Elektronik sistemler analog ve sayısal olmak üzere ikiye ayrılır.
Türkçe karşılığı ‘Sayısal’ olan ‘Dijital’ terimi, Latince “digitus = parmak” sözcüğünden türetilmiş olup, ‘parmakla sayılabilir’ anlamında kullanılan ‘digital’ teriminin okunuşudur.
Analog terimi ise Yunanca “benzer” sözcüğünden gelen, örneksel benzetim anlamında kullanılan ifadedir.
Suyun debisi ve basıncının, elektrikteki gerilim ve akıma benzemesi veya ev ve iş yerlerinde kullanılan AC enerji, analog sinyale örnek olabilir. Analog sistemlerde elektrik sinyalleri sürekli olarak değişir ve belli sınırlar içinde her değeri alabilirler. Örneğin, bir ısıtıcının sıcaklık derecesi, potansiyometre yardımı ile ayarlanıp, ısıtıcının tellerine gelecek olan elektrik miktarı 0 ile maksimum değere kadar farklı aralıklarda, manuel olarak değiştirilebilir. Sayısal sistemlerde ise elektriksel sinyaller olduğu gibi iletilmez. Bu sinyallerin yerine bunlara karşı düşen rakamlar iletilir. Örnekteki (şekil 1.1) ısıtıcı devresinin sayısal kontrolü, ‘0’ ve ‘1’ değerlerinden oluşacağından, yalnızca tek kademeli (aç – kapa) anahtar kullanılarak sağlanabilir. İşlem sonucunda aldığımız değerler 0 (kapalı), 1 (açık) olacaktır.
Şekil 1.1 Analog ve Sayısal Gösterim
Sayısal-Analog Tekniklerin Genel Özellikleri
Elektronikte daha önce analog teknik olarak yapılan uygulamalar günümüzde sayısal teknikler kullanılarak yapılmaktadır. Analog büyüklükler sonsuz sayıda değer içermesine rağmen sayısal büyüklükler sadece iki değer alabilirler. Analog büyüklüklere örnek olarak basınç, sıcaklık gibi bir çok fiziksel büyüklüğü örnek olarak verebiliriz.
Aşağıda yer alan grafiklerde, fiziksel büyüklükler olan Sıcaklık, Volt gibi değerlerin, Sayısal (Dijital) karşılığı olan grafikler gösterilmektedir. Şekil 1.2′ de Sıcaklığın zaman içinde değişimi görülmektedir. İncelendiği zaman, farklı zaman aralıklarında birçok değer almıştır. Fiziksel bir büyüklük olduğu için, sinüs dalgası ile ifade edilmiştir. Şekil 1.3’ da girişe ve zamana göre sürekli değişken bir voltaj değeri bulunmaktadır. Örnekleme noktaları, elde edilmek istenen sayısal sinyal için seçilmiştir. Bu sinyali de Şekil 1.4’de görmekteyiz.
Şekil 1.2 Analog Sıcaklık Grafiği
Şekil 1.3 Sürekli Değişken (Analog) Voltaj
Şekil 1.4 Digital Voltaj Grafiği
Sayısal – Analog Tekniklerin Karşılaştırılması
Elektronikte daha önce analog teknikler kullanılarak yapılan uygulamalar, günümüzde sayısal teknikler kullanılarak yapılmaktadır. Sayısal tekniğin, Analog tekniğe göre tercih edilme nedenleri aşağıdaki gibi 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 saklamak kolaydır: Sayısal sistemlerde kullanılan yöntemlerle bilgilerin bir yere konulması, 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) Analog veri iletiminde, aktarılacak olan verileri üretmek için, sürekli değişken bir gerilim ya da akım kullanılır. Bu değişken akımlardan dolayı oluşabilecek gürültü ve sinyal bozulmalarını engellemek çok zordur. Bu durum yüksek kaliteli veri aktarımının önüne geçer. Ancak Sayısal (Dijital) sistemler ikili aktarım kullanarak bunu mümkün kılar.
6) Sayısal sistemlerde bir entegre içerisine daha fazla sayıda sayısal devre elemanı yerleştirilebilir: Her ne kadar analog elemanlar da 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 tarihi incelenerek verilebilir.
Tablo 1.1 Sayısal – Analog Tekniklerin Karşılaştırılması
| Analog Teknik | Sayısal Teknik |
| Devrenin tasarımı zordur | Devre tasarımı daha kolaydır |
| Bilgilerin saklanması zordur | Bilgilerin saklanması kolaydır |
| Devrelerin boyutu büyüktür | Daha küçük boyutta karmaşık devreler oluşturulabilir |
| Programlanması zordur | Daha esnek ve kolay programlanabilir |
| Gürültülerden etkilenir | Gürültülerden az etkilenir |
| Entegre içine yerleştirilmeleri kolaydır | Entegre içine yerleştirilmeleri zordur |
| İşlem sayısı fazladır | İşlem sayısı azdır |
| Hatanın bulunması zordur | Hatanın bulunması daha kolaydır |
Şekil 1.5 0 ile 12 Volt Arasında Sonsuz Sayıda Değer Alabilen Devre
• Yukarıdaki şekilde Elektrik devresinde çıkış gerilimi, ayarlı direncin değiştirilmesi ile birlikte 0 ile 12 Volt arasında sonsuz sayıda değer alabilir.
Şekil 1.6 Çıkış Gerilimi Sadece İki Gerilim Seviyesinde Değer Alabilen Devre
• Yukarıdaki şekilde devrenin çıkış gerilimi sadece iki gerilim seviyesinde tanımlanabilir. Eğer anahtar açıksa 0 Volt, anahtar kapalı ise 12 Volt devrenin çıkış geriliminin alabileceği değerlerdir.
Günümüzde Sayısal Elektronik
Sayısal elektronik sistemler 1950 yıllarında ilk tüplü bilgisayarın icadı ile uygulanmaya başladı. Buna karşılık ilk elektronik kol saatleri ile küçük, ucuz hesap makinelerinin piyasaya çıkması ancak 1970’ li yıllarda mümkün oldu. Bu tarihten sonra sayısal elektronik devreler ve sistemler yavaş yavaş bütün alanlarda analog devrelerin yerini almaya başladı.
Artık sayısal devrelerin kullanılmadığı elektronik sistem yok denecek kadar azalmıştır. Bugün herkesin kullandığı dijital ses-görüntü sistemleri içinde CD (Compact Disc), DAT (Digital Audio Tape), VCD (Video CD), DVD (Digital Video Disc) sayılabilir. Dijital TV kameraları, Fotoğraf makineleri, Dijital radyo ve televizyon yayınları ise hızla tamamen dijital hale dönüşmeye devam etmektedir.Çünkü sayısal elektronik devreler;
• Daha güvenilirdir.
• Devreler ve sistemler aynen tekrarlanabilir. (Her benzer sistem tıpatıp aynı çalışır)
• Çok geniş çapta tümleştirilebilir.
• Gürültü ve dış etkilerden çok az etkilenir.
• Daha ucuzdur. (Pek çok uygulamada)
• Kopyalama ve iletim sırasında bozulmaz. (İlk kopya ile yüzüncü kopyanın kalitesi aynıdır.)
Analog ve Sayısal Gösterimler
Analog Büyüklük, İşaret ve Gösterimleri
Belirli aralıklarla sürekli değer alan büyüklükler analog büyüklük olarak ifade edilir. Örnek: Isının değişimi
• Giriş ve çıkışları şekil olarak benzeyen devre analog devre olarak ifade edilir. örnek: Yükselteçler
• İki sınır değer arasında çok sayıda değer seçilmesi ile elde edilen göstergeler analog gösterge olarak ifade edilir.
• Analog büyüklüğü ifade etmek için kullanılan sinyal analog sinyal olarak ifade edilir. Örnek: Sinüs Sinyali
Şekil 1.7 Analog Sinyal Şekil 1.8 Analog Gösterim
Sayısal Büyüklük, İşaret ve Gösterimleri
• Yalnızca iki değer alan büyüklükler sayısal büyüklük olarak ifade edilir. Örnek: 0-1, Var-Yok, Açık-Kapalı
• Sayısal büyüklüğü ifade etmek için kullanılan sinyaller sayısal olarak ifade edilir.
• Sayısal sinyalde yüksek kenar düşük kenara oranla daha pozitifse sinyal pozitif mantık olarak ifade edilir.
• Sayısal sinyalde düşük kenar yüksek kenara oranla daha pozitifse sinyal negatif mantık olarak ifade edilir.
• Fiziksel bilgileri veya büyüklükleri sayısal işaretlerle işleyen devrelere sayısal sistem denir. Örnek: Bilgisayarlar
• Sayısal işaretleri anlaşılabilir biçime döndürmek için kullanılan elemanlara sayısal gösterge denir. Örnek: LCD
Şekil 1.9 Pozitif Mantık Sayısal İşaret Şekil 1.10 Negatif Mantık Sayısal İşaret
0 1
Şekil 1.11 Sayısal Sistem Şekil 1.12 Sayısal Gösterim
ADC – DAC Converter
1.Genel Bilgiler
Elektronik sistemlerde genel olarak giriş ve çıkış sinyalleri “analog” yapıdadır. Bunların sayısal olarak işlenebilmesi ve iletilebilmesi için “Analog – Sayısal Dönüştürücü” (Analog-to-Digital Converter, ADC) ve “Sayısal – Analog Dönüştürücü” (Digital-to-Analog Converter, DAC) kullanılır.
Girişte verilen fiziksel (analog) genlik miktarını, minimum hata payı ile sayısal genlik çıkışına çeviren yapıya ADC, aynı şekilde girişte verilen sayısal genlik miktarını, minimum hata payı ile analog genlik çıkışına çeviren yapıya DAC denir. Şekil 1.13′ de ADC ve DAC birimlerinin blok şeması görülmektedir.
Şekil 1.13 Analog – Sayısal ve Sayısal – Analog Çevirici Blok Şeması
2 DAC Converter
DAC sayısal veriden analog işaret üreten bir elemandır; girişlerine n bitlik sayısal işaret uygulanır ve çıkışlarında buna karşılık düşen analog işaret elde edilir. Girişlerindeki sayısal işaretin değişmesi belirli bir gecikmeyle çıkışa analog olarak yansır.
Şekil 1.14 Sayısal – Analog Dönüştürme İşlemi
3 ADC Converter
Kontrol mantık devreleri, ardışık yakınlaştırmalı bir ADC veya basit bir sayıcı tipi dönüştürücü uygulayacak şekilde tasarlanabilir. Ardışık yaklaştırmalı dönüştürücülerde bir dizi sayısal değer (yaklaşık değerler) denenir ve her bir aşamada DAC çıkışı analog girişle karşılaştırılır. Bu karşılaştırmanın sonucu, denenen sayının çok büyük mü yoksa çok küçük mü olduğunu gösterir ve yeni bir sayı denenir. Dönüştürme devam ettikçe, DAC çıkışı, analog girişin sayısal eş değerine daha çok yaklaşır. Dönüştürmenin sonunda DAC sayısal çıkışı ve dolayısıyla analog çıkışı, analog girişinin genliği için en iyi yaklaşık değeri verir.
Dönüştürme başladığı zaman ilk deneme değeri, en büyük değerlikli bit pozisyonunda 1, diğer yerlerde 0’dır, bu da tam ölçeğin yarısı kadar bir DAC çıkışı üretir. Böylece karşılaştırıcı çıkışı, analog girişin tam ölçeğin yarısından fazla mı yoksa az mı olduğunu gösterir. Fazlaysa, en büyük değerlikli bit 1 olarak kalır, aksi takdirde sıfırlanır. Ne olursa olsun, bir sonraki değerlikli bit açılır ve bunun 1 mi yoksa 0 mı olması gerektiğine karar verilir. Dönüştürme devam ettikçe, sayısal girişin diğer bitleri denenir ve korunur veya reddedilir (sıfırlanır).
Şekil 1.15 Analog – Dijital Dönüştürücü
