Hoofdstuk 1: Analoog versus digitaal

Transcriptie

1 Hoofdstuk : Analoog versus digitaal. Inleiding De noodzaak tot uitwisseling van informatie bestaat al sinds het ontstaan der mensheid. Vooral met behulp van de menselijke zintuigen, zoals het spreken en luisteren, werd er in het beging der mensheid informatie uitgewisseld. Sindsdien heeft de mens echter al heel wat evoluties doorgemaakt. Zo werden er steeds betere hulpmiddelen uitgevonden om informatie uit te wisselen. Denken we maar aan het gebruik van de tamtam, de rooksignalen, het tekenschrift, enzovoort. Ook de boekdrukkunst heeft veel bijgedragen tot het uitwisselen van informatie. De grootste evolutie is er echter gekomen door de opkomst van de elektriciteit en van de elektronica. De vooruitgang werd daardoor enorm. Denken we maar aan de telegraaf, de telefoon, de radio en televisie, enzovoort. Waar in vorige eeuwen de vooruitgang traag verliep hebben we in de 20 ste eeuw de grootste en snelste vooruitgang ooit geboekt. Heden ten dage beschikken we met de computer en het internet over moderne informatiesystemen die het mogelijk maken om in fracties van seconden en over onbeperkte afstanden informatie uit te wisselen. Met de computer kunnen we allerhande taken vervullen, zoals tekstverwerking, tekenen, simuleren, boekhouden, stockbeheer, facturatie, enzovoort. Ook elektronisch bankieren is heden ten dage voor niemand nog een onbekend gegeven. Via het internet staan we met de hele wereld in contact, denken we maar aan en, opvragen en uitwisselen van gegevens, enzovoort. We leven dus in een wereld die razendsnel aan het evolueren is waarbij, dank zij de Elektronica en vooral de Digitale techniek, het leven op veel punten gemakkelijker gemaakt wordt. In de rest van dit hoofdstuk gaan we de twee methoden om informatie voor te stellen, namelijk de analoge en de digitale methode, van nabij beschouwen. De bedoeling is om het verschil tussen beiden te verduidelijken en hun specifieke voor- en nadelen te onderzoeken. Elektronica: Digitale Techniek. Hoofdstuk.

2 .2 Analoge en digitale informatie.2. Bereiken van een bepaald niveau Wanneer we een niveauverschil moeten overbruggen dan kunnen we gebruik maken van bijvoorbeeld een balk of van een trap of ladder. Hoogste niveau Laagste niveau Maken we gebruik van een balk dan kunnen we tussen het laagste en het hoogste niveau alle mogelijke niveaus innemen en dat afhankelijk van de grootte van onze stappen. In feite komt het erop neer dat er tussen het laagste en het hoogste niveau oneindig veel mogelijke niveaus kunnen ingenomen worden. Dit valt te vergelijken met een lampje dat gevoed wordt met een regelbare bron. De lichtsterkte van de lamp kan dus tussen minimum en maximum alle mogelijke waarden aannemen. + - Maken we gebruik van een trap of ladder dan kunnen we slechts een beperkt aantal welbepaalde niveaus innemen afhankelijk van het aantal en de hoogte van de trappen. Dit valt te vergelijken met een lampje dat via een omschakelaar gevoed wordt door batterijen met gelijkmatig oplopende spanningswaarden. Het lampje kan dus maar oplichten met een aantal welbepaalde vaste lichtsterkten V 4V 3V 2V V Elektronica: Digitale Techniek.2 Hoofdstuk.

3 .2.2 Informatieverstrekking in een auto Twee belangrijke informatieverstrekkende instrumenten in een auto zijn de snelheidsmeter en de kilometerteller De snelheidsmeter De informatie snelheid wordt ons verschaft door de snelheidsmeter en de informatie afgelegde weg wordt ons verschaft door de kilometerteller. De naald van de snelheidsmeter kan tussen o kilometer per uur en de maximumsnelheid alle tussengelegen snelheden aanduiden. De informatie snelheid wordt dus op een continue wijze medegedeeld. Elke snelheidsvariatie uit zich dus onmiddellijk in een verdraaiing van de naald van de snelheidsmeter. Indien we de snelheid zouden omzetten in een evenredige spanning, dan onstaat hieruit een analoog signaal zoals hieronder afgebeeld. U De kilometerteller t Voorbeeld van een analoog signaal De kilometerteller van een nieuwe auto staat theoretisch op nul Na één kilometer gereden te hebben verspringt het meest rechtse cijfer (het minst beduidende cijfer) van 0 naar meest beduidende cijfer minst beduidende cijfer Na de negende kilometer wordt het minst beduidende cijfer op 0 gezet en wordt een overgedragen naar de tientallen Na verloop van tijd staan alle vakjes van de kilometerteller op Als er nu nog één kilometer wordt gereden, dan wordt de teller teruggesteld op 0 of gereset. Elektronica: Digitale Techniek.3 Hoofdstuk.

4 Voorbeeld van analoge en digitale aflezing van het vloeistofpeil bij een niveaumeting. Niveau Display Cellen Tank Peilglas Niveau digitaal analoog 0 0 t Getal = digitale meting Niveau = analoge meting Voorbeeld van digitale en analoge aflezing bij niveaumeting Het niveau van de vloeistof in de tank kan gemeten worden met een geijkt peilglas. Dit is een analoge meting omdat tussen minimum en maximum alle tussengelegen waarden kunnen afgelezen worden. Een andere manier om het peil in de tank te bepalen bestaat erin om langs de ene zijde van de tank lichtbronnen en langs de andere zijde lichtgevoelige elementen te plaatsen. Bij wijze van overeenkomst nemen we aan: - dat er geen spanning wordt opgewekt als de lichtgevoelige elementen belicht worden. Dus geen vloeistof tussen de lichtbron en het lichtgevoelig element = geen spanning = symbool 0 op de display. - dat er wel spanning wordt opgewekt als de lichtgevoelige elementen niet belicht worden. Dus wel vloeistof tussen de lichtbron en het lichtgevoelig element = wel spanning = symbool op de display. Omdat slechts welbepaalde (=discrete) spanningstoestanden kunnen optreden is de aflezing digitaal. Immers een cel is al of niet belicht, dus een alles of niets toestand. Het getal 00 stemt bijgevolg overeen met een bepaald niveau. Bemerking: Bij de niveaumeting stellen we vast dat enkel getallen voorkomen die de cijfers 0 en bevatten en dat in tegenstelling tot de getallen op de kilometerteller. (Zie verder in de cursus) Elektronica: Digitale Techniek.4 Hoofdstuk.

5 Besluit: * De analoge voorstelling van informatie houdt in dat deze informatie omgezet wordt naar een hiermee evenredige grootheid. De snelheid van de auto bijvoorbeeld wordt dus omgezet in een evenredige spanning die dan de naald van het meetinstrument over een evenredige hoek doet verdraaien. Analoge informatie kan, binnen zekere grenzen (min.-max.), alle waarden aannemen. Analoge signalen verlopen continu en kunnen dus een oneindig aantal niveaus bezitten. Bij het aflezen van analoge aanduidingen kunnen er echter fouten optreden door een foutieve afleestechniek en het schatten tussen twee schaalstrepen in. * De digitale voorstelling van informatie houdt in dat deze informatie voorgesteld wordt door een getal. Digitale voorstelling van informatie verloopt in stappen. Digitale signalen verlopen discontinu of m.a.w. ze bezitten slechts een beperkt aantal duidelijk van elkaar gescheiden of discrete niveaus. In onderstaande figuren worden een trapspanning en een digitaal signaal weergegeven. U U Discrete niveaus max. niveau 0 t 0 t min. niveau Trapspanning: elk spanningsniveau stemt overeen met een bepaald cijfer Digitaal signaal in functie van de tijd Bij het aflezen van digitale informatie bestaat er geen dubbelzinnigheid, iedereen leest immers hetzelfde getal af. * Bij digitale signalen moeten we echter rekening houden met een zekere graad van onnauwkeurigheid. In ons voorbeeld met de kilometerteller was de aanduiding van de afgelegde weg slechts op kilometer na nauwkeurig. * Hoe kleiner dus de stappen worden, hoe nauwkeuriger de aanduiding wordt. Denk in dat verband aan een digitale weegschaal in een groentewinkel en digitale precisieweegschaal van een apotheker. Bij de weegschaal van een groentewinkel zullen de stappen misschien gram Elektronica: Digitale Techniek.5 Hoofdstuk.

6 bedragen terwijl de stappen bij de precisieweegschaal van een apotheker misschien microgram bedragen. SAMENGEVAT: ANALOOG CONTINU DIGITAAL IN STAPPEN.3 Verwerken van informatie In de Digitale techniek spreekt men naast informatie ook van gegevens of data. Bij het verwerken van informatie doorlopen we een aantal stappen, zoals: - Informatie opnemen - Informatie onderzoeken - Informatie behandelen - Informatie bewaren - Informatie verspreiden Dit proces van opname, onderzoek, behandeling, registratie en verspreiding noemt men informatie- of gegevensverwerking. (dataverwerking, datahandling, dataprocesssing) Elektrische signalen zijn uiteraard ook dragers van informatie. Zo kan bijvoorbeeld de amplitude van een signaal de informatie volume weergeven en de frequentie van een signaal de informatie toonhoogte. Signaalverwerking komt dus ook neer op informatieverwerking. Als voorbeeld beschouwen we het blokschema van een audioinstallatie die bestaat uit een microfoon als opnemer, een versterker als signaalverwerkend gedeelte en een luidspreker als omvormer. OPNEMER SIGNAALVERWER- OMVORMER KEND GEDEELTE MICROFOON VERSTERKER LUIDSPREKER Niet elektrisch Elektrisch Elektrisch Niet elektrisch signaal signaal signaal signaal Blokschema van een audioinstallatie De microfoon zet het geluid, dat een niet elektrisch signaal is, om in een elektrisch signaal. Dit zwakke elektrisch signaal wordt versterkt door de versterker waarna het sterkere elek- Elektronica: Digitale Techniek.6 Hoofdstuk.

7 trisch signaal toegevoerd wordt aan de luidspreker die het elektrisch signaal terug omzet in geluid, dus in een niet elektrisch signaal. In digitale- en computertechnieken wordt de informatie toegevoerd via een ingangsbouwsteen die men kortweg input noemt. Veel voorkomende inputapparaten zijn het toetsenbord, magnetische schijven en halfgeleidergeheugens. Na de input wordt de data gecontroleerd en bewerkt in de Centrale VerwerkingsEenheid of C.V.E. In het engels noemt de C.V.E. de Central Processing Unit of C.P.U.. De C.P.U. is een geïntegreerde schakeling of Integrated Circuit, afgekort I.C., de microprocessor dus. De bewerkte informatie wordt dan onthouden in een geheugenbouwsteen of memory die bestaat uit halfgeleidergeheugens. Via de uitgangsbouwsteen of output kan de informatie overgedragen worden naar het uitgangsapparaat waardoor de informatie medegedeeld wordt aan de gebruiker. Veel voorkomende uitgangsapparaten zijn het beeldscherm of monitor, de afdrukeenheid of printer, het tekenapparaat of plotter en magnetische schijven. Parallel aan het blokschema van een audioinstallatie kunnen we dus ook voor een digitaal verwerkingssysteem of computer een blokschema opstellen. MEMORY INPUT C.P.U. OUTPUT Blokschema van een digitaal verwerkingssysteem.4 Binaire informatie In computertechniek werkt men uitsluitend met Binaire informatie. Binaire informatie is een vorm van discrete informatie door slechts twee (bi) mogelijke toestanden te gebruiken, namelijk 0 en. Er wordt dus gewerkt met twee duidelijk van elkaar gescheiden of discrete niveaus. Door het gebruik van deze twee discrete toestanden komen we dus technisch tot zeer eenvoudige schakelingen die enkel een alles of niets toestand moeten kunnen aannemen. Elektronica: Digitale Techniek.7 Hoofdstuk.

8 Het valt te vergelijken met een schakelaar die open of gesloten is, een transistor die in geleiding is of gesperd, een schakeling waar spanning of geen spanning aanwezig is, een toestand die waar of niet waar is, enz... De basis voor deze logica is reeds gelegd in 854 door George Boole, waarna Claude Shannon in 938 -steunende op de Algebra van Boole - een methode ontwikkelde om schakelingen met schakelaars voor te stellen door wiskundige uitdrukkingen. Vandaar dat de algebra van Boole ook schakelalgebra wordt genoemd. De gebruikte symbolen in deze schakelalgebra (0 en ) noemt men binary digits of binaire cijfers. Binary digit wordt afgekort tot bit. Met de informatie-eenheid bit kunnen uiteraard slechts twee verschillende toestanden worden weergegeven, namelijk 0 en. Immers, elke variabele (b.v. schakelaar) kan slechts 2 verschillende toestanden aannemen. Met ingangsvariabele kunnen dus 2 = 2 mogelijke ingangscombinaties worden weergegeven, namelijk 0 en. Met 2 ingangsvariabelen kunnen er reeds 2 2 = 4 verschillende ingangscombinaties worden weergeven, namelijk Met 3 variabelen kunnen er dus 2 3 = 8 verschillende ingangstoestanden worden weergegeven, enz... Het grondtal van binaire informatie is dus 2, dus staat het cijfer 2 voor het aantal mogelijke toestanden van een variabele (0 en ) en de macht van 2 staat voor het aantal variabelen. Samengevat kan gesteld worden dat er bij n variabelen, 2 n mogelijke ingangscombinaties zijn..5 Reproductie van analoge en digitale signalen Digitale signalen bezitten ten opzichte van analoge signalen belangrijke voordelen wanneer het op reproduceren aankomt. * Digitale signalen zijn onbeperkt te reproduceren. Allerhande gegevens en programma s kunnen opgeslagen worden op magnetische schijven zoals de harddisk en de floppydisk. Deze gegevens of programma s worden opgeslagen onder de vorm van nullen en enen. Van deze magnetische schijven kunnen onbeperkt kopieën gemaakt worden zonder verlies van kwaliteit. * Analoge signalen zijn moeilijk zonder verlies van kwaliteit te kopiëren. Elektronica: Digitale Techniek.8 Hoofdstuk.

9 Het kopiëren van een plaat of cassette gaat steeds gepaard met een zeker verlies aan kwaliteit. Het maken van kopieën van kopieën leidt al vlug tot onherkenbare of vervormde klanken. * Digitale signalen bezitten een gedefinieerde nauwkeurigheid. Deze nauwkeurigheid wordt uitsluitend beperkt door het aantal bits. Vervorming van een digitaal signaal, binnen bepaalde grenzen, verandert niets aan de signaalinhoud. Binaire signalen kunnen herhaaldelijk door een digitaal systeem verwerkt worden zonder verlies aan kwaliteit. Denk daarbij aan de compactdisc. Analoge signalen, zoals van een cassette, zullen na veelvuldig gebruik en bij de geringste afwijking een vervorming van het signaal tot gevolg hebben. * Digitale signalen zijn relatief eenvoudig op te slaan in geheugenbouwstenen. * Het verwerken van digitale signalen kan met een veel hogere snelheid gebeuren dan bij analoge signalen. Elektronica: Digitale Techniek.9 Hoofdstuk.