基于数字电路对模拟信号的转化研究

    覃天宇

    摘 要：因为数字电路是以数字为基础的一种电路，数字电路所用到的数字是“0”和“1”，所以采用数字电路较为简单，只有“0”和“1”这两个数字，其它的信号都是由“0”和“1”组合而成的。我们都知道世界上各种物理现象都是模拟的，这种模拟信号在实际生活中不易控制，另外，不同的物体所发出的信号也是不一样的，如果采用模拟信号来处理，就会显得较为困难。科学家们把模拟信号捕获到，采用一定的手段把模拟信号转化为数字信号。转化成的数字信号就很方便对其修改利用，为人类生活带来方便。模拟信号到数字信号的转化是需要一定的逻辑电路设计的，模拟信号是生活中实际的信号，而数字信号则是找到模拟信号关键的一系列点，最后把这些点连接起来，就可以得出数字信号，数字信号与模拟信号相比较，没有模拟信号准确但在一定的范围内与真实的信号相差不大，可以认为就是实际物体所发出的信号。

    关键词：数字电路；模拟信号；信号转化

    1 引言

    我们已经知道了世界上各种物体发出的信号，都是模拟的信号。人们一般对模拟信号不易控制变量，使得人们对模拟信号不好应用。为了能够对模拟信号进行实际的应用，就得把模拟信号进行转化，后来科学家们找到了一种比较好的方法，那就是把模拟信号转化为数字信号。数字信号为人们处理信号带来了方便，在实际生活中也应用较为广泛，是处理模拟信号的一种目前最好的办法。

    数字信号在人们实际生活中，运用方便快捷，而且信号非常的稳定，非常的好用。譬如数字电视，数字电视就是采用数字转化的，把模拟信号转化为数字信号。那到底是怎样把模拟信号转化为数字信号的呢，那就是把模拟信号通过数字电路，数字电路对模拟信号进行转化，从数字电路中输出的就是数字信号，这样就达到了模拟信号数字化。

    信号一般都是连续不断的，我们看一下用不连续的物理量来处理连续的物理量时看会发生什么现象。就空气中的声音而言，声音中声压是连续不断变化的信号，我们取某一瞬间的声音信号，将其表示成为一个电压。以此时的电压值为基础，使用逻辑电路改变信号。如果将连续变化的声压每隔一定的时间间隔进行采样并将其连接。我们可以发现原来光滑的曲线，现在变成了有小锯齿的波了。通过这样的取样模拟信号，可在数字电路中处理模拟信号（严格地说是不能完全再现原始的波形，但是由于人所具有的感觉是有限度的，所以在考虑其限度后，以微小间隔取样其电压，则在数字电路中也能够处理模拟信号）。

    在上述中，数字电路对模拟信号的处理，最后把模拟信号转化为数字信号，在取样时如果取样的数据少或者是取样时，模拟波的采样电压小于2倍电压时，可以发现，用数字电路处理的模拟信号是不光滑的，也就是数字波形图有一定的锯齿阴影。简单的说“以所处理频率的2倍以上频率采样其电压，可以再现原频率”，这就是基本的采样定理。

    2 模拟放大器

    我们都知道，人耳所能听见声音的频率是有限的，在初中物理教材中就有具体的人耳听力范围，一般以20kHz为上限，如果频率超过20kHz人的耳朵就不可能听到了，当然如果频率过低，同样的人耳也不可能听到。频率高于20kHz的声音叫超声波，如果频率太低就叫次声波。

    在实际生活中，人们常常都能见到CD音乐，然而CD音乐唱片基本是使用40kHz以上的频率进行采样的，作为数字数据来处理音乐，就可以再现几乎接近于原始声音的音乐。如果反复进行时，用模拟电路来放大模拟信号，就必须使用专用的电路，电路如图1所示。

    图1中，显示的是模拟放大器把电压变化为直接设定的2倍率的电压值。可以从图1中明显的看到电压变为原来的2倍，图形中波形的振幅描述的物理量就是电压。

    使用被人们常称为OP放大器的IC，这样就可以简单的实现电压放大电路。使用模拟电路实现模拟信号固然效率达到很高，但是这需要相当的技术经验，成本也比较高，所以我们认识到设计模拟电路是非常困难的。哪有没有一种简单的电路，就能对模拟电路中的电压实现放大呢？答案是肯定的，是有办法的，那就是数字电路的设计。用数字电路就可以放大模拟信号，数字电路放大模拟信号的具体过程如下文所述。

    3 数字电路放大模拟信号

    上文中已经提到用数字电路来放大模拟信号，那么数字电路是怎样放大模拟信号的呢？当人们认识到处理的信号频率与采样频率之间存在一定的关系时，我们就采用数字电路把模拟信号数字化，下面将从数字电路处理的根源进行说明。

    数字电路就是人们常说的逻辑电路，就是“0”和“1”的数字组合领域。在这里没有电压的说法，只有“0”和“1”的组合，怎样找到“0”和“1”与电压的联系是逻辑电路的精髓所在，这也是设计数字电路最重要的一点。利用数字电路来处理“0”和“1”的值，来表达出数字电路的动作，从而得出人们想要的东西。

    利用数字电路来处理模拟信号的基本原理，其实理解起来并不难，就是把模拟信号进行A/D变换，即是模拟信号转化为数字信号，输入到数字电路中。当模拟信号转化为数值时，之后输出的就是数字电路了。

    在人们获取频率的时候，有时会遇到抽样频率的变换问题。当电路系统工作在一个“多抽样率”的情况下，就会遇到抽样频率的变换，不进行频率的变换是达不到人们希望的效果，只有对抽样频率进行变换，才能完成人们的意愿。譬如多媒体，在使用多媒体时既有语音、视频、图像、数据等的传输，这些语音、视频、图像、数据都有各自对应的频率，当它们组合在一起时就完成了人们想要完成的工作。显然对不同频率的抽样，是不同的必须实行抽样率的变换，使得达到人们的意愿。又如，为了减小对抽样频率过高而导致数据过多使用不匹配，这时人们希望降低抽样频率。再如两个系统的时间频率不同，信号要在这两个系统中传输时，为了方便信号的处理、编码、传输和储存，这时就要根据时钟的频率对信号的抽样频率进行转换，经过人们不断的研究，抽样频率的变换已经越来越被电子电路注重。

    实现抽样频率转化的一种方法，那就是先把离散的时间信号x（n）经过D/A变换器进行操作处理，最终变换为模拟信号xα（t），再经过A/D变换器对xα（t）以另一个抽样频率抽样。在这个过程当中经过D/A变换器和A/D变换器后，会引入信号失真和量入误差，导致结果的精确度不高。然而另一种方法，则是人们最喜爱的方法，也是逻辑电路设计常用的方法，那就是直接在数字领域对已抽样信号频率x（n）做抽样变换[2]。

    我们用数字电路处理模拟信号时，虽然运算的精度受到限制，但利用“0”和“1”的数字组合能实现各种各样的操作。基本上是通过将模拟电压变换成数字数据，接着在数字电路中运算数字数据，最后将其变换结果变换为模拟数据这样的操作步骤，来实现各种各样的操作。

    4 数字信号在生活中的应用

    用数字信号处理模拟信号，是用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调，是一种快速算法的技术学科。在生活中，有很多人都认为，用数字信号处理模拟信号，主要是对数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法等进行研究。随着数字电路和电路系统的发展以及计算机技术的迅速的发展，最终使得数字信号处理技术得到了空前的发展，人们生活在数字信号的海洋世界里，显然对这门技术的应用领域也是十分的广泛。

    数字信号处理技术可以制成数字滤波器，数字滤波器在生活中运用方式有很多，大致可分为有限冲激响应和无限冲激响应两大类型，这两种类型可用硬件和软件两种方式分别来实现。在用硬件方式来实现中，它是由加法器、乘法器等单元所组成的，这与电阻器、电感器和电容器所构成的模拟滤波器是大不相同的。数字信号处理系统，用数字集成电路设计很容易制成，而且制作出的数字处理系统体积小、稳定性高、可程控等许多的优点。另外，数字滤波器也可以用软件来实现。用软件来实现就是借助数字计算机，按滤波器的设计算法，对其编程进行数字滤波计算。

    数字信号处理技术在谱分析中也有较大的应用，就是指在一定频率范围中对变换信号特性的一种分析方法。一方面可用来确定信号，另一方面也可用来确定随机信号。这里的确定信号，是指与一定的时间函数有关的数学式子，这样它在任何时刻的数值都是一个确定的值。随机信号是指，不具有上述的特性它在具体某一时刻的值，是随机的是不确定的。在对随机信号进行处理时，是采用随机过程理论、利用统计方法综合进行分析处理，譬如经常利用到均值、均方值、相关函数、功率谱密度函数等来统计，描述随机过程的特征或随机信号的特性。在生活中人们经常遇到的随机过程，大多数是指比较平稳随机过程，由它的样本函数来决定，可以根据某一个样本函数的时间来确定。平稳随机信号本身就具有不确定性，但它的相关函数却是确定的。特别是在均值为零时，它的相关函数的傅里叶变换或Z变换恰恰可以表示为随机信号的功率谱密度函数，一般简称为功率谱。这一特性十分重要，这样就可以利用快速变换算法，进行计算和处理。在实际中观测到的数据是有限的，这就需要利用一些估计的方法，根据有限的实验数据，估算出整个信号的功率谱。

    数字信号处理技术可以制成数字信号处理系统，经过信息的获取或数据的采集过程，得到原始信号，如果原始信号是连续信号还须通过抽样过程，使之成为离散信号，再经过模数转换得到能为数字计算机或处理器所接受的二进制数字信号。如果所收集到的数据已是离散数据，则只须经过模数转换即可得到二进制数码[3]。数字信号处理器的功能是将从原始信号抽样转换得来的数字信号，按照一定的要求进行转换，例如滤波的要求，加以适当的处理，即得到所需的数字输出信号。经过数模转换先将数字输出信号转换为离散信号，再经过保持电路将离散信号连接起来成为模拟输出信号，这样的处理系统适用于各种数字信号处理的应用，只不过专用处理器或所用软件有所不同而已。

    5 结语

    在人们生活中实际的电路是多种多样的，如果放大倍数被固定为2倍，则只需要通过移位寄存器对数据进行移位就可以简单的实现了，就不需要数字电路的处理也能实现。但是当在倍数可以自由改变的情况下，就不得不使用数字数据的乘法电路了，也就是逻辑电路。

    声音、图像等各种各样的信号被数字化，这是因为数据的存储、传送等与以往的模拟数据相比具有更容易处理的优点。用“0”和“1”的组合，可同时处理声音数据和图像数据，作为混合数据进行处理在这点上，是划时代的。

    我们正在向数字化时代迈进，复杂的系统可容纳在小型的硅芯片上，使得我们更多的梦想得以实现，其根本原因都在于数字IC。数字化时代是大数据时代，各种各样复杂的信号，都可以转化为“0”和“1”的世界，是古代人们难以完成的信息处理。现在越来越多的使用云数据处理，也就是人们常说的云计算，云计算是对大数据进行分块处理，不是一两个人能完成的，是许多的人对其数据进行操作处理，最后共同完成一项任务。

    [参考文献]

    [1]汤山俊夫.数字电路设计[M].北京：科学出版社，2006.

    [2]程佩青.数字信号处理教程[M].北京：清华大学出版社，2007.

    [3]乔石琼.电子测量与计量[M].北京：中国大百科全书出版社，1991.