analog sistem - SABİS - Sakarya Üniversitesi

BSE 207 Mantık Devreleri
Bölüm 1
Analog ve Sayısal Kavramları
(Analog and Digital)
Sakarya Üniversitesi
Ders İçeriği



Analog Büyüklük, Analog İşaret, Analog Gösterge ve
Analog Sistem
Sayısal Büyüklük, Sayısal İşaret, Sayısal Sistem ve
Sayısal Gösterge
Sayısal ve Analog Tekniklerin Karşılaştırılması
Analog ve Sayısal Kavramları
2
Mantık Devreleri



Bilim, teknoloji, ticaret ve benzeri bir çok alan büyüklükler ile ilgilenmektedir. Bu
alanların ilgilendiği büyüklükler; ölçülebilme, görüntülenebilme, kaydedilebilme,
aritmetik olarak hesaplanabilme, vb. özelliklere sahiptir. 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. Fiziksel bir olayın/büyüklüğün
elektriksel olarak gösterilmesi, ‘işaret’ olarak adlandırılır. 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. Yukarıda anlatılanlar ışığı altında
karşımıza analog ve sayısal kavramları ve her bir kavram ile birlikte büyüklük,
işaret, sistem ve gösterge terimleri ortaya çıkmaktadır.
Analog ve Sayısal Kavramları
3
Analog Büyüklük, Analog İşaret, Analog Gösterge ve Analog Sistem



Kesintisiz olarak sürekli değerler alan ve 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.
Analog büyüklük bir karayolunun durumuna benzetilebilir; yolda ani kesintiler
yoktur, sürekliliğe sahiptir. Doğadaki fiziksel olayların tamamına yakını (ısının
değişmesi, canlıların yaşam evreleri, rüzgarın esmesi, vb.) analog
büyüklüklerdir.
Fiziksel bir büyüklük (analog özelliğe sahip) bilgi şekline dönüştürülürken,
bilgiyi temsil eden işaret doğrudan doğruya fiziksel büyüklüğün benzeri ise
oluşan işaret ‘analog işaret’ olarak adlandırılır. Çok sayıda aradeğer alabilen
ve sürekli (continuous) işaretler olarak da isimlendirilen analog işaretler
bilhassa ölçü ve ayar tekniğinde kullanılır.
Analog ve Sayısal Kavramları
4
Analog Büyüklük, Analog İşaret, Analog Gösterge ve Analog Sistem


Giriş ve çıkış işaretleri şekil olarak benzeyen elektronik devreye / sisteme,
‘analog (lineer-doğrusal) devre’ veya ‘analog sistem’ denir. 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.
Analog ve Sayısal Kavramları
5
Analog Büyüklük, Analog İşaret, Analog Gösterge ve Analog Sistem



Şekil . Analog işaret, analog sistem ve analog gösterge.
Analog ve Sayısal Kavramları
6
Sayısal Büyüklük, Sayısal 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.
Diğer bir deyişle, sözel olarak ‘doğru’ veya ‘yanlış’ olarak ifade edilebilen
fikirler; matematiksel olarak ‘0’ veya ‘1’ değerleri ile, fiziksel olarak ta; 0V veya
5V gerilim ile açıklanırlar.
Sayısal işaretin aldığı değerler zıplayarak (adım adım) değişir. Sayısal işarette
0’dan 1’e ani değişim pozitif yönde ise ‘pozitif mantık’, ani değişim negatif
yönde ise ‘negatif mantık’ olarak tanımlanır. Bazı kaynaklarda, Lojik ‘0’
dogruyu / olumlu durumu/ aktif çalışmayı temsil etmek için; Lojik ‘1’ degeri ise
yanlışı / olumsuz durumu / aktif olmama durumunu temsil etmek için
kullanılmakta ve bu mantık ‘negatif mantık’ olarak isimlendirilmektedir.
Analog ve Sayısal Kavramları
7
Sayısal Büyüklük, Sayısal İşaret, Sayısal Sistem ve Sayısal Gösterge


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.
Tablo 1.1. ‘0’ ve ‘1’ değerlerinin ifade edebileceği fiziksel anlamlar.
Analog ve Sayısal Kavramları
8
Sayısal Büyüklük, Sayısal İşaret, Sayısal Sistem ve Sayısal Gösterge


Sayısal sistemlerin çıkışından elde edilen bilgileri anlaşılabilir biçime dönüştürmek için
sayısal göstergelerden faydalanılır. Sayısal gösterge olarak, 7 parçalı gösterge, sıvıkristal göstergeler (LCD), v.b. olarak isimlendirilen elemanlardan faydalanılır . Bu
elemanların özellikleri ilgili bölümlerde incelenecektir. 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.
Sayısal sistemlerde kullanılan ikili değerleri ifade etmede kullanılan en basit eleman,
elektrik devrelerinde kullanılan anahtardır. Anahtarın durumlarının ‘1’ ve ‘0’ değerleri ile
ifade edildiği sayısal sistemlerde kullanılan bilgilerin iletilmesinde, her bir anahtarın
durumunu gösteren bilginin / değerin iletilmesi için bir hat kullanılabileceği gibi, dizi
halinde bulunan anahtarların durumlarını gösteren bilgiler / değerler tek bir hattan sıra
ile de gönderilebilir. Çok sayıda anahtarı temsil eden bilgilerin aynı anda hatlardan
gönderilmesi işlemi ‘paralel bilgi iletimi’ olarak, bilgilerin tek bir hat üzerinden zaman
paylaşımı ile gönderilmesi işlemi, ‘seri bilgi iletimi’ olarak isimlendirilir.
Analog ve Sayısal Kavramları
9
Sayısal Büyüklük, Sayısal İşaret, Sayısal Sistem ve Sayısal Gösterge

Saaaaa

Şekil 1.2. Sayısal işaret, sayısal gösterge ve sayısal sistem.
Analog ve Sayısal Kavramları
10
Sayısal Sistemlerin Gruplandırılması




Sayısal sistemler yaptıkları işlemlere göre üç 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 bileşik devrelere örnek olarak
gösterilebilir.
2- Ardışıl (Sequential) Sayısal Sistemler : Sistemin, daha önceden sahip
olduğu konum ve hali hazırdaki giriş değişkenlerinin durumlarına bağlı olarak
çıkış üreten sistemlerdir. Ardışıl devrelere örnek olarak; sayıcılar, kaydediciler,
v.b. devreler verilebilir.
3- Bellek (Storage) Sistemleri : Bilgilerin veya Ardışıl lojiğin belirli bir
durumunun saklanması amacıyla kullanılan lojik devrelerdir.
Analog ve Sayısal Kavramları
11
Sayısal-Analog Tekniklerin Genel Özellikleri / Karşılaştırılması




Yalnızca dijital işaretler ile çalışan sistemler ‘dijital sistem’, yalnızca analog
işaretlerle çalışan sistemler ‘analog sistem’ olarak isimlendirilirken, hem dijital
hem de analog işaretler ile çalışan sistemler ‘karma sistem’ (hibrit) olarak
isimlendirilirler.
Elektronikte daha önce analog teknik kullanılarak yapılan uygulamalar
günümüzde sayısal teknikler kullanılarak yapılmaktadır. Analog ve sayısal
tekniklerin genel özellikleri ile analog teknikten sayısal teknik kullanmaya doğru
olan bu talebin nedenleri şöyle özetlenebilir:
i- Sayısal sistemlerin tasarımı daha kolaydır: Anahtarlama montajı
kullanıldığından, akım ve gerilimin kesin değerleri önemli değildir. Önemli olan
‘1’ ve ‘0’ değerleridir.
ii- Sayısal sistemlerde bilgi saklaması kolaydır: Sayısal sistemlerde kullanılan
yöntemlerle bilgilerin bir yere konması, konulduğu yerden alınması ve gerektiği
kadar elde tutulması mümkündür.
Analog ve Sayısal Kavramları
12
Sayısal-Analog Tekniklerin Genel Özellikleri / Karşılaştırılması




iii- Doğruluk (accuracy) ve birbirine bağlanabilecek devrelerin sayısı daha
yüksektir: Analog devreler üç-dört basamaklı olabilirken, sayısal devrelerde
daha çok sayıda devrenin birbiriyle irtibatı mümkündür.
iv- Sayısal devrelerde işlemler programlanabilir: Sayısal sistemleri tasarlamak,
sistemdeki işlemler saklanabilen komutlar (program) tarafından kontrol
edildiğinden kolaydır.
v- Sayısal devreler gürültüden daha az etkilenir: Sinyallerin gürültüden
etkilenmesi analog sistemlerdeki kadar kritik değildir.
vi- Sayısal sistemlerde bir entegre içerisine daha fazla sayıda sayısal devre
elemanı yerleştirilebilir: Sayısal sistemler tümleşik devre olarak üretime
elverişlidirler. Her ne kadar analog elemanlarda entegre devre içerisine
yerleştirilse de, belirli elemanların entegre içerisine yerleştirilmesi (yüksek
değerli kondansatörler, bobinler, transformatörler vb.) ekonomik değildir.
Analog ve Sayısal Kavramları
13
Sayısal-Analog Tekniklerin Genel Özellikleri / Karşılaştırılması



vii- Sayısal sistemlerde daha az değer ile işlem yapılır : Sayısal sistemler bir
merdivenin basamakları gibi sonlu sayıda ayrık değerler üzerinde
gerçekleştirilir. İşlem yapabilmek için merdiven basamakları düzeyinde işlem
yapılması gerekir.
viii- Sayısal sistemlerde kodlama işlemi ile hataların bulunması kolaydır:
Kodlama işlemi veya yapılan diğer işlemlerden sonra oluşan hataların bulunupdüzeltilmesi işlemleri; sayısal sistemlerde analog sistemlere göre çok daha
kolay gerçekleştirilir.
Bütün bu avantajların yanında sayısal sistemlerin dezavantajı, günlük
hayatımızda kullandığımız yükseklik, basınç, ses, ağırlık, vb. büyüklüklerin
büyük bir kısmının analog olmasıdır.
Analog ve Sayısal Kavramları
14
Analog - Sayısal ve Sayısal – Analog Dönüşümü


Analog ve Sayısal Kavramlarını inceledikten sonra, farklı yapılara sahip analog
ve sayısal bilgilerin birbirine dönüşümü mümkün mü, eğer mümkünse bunu
sağlamak için kullanılacak devrelerin çalışma prensibi nasıl olmalıdır? şeklinde
bir sorunun cevabını inceleyelim.
Çevremizdeki fiziksel büyüklüklerin elektriksel sinyallere dönüştürülmesi ile
elde edilen bilgilerin, sayısal bilgilere dönüştürülmesini sağlayan devreler
‘Analog-Sayısal Çeviriciler’ (Analog to Digital Converters-ADC) olarak
isimlendirilir. Sayısal sistemlerden okunan veya işlenen bilgilerin analog
devre/sistemlerde değerlendirilebilmesi veya kullanılabilmesi için gerekli
dönüşümü yapan devreler ‘Sayısal-Analog Çeviriciler’ (Digital to Analog
Converters-DAC) olarak adlandırılır.
Analog ve Sayısal Kavramları
15
Analog - Sayısal ve Sayısal – Analog Dönüşümü

Şekil. ADC ve DAC devreleri blok şemaları
Analog ve Sayısal Kavramları
16
Mantık Devreleri
Analog ve Sayısal Kavramları
17