¿Cómo es posible convertir una señal analógica en una señal digital?

Answer 1

Un ADC es un dispositivo que convierte una señal analógica en una señal digital equivalente. El proceso de convertir una señal analógica en discreta en la señal de tiempo se denomina “muestreo” y el proceso de convertirlo en una señal de amplitud discreta se denomina “cuantización”. La amplitud máxima de la tensión analógica que el ADC puede convertir se denomina ” voltaje de entrada de escala completa ”del ADC

En un ADC de N bits, el voltaje de entrada de la escala completa se divide en niveles [matemáticos] 2 ^ N [/ matemáticos]. El tamaño del paso está dado por

[math] \ Delta = \ dfrac {A} {2 ^ N} [/ math]

donde A es el rango de entrada máximo.

El tamaño del paso es el cambio mínimo en el voltaje de entrada que puede ser resuelto por el ADC. El concepto de tamaño de paso está estrechamente asociado con la resolución N de ADC.

Por ejemplo, si N = 3 hay 8 niveles.

La onda sinusoidal roja representa la entrada analógica, mientras que la curva azul representa la onda sinusoidal cuantificada con 8 niveles. Los números de 3 bits asociados con cada nivel de la onda sinusoidal cuantificada son las salidas digitales del ADC. Si el rango de entrada es 1 V, el tamaño del paso es 0.125 V. La salida digital 000 corresponde a 0 V y 111 corresponde a 0.875 V. Para la onda sinusoidal que se muestra en la imagen, las salidas ADC binarias son: 100, 101, 110, 111 , 111, 110, 100, 011, 001, 000…

Para mejorar la representación digital, es necesario aumentar la resolución ADC. Para N = 4, hay 16 niveles y el tamaño del paso para el mismo rango de entrada disminuye a 0.0625 V.

Cada nivel ahora está asociado a un número de 4 bits.

Answer 2

Mi comprensión de las señales analógicas y digitales es que las señales analógicas presentan una cantidad infinita de variaciones posibles

Cierto.

mientras que digital puede estar en solo uno de dos estados.

No es verdad. Un solo bit puede tener dos estados. Sin embargo, la información puede ser codificada en múltiples bits. Por ejemplo, una cuantización de 8 bits permite 256 (2 ^ 8) estados. Todavía es un conjunto finito de estados.

La conversión no es reversible. No podemos reproducir la señal exacta de vuelta, desde el conjunto finito de niveles. Sin embargo, eso no significa que estamos perdidos. Muchas aplicaciones son tolerantes a cierto nivel de ruido y distorsión de la señal. Ahora, dados los bits suficientes, las distorsiones introducidas por el proceso de cuantificación se vuelven lo suficientemente pequeñas como para ser ignoradas.

En general, cualquier cosa que hagamos a la señal (ya sea en un dominio analógico o digital) introducirá distorsiones no deseadas en la señal. En el dominio analógico, generalmente aparece en forma de ruido (principalmente ruido térmico) introducido por los componentes. En el dominio digital, las distorsiones ocurren debido a la precisión finita de los módulos involucrados. Un diseño adecuado aseguraría que estas distorsiones sean insignificantes desde el punto de vista de la aplicación en cuestión.

Answer 3

Para una mejor comprensión tomar el concepto de trabajo de la cámara digital.

La cámara toma fotos (imagen) que son de naturaleza analógica. Pero la imagen se almacena en formato digital en las computadoras.

CCD (dispositivo acoplado de carga) juega un papel importante en la cámara. Es una tabla detrás del obturador, al igual que una matriz que no tiene filas ni columnas. Cada fila y columna tienen elementos de almacenamiento de carga y la cantidad de carga almacenada depende de la cantidad de luz que cae en ella.

Por ejemplo, si se enfoca más el brillo, se almacena más carga y, por lo tanto, se aumenta el voltaje en filas o columnas particulares. Si el brillo es menor, se almacena menos cantidad de carga. tan menor el voltaje.

Luego, la cuantización se utiliza para asignar los valores a los colores. En el procesamiento de imágenes, si el voltaje es bajo o cero, se asigna un color negro. Si el brillo es máximo, entonces se asigna el color blanco.

Color blanco – combinación de todos los colores.

Answer 4

No lo sientas. Tuve las mismas dudas cuando comencé a aprender sobre DSP. Estás pensando de la manera correcta.

Voy a comenzar con el proceso de conversión de ADC y lo he explicado tan claramente como puedo.

Señal analógica: continua en tiempo y amplitud.

Considere una señal analógica de audio de 5 segundos con cierta amplitud. Puede encontrar un número infinito de valores de tiempo entre cualquier segundo dado. es decir, entre el primer y el segundo segundo, puede tener un número infinito de valores. Para cada número de valores de tiempo entre cualquier marco de tiempo, también puede encontrar un número infinito de valores de amplitud. Así que son continuos en tiempo y amplitud.

Señal digital: discreta en tiempo y amplitud.

Considere que desea convertir esta señal analógica de 5 segundos en una señal digital y decidió pasarla al convertidor de A a D. Pero como lo haces? Ahí es donde tienes el maravilloso concepto de muestreo y cuantificación.

Muestreo : Solo las computadoras pueden usar la señal digital. Pero imagine una computadora hipotética / sobrenatural que funciona en la señal analógica. Si le pasas datos de 5 segundos, puede tener un número infinito de valores continuos. Probablemente morirá de frustración y obesidad. Por eso es hipotético. Así que las computadoras usan una señal digital que tiene un número finito de muestras. Por lo tanto, para tener un número finito de valores, debe seleccionar cierto número de muestras de un número infinito de muestras. Por eso se llama muestreo en el dominio del tiempo. Así que capturó una muestra, pero ¿cuánto tiempo tendrá que esperar para capturar la siguiente muestra? Se llama período de muestreo T. Su inverso se llama frecuencia de muestreo / frecuencia de muestreo Fs en hercios. Verás este término en todas partes en DSP.

Cuantización : Ahora que se muestrea el dominio del tiempo, ¿qué pasa con la amplitud? Sí, la amplitud también debe ser discreta. Ese proceso se llama cuantización. Usted cuantizará el valor para cada muestra de tiempo que haya capturado en el paso anterior. Ahí es donde terminamos en obtener una mejor resolución / pobre. Probablemente escuchará a los tipos de DSP que hablan: “He aumentado la resolución de la señal de 8 bits a 24 bits”. Los bits no son más que el tamaño de la memoria o la mayor o la máxima precisión que la amplitud puede obtener con respecto a las muestras de tiempo.

Después de cruzar estos dos pasos, boom !! Ahora estás teniendo la señal digital.

Usted preguntó: “Entonces, ¿cómo puede ser posible convertir de analógico a digital sin una enorme pérdida de datos?”

Respuesta : Esa tasa de muestreo de la que estaba hablando, hay una gran teoría llamada teoría de Nyquist detrás de eso. Si elige que su frecuencia de muestreo Fs sea mayor que el doble de la frecuencia máxima en su señal, ¡puede volver a crear sus datos nuevamente! Es una gran teoría para explicar en una respuesta de Quora, pero hay videos maravillosos en Youtube con derivaciones detalladas y explicaciones importantes sobre el aliasing.

Usted también mencionó: “lo digital puede estar en solo uno de dos estados “. No estoy muy seguro de lo que intenta preguntar, pero simplemente asumo que está hablando de un sistema binario en el que solo hay dos formas de representar un número: 1 o 0. Si me equivoco, discúlpeme y publique su Pregunta en el comentario y lo estudiaré.

Feliz DSPing. !!!!

Answer 5

Lo haces con el muestreo, que es un gran tema.
Hay mucha complejidad en hacer el muestreo.
Aquí hay algunas formas de muestreo de señales analógicas.

1. Orden de espera cero
2. Primera orden de espera
3. Representación de la función de Sinc

Lea el Capítulo 3 de mi libro, “Guía intuitiva para el análisis de Fourier y la estimación espectral”, que está disponible en Kindle. O puedes leer este tutorial en mi sitio web.
Capítulo 3 – Serie de Fourier de tiempo discreto

Charan Langton

Answer 6

La conversión de la señal analógica en señal digital se logra mediante un convertidor analógico a digital (ADC). estos convertidores son una especie de dispositivo de codificación que codifica la señal analógica en formato binario (podemos decir señal digital).

Puedes ver en este higo. que se dan señales analógicas a ADC y en la salida obtenemos una secuencia binaria.

La cosa es que se le da una cierta cantidad de voltaje de referencia a estos ADC. Y la comparación se realiza mediante ADC entre ambos (voltaje de referencia y señal analógica). Para esa comparación, el comparador se utiliza en ADC.

De modo que la señal de referencia ofrece un rango para la entrada y proporciona una salida digital de acuerdo. (Es como el proceso de cuantificación.)

Solo estoy dando una idea básica de cómo se hace la conversión.

Answer 7

Eso no es cierto. En primer lugar, los singals analógicos no presentan una “variación infinita”. Si un singal tiene el valor 1 en t = 1, es muy improbable que tenga el valor 1e8 en el momento 1,1, ¿verdad? Esto se debe a que las señales analógicas reales tienen un ancho de banda y no pueden exceder una frecuencia máxima. La frecuencia máxima es un indicador de la variación máxima de la señal, por lo que si la frecuencia máxima es baja, puede tener pocas muestras, ya que la señal variará suavemente entre ellas.

Como se ha dicho, el teorema de Nyquist cuantifica esto afirmando que si realiza una muestra a una frecuencia de dos veces la frecuencia máxima, tendrá toda la información de la señal y podrá reconstruirla perfectamente.

Además, como se ha dicho, los valores binarios se utilizan para formar un valor discreto, por ejemplo, 7 = 111. Dado que incluso si agrega mucha precisión siempre perderá algo de información, el proceso de cuantificación siempre distorsiona la señal y agrega lo que se denomina ruido de cuantificación , que se puede hacer tan pequeño como se desee al agregar más bits a cada número.

Answer 8

Una señal digital no necesita tener solo dos estados: puede tener señales digitales con un número finito de estados distintos. Sin embargo, su punto fundamental es válido: al convertir una señal analógica en una señal digital (un proceso conocido como cuantización), desechamos lo que efectivamente es una cantidad infinita de información.

Sin embargo, la cantidad de información que es útil en una señal analógica es finita, porque la precisión con la que podemos medir incluso las señales analógicas es limitada, y de todos modos siempre hay un cierto nivel de ruido. La incertidumbre de la medición y el ruido nos permiten establecer un umbral finito de sensibilidad por debajo del cual no nos importa. Tome una foto, por ejemplo, una foto digital de alta resolución, con píxeles de menos de 0.1 mm de ancho, se ve igual que una foto analógica para su ojo. Cuando convertimos las señales analógicas a digitales, no necesitamos capturar toda la información de la señal analógica, solo tenemos que muestrear lo suficiente para mantenernos por encima del umbral de información útil (que variará según la aplicación)

Answer 9

En sistemas binarios, una única señal digital de ‘bit’ puede tener solo dos estados representados por un ‘0’ y un ‘1’. Sin embargo, cuando aumenta el número de bits a dos, le permite tener cuatro (es decir, 2 ^ 2) estados representados por 00, 01, 10 y 11. De manera similar, si aumentamos los bits a N, entonces podemos representar 2 ^ N estados , lo que nos permite representar valores muy grandes en formato digital. Por ejemplo, un sistema de 32 bits nos permite representar 4,294,967,296 estados.

Aunque las señales analógicas teóricamente tienen estados infinitos, prácticamente no es posible medirlas incluso con instrumentos analógicos porque el ruido y los errores en los instrumentos de medición dan como resultado imprecisiones en la medición e imprecisiones para variaciones muy pequeñas. También para mediciones prácticas, a menudo no es necesario medir variaciones muy pequeñas.

Answer 10

Simplemente estás confundiendo una señal digital con una señal binaria. Una señal binaria solo puede ser 0 o 1, pero una señal digital, mientras que tiene una representación binaria , puede tener más de un bit. Aquí hay una señal digital de 3 bits: 101 = 5. Ahora, para hacerlo aún más interesante, incluso hay señales digitales con representaciones de punto flotante. En otras palabras, con suficientes bits, puede tener la precisión que desee.

Answer 11

Es ‘parece que’ se está convirtiendo. Eso es todo. No es posible procesar algo que sea analógico ‘finamente’. Por eso ‘muestreamos’ los datos analógicos. Es decir, digamos que tenemos una onda sinusoidal del período 500us. Recopilamos datos en puntos específicos y los procesamos en lugar del rango completo de 500us. Esta recopilación específica de datos es de lo que trata la conversión de ADC. La eficiencia con la que lo haga, en el que muestre todo, depende de la cantidad de información que desee recopilar de la señal ‘analógica’.