Аналоговый и цифровой вход в печатных платах: различия

В производстве электронной продукции важное значение имеет различие между цифровым и аналоговым вводом-выводом сигналов. Необходимо избегать объединения одной системы с другой, чтобы избежать ошибок в управлении электронным оборудовании. В этой статье разберемся, в чем именно состоит разница между цифровым и аналоговым входом на платах.

Разница между аналоговым и цифровым сигналом

Но для понимания различий между электронными устройствами сначала необходимо разобрать, что такое сигнал и в чем состоит разница между двумя его типами.

Сигналом в теории информационных систем обозначается физическая величина, изменяющаяся с течением времени. Именно это изменение несет в себе определенную информацию. Важно понимать, что это не само явление, а именно его характеристика. Например, сам по себе звук (колебания среды) не является сигналом, им будет изменение его параметров, таких как частота и амплитуда звуковой волны.

Соответственно, электрический сигнал – это изменение характеристик электрического тока, таких как напряжение, сила тока. Большинство электронных устройств работает именно с электричеством, хотя сегодня есть изделия, в которых носителем информации является свет.

В настоящее время в информационных системах (к которым относится любое электронное устройство) используется два типа электрических сигналов:

• Аналоговый. Это непрерывный сигнал, принимающий любое значение в заданных пределах. Его название говорит о том, что он изменяется аналогично физической величине. Например, напряжение может быть плавно (непрерывно) изменено в пределах от 0 до 10 В. По сути, любой сигнал, существующий в природе, будь то голос человека, излучение от планет, свет солнца, температура воздуха, движение какого-либо тела и т. д. Преимущество использования аналоговых сигналов в том, что они максимально близко описывают физическое явление, а потому являются наиболее точными. Недостаток – в подверженности паразитным шумам, которые легко могут исказить или заглушить их значение.
• Цифровой. Такой сигнал принимает только два (реже – три) значения: 0 и При этом нулю соответствуют одни значения реальной физической величины, а единице – другие. Например, нулевой уровень напряжения может включать от 0 до 0,5 В, а единичный – от 2,5 до 5 В. Иными словами, цифровой сигнал не содержит весь непрерывный диапазон значений, поэтому описывает реальное явление менее точно, чем аналоговый. Однако, в отличие от аналогового сигнала, цифровой более устойчив к шумам и искажениям, лучше передает и сохраняет информацию. Кроме того, записанные с его помощью данные занимают меньше места на материальных носителях. Например, сравните объем данных, который можно записать на обычной виниловой пластинке и флеш-карте.

Различия между аналоговым и цифровым входом

Входом называется устройство, преобразующее принятый извне сигнал в электрический ток, с которым проще выполнять различные манипуляции (усиление, сохранение и т. д.). В соответствии с типами сигналов различаются и устройства (интерфейсы) ввода.

Аналоговый вход принимает и преобразует внешний аналоговый сигнал в аналоговый электрический. Например, голос человека принимается микрофоном, преобразуется им в электрический ток с определенными параметрами, который затем через усилитель передается на громкоговоритель с увеличенной мощностью. То есть сигнал сначала из звука превращается в электричество, затем снова в звук. И все это время он остается аналоговым.

Соответственно, для аналогового ввода изготавливается своя печатная плата, которая имеет ряд характерных особенностей:

• Точная настройка диапазона частот колебаний электрической цепи;
• Меньшее количество электронных компонентов, особенно высокочастотных, и их менее плотное расположение;
• Отдельное от аналоговой платы размещение источника питания.

Все эти меры направлены на то, чтобы исключить негативное влияние любых источников шума на качество аналогового сигнала. Кроме того, при изготовлении цифровой печатной платы всегда есть возможность скорректировать небольшие ошибки в схеме путем добавления новых перемычек или удаления лишних проводников. В производстве аналоговой использовать такой способ можно очень ограниченно, потому что любое изменение схемы может привести к неприемлемым искажениям чувствительного сигнала.

Цифровой вход преобразует аналоговый внешний сигнал в набор дискретных значений или просто принимает цифровой сигнал (например, поступающий с клавиатуры устройства). Для его платы характерны следующие особенности:

• Высокая плотность электронных компонентов, которая позволяет более точно манипулировать со значениями сигнала;
• Наличие высокопроизводительных компонентов, таких как процессоры, источники тока и т. д.;
• Более сложная структура, включающая множество токопроводящих медных слоев.

Эти особенности цифровой платы обусловлены ее меньшей подверженностью воздействию паразитных шумов и наведенных помех. Кроме того, некоторые ошибки проектирования цифровых схем легче исправить, удалив часть проводников или, напротив, добавив новые перемычки.

Кроме того, современные электронные устройства могут иметь смешанный вход, который способен принимать и аналоговые, и цифровые сигналы. Как правило, в его конструкцию входит контроллер, включающий аналогово-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь. Другой подход заключается в использовании аппаратных кодеков – микросхем, выполняющих одновременно функции АЦП и ЦАП. Но даже в таких входах аналоговая схема должна быть еще на этапе проектирования отделена от цифровой, чтобы в ней не возникали помехи из-за работы высокочастотных компонентов.