- 图表细说电子工程师速成手册（第2版）
- 胡斌 胡松编著
- 1071字
- 2020-08-29 01:49:03
2.3 解说电子电路中信号和噪声概念
讲起信号来大家感觉比较熟悉但是又有些含糊不清，从信号本身的属性来讲，信号有电信号、磁信号、光信号和声信号等，在电子电器中不作特别说明时说的就是电信号。
2.3.1 解说模拟信号和数字信号
在电信号中，从信号的表现形式来讲有电压信号、电流信号和功率信号；从信号大小变化与时间轴之间的关系来讲，分有两大类信号，即模拟信号和数字信号。
【解说电压信号、电流信号和功率信号】
因为电路所处理的信号目的有所不同，在电路中有电压信号、电流信号和功率信号，表2-7所示是三种信号解说。
表2-7 电压信号、电流信号和功率信号解说
【解说模拟信号和数字信号】
表2-8所示是模拟信号和数字信号解说。
表2-8 模拟信号和数字信号解说
【解说模拟电路】
所谓模拟电路通俗地讲就是用来放大或处理模拟信号的电路，如普通的卡座电路就是模拟电路。由于模拟电路放大、处理的是模拟信号，所以模拟电路必须具备下列一些条件：
（1）由于模拟信号的幅度大小直接代表了信号本身的特性，所以对信号要进行线性放大，这就要求模拟电路中的放大器工作在线性状态。倘若输入放大器的信号较大，则放大器的动态范围必须足够大，这对模拟放大器提出了很高的电路硬件要求。
（2）电路中的干扰绝大多数也是一种模拟量，它们与模拟信号有着相似的特性，这就使得信号在放大、处理过程中更容易被干扰，而且很难将它们分开，这就对模拟电路提出了很高的抗干扰技术要求，使模拟电路的制作难度增大，电路成本增加。
（3）由于模拟信号的连续特性，欲对这种信号进行比较复杂的处理将使得模拟电路变得十分复杂，甚至根本无法实现。
（4）对不同的模拟信号进行不同的处理时，必须有与之对应的模拟电路，这将使模拟电路变得非常繁杂。所以讲，模拟电路不便对信号进行“深层次”的复杂处理。
【解说数字电路】
所谓数字电路就是用于处理数字信号的电路。数字电路与模拟电路相比有很大的不同，数字电路主要是对数字信号进行逻辑运算和数字处理，这些运算和处理有时是相当复杂的，但主要通过软件来处理（进行各种逻辑处理和数字运算），这一点就决定了对数字电路的识图不同于对模拟电路的识图。
关于数字电路这里先介绍下列一些特点，以便对这种电路有个初步印象：
（1）数字电路中只处理二进制（0～9是十进制，0、1是二进制）中的“0”和“1”两种信号，“0”表示信号无，“1”表示信号有。从电路硬件这一角度上讲，电子电路中的元器件特别是三极管只工作在有信号和无信号两种状态，也就是数字电路中的三极管基本工作在开关状态，不像模拟电路中的三极管工作在放大状态。
（2）数字电路中，用三极管的饱和状态与截止状态分别对应于数字信号中的“0”和“1”，可用三极管截止时输出的高电平表示数字信号的“1”状态，而用三极管饱和导通时输出的低电平表示数字信号中的“0”状态。三极管的这一工作状态与模拟电路是完全不同的，在进行数字电路识图时电路分析方法就不能与模拟电路中三极管放大状态的分析方法相同。
（3）由于数字信号只有“1”和“0”两种，那么对数字电路的要求就是能够可靠地区别信号为“0”和信号为“1”两种状态，因此对数字电路的精度要求不高，这有利于对数字电路进行集成化，所以数字电路中多采用集成电路，且许多是大规模集成电路，这一点又使数字电路工作的分析增加了一份神秘的色彩。
（4）数字电路是实现逻辑功能和进行各种数字运算的电路。数字信号在时间和数值上是不连续的，一般表现为信号的有、无（或信号的高、低电平）两种状态。在数字电路中用二进制数“0”和“1”来代表信号的这两种状态，数字信息便可用“0”和“1”组成的代码序列来表示。因此，学习数字电路首先要了解有关二进制数知识，否则对数字电路的分析将寸步难行。
【延伸阅读】数字化的优点
将时间上连续变化的量变换为脉冲的有无，这个操作过程就叫做数字化，通俗地讲数字化就是将模拟信号变换成数字信号的过程。
在了解数字化之前，有必要先了解模拟系统的缺点。民用电子电器中，无论是音响还是视频，信号都存在着记录、编辑、传送和重放等过程，在信号的上述处理过程中，由于模拟系统自身的缺点，会使模拟信号受到各种破坏，对此有如下几个方面的说明：
（1）模拟信号在记录、编辑、传送和重放过程中，不可避免地会混进杂音和各种干扰成分，而这些有害的成分与有用信号分不开，损害了原信号。
（2）在信号存储过程中，如磁带录音过程，记录媒体（如磁带）的信噪比（信号大小与噪声大小之比）代替了原信号的信噪比，也就是不管原信号的动态范围有多大，一旦记录以后再还原信号的动态范围时再也不会超过记录媒体本身的动态范围，这就使得在模拟系统中对记录媒体材料的有关性能要求很高。
（3）记录过程中的换能器（如磁性记录中的录音磁头、放音磁头）如果存在非线性，这会使记录在媒体上的原信号出现非线性失真，且这种失真还无法通过电路来解决。
（4）对重放过程中的机械系统要求也很高，如旋转系统、驱动系统等。它们的工作如不稳定，就会使原信号产生抖晃失真。如磁性记录系统中的抖晃失真就是一个常见问题。
模拟信号的数字化可以解决上述模拟系统中的问题，同时还可带来其他好处，说明如下：
（1）在数字记录系统中，由于信号的记录形式是二进制数码，数字电路的任务只是判断出“0”和“1”两种信号，使数字电路的抗干扰能力得到大大加强。同时，与记录媒体的信噪比和重放信号的信噪比没有直接关系，这样与模拟记录系统相比对记录媒体的要求可以宽松得多，即数字系统可以用廉价的材料作为记录媒体。
（2）数字系统中这种只有“0”和“1”两种电平状态的信号在记录和重放过程中只要保持“0”、“1”信号之间足够的电平差，数字电路就能方便地将它们识别和分离。换句话讲，当一群代表低电平的“0”信号电平即使其幅度大小有所不同时，对于代表高电平的一群电平存在参差不齐的“1”信号时，只要“0”、“1”信号之间的电平差足够的大，数字电路通过限幅电路等处理都可以正确地分辨出“0”和“1”信号，这就说明数字电路的抗干扰能力很强。
（3）数字系统中，如果采样频率、量化位数（数字电路中两项技术参数）确定了，电路的性能极限也就确定了，且不容易被改变，这说明数字记录系统性能的重现性是很可靠的，但是模拟记录系统中，由于许多不稳定因素的存在，其重现性能是不稳定、不可靠的。所以，数字系统的技术性能指标要比模拟系统的技术性能指标要高出许多。
（4）数字系统中的数字信号要进行各种形式的编码（对数字信号的一种处理），因编码后的信号和信号在处理过程中混进来的干扰信号性质不同，二者可以方便地分离，因而可以轻松地去除干扰信号，而不致损害数码信号。
（5）在一些数字记录系统中，由于重放系统设有时基校正电路，其机械旋转系统、驱动系统的不稳定现象不会引起抖晃失真的问题，因而不必要求有像模拟记录系统中那样精密的机械系统，这使机械系统的加工精度要求降低，从而降低了生产成本。
（6）由于数字系统中的数字信号“0”、“1”只有低电平和高电平两种变化，所以不必要求记录和重放系统中的换能器具有良好的线性。
（7）由于数字信号适合于计算机进行处理和运算，使得对数字信号的各种编码、解码（编码的反过程处理）变成了软件的操作，大大方便了对电信号的各种处理，使得数字式家用电器具有更强的功能。同时，在实现同样功能时，数字电路结构远远没有模拟电路那么复杂。
2.3.2 解说常用信号波形
电路中需要处理、放大的电压、电流称为信号，而电路中信号之外一切无用的电压、电流都是电路中的噪声。
【解说示波器信号波形】
信号种类很多，不同电路中处理和放大的信号是不同的，在同一个电路中也会出现多种信号并存的现象。
利用信号波形来理解电路工作原理是一个好方法，它直观，容易记住。使用示波器检修电路故障过程中，需要了解信号的波形，如图2-10所示。
图2-10 示波器观察信号波形示意图
【解说常用信号波形】
表2-9所示是常用信号波形解说。
表2-9 常用信号波形解说
2.3.3 解说电路分析中的信号频率
在电路分析中，时常需要根据信号的频率高低对信号进行分类，将信号频率分成几种情况，再进行电路工作原理的分析。
【交流信号频段划分解说】
在电路分析中，关于信号频率的概念需要掌握频率的高与低，而且是信号频率的相对高低。交流信号的频率分解是将频带（最高频率和最低频率之间的范围）内的信号分成两个或多个更小频段信号，对不同频段内信号分别进行电路工作原理的分析。
交流信号的频率分解在不同情况下有不同的分段方法，表2-10所示是几种分解情况。
表2-10 信号频率的几种分解情况
【解说音频信号中低音、中音和高音频率划分】
图2-11所示是音频信号中低音信号、中音信号和高音信号划分示意图。通常将频率低于500Hz的音频信号称为低音信号，频率在500～4000Hz之间的称为中音信号，频率高于4000Hz的称为高音信号。
图2-11 音频信号中低音信号、中音信号和高音信号划分示意图
【解说音频信号中超低音和重低音概念】
在音响电路中，为了进一步说明低音，时常将低音频段再进一步分割，如图2-12所示，将最低的两个倍频程分别称为超低音和重低音。
图2-12 超低音和重低音示意图
超低音的频段为20～40Hz，重低音的频段为40～80Hz，超低音和重低音合起来称为超重低音，其频段为20～80Hz。
【延伸阅读】低音炮
在家庭影院系统中，超低音是不可缺少的，超低音声道所用的音箱称为超低音音箱，或爱称为“低音炮”，如图2-13所示是一种低音炮。
图2-13 一种低音炮
这种音箱的重放低音频率一般在160Hz以下，有的则要求在120Hz以下。这种音箱的上限频率一般在160Hz左右，它的下限频率一般在20～60Hz，其频率范围可调（有的是连续式调整，有的是步进式调整）。但是，许多超低音音箱的下限频率（-3dB频率点）达不到20Hz，甚至达不到40Hz，所以这类音箱也不一定就能够重放超低音，但习惯上称这类音箱为超低音音箱。
超低音音箱用来专门重放低音。
追求超低音的尽善尽美是广大发烧友的美好愿望，尤其是年青的发烧友。可玩过超低音的朋友都有深刻的体会：恨它、爱它。恨的是弄来弄去那低音无法入耳，爱的是多了一点低音浑身说不出的舒服、刺激，少了低音就是不对劲，真是爱你低音没商量。研究表明，较深沉的低音可提供一个置身于立体声和环绕声声场中的感觉，所以在家庭影院系统中超低音是不可缺少的声音元素。
音乐中的中、高音更多地用于抒发情感，表达意境，而低音不仅如此还可以使人在心理上、生理上产生共鸣，从而具有震撼人心的效果。低音给人更真切、更强烈的感觉，给人更多美好的心理活动，这是人们重视低音、喜欢低音、渴望低音的生理根源。同时，心理学研究结果表明，低音更加有助于人类心理紧张情绪的缓解。所以，对低音渴望是人类心理和生理双重的需求。
2.3.4 解说电路分析中的相位概念
【解说信号相位】
信号不仅有大小，还有方向。在电路工作原理分析中，不仅涉及信号的大小，不少情况下还要分析信号的相位。
信号相位通俗地讲就是在某瞬间信号大小变化的方向。信号的相位问题在电路分析中有时显得十分重要，不了解信号相位的概念可能在电路分析中走投无路。
信号相位的理解远比信号频率的理解难。
【解说信号相位表示方法】
如表2-11所示是信号相位表示方法解说。
表2-11 信号相位表示方法解说
2.3.5 噪声和杂波解说
噪声、杂波始终与信号“相伴相随”，在一些情况下脱离信号谈噪声显得意义不大。
【噪声和杂波概念解说】
在电子电路中，除有用的成分（信号）之外的任何成分都视为噪声。
噪声也是电路中的一种“信号”，是一种无用、有害的信号，如图2-14所示是示波器上显示的一种噪声波形示意图。在电路中希望噪声越小越好，但是电子电路中不可避免地会存在噪声，当噪声太大时，将成为噪声大故障。
图2-14 噪声示意图
在音响器材中，从扬声器中出来的音乐声、语言声是有用的成分，称为音频信号，如果有“喀啦、喀啦”的响声，这就是没有用的声音，是要努力消除的声音，这称为噪声。
在视频设备中（如电视机和DⅤD机），电路中的噪声是以屏幕上杂波的形式出现，所以将此时的噪声称为杂波。
电子电路中的放大器在放大信号的同时，应尽最大可能地抑制噪声。噪声主要来源于下列一些情况。
（1）电路中元器件本身的噪声。
（2）电路设计不合理产生的噪声，如电源、地线处理不当。
（3）外部干扰产生的噪声，例如交流市电窜入的干扰噪声和空间电磁辐射引起的干扰噪声。
【信噪比概念解说】
信噪比等于信号大小与噪声大小之比，信号用S表示，噪声用N表示，信噪比用S/N表示，单位是dB。
信噪比越大越好。
在许多情况下，避开信噪比只谈噪声的大小是没有意义的。例如，有两个输出功率分别为200W和2W的放大器，输出功率为200W的放大器输出噪声肯定比输出功率为2W的大，但是不能说200W放大器使用时的噪声性能没有2W的好。因为当它输出200W信号功率时，噪声输出是大的，但是它在只输出2W时，噪声肯定很小很小。所以，用信噪比来说明更加科学。
在听音实践中有一个体会，当一个很响的声音和一个很弱的声音同时存在时，只能听到响的那个声音，而那个弱的声音好像不存在，这是掩蔽效应。当那个响的声音消失之后，便能听到弱的声音存在。
还有一个听音体会，当两个响度相当的声音同时存在时，我们会同时听到两个声音的存在。由此可见，只要信号比噪声大得多时（信噪比足够大），噪声影响可以通过人耳掩蔽效应（人耳的一种听觉特性）得到抑制。