Tín hiệu Analog & Digital và Mạch chuyển đổi ADC & DAC

Tín hiệu (trong chủ đề này) là chỉ tín hiệu điện hoặc điện từ được sử dụng để truyền dữ liệu từ hệ thống hoặc mạng này sang hệ thống hoặc mạng khác. Tín hiệu có chức năng truyền đạt thông tin về một hiện tượng, là sự thay đổi theo thời gian của điện thế hoặc cường độ dòng diện.

Định nghĩa tín hiệu analog & digital

Tín hiệu analog (tín hiệu tương tự) là gì?

Tín hiệu Analog là tín hiệu liên tục, đồ thị biểu diễn tín hiệu analog là một đường liên tục (ví dụ sin, cos hoặc đường cong lên xuống bất kỳ). Analog có nghĩa là tương tự, tức là tín hiệu sẽ tương tự về bản chất, nhưng sẽ khác nhau về cường độ tín hiệu lúc sau so với lúc trước.

Một số tín hiệu analog như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, âm thanh, ánh sáng, mức nước, tốc độ, trọng lượng, tần số,…

Tín hiệu analog phổ biến được sử dụng cho PLC như: 0-10V, 0-20mA, 4-20mA (10/12/13/14/16 bit), Thermocouple, PT100/NI100/NI120/PT1000/NI1000, .v.v

Tín hiệu digital (tín hiệu số) là gì?

Tín hiệu digital là tín hiệu số, chỉ bao gồm hai mức cao và thấp (trong máy tính là 0 và 1), tức là không liên tục. Trong điện tử và máy tính, điện thế cao đại diện cho mức 1, thấp cho mức 0, thông thường là 5 vôn và 0 vôn. Nhưng trong bộ vi xử lý hiện nay, mức cao chỉ cỡ 1 vôn, mức thấp là 0 vôn, để tiết kiệm điện.

Một số tín hiệu digital như: nút nhấn, công tắc, cảm biến on-off, công tắc hành trình,..

Tín hiệu digital phổ biến được sử dụng cho PLC như: Relay, Transistor (Sink/Source), PWM, HSC/Shaft-encoder, .v.v

Ví dụ về tín hiệu analog & digital

Ví dụ về tín hiệu analog

Truyền video và âm thanh thường được chuyển hoặc ghi lại bằng tín hiệu tương tự. Ví dụ, video tổng hợp phát ra từ giắc cắm RCA cũ là tín hiệu tương tự được mã hóa thường nằm trong khoảng từ 0 đến 1,073V. Những thay đổi nhỏ trong tín hiệu có ảnh hưởng rất lớn đến màu sắc hoặc vị trí của video.

Tín hiệu âm thanh thuần túy cũng là tín hiệu tương tự. Tín hiệu phát ra từ micrô có đầy đủ các tần số tương tự và sóng hài, chúng kết hợp với nhau để tạo nên những bản nhạc hay.

Ví dụ về tín hiệu digital

Không phải tất cả các tín hiệu âm thanh và video đều là tín hiệu tương tự. Các tín hiệu chuẩn hóa như HDMI cho video (và âm thanh) và MIDI, I2S hoặc AC’97 cho âm thanh đều được truyền kỹ thuật số.

Hầu hết giao tiếp giữa các mạch tích hợp là kỹ thuật số. Các giao diện như nối tiếp, I2C và SPI đều truyền dữ liệu thông qua một chuỗi các sóng vuông được mã hóa.

Mạch analog & digital

Mạch analog

Hầu hết các thành phần điện tử cơ bản như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, điốt, bóng bán dẫn và bộ khuếch đại hoạt động – tất cả đều là tương tự. Các mạch được xây dựng với sự kết hợp của các thành phần này thường là mạch tương tự.

Các mạch tương tự có thể là những thiết kế rất phức tạp với nhiều thành phần, hoặc chúng có thể rất đơn giản, giống như hai điện trở kết hợp để tạo thành một bộ phân áp. Mặc dù vậy, nói chung, các mạch tương tự khó thiết kế hơn nhiều so với những mạch số mà thực hiện cùng một nhiệm vụ. Cần có một loại thuật sĩ mạch tương tự đặc biệt để thiết kế bộ thu sóng vô tuyến tương tự, hoặc bộ sạc pin tương tự; các thành phần kỹ thuật số tồn tại để làm cho những thiết kế đó đơn giản hơn nhiều.

Các mạch tương tự thường dễ bị nhiễu hơn (các biến đổi điện áp nhỏ, không mong muốn). Những thay đổi nhỏ trong mức điện áp của tín hiệu tương tự có thể tạo ra sai số đáng kể khi được xử lý.

Mạch digital

Các mạch kỹ thuật số hoạt động bằng cách sử dụng tín hiệu số, rời rạc. Các mạch này thường được làm bằng sự kết hợp của các bóng bán dẫn và cổng logic và ở mức cao hơn là vi điều khiển hoặc các chip tính toán khác. Hầu hết các bộ vi xử lý, cho dù chúng là bộ vi xử lý lớn mạnh mẽ trong máy tính của bạn hay bộ vi điều khiển nhỏ bé, đều hoạt động trong lĩnh vực kỹ thuật số.

Các mạch kỹ thuật số thường sử dụng một lược đồ nhị phân cho tín hiệu số. Các hệ thống này ấn định hai điện áp khác nhau làm hai mức logic khác nhau – điện áp cao (thường là 5V, 3,3V hoặc 1,8V) đại diện cho một giá trị và điện áp thấp (thường là 0V) đại diện cho giá trị kia.

Mặc dù các mạch kỹ thuật số thường dễ thiết kế hơn, nhưng chúng có xu hướng đắt hơn một chút so với mạch tương tự có thể làm nhiệm vụ tương đương.

Sự khác biệt chính giữa analog và digital

Tín hiệu tương tự (analog)	Tín hiệu số (digital)
Tín hiệu liên tục đại diện cho các phép đo vật lý	Tín hiệu rời rạc (được phân tách) theo thời gian được tạo ra bằng cách sử dụng điều chế kỹ thuật số
Biểu thị bằng sóng hình sin	Biểu thị bằng sóng vuông
Sử dụng một dải giá trị liên tục để biểu diễn thông tin (không cung cấp bất kỳ phạm vi cố định nào)	Sử dụng 0 và 1 rời rạc để biểu diễn thông tin (có số hữu hạn là 0 và 1)
Băng thông tín hiệu analog thấp	Băng thông tín hiệu digital cao
Đưa ra sai số quan sát đáng kể (bị suy giảm do nhiễu trong suốt quá trình truyền cũng như chu kỳ ghi / đọc)	Không gây ra bất kỳ loại lỗi quan sát nào (miễn nhiễm nhiễu mà không bị suy giảm trong quá trình truyền và chu kỳ ghi / đọc)
Phần cứng analog không bao giờ cung cấp khả năng triển khai linh hoạt	Phần cứng digital mang lại sự linh hoạt trong việc triển khai
Ví dụ về tín hiệu analog: Cảm biến nhiệt độ, tín hiệu radio FM, tế bào quang điện, cảm biến ánh sáng, màn hình cảm ứng điện trở,..	Ví dụ về tín hiệu digital: Máy tính, CD, DVD
Phù hợp để truyền âm thanh và hình ảnh	Phù hợp với máy tính và điện tử kỹ thuật số
Quá trình xử lý có thể được thực hiện trong thời gian thực và tiêu tốn ít băng thông hơn so với tín hiệu số	Không đảm bảo rằng quá trình xử lý tín hiệu số có thể được thực hiện trong thời gian thực

Ưu – nhược điểm tín hiệu analog & digital

Ưu – nhược điểm của tín hiệu tương tự

Ưu điểm của việc sử dụng tín hiệu tương tự, bao gồm xử lý tín hiệu tương tự (ASP) và truyền thông, bao gồm:

• Tín hiệu tương tự dễ xử lý hơn.
• Tín hiệu tương tự phù hợp nhất để truyền âm thanh và hình ảnh.
• Tín hiệu tương tự có mật độ cao hơn nhiều và có thể trình bày thông tin tinh tế hơn.
• Tín hiệu tương tự sử dụng ít băng thông hơn tín hiệu số.
• Tín hiệu tương tự cung cấp sự thể hiện chính xác hơn những thay đổi trong các hiện tượng vật lý (như âm thanh, ánh sáng, nhiệt độ, vị trí hoặc áp suất).
• Tín hiệu tương tự kém nhạy hơn về khả năng chịu điện.

Nhược điểm khi sử dụng tín hiệu tương tự, bao gồm xử lý tín hiệu tương tự (ASP) và truyền thông, bao gồm những điều sau:

• Việc truyền dữ liệu ở khoảng cách xa có thể gây ra nhiễu tín hiệu không mong muốn.
• Tín hiệu tương tự có thể bị nhiễu và biến dạng, trái ngược với tín hiệu số có khả năng miễn nhiễm cao hơn nhiều.
• Tín hiệu tương tự thường có tín hiệu chất lượng thấp hơn tín hiệu số.

Ưu – nhược điểm của tín hiệu số

Ưu điểm của việc sử dụng tín hiệu số, bao gồm xử lý tín hiệu số (DSP) và truyền thông:

• Tín hiệu số có thể truyền tải thông tin với ít ảnh hưởng của nhiễu, méo và nhiễu hơn.
• Các mạch số có thể được tái tạo dễ dàng với số lượng lớn với chi phí tương đối thấp.
• Xử lý tín hiệu số linh hoạt hơn vì các hoạt động của DSP có thể được thay đổi bằng cách sử dụng các hệ thống có thể lập trình kỹ thuật số.
• Xử lý tín hiệu số an toàn hơn vì thông tin kỹ thuật số có thể được mã hóa và nén dễ dàng.
• Hệ thống kỹ thuật số chính xác hơn và xác suất xảy ra lỗi có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng các mã phát hiện và sửa lỗi.
• Tín hiệu số có thể dễ dàng được lưu trữ trên bất kỳ phương tiện từ tính hoặc phương tiện quang học nào sử dụng chip bán dẫn.
• Tín hiệu số có thể được truyền trên một khoảng cách xa.

Những nhược điểm khi sử dụng tín hiệu số, bao gồm xử lý tín hiệu số (DSP) và truyền thông:

• Cần có băng thông cao hơn cho truyền thông số khi so sánh với truyền thông tin tương tự.
• DSP xử lý tín hiệu ở tốc độ cao và bao gồm nhiều tài nguyên phần cứng nội bộ hàng đầu hơn. Điều này dẫn đến tiêu hao năng lượng cao hơn so với xử lý tín hiệu tương tự, bao gồm các thành phần thụ động tiêu thụ ít năng lượng hơn.
• Xử lý tín hiệu số thường phức tạp hơn.

Chuyển đổi giữa tín hiệu analog & digital

ADC – Analog to Digital Converter

ADC là hệ thống mạch thực hiện chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số.

Đầu vào là tín hiệu tương tự, được xử lý thông qua mạch giữ mẫu (S/H) để tạo ra giá trị gần đúng của tín hiệu số. Biên độ không còn có giá trị vô hạn, và đã được “lượng tử hóa” thành các giá trị rời rạc, tùy thuộc vào độ phân giải của ADC. ADC có độ phân giải cao hơn sẽ có kích thước bước nhỏ hơn và sẽ biểu diễn chính xác hơn tín hiệu tương tự đầu vào. Giai đoạn cuối cùng của ADC mã hóa tín hiệu số hóa thành một dòng bit nhị phân biểu thị biên độ của tín hiệu tương tự. Đầu ra tín hiệu số hiện có thể được xử lý trong miền kỹ thuật số.

DAC – Digital to Analog Converter

DAC là hệ thống mạch thực hiện chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự.

Đầu vào DAC là một luồng dữ liệu nhị phân từ hệ thống con số và nó xuất ra một giá trị rời rạc, được gần đúng như một tín hiệu tương tự. Khi độ phân giải của DAC tăng lên, tín hiệu đầu ra gần giống với tín hiệu tương tự liên tục và mượt. Thường có một bộ lọc post trong chuỗi tín hiệu tương tự để làm mịn hơn nữa dạng sóng.

Nhiều hệ thống được sử dụng ngày nay là “tín hiệu hỗn hợp”, nghĩa là chúng dựa trên cả hệ thống tín hiệu tương tự và tín hiệu số. Từ đó hình thành các yêu cầu dành cho bộ chuyển đổi tín hiệu ADC và DAC để chuyển đổi thông tin giữa hai miền tín hiệu.

Trên đây, chúng tôi đã chia sẻ cho các bạn kiến thức tổng quan về tín hiệu tương tự (analog) và tín hiệu số (digital). Hy vọng, những thông tin có trong nội dung bài viết sẽ giúp ích được cho các bạn. Xin cảm ơn!