數(shù)字電子學(xué)和模擬電子學(xué)

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯數(shù)字電子學(xué)和模擬電子學(xué) 現(xiàn)在，電子學(xué)是一個寬闊的領(lǐng)域，有必要劃分幾個子領(lǐng)域來進行爭論和討論。你將聽到這些說法如：醫(yī)療電子學(xué)、儀器電子學(xué)、自動化電子學(xué)、航空電子學(xué)、消費電子學(xué)、工業(yè)電子學(xué)等等。而其中一種分類方法是將它分為數(shù)字電子學(xué)和模擬電子學(xué)。 數(shù)字電子器件和電路只能識別和產(chǎn)生幾個有限的狀態(tài)。例如，大多數(shù)的數(shù)字電路只響應(yīng)兩種輸入狀態(tài)：低電平和高電平。數(shù)字電路也可以稱為二進制電路，由于它是基于只有0 和1 這兩個數(shù)碼的系統(tǒng)。 模擬電路是能夠響應(yīng)和產(chǎn)生無限多個輸出狀態(tài)的電路。例如，模擬電路的輸入或輸出可以在0V 和10V 之間變化，它的實際值可以是1.5V ，2.

2、8V ，甚至是7.653V ，理論上，模擬電路的輸入或輸出信號是有無限多可能取值的連續(xù)信號。另一方面，典型的數(shù)字電路把輸入范圍從0 到0.4V 電壓確認為低電平（二進制0 ），從2.0V 到5V 的確認為高電平（二進制1 ）。數(shù)字電路對2V 和4V 電壓的響應(yīng)沒有什么不同，由于這兩個電壓都屬于高電平的范圍。在數(shù)字系統(tǒng)中，輸入電壓不允許在0.4V 和2.0V 之間，由于這樣會導(dǎo)致不確定的輸出。 在過去很長的一段時間內(nèi)，幾乎全部的電子元件和電路都工作在模擬形式下。其中的緣由是顯而易見的，究竟，在自然界中大多數(shù)的可測量的量都是模擬量，如身高、體重，以及車速。聲音也是模擬量，它包括無限多個不同的電平和

3、頻率。因此，假如要用一個電路來放大你的聲音，你就會想到運用模擬電路。 電話交換機和計算機電路需要工程師們討論數(shù)字電路。他們需要某種對輸入可以進行規(guī)律推斷的電路和器件；并要求電路能高牢靠地工作。在電路必需牢靠工作時，通過限制它的狀態(tài)，那么電路就可以更牢靠。無限狀態(tài)的模擬電路不適合這種場合。 圖7-1 給出電路工作的例子能夠關(guān)心我們區(qū)分數(shù)字電路和模擬電路的工作特性。信號從左端輸入電路，從右端輸出電路?，F(xiàn)在把這個信號設(shè)想為某種電量，例如是一個隨時間變化的電壓。電路A 就是數(shù)字電路的一個例子，數(shù)字波形是矩形波，輸出信號就是一個矩形波；而輸入信號不是一個精確的矩形波。矩形波只有兩種電壓電平并且它是數(shù)字電

4、路中最常見的信號。 圖7-1 中電路B 是模擬電路。它的輸入和輸出都是正弦波。輸出比輸入要大，并且上移到坐標(biāo)零點之上。最重要特性是輸出信號是由無限多個電壓組合而成。通常我們將電路B 稱作線性放大器，他的輸入和輸出有嚴格的比例。雖然電路B 是線性電路，但并不是全部的模擬電路都是線性的。例如，某一個音頻放大器會使聲音產(chǎn)生失真，這個放大器仍舊是模擬范疇，但它產(chǎn)生強失真時是非線性的。 圖7 1 中，電路C 到電路F 都是數(shù)字電路。留意到它們的輸出都是矩形波（兩個電壓電平）。電路F 應(yīng)得到特殊的留意，它的輸入信號是矩形波，這可能是對只有兩個電壓電平的模擬電路的響應(yīng)，此外對信號而言已生了在其他例子沒有的現(xiàn)

5、象。輸出信號的頻率不同于輸入的頻率，我們將實現(xiàn)此功能的數(shù)字電路稱為計數(shù)器，或者分頻器。 現(xiàn)在常常需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，數(shù)字量可以存儲在計算機的內(nèi)存、磁盤、光盤或磁帶上。數(shù)字存儲器有許多的優(yōu)點，每個聽過用光盤播放的音樂的人都知道它通常沒有噪音。數(shù)字錄音不比模擬錄音的音質(zhì)差。 將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的另一個優(yōu)點是可以用計算機來增加信號。計算機是數(shù)字的機器。它是強大的數(shù)字處理機（runcher ）。計算機能夠?qū)π盘栠M行多種不同的操作，例如能夠消退噪聲和失真，修正頻率和相位的誤差，識別信號的類型等。電子學(xué)的這個領(lǐng)域被稱為數(shù)字信號處理（DSP ）。在醫(yī)療電子學(xué)中用數(shù)字信號處理來增加人體的掃描圖像。

6、在音頻領(lǐng)域中用來消退舊唱片的噪聲。數(shù)字信號處理還可以用于其它的領(lǐng)域中。數(shù)字信號處理的內(nèi)容將在以后的課程中敘述。 圖7-2 表示一個將模擬信號先轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號后又還原成模擬信號的系統(tǒng)。模數(shù)（A/D ）轉(zhuǎn)換器是一種產(chǎn)生二進制（僅有0 和1 電平）輸出的電路。留意到存儲器中存儲的是二進制數(shù)字。時鐘脈沖（時間產(chǎn)生電路）用來驅(qū)動A/D 轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行重復(fù)采樣。圖7-3 表示具體的模擬波形， A/D 轉(zhuǎn)換器每20 微妙（s ）對該波形采樣一次。這樣，經(jīng)過0.8 毫秒（ms ），可以采樣40 次。任意模擬信號所需的采樣速率是這個信號的頻率函數(shù)。信號的頻率越高，所需的采樣速率也越高。 再回到圖7-2 ，

7、將存儲器中的二進制數(shù)送到數(shù)模（D/A ）轉(zhuǎn)換器中可以將其還原為模擬信號。存儲器中二進制信息用與同從前信號被采樣時相同的速率由時鐘脈沖從存儲器中讀出。圖7-4 表示了數(shù)模（D/A ）轉(zhuǎn)換器的輸出?？梢钥闯鲚敵龅牟ㄐ闻c原始的模擬信號的波形并不是嚴格相同，它是一系列的離散的臺階。然而，使用更多的臺階，可以獲得一個更接近于代表原始信號的波形。臺階的大小取決于使用二進制數(shù)的位數(shù)。臺階的數(shù)目是以2 為底、以位數(shù)為指數(shù)的冪。一個5 位系統(tǒng)可以供應(yīng)： 25=32 臺階 一個8 位系統(tǒng)則可以供應(yīng)： 28=256 臺階 實際上，圖7-2 的輸出信號使用濾波器平滑了臺階，并且這個模擬的輸出信號在實際應(yīng)用中是能讓人接受的，例如用于講演的擴音。 假如使用足夠的位數(shù)和高的采樣速率，模擬信號可以精確地轉(zhuǎn)換成等價的數(shù)字信號，這個信號又可以完全無誤地轉(zhuǎn)換成與原始信號相同的模擬信號。假如運用數(shù)字信號處理的話，這個信號甚至?xí)仍夹盘柮黠@變好。 模擬電子學(xué)包括的技術(shù)和概念與數(shù)字電子學(xué)是不同的。本書接下來將重點敘述模擬電子學(xué)?，F(xiàn)在，大多