模擬信號和數(shù)字信號講堂(二)，模擬信號和數(shù)字信號之?dāng)?shù)字信號詳解

模擬信號和數(shù)字信號并不難，對于模擬信號和數(shù)字信號，想必均有所耳聞。在上一篇模擬信號和數(shù)字信號文章中，小編曾對模擬信號予以解讀。本文中，將對模擬信號和數(shù)字信號中的數(shù)字信號加以探討。如果你對模擬信號和數(shù)字信號相關(guān)知識存在一定興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

電子系統(tǒng)中一般含有模擬和數(shù)字兩種構(gòu)件，通常使用的收音機(jī)等，其中的電路結(jié)構(gòu)主要是模擬電路，比如功率放大器，不過現(xiàn)在有許多音響系統(tǒng)中不僅包含模擬電路，而且已經(jīng)有了數(shù)字模塊，比如CD機(jī)，其中主要的部件就是數(shù)字模塊;而像電腦這樣一類的電子系統(tǒng)，則主要就是建立在數(shù)字技術(shù)上的，但即使是所謂的純數(shù)字系統(tǒng)，仍然離不開模擬電路，因為數(shù)字電路實事上可以說是模擬電路的一種特例，比如說在模擬電路中我們采用晶體管的線性工作區(qū)間，而數(shù)字電路則采用晶體管的非線性工作區(qū)間，因此說模擬電路是電子系統(tǒng)中必須的組成部分。

人們發(fā)現(xiàn)在對信號的存儲、分析和傳輸中，數(shù)字電路更具優(yōu)越性。為了能夠處理存儲連續(xù)變化的模擬信號，數(shù)字電路采用二進(jìn)制數(shù)首先對其進(jìn)行量化處理后，再使用復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)來實現(xiàn)信號的存儲、分析和量化。

1.二值數(shù)字邏輯和邏輯電平

二進(jìn)制數(shù)正好是利用二值數(shù)字邏輯中的0和1來表示的。二值數(shù)字邏輯是Binary Digital Logic的譯稱。

與模擬信號相反，數(shù)字?jǐn)?shù)字信號在時間上和數(shù)值上均是離散的，而離散信號的值只有真或假，是與不是，因此可以使用二進(jìn)制數(shù)中的0和1來表示。需要注意的是這里的0和1并非通常意義上的0和1，也就是說并不像在十進(jìn)制中0和1有大小之分，這里的0和1指的是邏輯0和邏輯1。因此我們可以將其稱之為二值數(shù)字邏輯或簡稱為數(shù)字邏輯。

二值數(shù)字的產(chǎn)生，是基于客觀世界中存在許多可以用彼此相關(guān)又互相對立的兩種狀態(tài)來描述的事物，比如人的性別，不是男的就是女的，開關(guān)的開與關(guān)等，就是這樣一種關(guān)系。很顯然，這些都具有明顯的二值特性，因此完全可以用電子器件的開關(guān)特性來表示。比如，利用晶體管的非線性特性制作成的開關(guān)二極管，工作時僅有兩種狀態(tài)，不是導(dǎo)通就是關(guān)斷，也是一個二值特性，因此可以用其來表示人的性別等。

當(dāng)開關(guān)器件起作用時，電路中只可能出現(xiàn)兩種電壓值，當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時，開關(guān)后的電路中將有電流流過(比如串聯(lián)于三極管發(fā)射極的負(fù)載)，因而將可得到一個較高的電壓值，而當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時，開關(guān)后的電路中將沒有電流流過，因而將只能得到一個較低的電壓值，從而在電路中將形成離散的電壓信號，也叫數(shù)字電壓，通常稱之為邏輯電平。

應(yīng)該注意的是邏輯電平不是一個具體的物理量，而是物理量的相對表示。比如，當(dāng)使用示波器測量一個音響設(shè)備的輸出時，你可觀察到一個輸出電壓幅值連續(xù)變化的波形，但是將該輸出信號量化成二值信號后，你觀察到的只是一系列電壓值不是5V就是0V的離散電壓值，很顯然我們不能因此就說該音響設(shè)備的輸出就是5V。

表1.1.1 邏輯電平與電壓值的關(guān)系

從表中可以看到，+5V的電壓值可以用二值邏輯中的1或0來表示，就看你使用的是正邏輯還是負(fù)邏輯。在邏輯電平中則使用高電平來表示。事實上高電平并非就只等于+5V，可以是3V，還可以是其它任何值。

圖1.1.3表示用邏輯電平描述的數(shù)字波形，其中圖1.1.3a的邏輯0表示0V，邏輯1表示5V;圖1.1.3b的邏輯0表示5V，邏輯1表示0V;圖1.1.3c 則是一個16位長數(shù)據(jù)的圖形表示。

2.數(shù)字波形

數(shù)字波形是邏輯電平對時間的圖形表示。通常，我們將只有兩個離散值的波形稱之為脈沖波形，在這一點上脈沖波形與數(shù)字波形是一致的，只不過數(shù)字波形用邏輯電平表示，而脈沖波形用電壓值表示而已。

與模擬波形的定義相同，數(shù)字波形也有周期性和非周期性之分。圖1.1.4表示了這兩類數(shù)字波形：

周期性數(shù)字波形同樣用周期T或頻率f來描述;而脈沖波形的頻率常稱為脈沖重復(fù)率PRR--Pulse Repetition Rate。

脈沖波形的參數(shù)：

脈沖寬度：tw表示，表示脈沖作用的時間;

占空比：q，表示脈沖寬度tw占整個周期T的百分?jǐn)?shù)，常用下式來表示：

占空比是一個重要參數(shù)，其定義同樣適用于數(shù)字波形。

圖1.1.5表示兩種數(shù)字波形及其周期、頻率、脈沖寬度和占空比：

例題1.1.1設(shè)周期性數(shù)字波形的高電平持續(xù)6ms，低電平持續(xù)10ms，求占空比q?

解：根據(jù)給定的高電平持續(xù)時間有tw= 6ms，而高電平與低電平持續(xù)時間之和即為周期T

所以有 T=6ms+10ms=16ms

到目前為止，我們所討論的數(shù)字波形都是理想波形，然而實際的數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字波形的升降都要經(jīng)歷一段時間，也就是說波形存在上升時間tr和下降時間tf 。

上升時間tr的定義是：從脈沖幅值的10%到90%所經(jīng)歷的時間;下降時間tf的定義剛好相反：從脈沖幅值的90%到10%所經(jīng)歷的時間。tr和tf的典型值約為幾個納秒(ns)，視不同類型的器件和電路而異。

脈沖寬度的定義是脈沖幅值為50%時前后兩個時間點所跨越的時間。非理想脈沖如圖1.1.6所示：

例題1.1.2 試?yán)L出一脈沖波形，設(shè)它的占空比為50%，脈沖寬度 tw=100ns，上升時間tr=10ns，下降時間tf=20ns。

解：根據(jù)題意，可繪出脈沖波形如下：

圖1.1.7 例1.1.2的波形圖

一般情況下波形的上升或下降時間均要比高電平或低電平的持續(xù)時間要小很多，畫波形的目的主要是為了了解高、低電平所經(jīng)歷的時間。因此在理想波形中就只有高、低電平，而忽略了上升和下降時間。本課程中所用的數(shù)字波形將采用理想波形。

當(dāng)然，實際中碰到的波形，不管從示波器上來看，其上升沿和下降沿是多么的直，tr和tf都不可能為零，只是在數(shù)字電路中，只需關(guān)注邏輯電平的高低，因此在畫波形時只需畫出高低電平所經(jīng)歷的時間即可，無需畫出上升沿和下降沿。

(a)

(b)

圖1.1.8 用邏輯1和0表示的二值位行圖

(a) 對稱方波 (b) 二值數(shù)據(jù)

上圖為一個二值位形圖，其中1或1占用的最小時間稱為位時間

，也就是1位數(shù)據(jù)所占用的時間。我們將每秒鐘所傳輸?shù)奈粩?shù)稱為數(shù)據(jù)率或比特率。

例題1.1.3 某通信系統(tǒng)每秒中傳輸1.544兆位數(shù)據(jù)，求每位數(shù)據(jù)的時間。

解：根據(jù)題意，只需將1.544M倒數(shù)，即可求得每位數(shù)據(jù)的時間為：

舉例來說，象圖1.1.8b中看到的22位的二值位形圖，如果每一位數(shù)據(jù)所占用的時間是648ns，則22位共占用14256ns，也就是14.256微秒，而其數(shù)據(jù)率就是1.544兆。

在設(shè)計數(shù)字集成電路時，有時為了分析各種信號之間的邏輯關(guān)系，需要將多個數(shù)字波形按時間排列在一起，用來表明相互間的時間關(guān)系，我們將這樣一種關(guān)系圖稱為時序圖(Timing diagram)。

時序圖中的每一個波形都被稱為時間信號。時序圖被廣泛運用在設(shè)計數(shù)字集成電路中，在設(shè)計存儲器、微處理機(jī)等數(shù)字應(yīng)用電路時均須附有時序圖，以便數(shù)字系統(tǒng)的分析、應(yīng)用和設(shè)計。

圖1.1.9就是一個時序圖的例子：

圖1.1.9 數(shù)字時序圖

圖中CP為時鐘脈沖信號，用作系統(tǒng)中的時間參考信號，一般由石英晶體振蕩器來產(chǎn)生，如圖所示波形為對稱方波。關(guān)于圖中各個波形的具體作用，將在以后的課程加以介紹

3.模擬量的數(shù)字表示

為便于存儲、分析和傳輸，常常需要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

在數(shù)字電路中用數(shù)字0、1的編碼來表示一個模擬量，這里的編碼所指的是數(shù)字0、1的字符串，圖1.1.3和圖1.1.8所示的數(shù)字波形即是這種編碼的圖形。這樣一種編碼實際上就是二進(jìn)制編碼。

下面通過圖1.1.10的圖示來了解用數(shù)字表示模擬信號的過程：

取其中A、B、C3個取樣點。以B點為例，該點的模擬電壓為3V，將其送入一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器后可得到以數(shù)字0、1表示的數(shù)字電壓，如圖1.1.10b所示。同樣地也可以得到A、C點的數(shù)字編碼。

當(dāng)信號的取樣點數(shù)足夠多時，原信號就可以被較真實地復(fù)制下來。

當(dāng)然，必要的話還可以通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將已經(jīng)數(shù)字化的信號還原成模擬信號。

以上便是此次小編帶來的“模擬信號和數(shù)字信號”相關(guān)內(nèi)容，通過本文，希望大家對數(shù)字信號具備一定的了解，并對文中涉及的數(shù)字信號問題有一定認(rèn)知。如果你喜歡本文，不妨持續(xù)關(guān)注我們網(wǎng)站哦，小編將于后期帶來更多精彩內(nèi)容。最后，十分感謝大家的閱讀，have a nice day!