Nội dung bài viết
Ngọc Thanh Trong ngành điện tử nói chung và trong lập trình vi điểu khiển nói riêng, ta luôn thấy có sự có mặt của hai loại tín hiệu: Analog (tín hiệu tương tự) và Digital (tín hiệu số). Vậy nó là gì ? Và công dụng của nó như thế nào trong việc giao tiếp với vi điều khiển? Bài viết này sẽ giúp bạn trả lời những câu hỏi trên.

Giới thiệu

Trong ngành điện tử nói chung và trong lập trình vi điểu khiển nói riêng, ta luôn thấy có sự có mặt của hai loại tín hiệu: Analog (tín hiệu tương tự) và Digital (tín hiệu số). Vậy nó là gì? Và công dụng của nó như thế nào trong việc giao tiếp với vi điều khiển? Bài viết này sẽ giúp bạn trả lời những câu hỏi trên.

Tiền đề bài viết

Hiện tại trong các bài viết của STDIO, tôi vẫn chưa thấy bài nào đề cập về hai loại tín hiệu này. Bài viết này, tôi hy vọng phần nào đó sẽ giúp cho các bạn hiểu rõ hơn về chúng. Tôi sẽ trình bày bài viết ngắn gọn nhưng đầy đủ và dễ hiểu cho các bạn.

Đối tượng hướng đến

Tất cả các thành viên STDIO có niềm đam mê điện tử, đã và đang làm việc với Arduino.

Tín hiệu là gì?

Tín hiệu ở đây là tín hiệu điện (tránh nhầm với tín hiệu giao thông), là sự thay đổi theo thời gian của điện thế (Volt) hoặc cường độ (Ampe) của dòng diện.

ss_1

Cũng là dòng diện nhưng dòng điện một chiều qua bóng đèn không phải là tín hiệu vì nó không thay đổi theo thời gian. Một số ví dụ về tín hiệu điện: Tín hiệu âm thanh đi qua dây loa, tín hiệu clock trong mạch RC, ...


ss_8       ss_9

Như hình trên ta thấy nó tương tự như cái máy morse đơn giản - Project 1 - Morse Code Translator. Nếu ta nhấn công tắc: tại điểm A, điện thế là 5V, giữ được 1 giây ta nhả ra: điểm A không có điện thế. Ta thấy tại điểm A có sự thay đổi điện thế, hay điểm A có tín hiệu điện.

Xung điện

Trong xử lý tín hiệu số, xung là sự thay đổi đột ngột về biên độ, pha hoặc tần số,... (thường là biên độ) từ giá trị gốc lên giá trị cao, hoặc xuống giá trị thấp hơn, sau đó dần (thậm chí ngay lập tức) về giá trị gốc ban đầu. Có nhiều bạn khi làm việc với động cơ, hay thiết bị khác sẽ bắt gặp đến khái niệm này.

ss_2
(Nguồn: https://en.wikipedia.org)

Sau khi đã giới thiệu sơ về khái niệm cơ bản, chúng ta bắt đầu đi sâu vào 2 loại tín hiệu số và tương tự.

Tín hiệu số (Digital)

Khái niệm

Đây là tìn hiệu rời rạc theo biên độ. Vì trong một thời điểm nó chỉ có một trong hai giá trị là 0 hoặc 1 (ứng với 0V hoặc 5V) được biểu diễn như hình dưới.

ss_3

Trong cuộc sống, ví dụ về tín hiệu số có thể thấy là máy truyền mã morse, tín hiệu trong dây mạng, usb, ...

Công dụng và cách cài đặt

Trong arduino, tín hiệu làm bóng đèn chớp tắt là tín hiệu số (rời rạc theo biên độ, liên tục về thời gian), hay tín hiệu từ nút nhấn (rời rạc theo biên độ lẫn thời gian)... Nếu bạn muốn truyền dữ liệu dưới dạng {0, 1} thì hãy dùng tín hiệu số.

Ví dụ mẫu [1]: Chớp tắt led

int ledPin = 13;      // select the pin for the LED

void setup() {
  // declare the ledPin as an OUTPUT:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // turn the ledPin on
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  // stop the program for 1000 milliseconds:
  delay(1000);
  // turn the ledPin off:
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  // stop the program for for 1000 milliseconds:
  delay(1000);
}

Các hàm trong arduino về xử lý tín hiệu số sẽ có tiền tố "digital" trước mỗi hàm. Ví dụ trên khá quen thuộc, chắc bạn nào cũng đã làm qua rồi. Hàm digitalWrite sẽ thiết lập giá trị đầu ra của pin 13 (0 - 0V hay 1 - 5V). Khi hàm loop() thực hiện xong thì pin 13 cho ra một xung vuông.

ss_10

Tín hiệu tương tự

Khái niệm

Đây là tín hiệu liên tục theo thời gian. Biên đô, pha hoặc tần số dòng điện thay đổi liên tục theo thời gian.

ss_4

Ở hình trên ta thấy điện thế thay đổi theo đồ thị hình sin, không phải rời rạc như tín hiệu số. Trong đời sống, tín hiệu tương tự khá nhiều như sóng âm thanh, sóng ánh sáng, xung não, ... Sự thay đổi của nhiệt độ, đổ ẩm, vận tốc cũng tạo ra đồ thị dạng sin.

Công dụng và cách cài đặt

Khi muốn đo nhiệt độ, vận tốc, độ sáng... bạn không thể nào dùng tín hiệu số được. Chả có nhiệt độ nào chỉ có 0oC hay 1oC. Lúc này, tín hiệu tương tự là cần thiết. Như đã đề cập ở trên, sự thay đổi của nhiệt độ tạo ra đồ thị dạng sin, nên ta xem nhiệt độ là một tính hiệu analog. Đối với đo nhiệt độ bạn ko thể nào làm việc với mức điện áp từ -30V (ứng với -30oC) đến 100V (ứng với 100oC) lúc này ta dùng kỹ thuật chuẩn hóa nó về ngưỡng 0V - 5V vậy nhiệt độ biến thiên sẽ làm điện áp biến thiên trong khoảng 0V - 5V.

Rõ ràng, đối với một thiết bị số, bạn cho tín hiệu tương tự vào nó sẽ không dễ dàng làm việc được. Nhưng rất may là Arduino đã tích hợp bộ chuyển đổi ADC (Analog - Digital Converter) và DAC (Digital - Analog Converter), cho phép các bạn làm việc với tín hiệu tương tự bằng cách chuyển về tín hiệu số và ngược lại.

Ví dụ mẫu [2]: Thời gian nháy đèn thay đổi theo độ sáng.

int sensorPin = A0;    // select the input pin for the potentiometer
int ledPin = 13;      // select the pin for the LED
int sensorValue = 0;  // variable to store the value coming from the sensor

void setup() {
  // declare the ledPin as an OUTPUT:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // read the value from the sensor:
  sensorValue = analogRead(sensorPin);
  // turn the ledPin on
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  // stop the program for <sensorValue> milliseconds:
  delay(sensorValue);
  // turn the ledPin off:
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  // stop the program for for <sensorValue> milliseconds:
  delay(sensorValue);
}

Cũng giống với code ở trên, ta thêm vào dòng

sensorValue = analogRead(sensorPin);

Đồng thời sửa

delay(1000);

thành

delay(sensorValue);

Các hàm trong arduino về xử lý tín hiệu tương tự sẽ có tiền tố "analog" trước mỗi hàm.

ss_6

       ss_5

Vì điện trở của photodiod thay đổi theo độ sáng, có thể xem là tín hiệu tương tự. Nhiều bạn sẽ thắc mắc sao phải mắc như vậy mà không cho (VCC - photodiod - A1) luôn. Mắc nối tiếp như vậy bạn khó thể tính được sự biến thiên điện thế ở chân A0. Chia áp giúp các bạn tính toán được điện áp đầu vào A0 dễ hơn.

Bạn có thể áp dụng analog vào nhiều thứ như phát nhạc, video (chém đấy, arduino không có khả năng làm đâu), dò line (trong robot, mặc dù dùng tín hiệu digital nó tiện hơn), làm đèn chớp (sáng từ từ).

So sánh tín hiệu Digital và Analog

ANALOG DIGITAL
Tín hiệu Liên tục theo thời gian, gần gũi với tự nhiên hơn. Rời rạc theo thời gian, gần gũi với máy tính và thiết bị tính toán.
Công dụng Thường dùng cho đo lường, làm việc với các thiết bị chuyên về analog. Dùng trong tính toán, truyền thông dữ liệu số.
Khả năng lưu trữ Lưu dưới dạng sóng, trên các thiết bị từ (băng từ, đĩa từ,...), chứa nhiều thông tin hơn. Lưu dưới dạng bit, trên các thiệt bị nhớ đắt tiền (fash, rom, ...), chứa ít thông tin hơn.
Truyền thông Lượng dữ liệu truyền đi nhiều hơn và ít bị lỗi. Lượng dữ liệu truyền đi trong 1 khoản thời gian rất ít và dễ bị nhiễu.

Tham khảo

  1. https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Blink
  2. https://www.arduino.cc/en/Tutorial/AnalogInput
THẢO LUẬN
ĐÓNG