1.数字电路和模拟电路

  1.1 数字电路
数字设计可以分为两个总的领域。第一个领域是运用可用的构建模块直接创造和生 产硬件。第二个领域是计算机软件或程序设计方面,它可以涉及或不涉及硬件设计方面。 第二个领域使用的技术完全不同与常规的硬件设计,为了有效的开发和调试还需要 在专业测试设备上做大量的投入。这个领域所需要的信息量相当于一本单独的书,这里 并不涉及。 然而,计算机技术的许多方面在常规的硬件设计中是非常重要的。在其中有作为 PROM 被提到的可编程只读存储器和被称为 RAM (随机访问存储器) 的读写存储器。 “固 件”这个词通常被使用在这些应用中。 数字电路设计与模拟电路设计有很大的不同,它更像一个小型的系统设计。对大型 的设计部分而言,它由标准构建模块连接构成不用被动地修改组件。当然,许多电路确 实包含模拟和数字两个部分,这些系统的构成是两种技术的混合体。

  1.
  1.1 基本电路
数字电路设计是以“是”或“否”“真”或“假”“高”或“低”等简单概念为基 , , 础的。在电子学中,基本电路是与非门。一个简单的版本如图
  1.1 所示。 如果 A 和 B 是开路的或者连接到一个正电压,电流从 R1 通过三极管的基极发射极 结,调整三极管(工作点)接近或进入饱含状态。E0 此时接近地电位,输出被称为“0” 或者“低” 。如果 A 或 B 或者 A 和 B 接地,通过 R1 的电流被转移到所接的地极。这个过 程在二极管 D0 的阳极产生了一个电压下降。然而,这个电压下降等于 D0 和三极管基射 极两个二级管的电压下降之和,因此三极管(工作点)需要被调整。随着三极管的截止, E0 接近+V 电平,被称做“1”或者“高” 。 需要注意的是在这个电路中涉及到一个反置的问题。就是,如果输入为低,输出为 高,反之亦然。为了使电路非反置需要额外的单元。这就是为什么数字电路是基于反置 逻辑的原因。 “与非门”这个词就是“反置与门”的一个缩写。 对每一个逻辑门元素都有一个说明单元如何工作的“真值表” 。这些表一般运用正逻 负逻辑表示当输入信号为负时代表输入为 辑。 这就意味着输入信号为正时代表输入为
  1。

  0。运用负逻辑时经常混淆,因此在文中并不运用。二输入的与非门真值表如图
  1.2 所示。 这个真值表表明如果 A 和 B 都为
  1( “高”或 Hi) ,输出为
  0。对于一个初学者有时 很容易把与非门看作是一个与门后面跟一个反置电路的形式。一个与门的逻辑表示如果 A 和 B 为高,输出为高。一个与门是一个实际的与非门后面跟一个反置电路。 如果我们重看真值表,它也表明如果 A 或 B 为 0 输出则为
  1。换句话说,与非门电 路在输入端做了一个对 1 的与非函数或者对 0 的或非函数。如果两个输入相连,与非门 电路就变为一个转置电路。图
  1.3 表示了 3 个常见的符号。在输出端的小圆圈表示反置, 因此如果圆圈被去除,这 3 个符合分别变为与门,或门,和异或门。 或非门和异或门的真值表如图
  1.4 所示。或非门的真值表表明如果 A 或 B 为
  1,输 出为
  0。异或门的真值表除了 A 和 B 都为 1 的情况以外与或非门相同。 从与非门的真值表中我们可以知道如果与非门的一个或多个输入为
  0,输出为
  1。将 1 反置得到
  0,我们就拥有了一个或非门。不管运用什么制作方法,都很难做出一个与非 门电路。这个例子的目的是为了表明一个与非门的简单运用及其过程,通过这个过程更 多复杂的构建模块可以被演变产生。 在这里,应该注意数字组件和模拟组件之间的一个重要不同。对电路设计者来说, 并不怎么需要知道一个数字函数是如何实现的。如果这个工作完成得好,数字设备的一 些重要性能,例如传输延迟、功率损耗、导线数目,和需要支持的模块,将会变得更好。 如果设备的性能指标是可以达到的,试图学习这些技术总体上说是浪费时间。原因是数 字设备的输入输出是确定的。就是“是”或“否” 。这就意味着数字电路没有必要产生一 个准确的结果,而是产生一个已经定义了的输出。模拟领域充满了相对数、折衷和近似, 所有这些都很大程度取决于半导体的基本特性。这些特性对不同的单元都是变化的和不 同的。数字模块的设计者也面临相同的问题,但是一旦数字单元被正确的设计和建造, 电路设计者在很大程度上可以消除对这些问题的考虑。 当数字电路接近它们的最大速度工作时,它们也接近了一个失效模式,这个模式在 本质上很大程度是以模拟电路工作的, 并且所有模拟电路的麻烦和不确定性又随之而来。 高频的性能可以用不同的方式说明。一个常见的表达方式是“最大反复频率” 。它表明输 出在逻辑的高和低状态之间以最大可能的速率反复,但其中并没有定义占空比或者上升 和下降时间等因素。 “最大反复频率”并不意味着设备能够在这个速度下正确地运行。它 仅仅表明按照模拟系统的分析方法设备可以运行得多快。 数字电路速度的限制以四种不同的形式表现出来:传播延迟、建立时间、上升时间 和下降时间。传播延迟是信号的上升缘或下降缘从进入器件到离开器件总体上所经历的
时间。当许多器件被串联,它们的传播延迟相加。当一组相近的数字器件并行工作时, 由于器件的公差,传播延迟可能不必相同。这个问题有时被称作是歪斜。在数字电路中, 数字信号的边缘在已知的命令下出现是当然最重要的。因此,命令在发出后到产生确认 的信号上升缘或下降缘之间绝对需要保持一个最小的时间。这个时间被称为准备时间。 但是,同样地一个输入端的数字信号必须在某个最小的时间内保持输出,否则它可能不 会得到确认。 由于数字器件的上升时间和下降时间不能及时到达下一个逻辑电平,因此限制了数 字电路的响应速度。通过优化布线减少电容和电感、限制驱动级数、必要时在输出电路 中应用负载电阻的方法,可以控制上升和下降时间。 总的来说,随着工作频率的提升,在接近反复频率时数字电路的问题也迅速增加。 如果数字电路的工作频率被限制在可取最大值的一半以内,并且将准备时间提升至厂家 声明的最小值的 2 倍或 3 倍,那么数字电路中的许多问题可以被避免。

  1.2 接收机
接收机的目的是从一个发射机发射的信号中选择一组期望的频率,去除所用不需要 的信号和噪声,然后解调信号获得调制的信息。接收机做的工作越好,解调的信号与发 射机发出的原始信号就越接近。不论需要什么样类型的解调,一个接收机所要执行的主 要功能是滤波和放大。超外差接收机就是这项工作的合理选择。

  1.
  2.1 超外差接收机
由于在低频端容易设计陡峭的窄带滤波器并且获得高的增益,因此“超外差”的接收 机是一个有效的设计。所有的输入信号与一个本地振荡器的输出混频,并且不同的频率 被中间频率放大器选择和放大。这样做一个大的好处是中频放大器保持在一个固定的频 率只有射频放大器和本地振荡器需要调整。
  1.11 是一个典型的超外差接收机的结构图。 图 一个另外的好处是事实上放大器的增益只是集中在两个有时或者三个频率上。这样减少 了对任意频率的增益需求提高了放大器的稳定性。当涉及的射频增益超过 120 分贝时, 增加每一点都有用。 图
  1.11 中每一部分的功能解释如下:

  1. 射频放大器
为了使接收机总的噪声系数达到要求,需要有足够的增益,通常大约在 10dB 左右。
在输入端和输出端的调谐电路选择需要能够充分抑制镜频信号和其他寄生信号,它们会 产生中间调制并出现在中频信号中。为了阻止强信号的过载可能需要一些自动增益控制 电路。射频放大器电路也需要能够避免本地振荡器向天线辐射信号从而对其他接收机产 生干扰的任何可能性。

  2. 混频器与本地振荡器
混频器有两个输入,一个从射频放大器输出,另一个从本地振荡器输出。混频器的非 线性特性将产生许多中间调制信号,它们中的一个,和频或差频信号,将作为中频信号 存在。 通常,还将存在一个第二频率信号,镜频信号。它也可以与本地振动器混频并且在中频 上产生一个输出。根据所运用的混频器类型,变频增益通常从-10dB 到+30dB 变化。 本地振荡器必须是可调的,还要有一个低的漂移率和相对较小的边带噪声,因为这样可 以提高接收机的噪声等级。

  3. 中频滤波与放大器
这个部分决定接收机的总体带宽和与之相连的通道选择问题。 接收机模块的增益将主 要集中在这一部分,为了适应接收信号强度的变化,某些形式的自动增益控制电路需要 包括在其中。与射频相比,中频通常在一个较低的频率,但是,在一些特殊情况中,中 频可以高于射频以减少寄生地中间调制和镜像问题。

  4. 解调器
对于所应用的各种调制方式(如调幅、调频、单边带和脉冲调制) ,都有一些不同的 电路。一些可获得增益,另一些则插入损耗。一些需要一个参考信号输入(如,SSB 和 相位调制) ,另一些则不需要。解调过程也可能要求产生对 AGC 和 AFC 电路的输出。待 复原的声音(或视频,等)信号的电平将决定在后面的音频或视频放大器中需要的增益。

  1.
  2.2 指标参数
在一个接收机的设计之前,必须考虑最终的指标参数要求。在大多数情况下,最终 的设计结果是在设计者的想像与可能的实现之间的一个折中方案。决定因素通常是经费 限制。在开始设计之前需要考虑以下几个方面。
  1. 可调频率范围 什么频率范围可调以及频率的调整是连续的还是在作为不同的离散通道?例如, 一个 短波接收机必须能够连续地从 3 到 30MHz 进行调整并且通常还需要在一些频段进行切
换。它的本地振荡器应该是连续地可调类型。解调器应该满足调幅,单边带,和连续波 信号,并且中频带宽应该一致。对民用波段(CB) ,一个接收机需要将从
  26.965 到
  27.405KHz 变化的窄小频率范围作为 40 个离散通道进行调整。这个接收机的本地振荡器 应该类似于是一个锁相环同步器。解调器信号可以是调幅(AM)或单边带(SSB)信号。
  2. 灵敏度 有时,对灵敏度的重视程度超过了其他的细节因素。例如,一个 100-KHz 的导航接 收机受到的大气噪声干扰如此之强以致于从天线接收的一个 100- ? V 的期望信号有时也 会被掩盖。另一方面,一个
  0.1- ? V 的 100MHz 信号经常可以很容易地从背景噪声中区分 开。

  3. 带宽
当调制类型和通道间隔已知, 就可以定义中频的带宽和它的频率响应参数。 对一个调 频的立体声广播,需要一个 350kHz 的带宽。对调幅的飞行器通信系统,一个 30kHz 的 带宽是常用的-不能为高音频信号提供宽带响应,但能够适应发射机和接收机中的频率 偏移。滤波器中的频率响应参数需要设置了能够抑制相邻通道的信号。

  4. 寄生信号
如果不期望的信号由中频潜入接收机, 通过交叉调制和相互调制会产生很多寄生频率 信号,那么再好的设计也没用。 许多好的接收机的典型指标参数如下: (
  1) FM 立体声调频 :频率范围
  88~108Mhz 灵敏度: 在信噪比为 20dB 的条件下, 300 ? 的输入电阻产生的电压为
  1.8 ? V 对 选择性:对中心频率两边 400kHz 通道范围内,为 100dB。 带宽:通道增益 6dB 下降点在中心频率两边 350kHz 处。 镜频干扰抑制:90dB 寄生频率干扰抑制:90dB 中频干扰抑制:90dB 调幅抑制比:65dB 捕获率:
  1.5dB (
  2) 短波接收机:频率范围
  3.
  0~30MHz 灵敏度:对于信号加噪声功率与噪声功率比为 10dB 时,灵敏度为
  0.5 ? V
带宽: 通道增益 6dB 下降点在中心频率两边
  2.3kHz 处, 通道增益 60dB 下降点 在中心频率两边
  5.5kHz 处(单边带模式) 镜频干扰抑制:60dB 一旦指标参数被谨慎地确定, 就可以开始设计接收机了。 但是什么地方是最好的切入 环节呢?总体上讲,最敏感的环节是两个非线性电路,混频器和解调器。中频放大器在 它们之间起到调节作用,射频放大器用来弥补混频器的不足。

  1.
  2.3 混频器
接收机的混频器部
 

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