Analog ve Sayısal Kavramlar

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ Temel Elektronik Dersleri 14.Hafta Analog ve Sayısal Kavramlar

Bilim, teknoloji, ticaret ve benzeri bir çok alan büyüklükler ile ilgilenmektedir. Bu alanların ilgilendiği büyüklükler; ölçülebilme, görüntülenebilme, kaydedilebilme, aritmetik olarak hesaplanabilme, vb. özelliklere sahiptir. Büyüklükler ile işlem yapıldığı zaman onların sahip oldukları değerleri etkin ve güvenli olarak ifade etmek büyük bir önem taşır. Büyüklüklerin sayısal değerlerini ifade etmede, analog ve sayısal olarak isimlendirilen iki yöntem kullanılır. İfade edilen büyüklüklerin, taşınabilir fiziksel büyüklüklere, örneğin bir gerilim veya akım şekline dönüştürülmeleri gerekebilir.

Gerek fiziksel büyüklükleri dönüştürme işleminde, gerekse de bilginin işlenmesi / iletilmesinde temel olarak analog ve sayısal (dijital) işaretlerden faydalanılır. Analog ve sayısal işaretler özelliklerine uygun devrelerde (sistemlerde) işlemlere tabi tutulduktan sonra, çıkış birimi olarak isimlendirilen göstergeler yardımıyla insanlar için anlamlı hale getirilir. Bu durumda karşımıza analog ve sayısal kavramları ve her bir kavram ile birlikte büyüklük, işaret, gösterge ve sistem terimleri ortaya çıkmaktadır.

Analog Büyüklük, Analog İşaret, Analog Gösterge ve Analog Sistem

Sahip oldukları değerler belirli sınırlar içerisinde devamlı olarak değişen büyüklük, ‘analog büyüklük’ olarak isimlendirilir. Diğer bir deyişle; sonsuz sayıda ara değer alabilen büyüklük, analog büyüklük olarak tanımlanır. Fiziksel bir büyüklük bilgi şekline dönüştürülürken, bilgiyi temsil eden işaret doğrudan doğruya fiziksel büyüklüğün benzeri ise oluşan işaret ‘analog işaret’ olarak adlandırılır (Şekil 1.1.a). Sürekli (continuous) işaretler olarak da isimlendirilen analog işaretler bilhassa ölçü ve ayar tekniğinde kullanılır.

Şekil 1.1. Analog işaret, analog sistem ve analog gösterge

Giriş ve çıkış işaretleri şekil olarak benzeyen elektronik devreye / sisteme, ‘analog (lineer-doğrusal) devre’ veya ‘analog sistem’ denir (Şekil 1.1.b). Analog sisteme en iyi örnek mikrofonlardır. Mikrofonlarda, konuşma ile oluşan ses basıncıyla orantılı olarak bir çıkış gerilimi üretilir. Üretilen çıkış geriliminin değeri, girişteki ses basıncına bağlıdır. Yaygın olarak kullanılan analog sistemlere örnek olarak, telefon sistemleri, manyetik kasetler ve termostatlar verilebilir.

Analog işaretleri giriş bilgisi olarak kullanan analog sistemin çıkışından elde edilen bilgiler, analog göstergelerde anlamlı hale getirilir. Büyüklükleri, iki sınır değer arasında çok sayıda ara değerler şeklinde ifade eden göstergelere, ‘analog gösterge’ denir. Analog bilgilerin gösterilmesi genelde gösterge içerisinde skala ve ibre ile yapılır. Otomobildeki hız göstergesi, odadaki termostat analog göstergelerdir. Bu göstergelerde, otomobildeki hız göstergesinin 0 ile 180 km-saat, analog ölçü aletindeki skalanın 0 ile 1000V arasında olması gibi, iki sınır değeri bulunur (Şekil 1.1.c).

Sayısal Büyüklük, Sayisal İşaret, Sayısal Sistem ve Sayısal Gösterge

Yalnızca iki değer alabilen (var-yok, açık-kapalı, vb.) büyüklük, ‘sayısal büyüklük’ olarak isimlendirilir. İki değerlikli büyüklük, işaret şekline dönüştürülürken yalnızca iki değere sahip işaret şeklinde gösterilir. Sayısal büyüklüğü göstermek için kullanılan ve ‘0’, ‘1’ gibi iki değer alabilen işaret, ‘sayısal işaret’ olarak adlandırılır (Şekil 1.2.a). Sayısal işaretin aldığı değerler zıplayarak (adım adım) değişir. Sayısal işarette 0’dan 1’e ani değişim pozitif yönde ise ‘pozitif lojik’, ani değişim negatif yönde ise ‘negatif lojik’ denir (Şekil 1.3).

Şekil 1.2. Sayısal işaret, sayısal gösterge ve sayısal sistem

Sayısal işaretlerin aldıkları değerleri göstermek için 0-1, L-H (Low-High) sembolleri kullanılır. Sayısal teknikte kullanılan bu sembollerin çeşitli fiziksel anlamları olabilir. Sembollerin ifade ettiği anlamlardan birkaçı Tablo 1.1’de sıralanmaktadır.

Şekil 1.3. Pozitif ve negatif lojik işaretler

Fiziksel büyüklükleri veya bilgileri sayısal işaretlerle (yalnızca 0 ve 1 değerleriyle) ifade ederek işleyen devrelere / sistemlere, ‘sayısal sistemler’ veya ‘sayısal devreler’ (dijital devreler) denir (Şekil 1.2.b). Sayısal sistemleri oluşturan devreler, genelde elektronik devreler olmakla birlikte, mekanik, manyetik veya pnömatik olabilir. Sayısal sistemlere örnek olarak; genel amaçlı sayısal bilgisayarlar, sayısal telefon santralleri, sayısal voltmetreler, frekans sayıcılar, trafik ışık kontrol sistemleri, hesap makineleri, sayısal saatler ve elektronik daktilolar gösterilebilir.

Tablo 1.1. ‘0’ ve ‘1’ değerlerinin ifade edebileceği fiziksel anlamlar.

Sayısal sistemler yaptıkları işlemlere göre 3 genel grup altında incelenebilir:

1- Bileşik (Combinational) Sayısal Sistemler : Devrenin çıkışı, girişlerin o anki durumu ile doğrudan ilgili olan lojik devrelerdir. Temel lojik kapılarla yapılan tasarımlar ve toplayıcı / çıkarıcı devreleri örnek olarak gösterilebilir.

2- Ardışıl (Sequential) Sayısal Sistemler : Sistemin daha önceden sahip olduğu konum ve hali hazırdaki giriş değişkenlerinin durumlarına bağlı olduğu sistemlerdir. Örneğin; sayıcılar, kaydırıcılar.

3- Bellek (Storage) Sistemleri : Ardışıl lojiğin belirli bir durumunun saklandığı lojik devrelerdir. Sayısal sistemlerin çıkışından elde edilen bilgileri anlaşılabilir biçime dönüştürmek için sayısal göstergelerden faydalanılır. Sayısal gösterge olarak, 7 parçalı gösterge, sıvı-kristal göstergeler (LCD) v.b. olarak isimlendirilen elemanlardan faydalanılır (Şekil 1.2.c). Bu elemanların özellikleri ilgili bölümlerde incelenecektir.

Sayısal ve Analog Tekniklerin Karşılaştırılması

Elektronikte daha önce analog teknik kullanılarak yapılan uygulamalar günümüzde sayısal teknikler kullanılarak yapılmaktadır. Analog teknikten, sayısal teknik kullanmaya doğru olan bu talebin nedenleri şöyle özetlenebilir:

1- Sayısal sistemlerin tasarımı daha kolaydır: Anahtarlama montajı kullanıldığından, akım ve gerilimin kesin değerleri önemli değildir. Önemli olan ‘1’ ve ‘0’ değerleridir.

2- Sayısal sistemlerde bilgi saklaması kolaydır: Sayısal sistemlerde kullanılan yöntemlerle bilgilerin bir yere konması, onun alınması ve gerektiği kadar elde tutulması mümkündür.

3- Doğruluk (accuracy) ve birbirine bağlanabilecek devrelerin sayısı daha yüksektir: Analog devreler üç-dört basamaklı olabilirken, sayısal devrelerde daha çok sayıda devrenin birbiriyle irtibatı mümkündür. Çünkü gerilim ve akım değerleri doğrudan elektronik elemanlara bağımlıdır.

4- Sayısal devrelerde işlemler programlanabilir: Sayısal sistemleri tasarlamak, sistemdeki işlemler saklanabilen komutlar (program) tarafından kontrol edildiğinden kolaydır. Analog sistemler de programlanabilir ancak programlanabilecek işlemlerin esnekliği ve kompleksliği oldukça sınırlıdır.

5- Sayısal devreler gürültüden daha az etkilenir: Sinyallerin gürültüden etkilenmesi analog sistemlerdeki kadar kritik değildir. Çünkü sayısal sinyallerin değerleri 1 ve 0 olarak kabul edilen gerilim sınırlarını zorlamadığı sürece önemli değildir.

6- Sayısal sistemlerde bir entegre içerisine daha fazla sayıda sayısal devre elemanı yerleştirilebilir: Her ne kadar analog elemanlarda entegre devre içerisine yerleştirilse de, belirli elemanların entegre içerisine yerleştirilmesi (yüksek değerli kondansatörler, bobinler, transformatörler vb.) ekonomik değildir. Bu da sayısal elemanların entegre içerisine yerleştirilmesini avantajlı duruma getirmektedir.

Bütün bu avantajların yanında sayısal sistemlerin dezavantajı, günlük hayatımızda kullandığımız büyüklüklerin büyük bir kısmının analog olmasıdır. Analog ve sayısal sistemleri açıklayıp, iki sistemi karşılaştırdıktan sonra, aklımıza ‘sayısal sistemlerde iki seviyeli sistemin kullanılma sebebi ve tüm bilgileri / verileri iki seviyeli olarak ifade etmemizin amacı nedir?’ diye bir soru gelebilir. Bu sorunun en iyi cevabı; sayısal sistemlerin tarihini inceleyerek verilebilir.

1950’lerde geliştirilen ilk sayısal sistemler, onlu sayı sistemini ifade etmek için 10 farklı seviye yani 10 farklı gerilim kullanılıyordu (0=0V, 1=1V, 2=2V, 3=3V, ….9=9V gibi). Bu mantıkla oluşturulan sayısal devreler 10 farklı gerilim seviyesini ayırt etmek ve ayırt ettiği değerlere göre işlem yapmak zorunda idi. Bu durum, çok karmaşık devrelerin oluşmasına ve seviyelerin karışma olasılığının yüksek olmasına neden oluyordu. Bu problem, on seviyeli sistem yerine iki seviyeli sistemin kullanılması ile çözüldü ve bu çözüm hala geçerliliğini koruyor.

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ Temel Elektronik Dersleri 14.Hafta Analog ve Sayısal Kavramlar