Dijital ve Analog Sinyal

Bir cümlelik özet

Dijital sinyal yalnız iki değeri (açık/kapalı, 0/1) taşırken, analog sinyal iki uç arasında sürekli değişen değerler taşır; bir sensörün hangi tür sinyal verdiğini bilmek, onu doğru okumanın ilk adımıdır.

Neden önemli?

Bir robot dünyayı sensörlerle "hisseder". Ama her sensör aynı dilde konuşmaz. Bir buton yalnız "basıldı" veya "basılmadı" der; bu iki durumludur. Bir ışık sensörü ise "biraz karanlık", "orta", "çok aydınlık" gibi arada birçok değer üretebilir.

Eğer bu iki dili karıştırırsak kod beklediğimiz gibi çalışmaz. Butonu analogmuş gibi okumaya çalışırsak kafamız karışır; ışık sensörünü sadece "açık/kapalı" gibi okursak elimizdeki bilginin çoğunu kaybederiz.

Bu derste sinyalin iki temel türünü tanıyacağız. Bir önceki derste aktüatörlerin (motor, LED, buzzer gibi hareket veya çıktı üreten parçaların) dünyaya nasıl etki ettiğini görmüştük. Şimdi tersine bakıyoruz: dünyadan gelen bilgi karta hangi biçimde ulaşır?

Kısa tanım: Dijital sinyal sadece iki değer alır; analog sinyal bir aralık içinde sürekli değişir.

Sinyal nedir ve iki türü

Sinyal, bir bilginin bir yerden bir yere taşınmasıdır. Robotikte bu bilgi çoğunlukla bir voltaj (gerilim) değeridir. Sensör dünyadaki bir durumu ölçer ve onu bir voltaja çevirir; kart da bu voltajı okuyarak durumu anlar.

Dijital sinyal: iki durum

Dijital sinyalin yalnız iki değeri vardır. Bunları farklı isimlerle anarız ama hepsi aynı fikri anlatır:

• Açık / kapalı
• 1 / 0
• Yüksek (HIGH) / düşük (LOW)
• Var / yok

Bir ışık anahtarını düşün. Anahtar ya açıktır ya kapalı; "yarı açık" diye bir konumu yoktur. Dijital sinyal de böyledir. Aradaki değerler yoktur, sadece iki uç vardır.

Günlük örnek 1 — Kapı zili: Zile ya basılır ya basılmaz. Bastığında devre kapanır ve çalar; bıraktığında susar. Bu tam olarak dijital bir sinyaldir: iki durum.

Robotikte en tanıdık dijital sensör butondur. Buton için kart genelde şunu okur:

Butonu oku
Eğer değer 1 ise (basılı)
  LED'i yak
Değilse (0, basılı değil)
  LED'i söndür

Analog sinyal: sürekli aralık

Analog sinyalde iki uç arasında sonsuz sayıda ara değer bulunur. Sadece "açık" ve "kapalı" değil; "az", "orta", "çok" ve aralarındaki her ton vardır.

Bir su musluğunu düşün. Musluk tam kapalıdan tam açığa kadar yavaşça açılabilir. Arada bir sürü konum vardır: ince akış, orta akış, güçlü akış. İşte analog sinyal de böyle sürekli değişir.

Günlük örnek 2 — Işık kısma düğmesi (dimmer): Bazı lamba düğmeleri çevirdikçe ışığı yavaşça artırır. Bir "açık/kapalı" anahtarı değildir; aradaki bütün parlaklıkları verebilir. Bu, analog davranışa çok iyi bir örnektir.

Robotikte analog sensörlere örnek: ışık sensörü (aydınlık miktarı), sıcaklık sensörü, ses sensörü, potansiyometre (çevirmeli düğme). Bunların hepsi tek bir "evet/hayır" değil, bir aralık üretir.

Kart analog değeri nasıl okur?

Kartların içindeki işlemci aslında yalnız sayılarla, yani dijital değerlerle çalışır. Peki sürekli değişen analog bir voltajı nasıl anlar?

ADC: analogdan dijitale çeviren köprü

Kartın içinde ADC adında küçük bir devre vardır. Açılımı "Analog-Dijital Çevirici"dir (İngilizcesi *Analog-to-Digital Converter*). Görevi, gelen analog voltajı ölçüp ona bir sayı vermektir.

Bunu bir cetvele benzetebiliriz. Elimizde sürekli uzunlukta bir çubuk var; cetvel onu okuyup "17 santimetre" gibi bir sayıya çevirir. ADC de gelen voltajı ölçüp bir sayıya çevirir.

Değer aralığı: örneğin 0–1023

Çoğu eğitim kartında ADC, okuduğu voltajı 0 ile 1023 arasında bir sayıya çevirir. Burada:

• 0, en düşük voltajı (genelde 0 volt) gösterir.
• 1023, en yüksek voltajı (genelde kartın çalışma voltajını) gösterir.
• Arada kalan her sayı, ikisinin arasındaki bir değeri gösterir.

Yani ışık sensöründen 0 gelirse ortam çok karanlık, 1023 gelirse çok aydınlık; 500 gelirse orta bir aydınlık var demektir. (Bazı bağlantılarda bu ters de olabilir; önemli olan aralığın mantığıdır.)

Neden tam 1023? Çünkü birçok ADC bilgiyi 10 basamaklı ikili sayıyla tutar ve 10 basamakla yazılabilecek en büyük sayı 1023'tür. Şimdilik ezberlemene gerek yok; aklında kalması gereken şu: analog okuma tek bir sayı değil, bir aralık üzerinde bir noktadır.

Okuma mantığı

Analog bir sensörü okurken genelde bir eşik (sınır değer) belirleriz:

Işık sensörünü oku      # 0 ile 1023 arası bir sayı gelir
Eğer değer 300'den küçükse
  "Ortam karanlık" yaz
  lambayı aç
Değilse
  "Ortam yeterince aydınlık" yaz
  lambayı kapat

Burada dikkat: sensör analog bir aralık verir, ama biz bir karar vermek için onu bir eşikle dijitalleştiririz. Robotikte çok sık yaptığımız şey budur: sürekli bir ölçümü alıp "şu sınırın altında mı üstünde mi?" sorusuna indirgemek.

İki türü yan yana koyalım

Mini uygulama

Bu uygulama için kart gerekmez; kağıt kalem yeter.

1. Aşağıdaki listedeki her aygıtın dijital mi analog mı ürettiğini yaz:

• Buton
• Işık sensörü
• Kapı açık/kapalı sensörü (manyetik anahtar)
• Sıcaklık sensörü
• Çevirmeli ses düğmesi (potansiyometre)

1. Işık sensörü için bir eşik senaryosu tasarla. "Değer ___ altındaysa lambayı aç" cümlesindeki boşluğu 0–1023 aralığından bir sayıyla doldur ve neden o sayıyı seçtiğini bir cümleyle açıkla.
2. Evinde bir dijital, bir analog "sinyal" örneği bul (musluk, ışık anahtarı, kısma düğmesi gibi) ve neden o gruba girdiğini yaz.

Doğru cevapların bir kısmı aşağıdaki "Cevaplar" bölümünde.

Sık yapılan hatalar

Analog sensörü açık/kapalı sanmak

Işık sensöründen gelen 0–1023 arası değeri sadece "0 mı 1 mi" diye okumaya çalışırsak elimizdeki bilginin çoğunu atmış oluruz. Analog sensörü analog fonksiyonla okumalıyız.

Butondan analog değer beklemek

Buton dijitaldir; ondan "yarım basılı" gibi bir ara değer gelmez. Butonu analog okuma komutuyla okumaya çalışmak kafa karışıklığı yaratır.

Eşiği hiç ayarlamamak

Analog sensörle çalışırken tek bir eşik her ortamda doğru olmayabilir. Gündüz ve gece aynı sayı farklı anlam taşır. İyi bir proje eşiği ölçerek ayarlar.

0–1023'ü her karta genellemek

0–1023 yaygın bir aralıktır ama her kartta aynı değildir. Bazı kartlar farklı bir aralık kullanır. Kendi kartının belgesine bakmak gerekir.

Güvenlik notu

• Bu ders yalnız düşük voltajlı, eğitim amaçlı kaynaklarla çalışır: pil, USB, micro:bit veya Arduino gibi. Hiçbir zaman şebeke (priz) elektriğiyle ölçüm yapılmaz.
• Bir sensörü karta bağlarken kartın izin verdiği voltaj sınırını aşma. Sensöre yanlış voltaj vermek onu ve kartı bozabilir.
• Bağlantıları yaparken kartın gücünü kes; kabloları taktıktan sonra kontrol edip öyle güç ver.
• Aktüatörle (motor, LED) birlikte çalışıyorsan bir önceki dersteki güvenlik kurallarını hatırla: hareketli parçalardan parmak ve saçı uzak tut, motoru doğrudan kartın pininden besleme, bir sürücü ve uygun güç kaynağı kullan.
• Elektronikle ilk kez çalışıyorsan yanında bir yetişkin bulunsun.

Ders özeti

• Sinyal, bir bilginin (çoğunlukla bir voltajın) taşınmasıdır ve iki temel türü vardır.
• Dijital sinyal yalnız iki değer taşır: açık/kapalı, 1/0; buton buna örnektir.
• Analog sinyal iki uç arasında sürekli değişen bir aralık taşır; ışık ve sıcaklık sensörleri buna örnektir.
• Kart analog voltajı ADC (Analog-Dijital Çevirici) ile sayıya çevirir; birçok eğitim kartında bu sayı 0–1023 aralığındadır.
• Analog bir ölçümü karar için genellikle bir eşikle dijitalleştiririz.

Kontrol soruları

1. Dijital bir sinyal kaç farklı değer alabilir ve bunlar hangi isimlerle anılır?
2. Analog sinyali su musluğu benzetmesiyle bir cümlede açıkla.
3. ADC'nin görevi nedir?
4. Bir ışık sensörü 0–1023 aralığında değer veriyorsa 950 değeri ortam hakkında ne söyler?
5. Buton neden analog değil dijital bir sensördür?

Cevaplar

1. Dijital sinyal yalnız iki değer alır. Bunlar açık/kapalı, 1/0 veya yüksek (HIGH)/düşük (LOW) gibi isimlerle anılır; hepsi aynı iki durumu anlatır.
2. Analog sinyal, su musluğunun tam kapalıdan tam açığa kadar aradaki bütün konumları alabilmesi gibi, iki uç arasında sürekli değişen değerler taşır.
3. ADC (Analog-Dijital Çevirici), sensörden gelen sürekli analog voltajı ölçüp ona bir sayı verir; böylece yalnız sayılarla çalışan işlemci onu anlayabilir.
4. 950 değeri, aralığın üst ucuna yakındır; yani ortamın çok aydınlık olduğunu söyler (bağlantı tersse anlam da tersine döner, ama önemli olan üst uca yakınlık).
5. Buton yalnız iki durum üretir: basılı veya basılı değil. Arada "yarım basılı" gibi bir değer yoktur, bu yüzden dijitaldir.

Kaynak ve doğrulama notu

“Dijital ve Analog Sinyal” dersi için doğrulama odağı Sinyal nedir ve iki türü ile Analog sinyal: sürekli aralık arasındaki ilişkinin örnekler üzerinde tutarlı çalışmasıdır. Sensör değerleri modele, besleme gerilimine ve ortama göre değişebilir. Bu nedenle derslerdeki eşikler örnek kabul edilmeli; gerçek projede ölçüm tablosu oluşturularak kalibrasyon yapılmalıdır.

Sonraki ders

Işık Sensörü: Bu derste öğrendiğimiz analog okuma fikrini gerçek bir sensörle uygulayacağız; ortamın aydınlığını ölçüp ona göre karar veren küçük bir devre kuracağız.