Resumen
Vivimos en un mundo analógico. Hay una cantidad infinita de colores para pintar un objeto (aun cuando las diferencias son imperceptibles a nuestros ojos), hay un número infinito de tonos que podemos oír, y un número infinito de olores que podemos oler. El tema en común de todas estas señales análogas son sus posibilidades infinitas.
Las señales discretas operan en el mundo de lo discreto o finito, lo que significa que hay una limitada cantidad de valores que pueden tomar. Esto podría significar dos valores en total, 255, 4294, 967, 296, o cualquier cosa siempre y cuando no sea ∞ (infinito).
Trabajar con la electrónica significa tener que lidiar con señales análogas y digitales, entradas y salidas. Nuestros proyectos de electrónica deben interactuar con el mundo real y análogo de alguna forma, pero la mayoría de nuestros microprocesadores, computadores, y unidades lógicas son componentes únicamente digitales. Estos dos tipos de señales son como distintos lenguajes electrónicos; algunos componentes son bilingües, otros solo pueden entender y hablar uno de los dos.
En este tutorial, vamos a cubrir lo básico de las señales digitales y análogas, incluyendo ejemplos de cada una. También hablaremos sobre los circuitos y componentes análogos y digitales
Lecturas Sugeridas
Los conceptos de análogo y digital no requieren mucho conocimiento previo sobre la electrónica. Aun así, si no lo ha hecho aún, debería revisar algunos de estos tutoriales:
- Voltaje, Corriente Resistencia y la Ley de Ohm.
- ¿Que es un Circuito?
- Y algunos conceptos matemáticos: Leer gráficos, y entender la diferencia entre conjuntos finitos e infinitos
Señales Analógicas
Definición: Señales.
Antes de ahondar más, deberíamos hablar un poco de lo que realmente es una señal, específicamente señales eléctricas. Las señales de las cuales vamos a hablas son “cantidades” que varían en el tiempo que llevan algún tipo de información. En la ingeniera eléctrica la cantidad que varía en el tiempo es generalmente el voltaje (si no es eso, entonces generalmente es la corriente) Entonces, cuando hablamos de señales, solo piense en ellas como voltajes que varían en el tiempo.
Las señales son pasadas entre dispositivos para enviar y recibir información, la cual puede ser video, audio o algún tipo de dato codificado. Generalmente las señales son transmitidas a través de cables, pero también podrían pasar a traves del aire vía ondas de radio frecuencia (RF). Las señales de audio, por ejemplo, pueden ser transferidas entre la tarjeta de audio del computador y los parlantes, mientras las señales de datos podrían ser pasadas a través del aire entre una Tablet y un router WiFi.
Gráficos de Señal Analógica
Debido a que una señal varía en el tiempo, puedes ayudarte dibujando un gráfico donde el tiempo se visualiza en el eje horizontal x, y el voltaje en el eje vertical y. Ver el grafico de una señal es generalmente la forma más sencilla de identificar si es análoga o digital; un gráfico tiempo vs voltaje de una señal analógica debería ser Pareja y Continua.
Mientras estas señales se podrían limitar a un rango de valores máximos y mínimos, aún hay un número infinito de posibilidades dentro de ese rango. Por ejemplo, el voltaje análogo que sale de su enchufe domiciliario puede ser entre -220 V a +220 V, pero, mientras más aumenta la resolución puede encontrar un número infinito de valores (como 64.4 V, 64.2 V, 64.424 V, e infinitos valores que aumentan en su precisión).
Ejemplo de Señales Analógicas
Las transmisiones de video y de audio comúnmente son transferidas o grabadas usando señales análogas. El video compuesto que sale de una salida RCA, por ejemplo, es una señal análoga codificada que va desde 0 ha 1.073 V. Cambios pequeños en la señal tienen un gran efecto en el color o la ubicación del video.
Una señal análoga representando una línea de datos de video compuesto.
Las señales de audio pura también son análogas. La señal que sale de un micrófono está llena de frecuencias analógicas y harmonías, las cuales se combinan para crear una hermosa música.
Señales Digitales
Las señales digitales deben tener un conjunto finito de posibles valores. El número de valores en el conjunto puede ser desde dos hasta un número muy grande que no sea infinito. Las señales digitales más comunes van a ser uno de dos valores, por ejemplo desde 0V o 5V. Los gráficos de tiempo de estas señales parecen ondas cuadradas.
Una señal digital puede ser una representación discreta de una onda análoga. Cuando se observa de lejos, la función de la onda mostrada abajo se puede ver pareja y análoga, pero cuando se mira de cerca hay varios escalones discretos a medida que la señal trata de aproximar los valores:
Esa es la gran diferencia entre ondas análogas y digitales. Las ondas análogas son parejas y continuas, mientras las ondas digitales son escalonadas, cuadradas, y discretas.
Ejemplo de Señales Digitales
No todas las señales de audio y video son análogas. Las señales estandarizadas para video (y audio) tales como HDMI, MIDI, I2C, o AC’97 para audio son todas transmitidas digitalmente.
La mayoría de las comunicaciones entre circuitos integrados son digitales. Las interfaces como serial, I2C, y SPI todas transmiten datos vía una secuencia codificada de ondas cuadradas.
Interface Serial Periférica (SPI) usa muchas señales digitales para transmitir datos entre componentes.
Circuitos Análogos y Digitales
Electrónica Análoga
La mayoría de los componentes electrónicos fundamentales (resistencias, capacitores, inductores, diodos, transistores, y amplificadores operacionales) son todos inherentemente análogos. Circuitos construidos a partir de una combinación de solo estos componentes son generalmente análogos.
Los circuitos Análogos son generalmente combinaciones complejas de amplificadores operacionales, resistencias, capacitores, y otros componentes electrónicos fundamentales. Este es un ejemplo de un amplificador de audio de clase B.
Los circuitos análogos pueden ser diseños muy sofisticados y con muchos componentes, o pueden ser muy simples, como dos resistencias combinadas creando un divisor de voltaje. En general, los circuitos análogos son más difíciles de diseñar que aquellos que realizan la misma tarea digitalmente. Se requiere una expertiz especial para diseñar por ejemplo un receptor de radio análogo, o un cargador de batería análogo; los componentes digitales existen para hacer estos diseños mucho más simples.
Los circuitos análogos son generalmente más susceptibles al ruido (pequeñas, e indeseadas variaciones en el voltaje). Pequeños cambios en el nivel de voltaje de una señal análoga puede producir errores significativos cuando está siendo procesado.
Electrónica Digital
Los circuitos Digitales operan usando señales digitales discretas. Estos circuitos son generalmente realizados utilizando una combinación de transistores, compuertas lógicas, y en niveles más altos, microcontroladores u otros chips computacionales. La mayoría de los procesadores, ya sean grandes procesadores como los de un computador, o pequeños microcontroladores, operan en el mundo digital.
Los circuitos digitales usan componentes como compuertas lógicas, o circuitos integrados más complejos (generalmente representados por rectángulos con pines rotulados saliendo de ellos).
Los circuitos digitales generalmente usan un esquema binario para la señalización digital. Estos sistemas asignan dos voltajes diferentes como dos distintos niveles lógicos: un voltaje alto (generalmente 5 V, 3.3 V, o 1.8 V) representa un valor y un voltaje bajo (generalmente 0 V) representa otro.
Aunque los circuitos digitales son generalmente más fáciles de diseñar, ellos tienden a ser un poco más caros que un circuito análogo con la misma función.
Análogo y Digital Combinando
No es raro ver una mezcla de componentes análogos y digitales en un mismo circuito. Aunque los microcontroladores son generalmente bestias digitales, generalmente tienen un circuito interno que les permite interconectarse con circuitos análogos (conversores análogo-digitales, modulación de ancho de pulso, y conversor digital-análogo). Un conversor análogo-digital permite que un microcontrolador se conecte a un sensor análogo (como fotoceldas o sensores de temperatura), para leerlas en un voltaje análogo. El conversor digital-análogo, que es menos común, permite que un microcontrolador produzca voltajes análogos, lo cual es común en aplicaciones para hacer por ejemplo sonidos.