Cómo las señales eléctricas se convierten en digitales (binario 1 0)

Su pregunta asume que de alguna manera hay dos tipos de electricidad, analógica y digital. Este no es el caso. La diferencia entre analógico y digital es cómo los humanos interpretamos una señal eléctrica. La electricidad es electricidad, no le importa cómo la interpretemos.

Para una señal analógica, interpretamos su valor de nivel (voltaje o, a veces, corriente) como información que transmite con una resolución infinita: en el mundo ideal, 1,00000 voltios y 1,00001 voltios transmiten información diferente (este último podría significar, por ejemplo, que la temperatura medida es 0,1 grados más alta). ).

Para una señal digital, interpretamos su nivel como si transmitiera solo un bit de información. Por ejemplo, por debajo de 2,5 V (pero idealmente 0 V) ​​transmite un 0, por encima de 2,5 V (idealmente 5 V) transmite un 1.

Una señal analógica puede transmitir claramente mucha más información con solo el nivel en un cable. Una señal digital, por otro lado, tiene la propiedad muy importante de que un poco de ruido en la línea no afecta la información en una señal ideal: 0V (nivel de señal 0 ideal) + 1V de ruido => 1V, que todavía es reconocible como 0 nivel. Esto significa que una señal digital se puede transportar, almacenar/recuperar y procesar sin pérdida de información .

Resulta que es mucho más fácil y económico crear un circuito digital que maneje/almacene/transmita, digamos 20 bits (que juntos pueden representar ~ 1*10^6 valores diferentes) que crear un circuito analógico que pueda hacer cosas con una señal analógica con una precisión de 1*10-6. De ahí la tendencia a hacer todo digital.

Eso nos lleva de vuelta a su pregunta sobre la conversión A/D. Nuestro mundo real es inherentemente analógico, al igual que (¿casi?) todos nuestros sensores que interactúan con el mundo real. Producen una señal analógica, que nos gustaría alimentar a nuestros circuitos digitales. El circuito que hace esto se llama convertidor de analógico a digital. IIRC hay buenas explicaciones sobre SE del funcionamiento de un ADC.

si el nivel analógico es más alto que algún punto de referencia (generalmente una proporción del voltaje de suministro de cualquier procesador/circuito integrado que esté usando la señal digital), se considera 'alto digital', cuando el nivel analógico es demasiado bajo, se considera 'bajo digital'. Son simplemente puntos de comparación, de lo que debería verse como niveles altos y bajos para un sistema digital. Esto podría implementarse fácilmente con amplificadores operacionales utilizados como comparadores, con divisores de voltaje del riel de suministro como referencia.

Puede obtener sistemas digitales de bajo voltaje, cuya señal 'alta' no es lo suficientemente alta para que otros sistemas también digan que es 'alta'. Esto se debe a que pueden tener diferentes niveles de comparación o niveles de suministro de voltaje muy diferentes.

Los convertidores A->D no le dicen "alto digital" o "bajo digital", le dicen en 'pasos' qué tan grande se detecta la señal analógica, como 2V podría ser representado por el convertidor A->D como '200', y 3V podría ser '300', etc. Eso, por supuesto, depende mucho del voltaje de referencia analógico, el convertidor IC, la resolución de la salida (8, 10, 12 bits, etc.) que le indica la cantidad de pasos que el analógico detectado la señal puede ser dividida y leída por algo.

Los sistemas de "alimentación" pueden verse como "analógicos" porque varían en todas sus propiedades interesantes: ¡no existe un estándar para "alimentado" y "no alimentado" jaja!

Todas las señales en la naturaleza son señales analógicas. Necesita una enorme capacidad de almacenamiento para almacenar completamente una señal analógica. Entonces, en lugar de almacenar todos los valores, solo se almacenan muestras de una señal y estas muestras solo pueden tener valores predefinidos. El valor de las muestras se 'redondea' al valor 'permitido' más cercano. Tal representación de la señal se denomina señal digital y este conjunto predefinido de valores "permitidos" se representa mediante valores binarios (combinación de 1 y 0).

La electricidad que usamos en nuestra vida diaria para operar computadoras, refrigeradores, televisores es una señal analógica. La salida de un micrófono es una señal analógica. Los ADC se utilizan para representar estas señales con valores binarios.

Nota: Dado que solo se toman muestras y los valores se representan con niveles discretos, la conversión de analógico a digital conduce a la pérdida de algunos detalles más finos en la señal. Pero la conversión generalmente se realiza con tal precisión que la pérdida de detalles está por debajo de los límites permitidos o más allá de los límites de la percepción humana.

El material ADC es útil si desea describir la señal que recibe. Si sabe que está recibiendo una señal numérica y espera que sea 0 o 1, tiene formas mucho más eficientes de saber si su señal es 0 o 1.

Probablemente sepa que el 1 lógico suele ser 5V y el 0 0V. Esos valores dependen de la tecnología que use (la mayoría de las partes en microprocesadores de gama alta ahora usan 1.2V como 1 y 0V como 0), pero siempre diré "5V" en mi respuesta, para facilitar la lectura.

¿De dónde viene? De transistores. La electrónica digital utiliza transistores como conmutadores. Los transistores dejan pasar la corriente o la bloquean. Si pone 5V en la puerta de su transistor, deja pasar la corriente, si pone 0V, bloquea la corriente (algunos transistores funcionan de manera opuesta, algunos son simplemente diferentes, pero aquí no importa). Al usar 5V en todo su circuito, puede encender y apagar los transistores usando otros transistores.

Entonces, ¿por qué precisamente 5V? De hecho, realmente no necesitamos 5V. 4.5V también funciona bien, 5.5V también funciona bien, pero 10V probablemente hará que su transistor se queme, mientras que 2V hará que su transistor deje pasar algo de corriente, pero resista. En el primer caso, destruyes tu circuito, es obvio que no funcionará. En el segundo caso, simplemente no puede predecir si su salida permitirá poner el siguiente transistor en 0 o 1. Esto conduce a problemas lógicos, como que su procesador haga una resta en lugar de una suma.

En resumen, necesitamos lógica binaria y hacemos que la electrónica se comporte como sistemas lógicos. Acabamos de elegir algunas partes de las características analógicas que nos permiten hacer lógica y evitar que los transistores estén entre el estado de paso y el de bloqueo, ya que no tiene sentido en lógica binaria.

Creo que el aspecto que intentas entender, y en el que la mayoría de la gente no piensa, es ¿qué significa "analógico" o "analógico"?

Realmente significa "análogo" -> adjetivo (a menudo análogo a) comparable en ciertos aspectos.

Esto significa que es un representante en términos eléctricos (voltaje, corriente) de una "señal" del mundo real. Si está diseñando un sistema de sonido, en realidad no trabaja con sonido, usa un transductor (un micrófono) para convertirlo en una señal eléctrica, lo manipula en el dominio eléctrico y luego lo vuelve a convertir cuando necesita escucharlo. hecho a través de otro transductor (un altavoz).

La distinción en el dominio eléctrico es si la señal es continua o discreta. el primero, de manera confusa, se llama simplemente "analógico" en el uso común, y el último se llama digital, nuevamente en el uso común.

Hay sistemas, relativamente raros ahora, que utilizan la neumática para controlar sistemas neumáticos y, en algunos casos, tenían control discreto ("digital") y control continuo. Son aire que controla el aire, sin ningún paso "análogo" en el medio. Los automóviles utilizan sistemas mecánicos para controlar los sistemas mecánicos (resortes, amortiguadores, etc.).

En algunos casos, puede convertir directamente la señal del mundo real (sonido, luz, etc.) directamente en el dominio digital (señalización eléctrica discreta). Los ejemplos simples pueden ser un cierre de contacto que es sensible a la temperatura para controlar un horno (encendido y apagado), hasta más complejos, como un sensor de imagen que detecta fotones individuales y los cuenta (en ese nivel, podría considerar que la luz ya está en unidades discretas). - dado que el término se aplica tan vagamente - podría considerar que ya es digital).

Aquí hay un artículo sobre por qué la distinción entre analógico y digital quizás no sea significativa en ciertas áreas. Es simplemente "cuál es la representación más fácil que permite resolver un problema"