อิเล็กทรอนิกส์ : สัญญาณดิจิทัล กับ สัญญาณแอนะล็อก

ทุกวันนี้เราอยู่ในยุค "ดิจิทัล" นี่เป็นคำพูดที่ได้ยินกันโดยทั่วไป หรือไม่ก็จะมีอีกคำพูดหนึ่งว่า เทคโนโลยีทุกวันนี้ อะไรๆ ก็ "ดิจิทัล"  แล้วยังไงล่ะทีนี้ คำถามที่น่าจะถามกัน คือ ก่อนหน้าที่จะมี "ดิจิทัล" มันมีอะไรมาก่อน คำถามนี้ครูไม่เคยได้ยินจากเด็กนักเรียนที่ตัวเองสอนสักที แต่ก็อยากทำความเข้าใจ ใครรู้แล้ว ก็ไม่ต้องอ่านก็แล้วกัน

เริ่มแรกเรามารู้จักกับนิยามมันก่อนดีกว่า เข้าใจหรือไม่เข้าใจก็ให้รู้จักกันไว้ก่อน

สัญญาณทางไฟฟ้า ในวิชาอิเล็กทรอนิกส์เขาแบ่งไว้เป็น 2 ประเภทคือ

• สัญญาณดิจิทัล (Digital Signal)
  ใน wikipedia.org ได้ให้ความหมายของสัญญาณดิจิทัลไว้ว่า เป็นสัญญาณทางกายภาพที่เป็นตัวแทนของลำดับของค่าที่แยกจากกัน(สัญญาณที่มีปริมาณไม่ต่อเนื่องในแกนเวลา)
• สัญญาณแอนะล็อก (Analog Signal)
  ใน wikipedia.org ได้ให้ความหมายของสัญญาณแอนะล็อกไว้ว่า เป็นสัญญาณแบบต่อเนื่อง มีลักษณะเป็นคลื่นไซน์ (sine wave) โดยที่แต่ละคลื่นจะมีความถี่และความเข้มของสัญญาณที่ต่างกัน

อ่านแล้วแม้คนที่มีพื้นฐานทางไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์มาบ้างแล้วก็อาจจะยังงง ยิ่งไปอ่าน wikipedia ฉบับภาษาอังกฤษ ยิ่งมีการอธิบายไว้แบบพิสดาร

เอางี้ ครูจะลองอธิบายแบบของครู สำหรับเด็กๆ นักเรียนที่เพิ่งเริ่มเล่นอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งครูจะยกตัวอย่างเป็นวงจรที่สามารถทดลองจริงได้ แต่ไม่ต้องทดลองก็ได้ แต่ต้องนึกภาพไล่เรียงเหตุผลตามกันเองนะครับ

สัญญาณดิจิทัล

พิจารณาวงจรดังต่อไปนี้

จากวงจร เมื่อเรากดปุ่มสวิทช์แบบกดติด-ปล่อยดับ(puth button) กระแสไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ผ่านตัวต้านทาน ทำให้เกิดความต่างศักย์คร่อมที่ตัวต้านทาน 5 โวลท์ (อ่านค่าได้จากโวลท์มิเตอร์) เมื่อเราปล่อยสวิทช์ กระแสไฟฟ้าถูกกั้นไว้ที่สวิทช์ไม่ให้ไหลผ่านตัวต้านทานได้ ทำให้ความต่างศักย์ที่คร่อมตัวต้านทานลดค่าลงเหลือ 0 โวลท์ จะเห็นว่า สถานะ 5 โวลท์ ถูกเปลี่ยนเป็น 0 โวลท์ และเมื่อกดสวิทช์อีกครั้ง สถานะความต่างศักย์คร่อมตัวต้านทานก็จะกลายเป็น 5 โวลท์ ค่าความต่างศักย์ 1 โวลท์ 2 โวลท์ หรือค่ากี่โวลท์ก็ตามระหว่าง 0 ถึง 5 โวลท์ จะไม่มีโอกาสเกิดขึ้นเลยที่ตัวต้านทาน R   ซึ่งการเปลี่ยนแปลงในลักษณะนี้ เรียกกันว่า การเปลี่ยนแปลงแบบไม่ต่อเนื่อง

ทีนี้ลองเขียนแผนภาพเวลา (time diagram) โดยแกนตั้งให้เป็นค่าความต่างศักย์คร่อมตัวต้านทาน ส่วน แกนนอนเป็นแกนของเวลา สมมติว่ามีการกด-ปล่อย กด-ปล่อย สวิทช์ด้วยช่วงเวลา 1 วินาทีเท่าๆ กัน

นี่ล่ะที่เขาเรียกกันว่า สัญญาณดิจิทัล  ถ้าเราให้สถานะที่มีความต่างศักย์คร่อมตัวต้านทาน 0 โวลท์ หมายถึง สถานะ LOW หรือ 0 และสถานะที่มีความต่างศักย์คร่อมตัวต้านทาน 5 โวลท์ หมายถึง สถานะ HIGH หรือ 1 จากตัวอย่างที่ให้มาดังภาพ ด้านบนนี้ ก็จะแปลความหมายได้เป็นตัวเลขได้ คือ  00101010

ในทางปฏิบัติไม่มีใครเขามานั่งกดสวิทช์แบบนี้ แต่จะใช้สวิทช์อิเล็กทรอนิกส์แทน เช่น พวกอุปกรณ์ทรานซิสเตอร์อะไรนั่นล่ะ ซึ่งอัตราการสวิทช์กลับไปมาจะสูงกว่านี้มากมายเป็นแสน เป็นล้านเท่า ซึ่งครูจะไม่กล่าวถึงในบทความที่เป็นเนื้อหาเริ่มต้นนี้นะครับ

สัญญาณแอนะล็อก

พิจารณาวงจรดังต่อไปนี้

คล้ายๆ กับวงจรที่แสดงในหัวข้อสัญญาณดิจิทัล เพียงแต่เปลี่ยนจาก สวิทช์กดติด-ปล่อยดับ มาเป็น ตัวต้านทานปรับค่าได้  โดยสมมติต่อไปอีกว่า ขณะเริ่มต้นให้ VR(ตัวต้านทานที่ปรับค่าได้) มีค่าความต้านทานมากที่สุด หลังจากนั้นมีการหมุน VR จากค่ามากที่สุดมายังค่าน้อยที่สุดในเวลา 1 วินาที และหมุนกลับมาในทันทีจากความต้านทานน้อยที่สุดมาหาความต้านทานมากที่สุดในเวลา 1 วินาทีเช่นกัน ทำเช่นนี้อย่างต่อเนื่อง


มาพิจารณาว่าเกิดอะไรขึ้น
จะเห็นว่าตัวต้านทานที่ต่อกันแบบอนุกรม มันก็คือวงจรแบ่งแรงดันนั่นเอง ในสภาวะเริ่มต้นที่กำหนดให้ VR มีค่าความต้านทานมากที่สุด แรงเคลื่อนไฟฟ้าส่วนใหญ่ก็จะไปตกคร่อมที่ VR  ประมาณ 4.5 โวลท์ ส่วนที่เหลือ 0.5 โวลท์จะตกคร่อมที่ R ซึ่งเราสามารถอ่านได้จากโวลท์มิเตอร์  ครั้นเมื่อเราหมุน VR ให้มีค่าน้อยลง ความต่างศักย์คร่อม R ก็จะเพิ่มขึ้น (เพราะความต่างศักย์ของ VR จะลดลง) จนกระทั่งเมื่อค่าความต้านทานVR มีค่าน้อยที่สุด(ใกล้เคียง 0) ความต่างศักย์ส่วนใหญ่ก็จะไปตกคร่อมที่ R คือประมาณ 5 โวลท์  (การคำนวณค่าความต่างศักย์ ศึกษาได้จากหัวข้อ Voltage Divider ที่่ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/voldiv.html ) และเมื่อหมุนค่าความต้านทานของ VR กลับจากน้อยไปหามาก ความต่างศักย์ที่คร่อม R ก็จะค่อยๆ น้อยลง จนเหลือประมาณ 0.5 โวลท์เหมือนสภาวะเริ่มต้น แล้วก็กลับไปกลับมาเช่นนี้ ตามจังหวะการหมุน VR

ลองเอาเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นมาสร้างเป็นกราฟเวลา เหมือนในหัวข้อสัญญาณดิจิทัล

จะแผนภาพเวลา จะเห็นว่าการเปลี่ยนแปลงสภาวะจาก 0.5 โวลท์(โดยประมาณ) ที่คร่อม R ก่อนไปเป็นสภาวะที่มีความต่างศักย์ 5 โวลท์นั้น ความต่างศักย์ที่คร่อม R จะไม่กระโดดทีเดียวจากค่าน้อยๆ ไปหาค่ามากเลยทีเดียว แต่จะค่อยๆ เปลี่ยนจาก 0.5 เป็น 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 ... ไปเรื่อยๆ จนถึง 5 โวลท์ ในทำนองเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์จาก 5 โวลท์มาเป็น 0.5 โวลท์ ก็จะในทำนองเดียวกัน คือ เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ไม่มีการกระโดดข้ามช่วง  และนี่คือต้วอย่างหนึ่งของสัญญาณที่เราเรียกกันว่า สัญญาณแอนะล็อก

ตัวเลขที่บอกสภาวะของสัญญาณแอนะล็อกจึงเป็นปริมาณที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้าโดยตรงเช่น ความต่างศักย์ไฟฟ้า หรือกระแสไฟฟ้า เป็นต้น 

สัญญาณแอนะล็อกมีได้หลากหลายรูปแบบ สัญญาณไฟฟ้าจากไมโครโฟน สัญญาณไฟฟ้าจากเซ็นเซอร์ต่างๆ รวมไปถึงสัญญาณไฟฟ้าจากไฟฟ้ากระแสสลับ เป็นต้น ถ้าเราอยากเห็นสัญญาณเหล่านี้จากวงจรไฟฟ้า ก็จะมีเครื่องมือที่เรียกกันว่า ออสซิลโลสโคป เอาไว้ตรวจวัดดูรูปคลื่น ซึ่งใครที่เรียนช่างอิเล็กทรอนิกส์นี่ต้องได้ใช้แน่นอน แต่ถ้าแผนวิทยาศาสตร์ สายสามัญนี่ต้องลุ้นกันหน่อย ถ้าโรงเรียนใหญ่ๆ ก็ต้องมีแน่นอน (แต่ครูจะเอามาสอนหรือเปล่านี่ไม่แน่ใจนะครับ) ใครไม่เคยเห็นครูฟิสิกส์ ถ่ายรูปมาให้ดูด้วย

มาถึงตรงนี้ก็คาดหวังว่า ผู้ที่ยังไม่รู้จัก สัญญาณดิจิทัล สัญญาณแอนะล็อก ก็คงจะรู้จักกันบ้างแล้ว ส่วนจะมองภาพออกต่อไปจนว่ามันมีบทบาทอย่างไรต่อเทคโนโลยีในทุกวันนี้ ก็ต้องศึกษากันต่อไปครับ

ตอนนี้คงจบไว้แค่นี้ ขอบคุณที่ติดตามนะครับ

เรื่องเล่า "ไฟฟ้าสถิต" ตอนแรก

ในอดีตกาลมนุษย์เรารู้ว่าถ้าเอาก้อนอำพันมาถูกับผ้า ก้อนอำพันจะมีพลังลึกลับที่ดึงดูดวัตถุเล็กๆ เช่น เศษฟาง ให้มาติดกับตัวมันได้ หลักฐานเกี่ยวกับเรื่องนี้ ย้อนหลังได้ถึงสมัยกรีกโบราณโน่นแน่ะ  อำพัน เป็นก้อนของแข็งสีเหมือนสีของเหล้าแม่โขงนั่นแหละ (ดูรูปประกอบก็แล้วกัน) ซึ่งจริงๆ แล้วมันก็คือยางไม้ที่ไหลมารวมกันแล้วก็กระบวนการตามธรรมชาติ ผ่านกาลเวลาอย่างยาวนานจนกระทั่งมันแข็งเหมือนหิน และมีสีสันที่สวยงาม

By Brocken Inaglory - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11215746

คำอธิบายเกี่ยวกับปรากฎการณ์แรงดูดลึกลับระหว่างก้อนอำพัน(หลังจากที่ถูกับผ้า)กับเศษวัตถุชิ้นเล็กๆ ยังไม่มีอย่างเป็นชิ้นเป็นอันนานเป็นพันปี กระทั่ง William Gilbert (พ.ศ. 2087-พ.ศ.2146) ได้เผยแพร่หนังสือ De Magnete เพื่ออธิบายเกี่ยวกับเรื่องนี้ และนั่นคือปฐมบทของ "ไฟฟ้าสถิต" อย่างแท้จริง

รายละเอียดภายในหนังสือ De Magnete ไม่ได้มีเพียงแค่เรื่องราวของ "ไฟฟ้าสถิต" เท่านั้น แต่ยังกล่าวถึง "แม่เหล็ก" ซึ่งเป็นแรงลึกลับอีกแรงหนึ่งในสมัยนั้นด้วย โดยกระบวนการที่กิลเบิร์ตใช้นั้นเป็นการทดลองทางวิทยาศาสตร์แนวใหม่ ซึ่งได้ขยายพรมแดนความรู้ทั้งเรื่องไฟฟ้าสถิตและแม่เหล็กให้กว้างขวางออกไป ซึ่งเรื่องเล่าที่ครูจะกล่าวถึงตอนนี้จะยังไม่กล่าวถึง "แม่เหล็ก" แต่จะเล่าถึงเพียงเฉพาะเรื่องราวของไฟฟ้าสถิตก่อนเท่านั้น  ในหนังสือกิลเบิร์ตนั้น กิลเบิร์ตไม่ได้ทำการทดลองเฉพาะก้อนอำพันกับที่ถูกับผ้าเท่านั้นที่ทำให้เกิดแรงดูด แต่มีวัสดุคู่อื่นๆ อีกที่สามารถมีผลเช่นเดียวกัน เช่น แก้วกับขนสัตว์ แท่งยางแข็งๆ กับไหม เป็นต้น โดยเขาได้ให้นิยามคำ ELECTRIC ว่า bodies that attract in the same way as amber แปลเป็นไทยก็จะในทำนองที่ว่า ไฟฟ้า คือ การที่วัตถุดูดกันคล้ายๆ กับการดูดของก้อนอำพัน

การดูดของแท่งอำพันกับเศษวัสดุเล็กๆ หรือการผลักกันเองของแท่งอำพันกับแท่งอำพัน (ภายหลังจากถูกด้วยผ้า) สามารถมองเห็นและสังเกตได้จากการทดลอง คำถามก็คือ มันเกิดอะไรเกิดขึ้นระหว่างที่เราถูวัสดุทั้งสองเข้าด้วยกัน กลไกภายในเนื้ออำพันเป็นอย่างไร และนั่นเป็นเหตุผลที่นักฟิสิกส์ ณ ขณะนั้นต้องสร้างโมเดลขึ้นมาอธิบาย ในที่สุดโมเดล "ประจุ" ก็เกิดขึ้นเพื่อนำมาอธิบายปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้น

โมเดลประจุเป็นสิ่งที่ไม่อาจสังเกตได้ด้วยสายตา แต่เราสมมติขึ้นมา โดยโมเดลนี้มีกฎเกณฑ์ ดังนี้

1. มีประจุไฟฟ้าอยู่สองชนิด 
2. ประจุไฟฟ้าที่เหมือนกันจะผลักกัน
3. ประจุไฟฟ้าที่ต่างกันจะดูดกัน

Benjamin Franklin เป็นผู้หนึ่งที่นำเอาโมเดลนี้มาอธิบาย โดยกล่าวว่า วัตถุต่างๆ ทุกชนิดจะประกอบไปด้วยประจุไฟฟ้าสองชนิดนี้ในปริมาณที่เท่าๆ กันในยามปกติ มันจึงไม่แสดงอำนาจทางไฟฟ้าออกมา (เพราะอิทธิพลของประจุทั้งคู่กลบกันหมดพอดี) แต่เมื่อนำเอาวัสดุคู่หนึ่งมาถูกัน ทำให้ประจุไฟฟ้าทั้งสองแยกออกจากกันโดยประจุชนิดหนึ่งจะชอบไปอยู่กับวัสดุอีกชนิดหนึ่งได้ดี ทำให้เกิดสมดุลของประจุไฟฟ้าของวัสดุนั้นเสียไป อิทธิพลของอำนาจของประจุไฟฟ้าที่มีมากกว่าจึงแสดงอำนาจออกมา (โดยการดูดวัตถุชิ้นเล็กๆ ได้) โดยธรรมชาติของประจุไฟฟ้าถูกมองเหมือน "ของไหล" ชนิดหนึ่ง แฟรงคลิน เรียกประจุไฟฟ้าทั้งคู่นี้ว่า "ประจุบวก" พวกหนึ่ง และ "ประจุลบ" อีกพวกหนึ่ง

คำถามคือ แล้วอะไรไหลกันแน่ระหว่าง "บวก" หรือ "ลบ" ซึ่งในภายหลังเราก็พบว่าทั้งสองชนิดของประจุสามารถไหลได้ทั้งคู่ (แต่ด้วยความรู้ใหม่ๆ ที่เกิดขึ้นภายหลังเราทราบว่า ประจุลบจะไหลได้ง่ายกว่า โดยที่เราทราบว่าอนุภาคอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบ จะเป็นอิสระได้ง่ายจากอะตอม และมีอยู่เป็นจำนวนมากที่เคลื่อนที่ไปมาในโลหะ)

โมเดลง่ายๆ นี้ (โมเดลประจุไฟฟ้าบวก กับประจุไฟฟ้าลบ) เป็นโมเดลที่ยอดเยี่ยมทีเดียว เพราะมันสามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ได้เป็นจำนวนมาก โดยอาศัยแค่ "บวก" กับ "ลบ" ไม่จำเป็นต้องมี "คูณ" หรือ "หาร" เข้ามาเกี่ยวข้อง  แม้แต่วัตถุที่ยังไม่แสดงอำนาจทางไฟฟ้าออกมา ก็สามารถอธิบายได้ว่า ประจุไฟฟ้าชนิดบวก กับประจุไฟฟ้าชนิดลบ มีปริมาณเท่าๆ กัน ผลรวมทางคณิตศาสตร์ของมันจึงมีค่าเป็นศูนย์และสิ่งที่แสดงออกมาคือไม่แสดงอำนาจไฟฟ้า แต่ถ้ามันเกิดการไหลของตัวใดตัวหนึ่งเข้าแล้วผลรวมทางคณิตศาสตร์ของมันไม่เป็นศูนย์ มันก็จะแสดงอำนาจทางไฟฟ้าออกมา การเรียกชนิดของประจุไฟฟ้าเป็นบวก กับลบ จึงเป็นข้อดีอีกแบบหนึ่งของโมเดลการอธิบายปรากฏการณ์ทางไฟฟ้านี้

แต่อย่างไรก็ตาม โมเดลประจุไฟฟ้านี้ ยังเป็นเพียงคำอธิบาย หรือบรรยายปรากฏการณ์ ELECTRIC เท่านั้น ยังไม่ได้พูดถึง "ขนาดของแรง" ว่ามีความสัมพันธ์อย่างไรกับ "ขนาดของประจุไฟฟ้า" หรือจำนวนของประจุบวก หรือประจุลบ ระยะห่างมีผลอย่างไรต่อขนาดของแรง ซึ่งต้องแสดงออกมาในเชิงปริมาณ ซึ่งเรื่องนี้จะได้พูดถึงในตอนต่อไป ซึ่งจะกล่าวถึงความสำเร็จของนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ที่ได้สร้าง "กฏแห่งแรง" (Law of Force) ทางไฟฟ้าขึ้นมา ตอนนี้ขอจบบันทึกไว้เพียงเท่านี้ก่อน