基于數(shù)字電路對模擬信號的轉化研究

覃天宇

摘 要：因為數(shù)字電路是以數(shù)字為基礎的一種電路，數(shù)字電路所用到的數(shù)字是“0”和“1”，所以采用數(shù)字電路較為簡單，只有“0”和“1”這兩個數(shù)字，其它的信號都是由“0”和“1”組合而成的。我們都知道世界上各種物理現(xiàn)象都是模擬的，這種模擬信號在實際生活中不易控制，另外，不同的物體所發(fā)出的信號也是不一樣的，如果采用模擬信號來處理，就會顯得較為困難?？茖W家們把模擬信號捕獲到，采用一定的手段把模擬信號轉化為數(shù)字信號。轉化成的數(shù)字信號就很方便對其修改利用，為人類生活帶來方便。模擬信號到數(shù)字信號的轉化是需要一定的邏輯電路設計的，模擬信號是生活中實際的信號，而數(shù)字信號則是找到模擬信號關鍵的一系列點，最后把這些點連接起來，就可以得出數(shù)字信號，數(shù)字信號與模擬信號相比較，沒有模擬信號準確但在一定的范圍內與真實的信號相差不大，可以認為就是實際物體所發(fā)出的信號。

關鍵詞：數(shù)字電路；模擬信號；信號轉化

1 引言

我們已經知道了世界上各種物體發(fā)出的信號，都是模擬的信號。人們一般對模擬信號不易控制變量，使得人們對模擬信號不好應用。為了能夠對模擬信號進行實際的應用，就得把模擬信號進行轉化，后來科學家們找到了一種比較好的方法，那就是把模擬信號轉化為數(shù)字信號。數(shù)字信號為人們處理信號帶來了方便，在實際生活中也應用較為廣泛，是處理模擬信號的一種目前最好的辦法。

數(shù)字信號在人們實際生活中，運用方便快捷，而且信號非常的穩(wěn)定，非常的好用。譬如數(shù)字電視，數(shù)字電視就是采用數(shù)字轉化的，把模擬信號轉化為數(shù)字信號。那到底是怎樣把模擬信號轉化為數(shù)字信號的呢，那就是把模擬信號通過數(shù)字電路，數(shù)字電路對模擬信號進行轉化，從數(shù)字電路中輸出的就是數(shù)字信號，這樣就達到了模擬信號數(shù)字化。

信號一般都是連續(xù)不斷的，我們看一下用不連續(xù)的物理量來處理連續(xù)的物理量時看會發(fā)生什么現(xiàn)象。就空氣中的聲音而言，聲音中聲壓是連續(xù)不斷變化的信號，我們取某一瞬間的聲音信號，將其表示成為一個電壓。以此時的電壓值為基礎，使用邏輯電路改變信號。如果將連續(xù)變化的聲壓每隔一定的時間間隔進行采樣并將其連接。我們可以發(fā)現(xiàn)原來光滑的曲線，現(xiàn)在變成了有小鋸齒的波了。通過這樣的取樣模擬信號，可在數(shù)字電路中處理模擬信號（嚴格地說是不能完全再現(xiàn)原始的波形，但是由于人所具有的感覺是有限度的，所以在考慮其限度后，以微小間隔取樣其電壓，則在數(shù)字電路中也能夠處理模擬信號）。

在上述中，數(shù)字電路對模擬信號的處理，最后把模擬信號轉化為數(shù)字信號，在取樣時如果取樣的數(shù)據(jù)少或者是取樣時，模擬波的采樣電壓小于2倍電壓時，可以發(fā)現(xiàn)，用數(shù)字電路處理的模擬信號是不光滑的，也就是數(shù)字波形圖有一定的鋸齒陰影。簡單的說“以所處理頻率的2倍以上頻率采樣其電壓，可以再現(xiàn)原頻率”，這就是基本的采樣定理。

2 模擬放大器

我們都知道，人耳所能聽見聲音的頻率是有限的，在初中物理教材中就有具體的人耳聽力范圍，一般以20kHz為上限，如果頻率超過20kHz人的耳朵就不可能聽到了，當然如果頻率過低，同樣的人耳也不可能聽到。頻率高于20kHz的聲音叫超聲波，如果頻率太低就叫次聲波。

在實際生活中，人們常常都能見到CD音樂，然而CD音樂唱片基本是使用40kHz以上的頻率進行采樣的，作為數(shù)字數(shù)據(jù)來處理音樂，就可以再現(xiàn)幾乎接近于原始聲音的音樂。如果反復進行時，用模擬電路來放大模擬信號，就必須使用專用的電路，電路如圖1所示。

圖1中，顯示的是模擬放大器把電壓變化為直接設定的2倍率的電壓值?？梢詮膱D1中明顯的看到電壓變?yōu)樵瓉淼?倍，圖形中波形的振幅描述的物理量就是電壓。

使用被人們常稱為OP放大器的IC，這樣就可以簡單的實現(xiàn)電壓放大電路。使用模擬電路實現(xiàn)模擬信號固然效率達到很高，但是這需要相當?shù)募夹g經驗，成本也比較高，所以我們認識到設計模擬電路是非常困難的。哪有沒有一種簡單的電路，就能對模擬電路中的電壓實現(xiàn)放大呢？答案是肯定的，是有辦法的，那就是數(shù)字電路的設計。用數(shù)字電路就可以放大模擬信號，數(shù)字電路放大模擬信號的具體過程如下文所述。

3 數(shù)字電路放大模擬信號

上文中已經提到用數(shù)字電路來放大模擬信號，那么數(shù)字電路是怎樣放大模擬信號的呢？當人們認識到處理的信號頻率與采樣頻率之間存在一定的關系時，我們就采用數(shù)字電路把模擬信號數(shù)字化，下面將從數(shù)字電路處理的根源進行說明。

數(shù)字電路就是人們常說的邏輯電路，就是“0”和“1”的數(shù)字組合領域。在這里沒有電壓的說法，只有“0”和“1”的組合，怎樣找到“0”和“1”與電壓的聯(lián)系是邏輯電路的精髓所在，這也是設計數(shù)字電路最重要的一點。利用數(shù)字電路來處理“0”和“1”的值，來表達出數(shù)字電路的動作，從而得出人們想要的東西。

利用數(shù)字電路來處理模擬信號的基本原理，其實理解起來并不難，就是把模擬信號進行A/D變換，即是模擬信號轉化為數(shù)字信號，輸入到數(shù)字電路中。當模擬信號轉化為數(shù)值時，之后輸出的就是數(shù)字電路了。

在人們獲取頻率的時候，有時會遇到抽樣頻率的變換問題。當電路系統(tǒng)工作在一個“多抽樣率”的情況下，就會遇到抽樣頻率的變換，不進行頻率的變換是達不到人們希望的效果，只有對抽樣頻率進行變換，才能完成人們的意愿。譬如多媒體，在使用多媒體時既有語音、視頻、圖像、數(shù)據(jù)等的傳輸，這些語音、視頻、圖像、數(shù)據(jù)都有各自對應的頻率，當它們組合在一起時就完成了人們想要完成的工作。顯然對不同頻率的抽樣，是不同的必須實行抽樣率的變換，使得達到人們的意愿。又如，為了減小對抽樣頻率過高而導致數(shù)據(jù)過多使用不匹配，這時人們希望降低抽樣頻率。再如兩個系統(tǒng)的時間頻率不同，信號要在這兩個系統(tǒng)中傳輸時，為了方便信號的處理、編碼、傳輸和儲存，這時就要根據(jù)時鐘的頻率對信號的抽樣頻率進行轉換，經過人們不斷的研究，抽樣頻率的變換已經越來越被電子電路注重。

實現(xiàn)抽樣頻率轉化的一種方法，那就是先把離散的時間信號x（n）經過D/A變換器進行操作處理，最終變換為模擬信號xα（t），再經過A/D變換器對xα（t）以另一個抽樣頻率抽樣。在這個過程當中經過D/A變換器和A/D變換器后，會引入信號失真和量入誤差，導致結果的精確度不高。然而另一種方法，則是人們最喜愛的方法，也是邏輯電路設計常用的方法，那就是直接在數(shù)字領域對已抽樣信號頻率x（n）做抽樣變換[2]。

我們用數(shù)字電路處理模擬信號時，雖然運算的精度受到限制，但利用“0”和“1”的數(shù)字組合能實現(xiàn)各種各樣的操作?；旧鲜峭ㄟ^將模擬電壓變換成數(shù)字數(shù)據(jù)，接著在數(shù)字電路中運算數(shù)字數(shù)據(jù)，最后將其變換結果變換為模擬數(shù)據(jù)這樣的操作步驟，來實現(xiàn)各種各樣的操作。

4 數(shù)字信號在生活中的應用

用數(shù)字信號處理模擬信號，是用數(shù)字方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測、調制、解調，是一種快速算法的技術學科。在生活中，有很多人都認為，用數(shù)字信號處理模擬信號，主要是對數(shù)字濾波技術、離散變換快速算法和譜分析方法等進行研究。隨著數(shù)字電路和電路系統(tǒng)的發(fā)展以及計算機技術的迅速的發(fā)展，最終使得數(shù)字信號處理技術得到了空前的發(fā)展，人們生活在數(shù)字信號的海洋世界里，顯然對這門技術的應用領域也是十分的廣泛。

數(shù)字信號處理技術可以制成數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器在生活中運用方式有很多，大致可分為有限沖激響應和無限沖激響應兩大類型，這兩種類型可用硬件和軟件兩種方式分別來實現(xiàn)。在用硬件方式來實現(xiàn)中，它是由加法器、乘法器等單元所組成的，這與電阻器、電感器和電容器所構成的模擬濾波器是大不相同的。數(shù)字信號處理系統(tǒng)，用數(shù)字集成電路設計很容易制成，而且制作出的數(shù)字處理系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定性高、可程控等許多的優(yōu)點。另外，數(shù)字濾波器也可以用軟件來實現(xiàn)。用軟件來實現(xiàn)就是借助數(shù)字計算機，按濾波器的設計算法，對其編程進行數(shù)字濾波計算。

數(shù)字信號處理技術在譜分析中也有較大的應用，就是指在一定頻率范圍中對變換信號特性的一種分析方法。一方面可用來確定信號，另一方面也可用來確定隨機信號。這里的確定信號，是指與一定的時間函數(shù)有關的數(shù)學式子，這樣它在任何時刻的數(shù)值都是一個確定的值。隨機信號是指，不具有上述的特性它在具體某一時刻的值，是隨機的是不確定的。在對隨機信號進行處理時，是采用隨機過程理論、利用統(tǒng)計方法綜合進行分析處理，譬如經常利用到均值、均方值、相關函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等來統(tǒng)計，描述隨機過程的特征或隨機信號的特性。在生活中人們經常遇到的隨機過程，大多數(shù)是指比較平穩(wěn)隨機過程，由它的樣本函數(shù)來決定，可以根據(jù)某一個樣本函數(shù)的時間來確定。平穩(wěn)隨機信號本身就具有不確定性，但它的相關函數(shù)卻是確定的。特別是在均值為零時，它的相關函數(shù)的傅里葉變換或Z變換恰恰可以表示為隨機信號的功率譜密度函數(shù)，一般簡稱為功率譜。這一特性十分重要，這樣就可以利用快速變換算法，進行計算和處理。在實際中觀測到的數(shù)據(jù)是有限的，這就需要利用一些估計的方法，根據(jù)有限的實驗數(shù)據(jù)，估算出整個信號的功率譜。

數(shù)字信號處理技術可以制成數(shù)字信號處理系統(tǒng)，經過信息的獲取或數(shù)據(jù)的采集過程，得到原始信號，如果原始信號是連續(xù)信號還須通過抽樣過程，使之成為離散信號，再經過模數(shù)轉換得到能為數(shù)字計算機或處理器所接受的二進制數(shù)字信號。如果所收集到的數(shù)據(jù)已是離散數(shù)據(jù)，則只須經過模數(shù)轉換即可得到二進制數(shù)碼[3]。數(shù)字信號處理器的功能是將從原始信號抽樣轉換得來的數(shù)字信號，按照一定的要求進行轉換，例如濾波的要求，加以適當?shù)奶幚?，即得到所需的?shù)字輸出信號。經過數(shù)模轉換先將數(shù)字輸出信號轉換為離散信號，再經過保持電路將離散信號連接起來成為模擬輸出信號，這樣的處理系統(tǒng)適用于各種數(shù)字信號處理的應用，只不過專用處理器或所用軟件有所不同而已。

5 結語

在人們生活中實際的電路是多種多樣的，如果放大倍數(shù)被固定為2倍，則只需要通過移位寄存器對數(shù)據(jù)進行移位就可以簡單的實現(xiàn)了，就不需要數(shù)字電路的處理也能實現(xiàn)。但是當在倍數(shù)可以自由改變的情況下，就不得不使用數(shù)字數(shù)據(jù)的乘法電路了，也就是邏輯電路。

聲音、圖像等各種各樣的信號被數(shù)字化，這是因為數(shù)據(jù)的存儲、傳送等與以往的模擬數(shù)據(jù)相比具有更容易處理的優(yōu)點。用“0”和“1”的組合，可同時處理聲音數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，作為混合數(shù)據(jù)進行處理在這點上，是劃時代的。

我們正在向數(shù)字化時代邁進，復雜的系統(tǒng)可容納在小型的硅芯片上，使得我們更多的夢想得以實現(xiàn)，其根本原因都在于數(shù)字IC。數(shù)字化時代是大數(shù)據(jù)時代，各種各樣復雜的信號，都可以轉化為“0”和“1”的世界，是古代人們難以完成的信息處理?，F(xiàn)在越來越多的使用云數(shù)據(jù)處理，也就是人們常說的云計算，云計算是對大數(shù)據(jù)進行分塊處理，不是一兩個人能完成的，是許多的人對其數(shù)據(jù)進行操作處理，最后共同完成一項任務。

[參考文獻]

[1]湯山俊夫.數(shù)字電路設計[M].北京：科學出版社，2006.

[2]程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].北京：清華大學出版社，2007.

[3]喬石瓊.電子測量與計量[M].北京：中國大百科全書出版社，1991.