1.2 數位系統和類比系統

任何一個物理量的值,我們都可以將它轉換為電壓的大小,以便我們針對此值加以運算或儲存,此時可以處理此值的電路可分為數位(digital)類比(analog)兩種系統,現在我們以一個簡單的音波放大電路為例,分別敘述及比較如下。

 

1.2-1 數位系統

如圖1.2-1所示,當一個人對著麥克風說話的時候,麥克風會將音波轉換成連續的電波,而數位系統首先要做的就是將此連續的電波分成很多的片段,每一片段得到的電壓稱為取樣電壓,然後將取樣電壓依其大小付予一個相對的二進制的值(數碼),這樣的處理稱為類比至數位轉換(A/D),轉換後的數碼再經過數位處理機加以運算,以此例而言運算的目的在將輸入的數碼乘以使用者要求的倍數,因此經過數值處理機運算後得到另一組數值較大的碼,此數碼再經由數位至類比轉換(D/A)電路轉換成電壓,一個連續的輸入電壓經由處理後至類比輸出端已是被放大的電波了,由於此種系統負責處理放大倍數的電路是數位處理機(一般電腦包含的功能),主要作用在於數碼的運算及處理,因此本例可稱為是一個數位系統的放大器了。

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1.2-2 類比系統

如圖1.2-2所示,麥克風輸入的電波經由一個電波放大器,直接將輸入的電波以電晶體原有的放大特性加以放大,此種音波放大的過程未經任何的數位處理,而且輸入至輸出電波都是連續性的,不像數位系統中會將輸入電波分成許多非連續性的片段來處理,因此我們可稱此放大器是屬於類比式的放大器。

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1.2-3 數位與類比系統的比較

數位與類比兩種系統在不同的場合各有其優缺點,但時至今日樣樣都講求數位化的好,必然有其關鍵之處,請看以下分析。

(1)數位系統的運算精確而類比系統誤差較大

以前例而言,假設輸入電波經取樣後的電壓是1V,經類比至數位轉換後的編碼是0001(此碼表示數目1),經過數位處理機加以運算後的值是0010(此碼表示數目2),再經由數位至類比轉換至輸出端就得到2V的電壓。同理,若數位處理機所設定的放大倍數不變,取樣電壓上升為2V時,經類比至數位轉換後的編碼即是0010,再經過數位處理機加以運算後的值必然是0100(此碼表示數目4),最後經由數位至類比轉換至輸出端就得到4V的電壓。換句話說,數位處理系統對於每一個取樣電壓做了相同倍數的放大,在此例中為2倍。然而,同樣的將1V輸入類比放大器,並調整放大器的增益(放大倍數)2,因此輸出為2V,但是將2V輸入類比放大器時,我們得到的放大電壓可能是3.8V4.1V,而非應有的放大電壓4V,此種誤差乃電晶體放大電路先天的特性使然,尤其是溫度變化較大的環境之下,運算值(本例是指放大倍數)就不如數位系統來得穩定可靠,所以精確的處理對於類比系統考慮就較為困難了。

(2)數位系統較類比系統不容易被雜訊干擾

數位系統在運算的過程中所處理的信號電壓不是高(代表1的電壓)就是低(代表0的電壓),高低之間會留有一段容易區分的距離,此種距離容忍了一些雜訊的重疊干擾,使得數位系統分辨代表數值的高低信號不至錯亂,所以運算的結果也是穩定精確的。然而,類比系統將小信號直接透過(電晶體)放大器放大,在放大的同時雜訊也跟著被放大了,其放大的結果就可想而知了。

(3)數位系統的信號儲存較類比系統容易

數位系統儲存信號時,儲存的是代表信號的數碼,而數碼可由任何10的型態組合,例如磁場的「強」與「弱」或「N極」與「S極」,電壓的「高」與「低」,光線的「有」與「無」,所以數位系統可儲存信號的裝製種類很多,包括磁帶機、磁碟機、隨機存取記憶體(RAM,一種以電壓儲存的記憶體)、光碟機,甚至以打孔區分有無的紙帶,以鉛筆塗抹的答案卡,都是數位系統可儲存的裝置。然而,類比系統為了要依振幅比例將信號電壓儲存下來,可以用到的方式,市面上可以看到的就只有錄音或錄影帶了,早期我們也用金屬板或塑膠板刻下音波的振幅做成唱片,但是現在已經很難找到了,因為儲存後的效果和保存期限實在不能和數位系統的CD(compact disk)相比。

(4)數位系統的信號編輯較類比系統容易

 

所謂信號編輯是指信號源的複製、修改、剪接、加回音特效、兩個以上信號源的混合等等,這對於數位系統而言只是對於一連串編碼的移動或再運算,通常一部桌上型電腦即可完成,但對於類比系統的音源編輯而言,就可能需要多台的錄音機、混音器、可程式編輯控制機等等,而且操作上對於時間點的掌握是相當麻煩的。

綜合以上的分析比較,我們知道數位系統絕對是優於類比系統的,但是數位系統是不是就沒有缺點了呢?我們仔細觀察圖1.2-1中數位至類比轉換後之輸出,它仍然是由很多片段所組合成的波形,嚴格的說它與未放大前的波形相比是失真的波形,只有取樣的次數(頻率)增加時,它會更接近原來的波形,但隨著輸入電波的頻率增高,取樣頻率就要更高,這樣一來數位系統中所有電路的處理速度都要增高,儲存取樣資料的記憶容量也得要增大,這些都是我們以後在研究數位電路必須留意的地方。