Segnali e segnali elettrici
Segnali
In natura i segnali possono essere delle azioni compiute da un organismo per avvisare o mettere in allerta altri organismi, per esempio possiamo avere il rilascio di sostanze chimiche da parte di piante per segnalare la presenza di un predatore, oppure possiamo pensare ai suoni emessi dagli animali per richiamare altri animali per segnalare la presenza di cibo o di un pericolo.
Anche all’interno degli organismi è presente un sistema di segnalazione a livello delle cellule.
Un segnale può essere definito in generale come la variazione nel tempo di una grandezza osservabile associata a un fenomeno fisico.
I segnali possono essere meccanici, idraulici, pneumatici, ottici, di temperatura etc.
Nella teoria dei segnali un segnale in genere è una funzione a cui è associata un'informazione su un fenomeno.
Qualsiasi quantità che varia nel tempo o nello spazio può essere impiegata come un segnale per scambiare messaggi tra due o più osservatori.
In generale in ingegneria i segnali vengono forniti da un sensore e spesso la forma originale di un segnale viene convertita in un altro tipo di energia attraverso un trasduttore, per cui si parla di segnali elettrici. Per esempio un microfono converte un segnale acustico in una tensione variabile nel tempo e un altoparlante svolge la funzione inversa, convertendo una corrente elettrica alternata nella vibrazione di una membrana.
Segnali analogici e digitali
Consideriamo adesso lo scorrere del tempo indicato da un orologio meccanico (sulla sinistra in Figura 2) in cui le lancette percorrono la circonferenza del quadrante dell’orologio. Il loro movimento è continuo e tocca tutti i punti della circonferenza: si stabilisce così un'analogia diretta tra il movimento delle lancette e lo scorrere del tempo.
Con riferimento alla Figura. 3 possiamo considerare la registrazione di un sismogramma effettuata da un sismografo, la traccia grafica del sismogramma corrisponde all’escursione nel tempo di un pennino che è solidale al terreno e che oscilla in analogia allo spostamento del terreno, lasciando in ogni istante una traccia di ampiezza tanto maggiore quanto più grande è l’energia sismica che investe il sismografo.
Se invece consideriamo per un attimo un'elettrocalamita alimentata da una batteria a 9V e disegniamo un diagramma in cui registriamo nel tempo la sua tensione, vediamo che l’andamento della tensione sarà alternativamente 9V o 0V in funzione del fatto che l’interruttore permetta o meno il passaggio della corrente: il segnale elettrico registrato ha una natura discreta e non assume più un’infinità di valori ma solo due distinti valori di tensione.
Adesso consideriamo un orologio dotato di un display elettronico in cui lo scorrere del tempo viene rappresentato da un indicatore dei secondi che visualizza un numero che può assumere un insieme finito (discreto) di valori (i numeri interi da 0 a 59) e allo stesso modo l’indicatore dei minuti esprime un numero tra 0 e 59, mentre quello delle ore un numero compreso tra 0 e 23.
Lo scorrere del tempo non viene più rappresentato in maniera analogica ma discreta, ovvero sia non esiste più un’infinità di punti toccati dalle lancette corrispondente all’infinità di istanti che costituiscono lo scorrere del tempo, ma il passaggio da un istante a un altro avviene per salti: la rappresentazione del tempo che otteniamo con uno strumento di questo tipo è di tipo digitale.
Segnali elettrici
In generale i segnali elettrici rappresentano la misura di tensione (differenza di potenziale) che si sviluppa ai capi di un sensore.
Un sensore è un dispositivo capace di prendere in ingresso (input) una grandezza fisica e restituire in uscita (output) una tensione elettrica.
In pratica un sensore elettrico reagisce alle variazioni di una grandezza fisica fornendo in uscita una tensione proporzionale alla grandezza fisica osservata.
Nel caso di un sensore di temperatura, ad esempio, la differenza di potenziale misurata ai capi del sensore (tensione variabile nel tempo) sarà proporzionale alla temperatura dell’ambiente in cui si trova, vedi Figura 4.
In generale possiamo definire un segnale elettrico digitale come una registrazione a intervalli prefissati nel tempo di un fenomeno in cui, per ogni istante, la grandezza misurata può assumere solo un valore all’interno di un numero finito di valori (vedi Figura 5).
I circuiti elettronici digitali, per esempio l’elettronica di un computer oppure quella dei dischi ottici si basa su segnali elettrici digitali che utilizzano due soli valori (rappresentazione binaria delle informazioni) e prendono il nome di segnali logici o binari.
E' possibile ottenere una rappresentazione digitale di un fenomeno fisico (oppure digitalizzare una registrazione analogica) attraverso un campionamento a intervalli prefissati del fenomeno in cui un insieme (banda) di valori verranno condensati in un unico valore registrato (digitalizzazione del segnale) che sarà costituito alla fine da una serie di valori corrispondenti al numero finito di valori che il segnale può assumere, vedi Figura 6.
