Fundamentos de la señal analógica vs. la digital

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Las señales se pueden clasificar en dos tipos: analógicas y digitales. ¿Pero qué las diferencia? ¿Cómo pueden ser usadas en diferentes aplicaciones? ¿Cuál de ellas es mejor? Todas estas preguntas serán respondidas en esta entrada del blog, así que asegúrate de leerlo bien hasta el final, si deseas explorar el mundo de las señales analógicas y digitales. El tema es muy importante para entender diferencias entre los sensores para Arduino y cúal es el mejor para tu proyecto

¿Qué son las señales?

La señal es, para decirlo de forma concisa, una información transmitida a través de la variación (en la mayoría de los casos) de voltaje entre dos dispositivos electrónicos. Dependiendo del programa, que en este caso puede definirse como un "diccionario" para diferentes valores de señal, se produce el procesamiento de la señal y el dispositivo puede comunicarnos una salida deseada. Sin embargo, las señales no están necesariamente vinculadas a los dispositivos electrónicos solamente. Un gran ejemplo de transmisión de señales analógicas puede ser un termómetro - a través de sus características físicas el mercurio se expande o se contrae, por lo tanto, si se calibra correctamente, puede mostrarnos la temperatura en nuestro ambiente. 

¿Qué son las señales analógicas?

Las señales analógicas son señales continuas, es decir, es una señal que varía en el tiempo y cuya cantidad (por ejemplo, corriente, voltaje, potencia) varía con el tiempo. Si se observa el gráfico de una señal analógica, se verá que es un gráfico continuo que tiene un valor definido en cada caso de tiempo. El mejor ejemplo de señales analógicas es la voz humana. Si observas el gráfico de una señal de audio, verás que es una señal continua, que tiene un valor en cada instancia de tiempo.

¿Qué son las señales digitales?

Las señales digitales son señales discretas que normalmente tienen finito número de valores y en sistemas binarios específicamente dos valores: alto y bajo (1 y 0). Si observamos el gráfico de una señal digital, veremos una onda cuadrada que varía entre dos puntos y no toma ningún otro valor. Una señal binaria que sólo puede tomar un valor de 1 o 0 es un ejemplo perfecto de señales digitales.

Propiedades de las señales analógicas y digitales

Las propiedades de las señales analógicas y digitales son lo que las distingue. En la siguiente tabla se enumeran algunas propiedades. Éstas le ayudarán a diferenciar entre las dos señales muy fácilmente.

Propiedad

Señales analógicas

Señales digitales

Continuidad

Las señales analógicas son continuas en el tiempo

Las señales digitales son discretas en el tiempo

Ancho de banda

El ancho de banda de las señales analógicas es alto

El ancho de banda de las señales digitales es bajo

Seguridad

Las señales analógicas ofrecen menos seguridad, el robo de datos es posible

Las señales digitales proporcionan una alta seguridad, la encriptación es posible

Valores

Las señales analógicas pueden tomar valores positivos y negativos

Las señales digitales no suelen tomar valores negativos

Forma de onda

Las señales analógicas suelen tener forma sinusoidal

Las señales digitales son en su mayoría pulsos cuadrados

Facilidad de reproducción

Las señales analógicas son difíciles de reproducir si se contaminan con ruido debido a su naturaleza continua

Las señales digitales son fáciles de reproducir si se contaminan con ruido, porque sólo tienen dos niveles

Requerimientos de energía

Los equipos que utilizan señales analógicas requieren más potencia

Los equipos que utilizan señales digitales requieren menos energía

Velocidad

La velocidad de transmisión de datos de las señales analógicas es lenta

La velocidad de transmisión de datos de las señales digitales es rápida

Equipo Analógico vs. Digital

Dado que los dos tipos de señales son de naturaleza completamente diferente, tienen un equipo distinto debido a los diferentes requisitos de procesamiento de la señal. Se dice que los equipos que funcionan en dos niveles lógicos utilizan el sistema binario y se trata en su mayoría de computadoras y equipos que funcionan con computadoras como los reproductores de CD. Del mismo modo, los equipos que dependen de señales continuas son los equipos analógicos como los reproductores de vídeo y de cintas.

Los reproductores de CD leen los 1 y los 0 que están presentes en los CD y los convierten en señales de audio. Por otro lado, los reproductores de cinta utilizan una película de cinta presente en los casetes, que tiene datos analógicos incrustados magnéticamente en la cinta. El reproductor de cinta convierte los datos analógicos en señales de audio.

Los convertidores analógicos a digitales (ADC) y los convertidores digitales a analógicos (DAC) se utilizan para conectar dispositivos analógicos a los digitales y viceversa. Estos convertidores se utilizan ampliamente en bloques de procesamiento de señales, como los que se utilizan en los sistemas de telecomunicaciones.   

Calidad analógica vs. calidad digital

Cuando hablamos de la calidad de una señal, lo primero que aparece en nuestras mentes es el ruido. ¿Qué señal es más inmune al ruido? Si miramos la forma de onda de la señal, podemos decir que las señales digitales son más inmunes al ruido. ¿Por qué es así?

Cuando el ruido golpea cualquier señal, cambia la forma de onda en ese punto y para eliminar el ruido de la señal, es necesario producir una copia original de la señal. Ahora, considera que el ruido se produce en una señal digital y que distorsiona la forma de onda de tal manera que en un punto donde la señal tenía que estar a un nivel alto, se encuentra en algún lugar entre el nivel medio y el alto. Realizando algunos cálculos sencillos, se puede determinar fácilmente que la señal tenía que ser de alto nivel y, por lo tanto, la señal original se puede reconstruir fácilmente.

Por otra parte, si una señal analógica está distorsionada por el ruido, pasará desapercibida porque la señal ya es una serie de altibajos, por lo que es difícil diferenciar la señal ruidosa de la original.

Por lo tanto, podemos concluir que la calidad de las señales digitales es mejor que la de las señales analógicas debido a la inmunidad al ruido.

Aplicaciones de las señales analógicas y digitales

Las señales analógicas se utilizan cuando se requiere una señal de tiempo continuo, como cuando se graba la voz. No se pueden utilizar señales digitales para representar clips de audio porque cuando se escuchen esos clips, no serán continuos y habrá una brecha entre el audio. Otro ejemplo de un dispositivo analógico es un termómetro. La temperatura se define para cada valor de tiempo, por lo que podemos decir que la temperatura es una señal continua.

Las señales digitales se utilizan en computadoras, teléfonos inteligentes y electrónica digital. Normalmente procesan los datos como bits, por lo que usamos los términos megabits, gigabits, etc., para medir las capacidades de los dispositivos electrónicos digitales. Las señales digitales se utilizan ampliamente en la actualidad en comparación con las señales analógicas debido a su rápida velocidad de transmisión de datos y su inmunidad al ruido.   

Sensores analógicos vs. digitales

Los sensores miden una cantidad física y responden a ella produciendo una salida como un voltaje. Los sensores analógicos son los que producen una señal analógica basada en lo que perciben. De manera similar, las señales digitales son las que producen una señal digital en respuesta a lo que miden en la entrada.

Algunos ejemplos comunes de sensores analógicos son los sensores de luz (LDR), los sensores de sonido, los sensores de presión y los sensores analógicos de temperatura. Del mismo modo, hay algunos sensores digitales de uso común como los sensores digitales de temperatura y los sensores digitales de presión.

Para seleccionar un sensor, primero debes saber en qué tipo de proyecto estás trabajando. Si el proyecto implica trabajar sólo entre dos voltajes, entonces los sensores digitales son una buena opción, pero si necesitas señales continuas, entonces lo que necesitas es un sensor analógico.

Aplicaciones de Arduino

Puedes usar tanto sensores analógicos como digitales en los proyectos de Arduino. Los sensores digitales deben ser usados con los pines de E/S digitales mientras que los sensores analógicos deben ser usados con los pines de E/S analógicos.

Los sensores de sonido pueden ser usados con las placas Arduino para construir numerosos proyectos interesantes como luces LED controladas por palmas. Del mismo modo, los sensores de luz se pueden utilizar para construir muchos proyectos de automatización de viviendas.

En cuanto a los sensores digitales, podemos usar el sensor de temperatura digital para construir un sistema de calefacción doméstica que regule la temperatura interior entre un rango de valores como 25 ⁰C a 30⁰C. El sensor funciona midiendo la temperatura y luego produciendo el voltaje correspondiente que enciende o apaga el sistema de refrigeración, trabajando así en dos niveles discretos.

Ya debes haber comprendido cómo se diferencian las señales analógicas y digitales y cuáles son sus aplicaciones. Las señales analógicas han sido reemplazadas ahora por señales digitales en muchas aplicaciones y en el futuro, esperamos que las señales digitales ganen más popularidad.

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