Segnale analogico e digitale

Da Hacknowledge.

L'elettronica si divide in due grandi categorie: analogica e digitale, a seconda del tipo di segnali che prende in esame.

Un segnale analogico è un segnale (generalmente una tensione) il cui valore varia nel tempo in un intervallo continuo. Ovvero, se il segnale è compreso tra [min,max], esso assumerà tutti i valori reali compresi tra min e max.

Un segnale digitale invece si definisce come un segnale discreto, ovvero un segnale che può assumere solo un numero finito di valori. Nel caso specifico diremo che un segnale binario è un caso particolare di segnale digitale che può assumere solo due valori (0 e 1).

[modifica] Segnali digitali reali

Nella realtà tuttavia un segnale digitale come quello descritto sopra non può esistere, in quanto richiederebbe un tempo di transito da un valore logico ad un altro praticamente nullo. Nella realtà i segnali digitali sono molto più simili al seguente:

Il grafico sopra rappresenta la relazione tra la tensione di ingresso e di uscita di un invertitore, ovvero un dispositivo elettronico digitale che produce in uscita un valore logico che è il complementare del segnale di ingresso (se V_in=0 allora V_out=1 e viceversa). Tale componente dà in uscita uno 0 logico per valori della tensione di ingresso sufficientemente alti, mentre dà in uscita un 1 logico per valori della tensione di ingresso sufficientemente bassi. Tenendo conto di questo, V_OH rappresenta il valore di tensione nominale quando l'uscita è un 1 logico, e viceversa V_OL rappresenta il valore di tensione nominale quando l'uscita è uno 0 logico. A questi due valori sono associati i due valori di tensione di ingresso V_IH e V_IL. Tuttavia, per valori della tensione di ingresso compresi tra V_IL e V_IH il valore di uscita potrebbe essere non definito logicamente. Ad esempio, nel punto medio del segmento avente come estremi i due valori di tensione di ingresso si ha un valore logicamente non definito. È inevitabile che durante il passaggio logico da uno stato all'altro la tensione di uscita passi per questi valori non definiti, ma bisogna stare attenti che il campionamento del segnale logico non avvenga quando il segnale si trova in questa zona buia. Per evitare ciò si fa ricorso a buffer in grado di eliminare i disturbi del segnale, si cerca di progettare gate logici il più possibili immuni ai disturbi e con un tempo di transizione da un segnale all'altro il più basso possibile e si usano spesso gate logici in cascata, sfruttando la proprietà rigenerativa dei gate stessi.

[modifica] Conversione analogico-digitale

Nella conversione di un segnale analogico ad una forma digitale sono richiesti due passaggi:

• Campionamento. Il segnale analogico viene misurato a istanti di tempo periodici.
• Quantizzazione. Al valore del segnale nell'istante t viene associato un segnale digitale, a seconda dell'intervallo prestabilito in cui cade il segnale.

Esempio pratico:

[modifica] Serie di Fourier

In molti tipi di analisi di segnali torna comodo avere l'equazione temporale del segnale, ovvero sapere come il segnale cambia nel tempo in modo che qualsiasi quanto di tempo si consideri si possa conoscere il comportamento del segnale in quel periodo. Questa operazione non è sempre immediata, e viene in aiuto uno strumento matematico detto serie di Fourier. Tale studio si basa sulla base che ogni segnale elettrico variabile nel tempo è esprimibile come la somma di segnali sinusoidali con ampiezze, frequenze e fasi diverse. Ecco come risulterebbe lo studio in serie di Fourier di un segnale digitale binario:

Uno sviluppo in serie di Fourier si può esprimere ad esempio nel seguente modo:

Ovvero come una somma (finita o infinita) di segnali sinusoidali, dove A è l'ampiezza del segnale (ovvero la distanza tra il picco massimo e il picco minimo del segnale) e ω₀ è la pulsazione del segnale (poiché la fase iniziale in questo caso è nulla la pulsazione esprime la periodicità del segnale).