בתחום הטכנולוגיה המודרנית, חיישנים, כהתקני מפתח לחישה והמרת כמויות פיזיות, נמצאים בשימוש נרחב בתעשיות שונות כגון אוטומציה תעשייתית, ניטור סביבתי, בריאות רפואית ואלקטרוניקה צריכה. תפקידו המרכזי של חיישן הוא להמיר אותות לא-חשמליים (כגון טמפרטורה, לחץ, עוצמת אור, תזוזה וכו') לאותות חשמליים הניתנים למדידה ועיבוד. בהתבסס על צורת האות המומר, ניתן לחלק את אותות הפלט של חיישנים בעיקר לשתי קטגוריות: אותות אנלוגיים ואותות דיגיטליים.
אותות אנלוגיים
אות אנלוגי הוא אות שמשתנה ברציפות לאורך זמן, והמשרעת שלו יכולה לקבל כל ערך ולהשתנות ברציפות בטווח מסוים. בתחום החיישנים, חיישנים מסורתיים רבים מוציאים אותות אנלוגיים. היתרון של אותות אנלוגיים הוא שהם יכולים לבטא במדויק שינויים קטנים בכמויות פיזיות, ומציעים רגישות ורזולוציה גבוהים. עם זאת, אותות אנלוגיים רגישים לרעש והפרעות במהלך שידור ועיבוד, מה שמוביל לעיוות האות ולעלייה בשגיאות.
תרחישי יישום: חיישני טמפרטורה: כגון צמדים תרמיים ותרמיסטורים, המוציאים אותות אנלוגיים על ידי מדידת שינויים בהתנגדות או במתח הנגרמים על ידי טמפרטורה.
חיישני לחץ: מוציאים אותות אנלוגיים על ידי מדידת שינויים בהתנגדות, קיבול או אפקט פיזואלקטרי הנגרם על ידי שינויי לחץ, ונמצאים בשימוש נרחב באוטומציה תעשייתית ומערכות הידראוליות.
חיישנים רגישים לאור: כגון נגדי פוטו ותאי פוטו, הממירים שינויים בעוצמת האור לשינויים מתמשכים בהתנגדות או במתח, המשמשים למדידת עוצמת הארה ומעגלי בקרת אור.
מאפיינים: שונות מתמשכת: משרעת האותות האנלוגיים יכולה להשתנות באופן רציף, ומשקפת במדויק תנודות קטנות בכמויות פיזיות.
רגישים להפרעות: במהלך שידור ועיבוד, אותות אנלוגיים מושפעים בקלות מרעש והפרעות, הדורשים אמצעי סינון והגברה מתאימים.
דיוק גבוה: בתנאים מתאימים, אותות אנלוגיים יכולים לספק דיוק ורזולוציה גבוהים של מדידה.
אותות דיגיטליים
אות דיגיטלי הוא אות שערכו אינו רציף, ומשרעתו יכולה לקבל רק מספר סופי של ערכים נפרדים. בניגוד לאותות אנלוגיים, לאותות דיגיטליים יש יכולות אנטי-הפרעות חזקות יותר ואמינות גבוהה יותר במהלך שידור ועיבוד. עם התפתחות המיקרו-אלקטרוניקה וטכנולוגיית המחשב, יותר ויותר חיישנים מאמצים שיטות פלט אות דיגיטלי.
תרחישי יישום: חיישני טמפרטורה דיגיטליים: כגון DS18B20, המשלבים ממיר אנלוגי-ל-דיגיטלי (ADC) באופן פנימי, הממיר ישירות את ערך מדידת הטמפרטורה לפלט אות דיגיטלי, ומקל על התממשקות עם מיקרו-בקרים או מחשבים. מד תאוצה: כמו ה-MPU6050, המשלב פונקציות של מד תאוצה וג'ירוסקופ. הוא ממיר נתונים נמדדים לאותות דיגיטליים באמצעות מעבד פנימי ומוציא אותם באמצעות ממשק I2C או SPI.
מקודד אופטי: משמש למדידת מיקום או מהירות סיבוב. הוא ממיר מידע מיקום לאותות דופק דיגיטליים באמצעות המרה פוטו-אלקטרי ומעגלי ספירה.
מאפיינים: יכולת מונעת-הפרעות חזקה: לאותות דיגיטליים יש יכולות אנטי--הפרעות חזקות במהלך שידור ועיבוד, מה שמפחית ביעילות את השפעת הרעש וההפרעות על האות.
קל לעיבוד: ניתן להתחבר ישירות לאותות דיגיטליים עם מערכות דיגיטליות כגון מיקרו-בקרים ומחשבים, מה שמקל על תכנות, אחסון ושידור.
דיוק גבוה: באמצעות ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים-ברזולוציה גבוהה ואלגוריתמים מתקדמים, חיישנים דיגיטליים יכולים לספק תוצאות מדידה-בדיוק גבוה.
הבדלים וחיבורים בין אותות אנלוגיים ודיגיטליים
הבדלים: צורת האות: אותות אנלוגיים הם אותות מתמשכים המשתנים עם הזמן, בעוד שאותות דיגיטליים הם אותות נפרדים עם ערכים לא רציפים.
יכולת אנטי--הפרעות: לאותות דיגיטליים יש יכולות אנטי-הפרעות חזקות יותר במהלך שידור ועיבוד, בעוד שאותות אנלוגיים חלשים יותר יחסית.
שיטת עיבוד: אותות אנלוגיים בדרך כלל צריכים להיות מעובדים על ידי מעגלים אנלוגיים כגון סינון והגברה לפני עיבוד דיגיטלי שלאחר מכן; ואילו אותות דיגיטליים ניתנים לממשק ישיר עם מערכות דיגיטליות לתכנות, אחסון ושידור.
חיבורים: המרה הדדית: ביישומים מעשיים, ניתן להמיר אותות אנלוגיים ודיגיטליים זה לזה באמצעות ממירים אנלוגיים-ל-דיגיטליים (ADC) וממירים דיגיטליים-ל-אנלוגיים (DAC). ADC ממיר אותות אנלוגיים לאותות דיגיטליים לעיבוד דיגיטלי; DAC ממיר אותות דיגיטליים לאותות אנלוגיים כדי להניע מכשירים אנלוגיים או לבצע בקרה אנלוגית.
יישומים נפוצים: חיישנים מודרניים רבים משתמשים בטכנולוגיית עיבוד אותות- מעורבת, המשלבת ADC ומעגלי עיבוד דיגיטליים הכרחיים בתוך החיישן כדי להמיר ערכי מדידה אנלוגיים לאותות דיגיטליים לפלט ישיר או לעיבוד נוסף. עיצוב זה שומר על היתרונות של דיוק ורגישות גבוהים של אותות אנלוגיים תוך מינוף היכולות נגד-הפרעות וקלות העיבוד של אותות דיגיטליים.
