模拟和数字信号 admin    17/07/12



简介

我们生活在一个模拟的世界。物体颜色有无限多种(即使我们的眼睛无法分辨出来),我们可以听到无穷多种音调, 我们能闻到无数种气味。这些模拟信号的共同点是他们有无限种可能性。

数字信号是指离散有限的范畴,这意味着它们只有有限的一组值, 可以只有2种值,也可以有256、4294967296、或任何种值,但不是∞(无限)种。

现实生活中的数字和模拟物品

现实世界中的事物可以以模拟或数字方式显示数据,采集输入。 (从左至右):时钟,万用表,和操纵杆,都可有两种形式(模拟上,数字下)。

用电子手段处理模拟和数字信号的输入和输出。我们的电子工程要处理的是现实的模拟世界, 但我们的大多数微处理器、计算机、逻辑单元是纯粹的数字元件。这两类信号就象不同的电子语言; 一些电子元件是双语的,另外一些只能理解和说一种语言。

在本教程中,我们将涵盖数字和模拟信号的基本知识,讨论模拟和数字电路和组件。

模拟信号

定义:信号

    在进入正题之前,我们先谈谈什么是信号,确切地讲,什么是电子信号 我们这里谈论的信号是一种时变“量”,它能传达某种信息。在电气工程里这各 通常是是随时间变化的电压(或电流)。所以当我们谈论的信号,可以理解位为一个 随时间变化的电压。

    设备之间通过“信号”发送和接收信息,这可能是视频,音频,或某种编码数据。 通常的信号是通过电线传输的,但他们也可以通过无线电波(RF)传输。例如你电脑通过声卡和音箱之间的连线 传输音频信号,而数据信号可以在平板电脑和无线路由器之间通过无线电波传输。

模拟信号图

    因为信号是随时间变化的,我们以时间为水平轴(X轴), 电压位垂直轴(Y轴)画出信号图形。看一个信号的波形是确定它是模拟或数字信号的最简单的方法; 时间--电压图中的模拟信号应是光滑连续的。

模拟正弦波

    这些信号可以被限制在一个范围内内,有最大值和最小值, 但仍有无限多种可能值。例如,墙壁插座上的模拟电压可能夹在-310和+310V之间,但是,当你增加分辨率 时,你会发现这个电压有无穷多的值可能性,(像64.4v,64.42v,64.424v...)。

模拟信号实例

    视频和音频的常常会使用模拟信号记录。例如,下面这个从老式RCA插座输出的复合视频信号, 是一个编码在0 1.073v之间的模拟信号通常。信号的微小变化对视频的颜色或亮度有巨大影响。

复合视频信号

一个复合视频模拟信号。

    纯音频信号也是模拟信号。从麦克风出来的模拟信号有很多种频率及其谐波, 从而构成美丽的音乐。

数字信号

    数字信号必须有一组有限的可能值。值的数目可以是2到很多(但有限)个。 最常见的数字信号是一个二值信号,像0V或5V。它时序图像是一个方波.

方波信号。两个值,要么0v或5V。

    或者,数字信号可能是模拟波形的离散表示。从远处看,波函数在看似光滑的和模拟的, 但是当你仔细看时,会发现那是一些微小的离散阶梯信号

数字正弦波

    这是模拟和数字波之间的差异。模拟信号波形是光滑连续的,数字信号波形是跳跃、离散的。

数字信号实例

    并非所有的音频和视频信号都是模拟信号。一些标准化的信号,象高清晰多媒体接口 (HMDI)和MIDI,I2S,AC'97信号都是数字信号。

    大多数的通讯集成电路是数字的。 串行接口I2C接口,和 SPI接口 都通过一个方波编码序列来传输数据。

SPI的方波信号

串行外设接口(SPI)采用一系列方波数字信号在设备之间传输数据。

模拟和数字电路

模拟电路

    最基本的电子元件电阻器、电容器、电感、二极管、晶体管和运算放大器 本质都是模拟的。用这些元件搭建的电路通常是模拟的。

例如模拟电路

模拟电路通常是有运算放大器、电阻、电容、和其他基本的电子元件构成。 这个例子是一个B类模拟音频放大器。

    模拟电路可是许多器件组成的非常优雅的设计,也可以是很简单的, 像两个电阻串联就能组成一个分压器。一般来说,要完成同样的任务,模拟电路比数电路字更难设计

    模拟电路通常更容易受到噪声的干扰(不希望出现的电压小波动)。 模拟信号的电平的一个微小变化可能会对结果产生重大影响。

数字电子技术

    数字电路中使用的数字、离散的信号。这些电路通常是由晶体管和 逻辑门组成,或者在较高的层面上,有单片机或其他计算芯片组成。大多数处理器,不管他们是在你个人电脑 上的强大的处理器,或者小小的单片机,都工作在数字领域。

数字电路

数字电路有逻辑门,或更复杂的数字集成电路(电路图中通常用矩形表)组成。

    数字电路通常使用二进制的数字方案。这些系统将两个不同的电压作为两个不同的 逻辑电平,高电压(通常为5V,3.3V和1.8V)代表“1”,一个低电压(通常为0V)代表“0”。

    虽然数字电路一般使设计变得更容易,但他们往往比完成 同样任务的模拟电路更昂贵

模拟和数字组合

    一个电路中混合了模拟和数字元件的情况并不罕见。虽然单片机通常的数码巨兽, 他们往往有内部电路,使其能够与模拟电路接口(模/数转换器、脉冲宽度调制、数/模转换器)。 模/数转换器(ADC)允许单片机连接到一个模拟传感器(如光电开关、温度传感器),读取一个模拟电压。 不太常见的数/模转换器允许单片机产生的模拟电压(如需要发出声音时)。



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