En la representación analógica, una
cantidad se representa con un voltaje, corriente o movimiento de un indicador o
medidor que es proporcional al valor de esa cantidad. Un ejemplo de esto es el
velocímetro de un automóvil, en el cual la deflexión de la aguja es
proporcional a la velocidad a que se desplaza el auto. La posición angular de
la aguja representa el valor de la velocidad del automóvil, y la aguja sigue
cualquier cambio que ocurra conforme el vehículo acelera o frena.
Otro ejemplo es el termostato común de una
habitación, en el cual la flexión de la banda bimetálica es proporcional a la
temperatura del cuarto. A medida que la temperatura varía gradualmente, la
curvatura de la banda cambia en forma proporcional.
Otro ejemplo de una cantidad analógica es el
micrófono de audio. En este dispositivo se genera un voltaje de salida en
proporción con la amplitud de las ondas sonoras que chocan con el micrófono.
Las variaciones en el voltaje de salida siguen las mismas variaciones del
sonido de entrada.
Las cantidades analógicas antes citadas tienen
una característica importante:
pueden variar gradualmente sobre un intervalo
continuo de valores
. La velocidad del automóvil puede tener un valor entre
cero y, digamos, 100 km/h. En forma análoga, la salida del micrófono podría
encontrarse en cualquier nivel dentro de un intervalo de cero a 10mV (por
ejemplo, 1mV, 2.3724mV, 9.9999mV).
En la representación digital las
cantidades no se representan por valores proporcionales, sino por símbolos
denominados dígitos o por valores discretos. Para dar un ejemplo, se
considera el reloj (o cronómetro) digital, el cual da la hora del día en forma
de dígitos decimales que representan horas o minutos (y algunas veces
segundos). Como se sabe, la hora varía de manera continua, pero la lectura del
cronómetro digital no cambia continuamente: más bien, lo hace en etapas de uno
por minuto (o por segundo). En otras palabras, esta representación digital de
la hora del día varía en etapas discretas, comparada con la
representación analógica de la hora que da un reloj de pulso, donde la lectura
del cuadrante varía de modo continuo.
La diferencia principal entre las cantidades
analógicas y las digitales se puede enunciar en forma simple de la manera
siguiente:
Debido a la naturaleza discreta de las
representaciones digitales, no existe ambigüedad cuando se lee el valor de una
cantidad digital, mientras que el valor de una cantidad analógica con
frecuencia está abierta a interpretación.
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Ejemplo
¿Cuáles de las siguientes cantidades son
analógicas y cuáles son digitales?
(a)
Interruptor
(b)
Metro regular
(c)
Temperatura
(d)
Granos de arena en la playa
Solución:
(a)
Digital
(b)
Analógica
(c)
Analógica
(d)
Digital, ya que el número de granos sólo pueden
ser ciertos valores discretos (enteros) y no cualquier valor en relación con
un intervalo continuo
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Un sistema digital es una combinación
de dispositivos diseñado para manipular cantidades físicas o información que
estén representadas en forma digital; es decir, que sólo puedan tomar valores
discretos. La mayoría de las veces, estos dispositivos son electrónicos, pero también
pueden ser mecánicos, magnéticos o neumáticos. Algunos de los sistemas
digitales más conocidos incluyen las computadoras y calculadoras digitales,
equipo digital de audio y vídeo y el sistema telefónico.
Un sistema analógico contiene
dispositivos que manipulan cantidades físicas representadas en forma analógica.
En un sistema de este tipo, las cantidades varían sobre un intervalo continuo
de valores. Por ejemplo, en un receptor de radio la amplitud de la señal de
salida para una bocina puede tener cualquier valor entre cero y su límite
máximo. Otros sistemas analógicos comunes son amplificadores de audio y el
odómetro (cuentakilómetros) de los automóviles.
Un número cada vez mayor de aplicaciones en
electrónica, así como en muchas otras tecnologías, emplea técnicas digitales
para realizar operaciones que alguna vez fueron hechas por medio de métodos
analógicos. Las principales razones del cambio hacia la tecnología digital son:
1.
Los sistemas digitales generalmente son más
fáciles de diseñar
. Esto se debe a que los circuitos
empleados son circuitos de conmutación, donde no son importantes los valores
exactos de corriente y voltaje, sino únicamente el rango en que estos se
encuentran (ALTO o BAJO).
2.
Facilidad para almacenar la información
. Esto se logra por medio de circuitos de conmutación especiales que
pueden capturar información y retenerla el tiempo que sea necesario.
3.
Mayor exactitud y precisión
. Los sistemas digitales pueden manejar el número de dígitos de
precisión que usted necesite, simplemente añadiendo más circuitos de
conmutación. En los sistemas analógicos la precisión, en general, está limitada
a tres o cuatro dígitos, ya que los valores de los voltajes y corrientes
dependen en forma directa de los valores de los componentes del circuito.
4.
Programación de la operación
. Es bastante sencillo diseñar sistemas digitales cuya operación está
controlada por medio de un grupo de instrucciones archivadas denominado programa.
También es posible programar sistemas analógicos, pero la variedad y
complejidad de las operaciones disponibles está severamente limitada.
5.
Los circuitos digitales se afectan menos por el
ruido
. Las fluctuaciones en el voltaje (ruido) no son
tan críticas en los sistemas digitales porque en ellos no es importante el
valor exacto de un voltaje, siempre y cuando el ruido no sea suficientemente
fuerte como para impedir la distinción entre ALTO y BAJO.
6.
Se puede fabricar más circuitería digital sobre
pastillas de circuito integrado
. Es cierto que la
circuitería analógica también se ha beneficiado con el gran desarrollo de la
tecnología de CI, pero su relativa complejidad y el empleo de dispositivos que
no se pueden integrar en forma económica (capacitores de gran valor,
resistencias de precisión, inductores, transformadores), han impedido que los
sistemas analógicos alcancen el mismo grado de integración que los digitales.
Cuando se emplean técnicas digitales existe,
en realidad, una sola desventaja:
El
mundo real es fundamentalmente analógico.
La mayor parte de las cantidades físicas son
de naturaleza analógica, y a menudo estas cantidades son las entradas y salidas
de un sistema que los monitorea, que efectúa operaciones con ellas y que las
controla. Algunos ejemplos son la temperatura, la presión, la posición, la
velocidad, el nivel de un líquido, la rapidez de flujo y varias más. Se tiene
el hábito de expresar estas cantidades en forma digital, como sucede
cuando se dice que la temperatura es de 64°C (o 63.8°C, si se quiere ser más
exacto); pero en realidad lo que se hace es una aproximación digital de una
cantidad inherentemente analógica.
Para aprovechar las técnicas digitales cuando
se tienen entradas y salidas analógicas, deben seguirse tres pasos:
1.
Convertir las entradas analógicas del “mundo real”
a la forma digital.
2.
Procesar (realizar operaciones con) la información
digital.
3.
Convertir las salidas digitales a la forma
analógica del mundo real.
La Figura 1
muestra el diagrama de bloques de un sistema común de control de
temperatura. Como se observa en el diagrama, se mide la temperatura analógica,
y el valor obtenido se convierte a una cantidad digital por medio de un
convertidor
analógico-digital
(ADC; analog-to-digital converter).
Entonces la circuitería digital, que puede o no incluir una computadora
digital, procesa esta cantidad. Su salida digital se convierte de nuevo en una
cantidad analógica por medio de un convertidor digital-analógico (DAC,
digital-to-analog converter). Esta salida alimenta un controlador, mismo
que se encarga de tomar cierto tipo de acción para ajustar la temperatura.
Figura 1
: Diagrama de bloques de un sistema de control de
temperatura que requiere de conversiones analógico-digitales para permitir el
empleo de técnicas digitales de procesamiento.
La necesidad de conversión entre formas
analógicas y digitales de información puede considerarse como una desventaja
porque aumenta complejidad y costos. Otro factor que con frecuencia resulta
importante es el tiempo extra que se necesita para llevar a cabo estas
conversiones. En muchas aplicaciones, estos factores pesan más que los
inconvenientes por las numerosas ventajas que ofrece el empleo de técnicas
digitales, así que la conversión entre cantidades analógicas y digitales es ya
un proceso común en la tecnología actual.
Sin embargo, existen situaciones donde lo más
sencillo y económico es el empleo de técnicas analógicas. Por ejemplo, el
proceso de amplificación de una señal es más simple si se emplea la circuitería
analógica.
Es frecuente observar dentro de un mismo
sistema el empleo de técnicas analógicas y digitales para obtener un mayor
beneficio de ambas. En estos sistemas híbridos, uno de los aspectos más
importantes de la fase de diseño es determinar qué partes del sistema serán
analógicos y cuáles digitales.
Finalmente, hay una tendencia cada vez mayor
del empleo de técnicas digitales, ya que los beneficios económicos de la integración
son aún mayores.
