u klasinom smislu da pojaava ulazni signal, ve dapromjenom odnosa otpora daje na izlazu uveanje nepromjenjivogreferentnog napona (ulaznog) u ovisnosti o broju ukljuenih otpornikakojima se vrijednost smanjuje s faktorom 2 n u nazivniku. Ukupnavrijednost paralelnog spoja otpornika iznosi R1 i mijenja se sukladnopoloaju sklopki kojima upravljaju binarne kombinacije. Vrijednost R 2 sene mijenja. Pojaanje operacionog pojaala iskljuivo ovisi o odnosuotpora R 2 i R 1 , a negativni predznak ukazuje da e se izvriti promjenafaze izlaznog napona u odnosu na ulazni. Otpor R 1 predstavlja paralelnispoj otpora koji se sklopkama 0-3 ukljuuju u strujni krug u ovisnosti obinarnim kombinacijama koje s njima upravljaju. Veliina referentnognapona Ur mora biti takva da izlazni napon Ui ne prekorai radni naponoperacionog pojaala. U narednoj tablici prikazano je kako se mijenjapojaanje sklopa prema promjenama otpora R 1 , odnosno prema binarnimkombinacijama koje upravljaju sklopkama.U narednoj tablici prikazano je kako se mijenja pojaanje sklopa premapromijenama otpora R 1 , odnosno prema binarnim kombinacijama kojeupravljaju sklopkama.

Broj R 1 A

0000 - 0 0001 R -1 0010 R/2 -2 0100 R/4 -4 1000 R/8 -8 0011 R/3 -3 1100 R/12 -12 1111 R/15 -15

Ako bi se elio realizirati 12 bit-ni pretvornik u grani R 1 trebalo bi senalaziti 12 otpornika sa sklopkama kojima bi se vrijednost smanjivala s


13/13

Documents

Analogni i Digitalni Signali