انواع سیگنال چیست | 7 تفاوت سیگنال آنالوگ و دیجیتال

در دنیای اتوماسیون صنعتی و ابزار دقیق، پردازش اطلاعات، واژه "سیگنال" یکی از مفاهیم بنیادی محسوب می‌شود. سیگنال‌ها نقش حیاتی در انتقال اطلاعات از یک نقطه به نقطه دیگر دارند و پایه بسیاری از فناوری‌های مدرن به حساب می‌آیند. 

اگر قصد آشنایی بیشتر با انواع سیگنال را دارید و به دنبال پاسخ انواع سیگنال چیست هستید؛ این مطلب تمام سوالات شما را پاسخ می‌دهد. برای خرید ابزار دقیق کافی است به آمازون ابزار، مرجع تامین ابزار دقیق مراجعه کنید.

سیگنال چیست به زبان ساده

سیگنال به زبان ساده، یک تابع زمانی یا مکانی است که اطلاعات خاصی را در خود دارد. این اطلاعات می‌توانند در قالب ولتاژ، جریان، فشار، دما یا حتی امواج صوتی و نوری باشند. 

سیگنال‌ها واسطه‌ای میان حسگر (سنسور)، فرستنده و گیرنده برای انتقال داده‌ها هستند. ابزارهایی مانند نوسان‌نما (اسیلوسکوپ) برای مشاهده شکل موج سیگنال استفاده می‌شوند.

انواع سیگنال چیست

سیگنال‌ها را می‌توان بر اساس ویژگی‌های مختلف به دسته‌های گوناگون تقسیم کرد. در ادامه به مهم‌ترین انواع سیگنال‌ها اشاره می‌کنیم:

سیگنال آنالوگ

سیگنال آنالوگ (Analog Signal) یا همان سیگنال پیوسته، سیگنالی است که در هر بازه زمانی می‌تواند هر مقدار واقعی را اختیار کند. یعنی مقدار آن در طول زمان به‌صورت یکنواخت تغییر می‌کند. نمونه بارز آن، موج سینوسی یا صدای انسان است.

ویژگی‌های سیگنال آنالوگ:

• زمان پیوسته و مقدار پیوسته
• دامنه و فرکانس متغیر
• در معرض نویز و تداخل سیگنال
• نیازمند فیلتر سیگنال در پردازش

سیگنال دیجیتال

سیگنال دیجیتال (Digital Signal) نوعی سیگنال گسسته است که فقط در مقادیر گسسته (مثلاً صفر و یک) تعریف می‌شود. در دنیای میکروکنترلرها، پی‌ال‌سیها و سیستم‌های کامپیوتری، داده‌ها به شکل دیجیتال ذخیره و پردازش می‌شوند.

ویژگی‌های سیگنال دیجیتال:

• زمان گسسته و مقدار گسسته
• مقاوم در برابر نویز
• مناسب برای ذخیره‌سازی و پردازش عددی
• امکان مدولاسیون برای انتقال

تفاوت سیگنال آنالوگ و دیجیتال

سیگنال‌های پیوسته و گسسته

سیگنال پیوسته (Continuous Signals)

سیگنال پیوسته (Continuous-Time Signal) سیگنالی است که در تمامی لحظات زمان تعریف شده و مقدار آن در هر لحظه می‌تواند هر عددی (در یک بازه) باشد.

• در هر لحظه از زمان مقدار مشخصی دارد.
• مقدار آن می‌تواند بین بی‌نهایت مقدار متفاوت باشد (دارای دقت بی‌نهایت).
• معمولاً توسط پدیده‌های فیزیکی مانند دما، فشار، ولتاژ، جریان و ... تولید می‌شود.
• نمی‌توان آن را مستقیماً در رایانه یا پردازشگر دیجیتال پردازش کرد (نیاز به تبدیل دارد).

مثال

• موج سینوسی پیوسته
• ولتاژ AC در برق شهر
• سیگنال‌های صوتی طبیعی (قبل از دیجیتال شدن)

سیگنال گسسته (Discrete Signals)

سیگنال گسسته (Discrete-Time Signal) تنها در لحظات مشخصی از زمان مقدار دارد و بین این لحظات تعریف نمی‌شود.

• فقط در نقاط گسسته (مثلاً t=0,1,2,…t = 0, 1, 2, \dotst=0,1,2,…) تعریف شده است.
• مقدار آن می‌تواند گسسته یا پیوسته باشد، ولی زمان آن گسسته است.
• معمولاً از نمونه‌برداری سیگنال‌های پیوسته به‌دست می‌آید.
• مناسب برای پردازش دیجیتال توسط کامپیوتر یا میکروکنترلر

مثال

• داده‌های سنسور دما در هر ثانیه
• نمونه‌برداری دیجیتال از یک سیگنال صوتی
• سیگنال خروجی یک سیستم دیجیتال

سیگنال قطعی و غیرقطعی

 سیگنال قطعی (Deterministic Signals)

سیگنال قطعی سیگنالی است که رفتار آن در هر لحظه از زمان کاملاً مشخص و قابل پیش‌بینی است. اگر معادله یا قانون حاکم بر سیگنال را بدانیم، می‌توانیم مقدار آن را در هر زمان محاسبه کنیم.

• بدون تصادف یا تغییرات تصادفی
• معادله ریاضی مشخص دارند
• نتایج دقیق و قابل تکرار تولید می‌کنند
• در تحلیل سیستم‌ها برای سادگی معمولاً از این نوع استفاده می‌شود

مثال

• x(t)=3sin⁡(2πt)x(t) = 3 \sin(2\pi t)x(t)=3sin(2πt)
• ولتاژ تولیدشده توسط یک ژنراتور سینوسی ایده‌آل
• موج مربعی یا مثلثی با فرمول مشخص

سیگنال غیرقطعی (تصادفی) (Random or Non-Deterministic Signals)

سیگنال غیرقطعی یا تصادفی سیگنالی است که مقدار آن در هر لحظه به‌طور کامل قابل پیش‌بینی نیست و وابسته به پدیده‌های تصادفی یا آماری است.

• رفتار دقیق آن غیرقابل پیش‌بینی است
• فقط می‌توان ویژگی‌های آماری آن (میانگین، واریانس و ...) را توصیف کرد
• معمولاً در محیط‌های واقعی و سیستم‌های فیزیکی دیده می‌شود
• تحلیل آن‌ها با استفاده از روش‌های احتمالاتی و آماری انجام می‌شود

مثال

• نویز حرارتی در مدارات الکترونیکی
• صدای محیط یا پارازیت
• سیگنال EEG یا ECG در بدن انسان
• قیمت لحظه‌ای بازار ارز یا بورس

سیگنال الکتریکی

بیشتر سیگنال‌هایی که در سیستم‌های صنعتی و کنترلی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ سیگنال‌های الکتریکی هستند. این سیگنال‌ها می‌توانند به‌صورت آنالوگ یا دیجیتال، و با دامنه‌ها و فرکانس‌های مختلف ارسال شوند.

مفاهیم کلیدی در سیگنال‌های الکتریکی

• فرکانس: تعداد نوسان در ثانیه (Hz)
• دامنه: میزان شدت سیگنال
• شکل موج: نمای گرافیکی سیگنال (مثلاً سینوسی، مربعی)

پردازش سیگنال در ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی

حذف نویز از سیگنال‌های حسگرها (Noise Filtering)

• مثال: سیگنال دریافتی از ترانسمیتر فشار ممکن است نویز داشته باشد (مثلاً به دلیل نویز الکترومغناطیسی).
• پردازش: فیلتر دیجیتال (مثلاً FIR یا Kalman) روی سیگنال اعمال می‌شود تا داده‌ی تمیز برای کنترلر PLC ارسال شود.
• مثال: یک فلومتر مغناطیسی در حین بهره‌برداری تغییراتی در خروجی دارد.
• پردازش: سیگنال اندازه‌گیری شده با مقادیر مرجع مقایسه و به‌صورت خودکار جبران (offset compensation) می‌شود.

تشخیص وضعیت تجهیزات (Condition Monitoring)

• مثال: پایش ارتعاش موتور با استفاده از شتاب‌سنج.
• پردازش: تبدیل فوریه روی سیگنال ارتعاش انجام می‌شود تا فرکانس‌های غیرعادی (نشانه‌ی ایراد بلبرینگ یا عدم‌تراز بودن شفت) شناسایی شود.

پردازش سیگنال دما برای کنترل PID

• مثال: دمای راکتور با یک RTD اندازه‌گیری می‌شود و به PLC فرستاده می‌شود.
• پردازش: سیگنال دما نمونه‌برداری شده، به صورت دیجیتال فیلتر می‌شود و سپس در الگوریتم PID به کار می‌رود تا مقدار مناسب شیر کنترل خروجی مشخص شود.

تبدیل سیگنال در ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی

تبدیل سیگنال RTD (مقاومتی) به جریان استاندارد 4-20mA

• کاربرد: ارسال سیگنال اندازه‌گیری‌شده از یک حسگر دما به کنترلر در فواصل زیاد.
• تبدیل: سیگنال مقاومتی به ولتاژ، سپس به جریان استاندارد صنعتی تبدیل می‌شود.

تبدیل فوریه برای تشخیص عیوب الکتریکی

• مثال: پایش کیفیت توان در یک تابلو برق.
• تبدیل: با FFT، سیگنال ولتاژ تحلیل طیفی می‌شود تا هارمونیک‌ها یا اعوجاج‌ها شناسایی شود (نشان‌دهنده‌ی اختلالات توان یا خرابی تجهیزات است).

تبدیل سیگنال پالس به مقدار فلو (Flow Rate)

• مثال: فلومتر توربینی خروجی پالس می‌دهد.
• تبدیل: شمارش پالس در واحد زمان → دبی لحظه‌ای (با استفاده از فرمول و کالیبراسیون کارخانه‌ای)

تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال (ADC) در PLC

• مثال: ولتاژ خروجی یک ترانسمیتر دما (مثلاً 1-5V)
• تبدیل: با ADC داخلی PLC به عدد دیجیتال تبدیل شده و برای نمایش، ذخیره یا کنترل استفاده می‌شود.

تبدیل Z در طراحی فیلتر دیجیتال در PLC یا DCS

• کاربرد: طراحی فیلتر دیجیتال برای سیگنال سطح مخزن جهت جلوگیری از پاسخ‌ نوسانی (overshoot).
• تبدیل: استفاده از تبدیل Z برای تحلیل پایداری و طراحی دقیق‌تر فیلترهای دیجیتال در سیستم کنترلی

نتیجه‌گیری

درک انواع سیگنال و تفاوت‌های آنالوگ و دیجیتال، پایه‌گذار دانش در حوزه‌هایی چون ابزار دقیق، اتوماسیون صنعتی، کنترل و مخابرات است. برای انتخاب صحیح سنسور یا طراحی سیستم‌های کنترلی، آشنایی با ویژگی‌های سیگنال‌ها ضروری است. همچنین انتخاب صحیح نوع سیگنال تأثیر مستقیمی بر کیفیت داده، دقت سیستم و پایداری عملکرد دارد.

برای خرید سنسور و انواع تجهیزات ابزار دقیق کافی است به آمازون ابزار، تامین کننده تجهیزات اتوماسیون صنعتی و ابزار دقیق مراجعه کنید.

سوالات متداول

1. سیگنال آنالوگ بهتر است یا دیجیتال؟

بستگی به کاربرد دارد. دیجیتال برای پردازش مناسب‌تر است اما آنالوگ برای نمایش و حسگری سریع‌تر عمل می‌کند.

2. آیا امکان تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال وجود دارد؟

بله، از مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) برای این کار استفاده می‌شود.

3. تفاوت سیگنال پیوسته با سیگنال گسسته چیست؟

سیگنال پیوسته در همه زمان‌ها مقدار دارد اما سیگنال گسسته فقط در زمان‌های مشخصی تعریف شده است.

4. نقش شکل موج در تحلیل سیگنال چیست؟

شکل موج نشان‌دهنده تغییرات سیگنال در زمان است و برای طراحی فیلترها و بررسی کیفیت سیگنال حیاتی است.