《迷人的8051单片机》----2.5模拟与数字

本节书摘来自华章出版社《迷人的8051单片机》一书中的第2章，第2.5节，作者高显生，更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。
2.5模拟与数字
世界是物质的，来自物质世界的量大多具有模拟性的特点，比如物体的温度、音量的大小、大气的压力以及光照的强度等。我们要对外部世界的模拟量进行感知和处理，就需要对其进行量化，将模拟量转化为数字量，以下重点讨论的是模拟与数字信号的不同特点。
2.5.1模拟信号
模拟信号是一种连续可变的信号，它不仅在时间上连续，而且在数值上也是连续的。模拟信号具有无穷多的瞬时值，其数学表达式也比较复杂，比如正弦函数、指数函数等，常见模拟信号的波形如图2-22所示。

文章插图
在电子技术中，通常采用传感器将模拟信号转换为电流、电压或电阻等电学量，这些量同样称为模拟量。通常，我们会将表示模拟量的信号称为模拟信号，将工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路。例如，使用热敏电阻进行温度测量时，热敏电阻输出的电压信号就是模拟信号，所测得的电压信号无论在时间上还是在数量上都是连续变化的，而且这个电压信号在连续变化过程中的任何一个取值都具有相应的物理意义。
2.5.2数字信号
与模拟信号不同，数字信号的幅度取值是不连续的，幅值被限定在有限的个数之内。在数字信号中，只有表示1的高电平和表示0的低电平两种。例如，在一个电路中，用+5V的高电平表示1，用0V的低电平表示0，那么除此之外的其他电压值都是不存在或不允许有的。数字信号的波形如图2-23所示。
通常，我们将在时间上和数量上都是离散的物理量称为数字量，将表示数字量的信号叫数字信号，将工作在数字信号状态下的电子电路称为数字电路。例如，用光收发器记录从自动生产线上输出的产品数量时，每送出一件产品都会给电子电路一个信号，使其加1，而没有产品输出时电子电路产生的信号是0，产品数量这个信号无论在时间上还是在数量上都是不连续的，而且它的最小数量单位为1 。
2.5.3模拟电子电路
模拟电子电路也被称为线性电路，电路中一般具有输入和输出端，当输入信号的强度变大时，输出信号的强度也会随之变大，这就形成了所谓的线性放大过程。生活中典型的线性电路有很多，例如，我们演出时用的话筒，当我们高声歌唱时，音箱输出的声音也会变得很大，这说明输出信号的幅度与输入信号是成正比关系的，一个典型的线性放大器如图2-24所示。
假定从线性放大器的输入端输入的信号幅度为1，而放大器输出的信号幅度为5，即输出信号的幅度是输入信号的5倍，也就是说这个线性放大器的增益是5 。在实际应用中，放大器的增益往往被做得很高，比如常用的运算放大器就具有很高的增益。
2.5.4运算放大器
运算放大器（简称运放）是一种典型的模拟电路，由于早期应用于模拟计算机中，用以对信号进行加法、减法、积分、微分等数学运算，故得名“运算放大器” 。但是运算放大器的用途并不限于此，由于它本身是一种高性能的直接耦合放大器，所以在自动控制、测量技术、音视频处理等领域中均有十分广泛的用途。
运算放大器在电路中的表示符号如图2-25所示。运算放大器具有两个输入端和一个输出端，其中标有“+”号的输入端称为同相输入端，另一个标有“-”号的输入端称为反相输入端。如果分别从这两个输入端输入同样的信号，在输出端会得到电压幅度相同但极性相反的输出信号。也就是说，输出端输出的信号与同相输入端的信号同相，与反相输入端的信号反相。