giovedì 14 gennaio 2010

circuti digitali e analogici


Introduzione ai sistemi digitali.

I sistemi digitali hanno la caratteristica di operare su segnali digitali. Cosa significa "segnale digitale"? Un segnale digitale è un segnale che non varia con continuità, ma può assumere solo un numero discreto di valori; non esistono valori intermedi tra due livelli contigui successivi. In definitiva, un segnale digitale, è un segnale che può assumere soltanto due valori: l'uno (1) e lo zero (0).
Per completezza, definiamo cosa significa la parola "segnale": in elettronica, qualsiasi valore di tensione (Simbolo: V, Unità di Misura: Volt), corrente (Simbolo: I, Unità di Misura: Ampère) o comunque tutto ciò che porta informazioni relative al funzionamento di un circuito, si definisce come segnale.

Analogico e digitale: due mondi paralleli.
I segnali analogici sono segnali che variano continuamente nel tempo. Essi possono assumere infiniti valori fra due estremi; solitamente, i due estremi sono il valore massimo ed il valore minimo del segnale in esame.
Un esempio di segnale analogico, è la temperatura: supponiamo che la temperatura di un ambiente, nell'arco di una giornata, possa essere compresa tra 18°C e 21°C, assumendo, all'interno dell'intervallo, valori che variano nel tempo; sono infiniti i valori che la temperatura può assumere fra i due estremi (può essere 20°C, ma anche 20,02°C, oppure 19,47°C, ecc.).

I segnali digitali (come abbiamo definito prima), sono segnali che non variano con continuità, ma possono assumere solo due valori: 0 e 1. I numeri 0 e 1 sono detti cifre binarie, in quanto sono le cifre dell'aritmetica in base 2 (o aritmetica binaria); sono indicati anche come bit (da binary digit, o cifra binaria).
Un esempio di sistema digitale è lo stato di un interruttore a due posizioni, in un impianto di illuminazione, che può essere caratterizzato solo da due possibilità: aperto (non circola corrente nel circuito) o chiuso (circola corrente).

I sistemi digitali, a loro volta, si suddividono in combinatori e sequenziali.
I sistemi combinatori sono sistemi in cui l'uscita, in un dato istante, è funzione solo dell'ingresso (o degli ingressi) presente/i in quell'istante.
I sistemi sequenziali invece, sono sistemi la cui uscita non dipende solo dagli ingressi, ma anche dai suoi valori precedenti, cosiddetti stati.
Vedremo qualche esempio di rete combinatoria e sequenziale in dettaglio poco più avanti.

Analogico e digitale: vantaggi e svantaggi.
Le grandezze, in natura, sono per la maggior parte analogiche, pertanto, lo sviluppo tecnologico (soprattutto fino a qualche decennio fa) si è concentrato sui sistemi analogici. Nel corso degli ultimi cinquant'anni, però, i sistemi digitali hanno progressivamente sostituito i sistemi analogici in molte applicazioni, grazie ai seguenti vantaggi.

- Nei sistemi di trasmissione, le grandezze digitali sono meno sensibili ai disturbi.
Si supponga di trasmettere un dato da un trasmettitore A ad un ricevitore B. Rumore e disturbi, per quanto possano essere minimi, sono sempre presenti, sia nel trasmettitore, che nel ricevitore. Ma soprattutto, sono presenti nel mezzo di comunicazione, sia esso un cavo o l'etere (aria). Se, ad esempio, il valore trasmesso è una tensione V = 5V, l'informazione ricevuta potrebbe essere 5,2V, senza che chi riceve abbia la possibilità di tornare al valore originario, in quanto non lo conosce e non è in grado di determinare l'entità dell'errore. Nel caso di trasmissioni digitali, invece, il dato è codificato in una successione di impulsi di valore 0 ed 1; in questo modo, in ricezione, è sufficiente rilevare la presenza o l'assenza di un impulso e quindi, se l'errore è entro certi limiti, è possibile estrarre l'informazione originaria. Ad esempio, se si trasmette il dato 5V mediante una successione di 4 impulsi di valore rispettivamente 0101 (codifica binaria in 4 bit del numero 5), in ricezione si potranno avere impulsi distorti ma, a meno che la deformazione sia eccessiva, si è sempre in grado di valutare se l'impulso è presente o assente, e quindi di ricostruire la successione originaria 0101.

- I sistemi digitali sono più flessibili.
I sistemi digitali sono programmabili per svolgere determinati compiti. Cambiando il programma, il sistema può svolgere una funzione differente, senza dover intervenire sull'hardware.

-I sistemi digitali sono caratterizzati da una velocità più alta nello svolgimento di funzioni complesse.

I sistemi analogici, a loro volta, offrono i seguenti vantaggi:
- sono più facilmente interfacciabili con il mondo esterno, considerato che le grandezze dell'ambiente esterno che interessano di più hanno caratteristiche analogiche;
- lavorano in tempo reale (realtime), cioè non introducono grandi ritardi significativi nelle operazioni di elaborazione e trasmissione dei segnali;
- le apparecchiature realizzate con tecniche analogiche sono spesso caratterizzate da semplicità funzionale e da un costo relativamente basso.



Con questo, concludo la panoramica sui sistemi analogici e digitali. Prossimamente, analizzeremo in dettaglio i sistemi di numerazione (binario, ottale, esadecimale), la conversione analogico-digitale e le porte logiche (base necessaria alla progettazione e realizzazione di reti combinatorie e sequenziali).