آشنایی با سنسور دیجیتال و سنسور آنالوگ

در این مقاله در ابتدا با مفاهیم اولیه سیگنال آنالوگ و دیجیتال آشنا شده و سپس به توضیح سنسور دیجیتال و سنسور آنالوگ می‌پردازیم و سعی می‌کنیم تفاوت سنسور آنالوگ و دیجیتال را در قالب تعریف هر کدام بیان کنیم.

مفهوم آنالوگ و دیجیتال

ما در جهانی آنالوگ زندگی می کنیم. برای رنگ آمیزی، بی نهایت رنگ وجود دارد حتی اگر بسیاری از آن ها برای ما قابل مشاهده نباشد. صداهای بی شماری که می شنویم و عطرهای نا محدودی که به مشام ما می رسند. از میان تمامی این سیگنال های آنالوگ، آن چه مشترک است، بی نهایت حالتی است که برای هر کدام می توان در نظر گرفت. اما سیگنال های دیجیتال ماهیتی گسسته و محدود دارند.

اطلاعات آنالوگ و دیجیتال

فناوری آنالوگ فقط اندازه گیری متغیرها یا استفاده از شماره گیرها و اشاره گرها نیست. وقتی از اصطلاح آنالوگ استفاده می شود، بیش تر اوقات، منظور دیجیتال نبودن است و کاری که انجام می شود یا اطلاعاتی که مدیریت می شود، پردازش اعداد به صورت الکترونیکی را شامل نمی شود اما در فناوری دیجیتال، به جای ذخیره کلمات، تصاویر و اصوات برای نمایش در مواردی مانند فیلم پلاستیکی یا نوار مغناطیسی، ابتدا اطلاعات به اعداد (رقم) تبدیل می شود و سپس اعداد نمایش داده شده و یا ذخیره می شود.

سیگنال آنالوگ و دیجیتال

قبل از آغاز بحث، ابتدا لازم است تعریفی از سیگنال به خصوص سیگنال الکتریکی ارائه شود؛ کمیت هایی متغییر با زمان که می توانند اطلاعات گوناگونی منتقل کنند. به طور معمول در مهندسی برق، کمیت هایی که با زمان تغییر می کنند ولتاژ و جریان هستند. سیگنال ها جهت ارسال و دریافت اطلاعات از جمله صوت، تصویر و … بین دو دستگاه انتقال می یابند. به طور معمول، سیگنال ها به وسیله سیم منتقل می شوند اما امواج رادیویی از طریق هوا نیز منتقل می شوند.

1. سیگنال آنالوگ نوعی سیگنال است که به طور مداوم متغیر بوده و از نظر زمان، پیوسته است. این سیگنال ها از چند میکرو ولت (μV) تا چندین میلی ولت (mV) هستند.

شکل (1). سیگنال آنالوگ (Analog Signal)

مدارهایی که سیگنال های آنالوگ را اندازه گیری می کنند، به طور معمول، پاسخ کند و/یا دقت کمی دارند. مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) تجهیزی بسیار مفید است که سیگنالی آنالوگ با زمان و دامنه پیوسته را به سیگنالی دیجیتال با زمان و دامنه گسسته تبدیل می کند. روش کار این مبدل به نسبت پیچیده است. البته باید خاطر نشان کرد که مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) نیز ساخته شده است که عملکردی معکوس داشته و یک سیگنال دیجیتال را به سیگنال آنالوگ تبدیل می کند. با تبدیل از دنیای آنالوگ به دنیای دیجیتال، می توانیم با دنیای آنالوگ اطراف خود ارتباط برقرار کنیم.

شکل (2). مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)

سیگنال دیجیتال، سیگنالی است که داده ها را به عنوان دنباله ای از مقادیر گسسته نشان می دهد. یک سیگنال دیجیتال فقط می تواند مقداری از یک مجموعه ای محدود از مقادیر ممکن را تنها در یک زمان خاص در نظر بگیرد. سیگنال دیجیتال  مقدار محدودی در زمان (گسسته) را در بر می گیرد. وقتی روی نمودار ولتاژ در مقابل زمان رسم می شود، باید یک منحنی صاف و مداوم ایجاد کند. نباید هیچ تغییری در مقدار گسسته ایجاد شود.

شکل (3). سیگنال دیجیتال (Digital Signal)

تفاوت سنسور آنالوگ و دیجیتال

سنسور(Sensor) تجهیزی است که تغییرات در مقادیر فیزیکی یا الکتریکی یا سایر مقادیر را تشخیص داده و به این ترتیب، یک خروجی به صورت سیگنال الکتریکی یا نوری به عنوان تأیید تغییر در آن مقدار خاص، تولید می کند. سنسورها از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند: سنسور (جهت اندازه گیری کمیت فیزیکی یا شیمیایی)، فرستنده و کابل.

1. سنسور آنالوگ 

سنسور آنالوگ، سیگنال یا ولتاژ خروجی مداومی تولید می کند که به طور کلی متناسب با کمیت اندازه گیری شده است. مقادیر فیزیکی مانند دما، سرعت، فشار، جابجایی و … همه مقادیری آنالوگ هستند زیرا تمایل دارند ماهیت مداومی داشته باشند و با گذشت زمان تغییر کنند. به عنوان مثال، می توان دمای مایع را با استفاده از دماسنج یا ترموکوپل اندازه گیری کرد که به طور مداوم به تغییرات دما با گرم شدن یا خنک شدن مایع پاسخ می دهد. سنسورهای آنالوگ گوناگونی در سیستم ابزاردقیق وجود دارد از جمله: شتاب سنج، سنسور فشار، سنسور نور، سنسور صدا، سنسور دما و … .

به عنوان مثال، سنسور فشار آنالوگ، تجهیزی است که فشار مایعات و گازها را مدیریت می کند. این فشار بر حسب نیرو بر واحد سطح محاسبه می شود. سنسور فشار هم چون یک مبدل عمل کرده و فشار تحمیل شده را به سیگنال الکتریکی تبدیل می نماید. سنسورهای آنالوگ، کاربردهای متفاوتی دارند به طور مثال می توانند به صورت غیر مستقیم، کمیت هایی هم چون جریان سیالات و ارتفاع آب مخازن را اندازه گیری کنند.

شکل (4). سنسور آنالوگ (Analog Sensor)

2. سنسور دیجیتال

در سنسورهای الکترونیکی یا حسگرهای الکتروشیمیایی، تبدیل و انتقال داده به صورت دیجیتال انجام می پذیرد. خروجی یک سیگنال دیجیتال به صورت صفر و یک است. عدد یک (1) نشان دهنده وضعیت ON و عدد صفر (0) نشان دهنده وضعیت OFF می باشد. این مقادیر گسسته در ارتباطات دیجیتال بیش تر به سیگنال های دیجیتالی یا باینری معروف هستند. خروجی به عنوان یک “بیت” (انتقال سریال) یا ترکیبی از چند بیت به نام “بایت” در نظر گرفته می شود و (انتقال موازی) نامیده می شود. سیگنال های گسسته از دقت بالایی برخوردار هستند. در سنسورهای دیجیتال، سیگنال اندازه گیری شده به صورت مستقیم به خروجی دیجیتال درون سنسور تبدیل شده و از طریق کابل و به صورت دیجیتال انتقال می یابد.

شکل(5). سنسور دیجیتال (Digital Sensor)

مزایای سنسور دیجیتال

قابلیت اطمینان و دقت سنسورهای فشار آنالوگ کاملاً مستند است اما فناوری سنسور دیجیتال از نظر قابلیت اطمینان و دقت گسترده، بسیار قابل توجه است. می توان این گونه گفت که سنسورهای دیجیتال به دلیل مشکلات کم تر نسبت به سنسورهای آنالوگ، جایگزین های معاصر آن ها هستند.

در صورت بروز نقص در سنسورهای دیجیتال می توان بلافاصله آن را از سیستم خارج کرد یا به آسانی می توان به سیستم جدیدی وارد کرد یا بدون این که بر سایر اجزای سیستم تأثیر بگذارد؛ می توان سنسورهای کارکرده را برداشته و سنسورهای تازه کالیبره شده را جایگزین کرد که هیچ تغییری در برنامه خود سیستم ایجاد نمی کند. اطلاعات کالیبراسیون در داخل سنسور ذخیره می شود و نیازی نیز به انتقال سیستم همراه با سنسور برای کالیبراسیون نیست.

از دیگر مزایای سیگنال دیجیتال:

• اثر نویز و تداخل در سیگنال های دیجیتالی بسیار کم تر است زیرا کم تر تحت تأثیر قرار می گیرند.
• مدارهای دیجیتالی قابل اطمینان تر هستند.
• طراحی مدارهای دیجیتال آسان و ارزان تر از مدارهای آنالوگ است.
• پیاده سازی سخت افزار در مدارهای دیجیتال انعطاف پذیرتر از آنالوگ است.
• با استفاده از کدهای تشخیص خطا و تصحیح خطا، احتمال وقوع خطا در سیستم دیجیتال کاهش می یابد.
• سیگنال های دیجیتالی می توانند راحت تر از سیگنال های آنالوگ ذخیره و بازیابی شوند.
• در سیستم دیجیتال، می توان از دستگاه های مشابه برای اهداف مختلفی استفاده کرد.

ویدئو (1). تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال

سخن پایانی

در این مقاله با سنسور دیجیتال آشنا شدیم خروجی این سنسورها، سیگنال دیجیتال است که بصورت صفر و یک می‌باشد. عدد یک نشان دهنده وضعیت ON و عدد صفر نشان دهنده وضیعت OFF می‌باشد. همچنین با سنسور آنالوگ آشنا شدیم این سنسورها ولتاژ خروجی بصورت پیوسته تولید می‌کند. هر کدام از سنسورهای دیجیتال و آنالوگ برای کاربرد خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرد.