模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第一節(jié):電子系統(tǒng)與信號(hào)

1.1 電子系統(tǒng)與信號(hào)

1.1.1 電子系統(tǒng)

所謂電子系統(tǒng)，通常是指由若干相互聯(lián)接、相互作用的基本電路組成的具有特定功能的電路整體。由于大規(guī)模集成電路和模擬-數(shù)字混合集成電路的大量出現(xiàn)，單個(gè)芯片也可以自成一個(gè)系統(tǒng)。例如，目前有多種單個(gè)芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品，芯片內(nèi)部往往包括多路模擬開(kāi)關(guān)、可編程放大電路、取樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)傳輸與控制電路等多種功能電路，并且已互相聯(lián)接成為一個(gè)單片電子系統(tǒng)。這樣的單片系統(tǒng)是功能更為完善的電子系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分。一個(gè)比較復(fù)雜而完善的電子系統(tǒng)，往往是由許多個(gè)子系統(tǒng)所構(gòu)成。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，它可能是兩組或是多級(jí)的。

在許多情況下，電子系統(tǒng)必須與其他物理系統(tǒng)相結(jié)合，才能構(gòu)成完整的實(shí)用系統(tǒng)。例如，常見(jiàn)的VCD系統(tǒng)，在光盤(pán)上記錄的聲音和圖像信號(hào)，是通過(guò)激光傳感系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的，而光盤(pán)的同步旋轉(zhuǎn)和激光探頭的移動(dòng)則是通過(guò)電子系統(tǒng)控制的精密機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

1.1.2 信號(hào)及頻譜

一、信號(hào)與電信號(hào)

一般地說(shuō)，信號(hào)是信息的載體。例如，聲音信號(hào)可以傳達(dá)語(yǔ)言、音樂(lè)或其他信息，圖像信號(hào)可以傳達(dá)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)能夠接受的圖像信息。上一個(gè)知識(shí)點(diǎn)中的溫度波動(dòng)曲線表示的是拉絲塔上加熱爐內(nèi)溫度隨時(shí)間而變化的信號(hào)，它是以信號(hào)波形表達(dá)信息的。

上述聲音信號(hào)、圖像信號(hào)和溫度信號(hào)均為非電信號(hào)，無(wú)法直接傳遞給電子系統(tǒng)。這些非電物理量需要用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲗⑵滢D(zhuǎn)換為電信號(hào)，才能輸入到電子系統(tǒng)中。轉(zhuǎn)換后得到的電信號(hào)就代表相應(yīng)物理量一定的信息。

為一般化起見(jiàn)，常把傳感器看作信號(hào)源，如圖1所示。其中圖(a)是電壓源形式，Rs是內(nèi)阻；而圖(b)是電流源。雖然二者是等效的（戴維寧-諾頓等效），并可相互轉(zhuǎn)換，但是在信號(hào)源電阻Rs遠(yuǎn)小于電子系統(tǒng)輸入電阻Ri時(shí)，使用電壓源形式更為有利，反之則使用電流源形式較方便。類(lèi)似地，在多級(jí)電子電路中對(duì)其中某一級(jí)進(jìn)行分析時(shí)，前一級(jí)電路的輸出信號(hào)就是本級(jí)的輸入信號(hào)，也可以用這兩種信號(hào)源之一來(lái)簡(jiǎn)化表達(dá)前級(jí)輸出。

二、信號(hào)的基本特性

電信號(hào)是隨時(shí)間變化的電壓或電流。它可用其電壓或電流幅值與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系來(lái)表示，也可用波形直觀的表達(dá)。下面以正弦波電壓信號(hào)和方波信號(hào)為例說(shuō)明信號(hào)的表達(dá)方式及其基本特性。

圖1以最直觀的方式描述了正弦波電壓幅值與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

（式1）

式中，Vm是正弦波的幅值，w為角頻率，q為初始相角。當(dāng)w=0時(shí)，則為直流電壓信號(hào)。當(dāng)Vm、w、q 均為已知常數(shù)時(shí)，信號(hào)中就不再含有任何未知信息，是最簡(jiǎn)單的信號(hào)。正因?yàn)槿绱?，正弦波信?hào)經(jīng)常作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)用來(lái)對(duì)模擬電子電路進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)然實(shí)際的信號(hào)要比正弦信號(hào)復(fù)雜得多。

圖2是周期性方波信號(hào)，它的時(shí)間函數(shù)表達(dá)式為

（式2）

其中，Vs為方波幅值，T為周期，n為從-￥ 到+￥ 的整數(shù)。圖2和式2中的電壓v是時(shí)間t的函數(shù)，所以稱(chēng)為方波信號(hào)的時(shí)域表達(dá)方式。

三、信號(hào)的頻譜

任意周期函數(shù)只要滿(mǎn)足狄利克雷條件都可以展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)。上一知識(shí)點(diǎn)介紹的方波信號(hào)（如圖1(a)）亦可展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式：

（1.1.3）

(a)

(b)

圖1

(a)

(b)

圖2

式中， ， 是方波信號(hào)的直流分量， 稱(chēng)為該方波信號(hào)的基波，它的周期 與方波本身的周期相同。式（1.1.3）中其余各項(xiàng)都是高次諧波分量，它們的角頻率是基波角頻率的整數(shù)倍。

由于正弦函數(shù)的單純性，在作信號(hào)分析時(shí)，可以只考慮其幅值電壓與角頻率的函數(shù)關(guān)系，于是式（1.1.3）的正弦級(jí)數(shù)可以表達(dá)為圖(b)所示的圖解形式，其中包括直流項(xiàng)（ω=0）和每一正弦分量在相應(yīng)角頻率處的幅值。像這樣把一個(gè)信號(hào)分解為正弦信號(hào)的集合，得到其正弦信號(hào)幅值隨角頻率變化的分布，稱(chēng)為該信號(hào)的頻譜。圖(b)稱(chēng)為方波信號(hào)的頻譜圖，是方波在頻域的表達(dá)方式。

從傅里葉級(jí)數(shù)特性可知，許多周期信號(hào)的頻譜都由直流分量、基波分量以及無(wú)窮多項(xiàng)高次諧波分量所組成，頻譜表現(xiàn)為一系列離散頻率上的幅值。

上述正弦信號(hào)和方波信號(hào)都是周期信號(hào)?？陀^物理世界的信號(hào)遠(yuǎn)沒(méi)有這樣簡(jiǎn)單，如果從時(shí)間函數(shù)來(lái)看，往往很難直接用一個(gè)簡(jiǎn)單的表達(dá)式來(lái)描述，如圖2(a)所示爐溫變化曲線就是—非周期性時(shí)間函數(shù)波形。

對(duì)于非周期信號(hào)，運(yùn)用傅里葉變換可將其表達(dá)為—連續(xù)頻率函數(shù)形式的頻譜，它包含了所有可能的頻率（0≤ω<∞）成分。圖2(b)示意出圖2(a)的頻譜函數(shù)。實(shí)際物理世界的各種非周期信號(hào)，隨角頻率上升到一定程度，其頻譜函數(shù)總趨勢(shì)是衰減的。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)摩豤（截止角頻率）點(diǎn)把頻率高端截?cái)鄷r(shí)，并不過(guò)多地影響信號(hào)的特性。通常把保留的部分稱(chēng)為信號(hào)的帶寬。

由上分析可知，信號(hào)的頻域表達(dá)方式可以得到某些比時(shí)域表達(dá)方式更有意義的參數(shù)。信號(hào)的頻譜特性是電子系統(tǒng)有關(guān)頻率特性的主要設(shè)計(jì)依據(jù)。

確定一個(gè)任意非周期信號(hào)的頻譜在計(jì)算機(jī)普及應(yīng)用之前并非易事。自從快速傅里葉變換（FFT）算法出現(xiàn)以后，人們可以用計(jì)算機(jī)將非周期時(shí)間函數(shù)信號(hào)的頻譜函數(shù)迅速求出。在PSPICE程序中就包含有FFT軟件，供讀者分析信號(hào)和電路的頻率特性。在某些現(xiàn)代電子設(shè)備中，甚至把FFT軟件裝入其中，可在程序控制下向?qū)嶋H電路輸入端注入已知波形的非周期信號(hào)，如矩形單脈沖，然后通過(guò)比較電路輸出端和輸入端的頻譜函數(shù)，直接計(jì)算出電路的頻率響應(yīng)特性。這種快速測(cè)試電路頻率響應(yīng)的方法經(jīng)常用于電子裝置的自動(dòng)生產(chǎn)線上，也可以安裝在所謂智能儀器中，用于對(duì)儀器本身的自校正和故障自診斷。

1.1.3 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

一、模擬信號(hào)

模擬信號(hào)的特點(diǎn)是，在時(shí)間上和幅值上均是連續(xù)的，在一定動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)可能取任意值。從宏觀上看，我們周?chē)氖澜绱蠖鄶?shù)物理量都是時(shí)間連續(xù)、數(shù)值連續(xù)的變量。

在信號(hào)分析中，按時(shí)間和幅值的連續(xù)性和離散性把信號(hào)分為4類(lèi)：

（1）時(shí)間連續(xù)、數(shù)值連續(xù)信號(hào)；

（2）時(shí)間離散、數(shù)值連續(xù)信號(hào)；

（3）時(shí)間離散、數(shù)值離散信號(hào)；

（4）時(shí)間連續(xù)、數(shù)值離散信號(hào)。

其中第（1）類(lèi)即前面所述的模擬信號(hào)。

處理模擬信號(hào)的電子電路稱(chēng)為模擬電路。本課程主要討論各種模擬電子電路的基本概念、基本原理、基本分析方法及基本應(yīng)用。

二、數(shù)字信號(hào)

數(shù)字系統(tǒng)（如微處理器系統(tǒng)）中運(yùn)行的信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)。從時(shí)間函數(shù)波形看，它們只存在高、低兩種電平的相互轉(zhuǎn)換，這兩種電平分別代表了二元編碼中的1和0。圖1是一組數(shù)字信號(hào)的實(shí)例。

處理數(shù)字信號(hào)的電子電路稱(chēng)為數(shù)字電路。