на 2025/07/7 2,186

Разница между аналоговыми и цифровыми сигналами

Сигналы - это большая часть того, как все работает, даже если вы не всегда их замечаете.Это руководство разбивает, что такое аналоговые и цифровые сигналы, как они ведут себя и где вы обычно их найдете.Вы также увидите, как один тип превращается в другой, и почему некоторые сигналы держатся лучше, чем другие.Он написан простым, ясным способом помочь вам понять, что на самом деле происходит за кулисами в устройствах, которые вы используете каждый день.

Каталог

Рисунок 1. Аналоговая выборка сигнала с течением времени

Что такое аналоговый сигнал?

Аналоговый сигнал - это тот вид, который меняется гладким, устойчивым.Это не прыгает и не выключается внезапно.Вместо этого он течет, вроде как ваш голос поднимается и падает, когда вы говорите.Это движение поднимается и превращается в электрический сигнал, который следует за тем же шаблоном.Итак, когда вы говорите в микрофон, это создает сигнал, который мягко смещается вместе с вашим голосом.

Вы заметите, что этот тип сигнала не имеет острых краев или четких шагов.Это просто движется непрерывно, соответствует тому, на что он реагирует.И на самом деле не нужно говорить, что делать.Это просто отвечает.Если что -то становится громче, сигнал растет.Если он смягчает, сигнал исчезает вместе с ним.

Что такое цифровой сигнал?

Рисунок 2. Цифровой сигнал

Цифровой сигнал работает не так, как аналоговый.Вместо того, чтобы плавно течь, он движется в четких шагах.Большинство цифровых сигналов используют всего два уровня, которые представляют «OFF» и «включено».Это похоже на выключатель света, который щелкает между двумя позициями.Там нет между ними.Это либо один или другой.

Эти резкие изменения помогают устройствам прочитать сигнал легче.Поскольку сигнал прилипает к установлению значений, небольшие глюки или шум обычно не имеют большого значения.Устройство все еще знает, что с ним делать.Это одна из причин, по которой цифровые сигналы, как правило, держатся лучше со временем или на больших расстояниях.

Вы, вероятно, столкнулись с цифровыми сигналами, даже не думая об этом.Они находятся в телефонах, телевизорах, компьютерах и во всем, что нужно отправлять или хранить информацию.Что делает их настолько полезными, как они остаются устойчивыми.Даже если сигнал поднимает некоторое помехи, для системы все равно достаточно ясно читать и использовать его правильно.

Как работают аналоговые сигналы

Аналоговые сигналы поставляются с четырьмя основными частями.Вы можете думать об этом, как ингредиенты, которые формируют то, как ведет себя сигнал.

Амплитуда

Рисунок 3. Свойства ключа аналогового сигнала: амплитуда, фаза, частота и длина волны

Амплитуда говорит вам, насколько силен сигнал в любой момент времени.Чем выше волна, тем сильнее сигнал.

Например:

• Через 0 секунд сигнал находится на уровне 0 вольт

• За 0,25 секунды он достигает +5 вольт

• через 0,5 секунды, он возвращается до 0

• За 0,75 секунды, он падает до -5 вольт

• и на 1 секунду, он снова вернулся к 0

Это просто повторяет этот цикл, поднимаясь и падает.

Частота

Частота - это то, сколько раз волна завершает полный подъем и падение за одну секунду.Если он идет вверх и вниз один раз в секунду, это называется 1 Герц (Гц).Если это происходит пять раз за секунду, это 5 Гц.

Несколько примеров:

• 5 Гц = 5 циклов каждую секунду

• 30 Гц = 30 циклов

• 1 кГц = 1000 циклов

• 1 МГц = 1 000 000 циклов

На примере изображения волна завершает один полный цикл за одну секунду, поэтому ее частота составляет 1 Гц.

Длина волны

Длина волны - это пространство между двумя похожими точками на волне - как от одного пика до другого.Обычно это измеряется в метрах или ногах.Хитрость в том, что частота и длина волны подключены.Когда частота поднимается, длина волны падает.

• Более высокая частота = более короткая длина волны

• Более низкая частота = длинная длина волны

Например:

• При 1 МГц длина волны составляет около 300 метров

• При 2 МГц он сокращен на половину до 150 метров

Фаза

Рисунок 4. Разница фаз между двумя сигналами

Фаза о времени.Он говорит вам, где в определенном моменте волна в его цикле.Он измеряется в градусах, вроде как маркировка точек на часах.

Вы можете заметить это, когда у вас есть две волны, которые выглядят одинаково по форме и скорости.Если один начинает подниматься, а другой начинает падать, они не синхронизированы.Эта разница в фазе.Например:

Если одна волна находится наверху, а другая - внизу, они находятся на 180 градусов из фазы

Это позволяет отправлять более одного сигнала одновременно, используя один и тот же путь, без сигналов, мешающих друг другу.

Аналоговые сигналы не просто стреляют из случайных чисел или блоков.Они реагируют на то, что они чувствуют, и делают это плавно.Будь то шепот, сдвиг в свете или изменение давления воздуха, сигнал движется прямо вместе с ним.

Как работают цифровые сигналы

Цифровые сигналы работают таким образом, которые сильно отличаются от аналоговых.Вместо того, чтобы плавно течь, они посылают быстрые, острые импульсы.Эти импульсы бывают всего два типа: один для «включения» и один для «выключения».Это все, что им нужно, чтобы передать информацию.

Каждый импульс обозначает один бит.Если есть напряжение, это означает 1. Если нет, это означает 0. Подумайте об этом, как переключение переключателя вперед и назад.Это просто, но это работает.Система, чтение сигнала, не должна угадать.Он либо видит пульс, либо нет.

Рисунок 5. Квадратные импульсы, показывающие, как цифровые сигналы представляют 1 и 0

Эта настройка делает цифровые сигналы довольно жесткими против небольших ударов или шума.Даже если сигнал становится немного грязным, система все еще знает, что он должен сказать.Он просто фокусируется на том, является ли импульс высоким или низким, и движется дальше.

Основные различия между аналоговыми и цифровыми сигналами

Особенность	Аналоговый сигнал	Цифровой сигнал
Сигнал Тип	Непрерывно, плавные изменения	Дискретный Шаги (обычно двоичные: 0 и 1)
Представительство	Варьируется В полном диапазоне значений	Использование Фиксированные уровни напряжения (например, высокий = 1, низкий = 0)
Форма волны	Обычно синусные волны	Обычно квадратные волны
Шум Сопротивление	Склонный к помехам и деградации сигнала	Высокий сопротивление шуму;меньше искажений
Качество На расстоянии	Ухудшаются на большие расстояния или повторные копии	Поддерживает качество на большие расстояния
Система Сложность	Проще аппаратное и дизайн	Более сложные схемы и обработка
Пропускная способность Требования	Обычно ниже	Часто выше, в зависимости от скорости передачи данных
Данные Хранение и обработка	Трудный хранить и обрабатывать точно	Легкий хранить, копировать и обрабатывать в цифровом виде
Примеры	Микрофоны, Аналоговые радиостанции, термометры	Компьютеры, смартфоны, цифровой аудио, USB -устройства
Лучший Варианты использования	Захват естественные, непрерывные изменения	Надежный передача данных и цифровые вычисления

Где используются аналоговые сигналы

Звук и голос

Каждый раз, когда вы говорите в микрофон, ваш голос создает изменения давления воздуха.Микрофон чувствует эти изменения и превращает их в гладкий, плавный сигнал, который соответствует вашему звуку.Это аналоговый сигнал.Вы также найдете то же самое, что и в магнитоспособных игроках, радиоприемниках и более старых системах динамиков.Сигнал вроде вашего голоса, неся все взлеты и падения.

Радио и телевизионные трансляции

Рисунок 6. Аналоговая передача сигнала в радиопередачах и телевидении

Радиостанции AM и FM по -прежнему используют аналоговые сигналы, чтобы отправить свои шоу.Это то, как музыка, новости или программы разговоров попадают от станции до вашего радио.Сигнал проходит по воздуху и меняется достаточно, чтобы соответствовать тому, что транслируется.Аналоговое телевидение, используемое для работы одинаково, неся изображение и звук как один непрерывный сигнал.

Аудио и видеокабели

Рисунок 7. Аналоговые сигналы в аудио и видео кабелях

Если вы когда -либо использовали эти красные, белые и желтые кабели RCA, чтобы подключить DVD -плеер или старое стерео, вы работали с аналогом.Эти кабели несут сигналы, которые меняются плавно, чтобы представлять звук и изображение.В то время как вы, скорее всего, увидите цифровые настройки, многие старые устройства по -прежнему полагаются на этот тип соединения для правильной работы.

Датчики температуры, давления и света

Рисунок 8. Аналоговая выходная выход из температуры, давления и датчиков света

Аналоговые сигналы также распространены в инструментах, которые измеряют вещи.Например, простой дистанционный термометр постепенно движется при изменении температуры.Датчик давления или датчик света делает то же самое.Эти устройства посылают сигнал, который сдвигается устойчивым способом, чтобы показать, что они чувствуют.Это может быть напряжение, или это может быть небольшой электрический ток, но в любом случае он движется с изменением.

Промышленные аналоговые сигналы

Рисунок 9. Аналог в промышленных системах

В таких местах, как фабрики, аналоговым сигналам все еще доверяют.Одним из популярных методов является петля тока от 4 до 20 миллиамп.Это простой способ отправить измерения, такие как скорость потока или температура, из одного места в другое.Сигнал плавно меняется, что позволяет легко соответствовать его тому, что он измеряет.Это просто работает, и именно поэтому он все еще используется во многих системах.

Где используются цифровые сигналы

Компьютерные и микроконтроллеры

Рисунок 10. Выход цифрового сигнала с компьютера или микроконтроллера

В большинстве электроники цифровые сигналы используются для переключения между двумя уровнями напряжения.Один обозначает ноль, другой для одного.Эти быстрые изменения отключения образуют простой шаблон, который устройства могут читать без особых усилий.Микроконтроллеры, чипы памяти и другие части полагаются на эти резкие изменения для перемещения данных и принятия решений.Им не нужно думать об этом.Они просто следуют шаблону.

USB -устройства и носители для хранения

Рисунок 10. Захват цифровых сигналов с клавиатуры USB с использованием осциллографа

Каждый раз, когда вы подключаете флэш -накопитель или открываете файл с карты памяти, вы используете цифровые сигналы.Все эти данные хранятся как цепочка нулей и одновременно.Устройство считывает эти биты, используя крошечные импульсы.Что здорово, так это то, что даже если вы копируете или перемещаете файл снова и снова, он не изнашивается и не теряет свою форму.Он остается прежним.

Цифровые системы связи

Когда вы делаете звонок, отправляете сообщение или транслируете видео, цифровые сигналы несут эти данные.Ваш телефон, Wi-Fi или сетевой кабель превращает информацию в быстрый поток сигналов.Эти сигналы движутся быстро и не отбрасываются небольшими кусочками шума.Вот почему вы можете посмотреть видео или четко общаться с кем -то, даже когда соединение не идеально.

Цифровой аудио и видео

Рисунок 11. Воспроизведение цифрового звука на смартфоне

Потоковая музыка или просмотр вашего любимого шоу?Это тоже цифровое.Звук и изображения разбиты на маленькие кусочки и отправляются на ваше устройство.Поскольку эти куски могут быть сжаты и очищены легко, все звучит и выглядит хорошо каждый раз.Вам не нужно беспокоиться о изменении качества от одной игры на следующую.

Цифровые часы и таймеры

Рисунок 11. Цифровой тактовой сигнал, представляющий импульсы времени

Цифровые часы сохраняют время, считая импульсы.Эти сигналы поступают из крошечного источника внутри устройства, который тикает с устойчивой скоростью.Это то, как ваш телефон знает время, и как ваш микроволновый таймер знает, когда остановиться.Эти сигналы не догадаются.Они следуют ритму и придерживаются его.

Цифровые сигналы могут показаться невидимыми, но они всегда работают в фоновом режиме.Они знают, когда включать или выключить, когда отправлять информацию, а когда хранить вещи синхронизировать.Эта тихая надежность является частью того, что заставляет современные устройства чувствовать себя настолько простыми в использовании.

Как работает конверсия аналога в цифру

Рисунок 12. Преобразование аналоговых сигналов в цифровой формат с использованием ADC

Вы когда -нибудь задумывались, как компьютер поднимает такие вещи, как звук, температура или свет?Все начинается с превращения этих естественных изменений в то, что устройство может использовать.Вот где происходит аналоговое преобразование.

Вот идея: Такие вещи, как звук и движение, не останавливаются и начинаются с чистых шагов.Они меняются гладко.Но цифровые системы не могут понять такой поток.Им нужны четкие, отдельные значения.Таким образом, сигнал должен быть переведен до того, как система сможет его использовать.

Давайте разберем это.

• Во -первых, сигнал отбирается.Это просто означает, что система делает его быстрые снимки через регулярные интервалы времени.Вроде как фотографировать каждую секунду, чтобы отслеживать кого -то бега.Чем быстрее вы принимаете эти снимки, тем точнее результат.

• Следующим является квантование.Это когда каждый образец соответствует ближайшему значению в фиксированной шкале.Это немного похоже на округление до ближайшего целого числа.Результат не идеален, но он достаточно близок, чтобы сохранить форму сигнала.

• После этого приходит кодирование.Именно тогда каждое из этих значений превращается в строку 0s и 1s, чтобы система могла понять и работать с ней.

Прежде чем это произойдет, обычно существует фильтр, который помогает сгладить любой случайный шум.Таким образом, проходит только чистая часть сигнала.Кроме того, чем больше уровней или битов вашей системы используют, тем больше деталей она может запечатлеть.Это похоже на корректировку резкости на камере.Более подробно, меньше размытия.

Почему цифровые сигналы более надежны

Цифровые сигналы, как правило, держатся лучше, чем аналоговые, особенно когда дело доходит до шума и помех.Поскольку им нужно только распознать несколько фиксированных уровней - обычно только 0 и 1 - небольшие удары в напряжении или токе, как правило, не отбрасывают их.Пока сигнал остается в пределах ожидаемого диапазона, он все еще читается правильно.Это означает, что он может путешествовать довольно далеко, не теряя своей формы.

Один из самых больших льгот? Цифровые сигналы могут быть обновлены. Когда сигнал достигает устройства, как маршрутизатор или ретранслятор, он не просто продолжает идти как есть.Вместо этого он очищается.Каждое 0 или 1 перестраивается точно так же, как он начал, поэтому на этом пути он не несет никакого дополнительного шума.Аналоговые сигналы не получают такого же лечения.Любой пух или искажение, которые они поднимают, имеют тенденцию прилипать, и он добавляет, чем больше они копируются или передаются через различные системы.

Есть еще один плюс. Цифровые системы могут проверить наличие ошибок. Если что -то выглядит не совсем правильно, они часто обнаруживают его и исправляют, прежде чем это вызывает проблемы.Это делает весь процесс более прощающим, особенно когда сигнал проходит по оживленному или шумному пути.

Так почему это имеет значение для вас?Они хороши в знании, когда что -то уходит, и они быстро исправляют это.Вот почему они стали первым для всего, от телефонов до музыкальных игроков до потоковой передачи.Вам не нужно беспокоиться о том, что вещи разрушаются или теряют качество на полпути.Это просто работает, и продолжает работать.

Заключение

Поначалу аналоговые и цифровые сигналы могут показаться немного техническими, но на самом деле это просто разные способы передачи информации.Аналоговые сигналы следуют гладким изменениям, например, голос или сдвиг в температуре, в то время как цифровые сигналы придерживаются четких шагов, что делает их устойчивыми и простыми в управлении.Каждый из них хорошо работает по -своему, в зависимости от того, что вам нужно.Вы также видели, как сигналы могут быть превращены из одной формы в другую, чтобы ваши устройства могли правильно их прочитать.Теперь, когда вы почувствуете, как работают эти сигналы, вы начнете замечать их в повседневных вещах.Это все о том, как движется информация, и как только вы это поймете, все начинает щелчок.