模拟电路网络课件 第一节:电子系统与信号

1.1 电子系统与信号

1.1.1 电子系统

所谓电子系统，通常是指由若干相互联接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。由于大规模集成电路和模拟-数字混合集成电路的大量出现，单个芯片也可以自成一个系统。例如，目前有多种单个芯片构成的数据采集系统产品，芯片内部往往包括多路模拟开关、可编程放大电路、取样保持电路、模数转换电路、数字信号传输与控制电路等多种功能电路，并且已互相联接成为一个单片电子系统。这样的单片系统是功能更为完善的电子系统中的一个组成部分。一个比较复杂而完善的电子系统，往往是由许多个子系统所构成。从结构上来看，它可能是两组或是多级的。

在许多情况下，电子系统必须与其他物理系统相结合，才能构成完整的实用系统。例如，常见的VCD系统，在光盘上记录的声音和图像信号，是通过激光传感系统转化为电信号的，而光盘的同步旋转和激光探头的移动则是通过电子系统控制的精密机械系统实现的。

1.1.2 信号及频谱

一、信号与电信号

一般地说，信号是信息的载体。例如，声音信号可以传达语言、音乐或其他信息，图像信号可以传达人类视觉系统能够接受的图像信息。上一个知识点中的温度波动曲线表示的是拉丝塔上加热炉内温度随时间而变化的信号，它是以信号波形表达信息的。

上述声音信号、图像信号和温度信号均为非电信号，无法直接传递给电子系统。这些非电物理量需要用适当的传感器将其转换为电信号，才能输入到电子系统中。转换后得到的电信号就代表相应物理量一定的信息。

为一般化起见，常把传感器看作信号源，如图1所示。其中图(a)是电压源形式，Rs是内阻；而图(b)是电流源。虽然二者是等效的（戴维宁-诺顿等效），并可相互转换，但是在信号源电阻Rs远小于电子系统输入电阻Ri时，使用电压源形式更为有利，反之则使用电流源形式较方便。类似地，在多级电子电路中对其中某一级进行分析时，前一级电路的输出信号就是本级的输入信号，也可以用这两种信号源之一来简化表达前级输出。

二、信号的基本特性

电信号是随时间变化的电压或电流。它可用其电压或电流幅值与时间的函数关系来表示，也可用波形直观的表达。下面以正弦波电压信号和方波信号为例说明信号的表达方式及其基本特性。

图1以最直观的方式描述了正弦波电压幅值与时间的函数关系，其数学表达式为

（式1）

式中，Vm是正弦波的幅值，w为角频率，q为初始相角。当w=0时，则为直流电压信号。当Vm、w、q 均为已知常数时，信号中就不再含有任何未知信息，是最简单的信号。正因为如此，正弦波信号经常作为标准信号用来对模拟电子电路进行测试。当然实际的信号要比正弦信号复杂得多。

图2是周期性方波信号，它的时间函数表达式为

（式2）

其中，Vs为方波幅值，T为周期，n为从-¥ 到+¥ 的整数。图2和式2中的电压v是时间t的函数，所以称为方波信号的时域表达方式。

三、信号的频谱

任意周期函数只要满足狄利克雷条件都可以展开成傅里叶级数。上一知识点介绍的方波信号（如图1(a)）亦可展开为傅里叶级数表达式：

（1.1.3）

(a)

(b)

图1

(a)

(b)

图2

式中， ， 是方波信号的直流分量， 称为该方波信号的基波，它的周期 与方波本身的周期相同。式（1.1.3）中其余各项都是高次谐波分量，它们的角频率是基波角频率的整数倍。

由于正弦函数的单纯性，在作信号分析时，可以只考虑其幅值电压与角频率的函数关系，于是式（1.1.3）的正弦级数可以表达为图(b)所示的图解形式，其中包括直流项（ω=0）和每一正弦分量在相应角频率处的幅值。像这样把一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值随角频率变化的分布，称为该信号的频谱。图(b)称为方波信号的频谱图，是方波在频域的表达方式。

从傅里叶级数特性可知，许多周期信号的频谱都由直流分量、基波分量以及无穷多项高次谐波分量所组成，频谱表现为一系列离散频率上的幅值。

上述正弦信号和方波信号都是周期信号。客观物理世界的信号远没有这样简单，如果从时间函数来看，往往很难直接用一个简单的表达式来描述，如图2(a)所示炉温变化曲线就是—非周期性时间函数波形。

对于非周期信号，运用傅里叶变换可将其表达为—连续频率函数形式的频谱，它包含了所有可能的频率（0≤ω∞）成分。图2(b)示意出图2(a)的频谱函数。实际物理世界的各种非周期信号，随角频率上升到一定程度，其频谱函数总趋势是衰减的。当选择适当的ωc（截止角频率）点把频率高端截断时，并不过多地影响信号的特性。通常把保留的部分称为信号的带宽。

由上分析可知，信号的频域表达方式可以得到某些比时域表达方式更有意义的参数。信号的频谱特性是电子系统有关频率特性的主要设计依据。

确定一个任意非周期信号的频谱在计算机普及应用之前并非易事。自从快速傅里叶变换（FFT）算法出现以后，人们可以用计算机将非周期时间函数信号的频谱函数迅速求出。在PSPICE程序中就包含有FFT软件，供读者分析信号和电路的频率特性。在某些现代电子设备中，甚至把FFT软件装入其中，可在程序控制下向实际电路输入端注入已知波形的非周期信号，如矩形单脉冲，然后通过比较电路输出端和输入端的频谱函数，直接计算出电路的频率响应特性。这种快速测试电路频率响应的方法经常用于电子装置的自动生产线上，也可以安装在所谓智能仪器中，用于对仪器本身的自校正和故障自诊断。

1.1.3 模拟信号与数字信号

一、模拟信号

模拟信号的特点是，在时间上和幅值上均是连续的，在一定动态范围内可能取任意值。从宏观上看，我们周围的世界大多数物理量都是时间连续、数值连续的变量。

在信号分析中，按时间和幅值的连续性和离散性把信号分为4类：

（1）时间连续、数值连续信号；

（2）时间离散、数值连续信号；

（3）时间离散、数值离散信号；

（4）时间连续、数值离散信号。

其中第（1）类即前面所述的模拟信号。

处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。本课程主要讨论各种模拟电子电路的基本概念、基本原理、基本分析方法及基本应用。

二、数字信号

数字系统（如微处理器系统）中运行的信号都是数字信号。从时间函数波形看，它们只存在高、低两种电平的相互转换，这两种电平分别代表了二元编码中的1和0。图1是一组数字信号的实例。

处理数字信号的电子电路称为数字电路。