两种信号量:模拟量与数字量

概述

我们生活在一个模拟世界。 可以用无限细分的数量表示的颜色来绘制一个物体(即使这种差异是我们肉眼难以分辨的),我们可以听到无限种的音调,并且有无限种的我们可以闻到的气味。 所有这些模拟信号的共同特点是它们的无限可分性。

 

用数字的信号和量来处理离散或有限的领域,这意味着它们只有一组有限的值。 这可能意味着只有确定不可分割的值,即255,4,294,967,296或任何其他值,只要它不是∞(无穷大)。

Analog and digital real-life items

真实世界的中许多的事物可以用数据表示,通过模拟或数字方式进行输入。 (从左至右):时钟,万用表和操纵杆(上面的模拟,下面的数字)。

应用电子技术意味着处理模拟和数字信号,无论是输入还是输出。我们的电子项目必须以某种方式与真实的模拟世界进行交互,但我们的大多数微处理器,计算机和逻辑单元都是纯数字的方式进行处理。 这两种类型的信号就像不同的电子语言; 有些电子元件是双语的,其他的只能输入和输出其中的一种。

在本教程中,我们将介绍数字和模拟信号的基础知识,包括每个示例。 我们还将讨论模拟和数字电路及其电子元器件。

建议先阅读

模拟和数字的概念独立存在,不需要大量以前的电子知识。但在您开始阅读本文之前,还是需要确保您已经知道或者学习了以下教程中所罗列的内容:

模拟信号

定义:信号

在进一步讨论之前,我们应该谈一谈信号究竟是什么,特别是电子信号。 我们正在谈论的信号是时变的“量”,其传达某种信息。在电气工程中,随时间变化的量通常是电压,偶尔也会是电流。 所以当我们谈论信号时,只要将它们看作随时间变化的电压即可。

设备之间传递信号以发送和接收信息,这些信息可能是视频,音频或某种编码数据。 通常信号通过导线传输,但也可以通过射频(RF)波传播。 音频信号可能会在计算机的音频卡和扬声器之间传输,而数据信号可能会通过平板电脑和WiFi路由器之间的空气传播。

模拟信号图

由于信号随时间而变化,因此,将其时间绘制在水平(x轴)和电压绘制在垂直(y轴)上的图很有帮助。 查看信号图通常是识别模拟或数字信号的最简单方法; 模拟信号的电压 – 时间曲线应该平滑连续

Analog Sine Wave

尽管这些信号可能被限制在最大值和最小值的范围内,但是在该范围内仍然有无限数量的可能值。 例如,从墙上插座出来的模拟电压可能会在-120V和+ 120V(译者注:这指的是美国国家标准的市电,中国国家标准市电的峰值电压是-310V和310V)之间被限制,但是,随着分辨率越来越高,您会发现信号实际上可以有无数个值(如64.4V ,64.42V,64.424V和无限的,越来越精确的值)。

模拟信号示例

视频和音频传输通常使用模拟信号传输或记录。 例如,从旧的RCA插孔出来的分量视频线是一种编码模拟信号,通常介于0到1.073V之间。 信号微小的误差对视频的颜色或位置有很大的影响。

Composite video signal

一行表示分量视频数据的模拟信号

纯音频信号也是模拟信号。 来自麦克风的信号充满了各种频率复合而成的模拟谐波,一起产生了美妙的音乐。

数字信号

数字信号的分量必须是有限值集合中的一个。 该集合中的值的数量可以是两个之间的唯一值,并且可以两个电压相差很大的模拟量,但不是无穷大。 最常见的数字信号将是两个值之一 – 如0V或5V。 这些信号的时序图看起来像方波。

Square wave signal. Two values, either 0V or 5V.

或者数字信号可能是模拟信号波形近似拟合后的离散表示。从远处看,下面的波函数可能看起来很平滑和模拟,但是当你仔细观察时,信号拟合近似时会有微小的离散间距:

Digital Sine Wave

这是模拟信号的波形和数字信号的波形之间的巨大差异。 模拟信号的波形是平稳而连续的,数字波,正方形和离散。

数字信号的例子

并非所有的音频和视频信号都是模拟的。 视频(和音频)的HDMI等标准化信号以及音频的MIDII2SAC’97都是数字传输的。

集成电路之间的大多数通信是数字信号的。像serial(串口),I2CSPI等接口都通过一个编码的方波序列来传输数据的。

SPI square wave signals

串行外设接口(SPI)使用许多数字信号在设备之间传输数据

模拟和数字电路

模拟电子技术

大多数基本电子元件 – 电阻器,电容器,电感器,二极管,晶体管和运算放大器 – 都是模拟本质的器件。 仅由这些电子元件构建的电路通常是模拟的。

Example analog circuit

模拟电路通常是运算放大器,电阻器,电容器和其他基础电子元件的组合。 这是B类模拟音频放大器的一个例子。

模拟电路往往是非常优美的设计,具有许多组件,或者它们可以非常简单,就像两个电阻串联在一起构成分压器。但是,一般来说,设计同样功能的模拟电路的比数字电路要困难得多。需要特殊的模拟电路指导思路来设计模拟无线电接收器或模拟电池充电器; 数字元器件的存在使得这些设计更加简单。

模拟电路通常更容易受到噪声的干扰(电压中的小的不希望的变化)。 模拟信号电压的小误差在经过后续处理后可能导致明显的差错。

数字电子技术

数字电路使用数字离散信号进行操作。这些电路通常由晶体管和逻辑门以及更高级别的微控制器或其他计算芯片组成。 大多数处理器,无论它们是计算机中的大型处理器,还是小型微控制器,都属于数字电子技术。

Example digital circuit

数字电路利用诸如逻辑门或更复杂的数字IC(通常用带有从其延伸的带有标记的引脚的矩形表示)的组件来使用

数字电路通常使用数字信号的二进制格式。 这些系统将两种不同的电压分配为两种不同的逻辑电平 – 高电压(通常为5V,3.3V或1.8V)代表一个值1,而低电压(通常为0V)代表另一个0。

虽然数字电路通常比较容易设计,但它们确实比同等功能的模拟电路贵一点。

模拟和数字组合

在电路中看到模拟和数字组件的混合并不罕见。 虽然微控制器通常是数字化的,但它们通常具有内部电路,使它们能够与模拟电路(模数转换器,脉宽调制和数模转换器)进行接口。模数转换器(ADC )允许微控制器连接到模拟传感器(如光电池或温度传感器)以读取模拟电压,不太常见的数模转换器允许微控制器产生模拟电压,这在需要制造时很方便 声音。

更多可供深入学习的资料

现在您知道模拟信号和数字信号的区别了,我们建议您查看模数转换教程。 使用微控制器或任何基于逻辑的电子设备,意味着大部分时间都属于数字电路。 如果您想要感测光线,温度,或将微控制器与各种其他模拟传感器连接,则需要知道如何将它们产生的模拟电压量转换为数字量。

另外,请考虑阅读我们的脉宽调制Pulse Width Modulation(PWM)教程。 PWM是微控制器可以用来使数字信号近似成模拟信号使用的方法。

以下是其他一些主要涉及数字电路技术的主题:

或者,如果您想深入研究模拟电子技术,请考虑继续学习这些教程:

 


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