一、什么樣的信號是數(shù)字信號

在上期模擬信號文章的最后，我們向大家提了一個問題：方波脈沖信號是模擬信號還是數(shù)字信號？

其實它是什么信號要看它是怎樣表示的，以這個方波舉例，當(dāng)方波從信號發(fā)生器中發(fā)射出來，它是一個模擬信號。當(dāng)我們根據(jù)它的高低電平，把這個方波劃分為1和0的時候，它就成為了數(shù)字信號。

那么一個模擬信號是怎樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的呢？

大家已經(jīng)知道模擬信號在時間及幅度值上均是連續(xù)的。

而與其對應(yīng)的數(shù)字信號在時間及幅度值上都是離散的。

自然界中當(dāng)然不存在這樣的信號，所以只有經(jīng)過人為加工，才能使信號離散化。加工的具體過程就是：采樣、量化、編碼，模擬信號只有經(jīng)過這三個步驟的處理才會被認(rèn)定為數(shù)字信號。（采樣、量化、編碼的過程我們會在后面的文章中敘述，這里先行略過。）

二、0、1的判斷標(biāo)準(zhǔn)

雖然轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號只有“0”、“1”兩種狀態(tài)，但它仍是以電壓電流的形式運行在電路當(dāng)中。所以我們就需要一些標(biāo)準(zhǔn)來判斷數(shù)字信號是“0”還是“1”。例如TTL電路，它是晶體管-晶體管邏輯電路（Transistor-Transistor Logic）的縮寫，這里的晶體管是指雙極性晶體管（BJT），也就是三極管。

TTL電平信號規(guī)定，+5V等價與“1”（高電平），0V等價于“0” （低電平）。這樣的數(shù)據(jù)通信及電平規(guī)定方式，被稱作TTL信號系統(tǒng)。不過在具體應(yīng)用中，高低電平的判斷是一個范圍值。以電路中使用5V電源為例，當(dāng)輸出電壓大于等于2.4V時，表示“1”；小于等于0.5V時，表示“0”。當(dāng)輸入電壓大于等于2.0V時，表示“1”；小于等于0.8V時，表示“0”。

但是為了改善噪聲容限、減小功耗、提高運行速度，就將電壓砍掉了一部分，于是就有了LVTTL電路。它又分為3.3V、2.5V以及更低電壓的LVTTL（Low Voltage TTL）。

以3.3V LVTTL為例，它的電源是3.3V；輸出的高電平大于等于2.4V，低電平小于等于0.4V；輸入的高電平大于等于2V，低電平小于等于0.8V。如果電壓值在0.4V到2.4V之間，是不確定的狀態(tài)，電路不能清楚的判斷它是高電平還是低電平。這樣的情況在電路中是不應(yīng)該出現(xiàn)的。

三、數(shù)字電路

現(xiàn)在我們已經(jīng)大致清楚了數(shù)字信號的產(chǎn)生以及在電路中如何傳輸，但它只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，怎么才能將其應(yīng)用于實際生活，解決復(fù)雜問題呢？這就要依靠數(shù)字電路了，它是一種用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算的電路。

可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。

1、組合邏輯電路

組合邏輯電路由邏輯門構(gòu)成，所以先介紹幾種簡單的門電路以便于大家理解。邏輯門可以分為與門、或門、非門、與非門和或非門等多種邏輯門。

與門的符號表示如下圖所示，將A、B作為與門的兩個輸入，Y作為輸出。就可以寫出它的真值表。（真值表通俗來說就是將各種輸入信號狀態(tài)與對應(yīng)的輸出信號匯聚到一張表格中。它有很更重要的作用，但這里就不展開說明了。）

其含義是：只有輸入A、B均是1，輸出Y才是1。

非門的符號及其真值表如下圖所示。

其含義是：對輸入狀態(tài)取反。

接下來我們就可以用這兩種邏輯門構(gòu)建一個組合邏輯電路。如下圖所示：（圖像中的符號其實就是與門和非門的結(jié)合，非門被簡化為一個小圓圈，這樣的畫法也可以延伸到其他的電路圖像中。）

假設(shè)將A、B、C置為0、1、0。經(jīng)過與非門（與門加非門）后輸出1、1、1，再經(jīng)過一個與非門后，輸出Y=0。遍歷輸入信號的所有可能，就可以列出此電路的真值表。

通過真值表可以看出，當(dāng)輸入A、B、C中只有一個1或沒有1時，Y輸出0。當(dāng)輸入有兩個或兩個以上的1時，Y輸出1。這就是將這個電路稱為判決電路的原因。在這個電路中，A、B、C三個輸入經(jīng)過4個與非門后得到了輸出Y。整個電路從左至右依次進(jìn)行，沒有輸出回流到某一級的輸入中，也就是沒有反饋。所以我們可以說，在這個電路中，任一時刻的輸出狀態(tài)只決定于該時刻各輸入狀態(tài)的組合，而與電路的原狀態(tài)無關(guān)。像這樣的電路就是組合邏輯電路，其中沒有記憶單元，沒有反饋電路。

這也是組合邏輯電路與時序邏輯電路的主要區(qū)別。下面為大家列舉兩個常見的較為復(fù)雜的組合邏輯電路。

編碼器電路，在數(shù)字電路中用二進(jìn)制代碼表示有關(guān)的信號稱為二進(jìn)制編碼。實現(xiàn)編碼操作的電路就是編碼器。如圖所示是一個8線-3線優(yōu)先編碼器（74LS148），及其符號表示。

數(shù)據(jù)選擇器又稱多路選擇器（MUX）。每次在地址輸入的控制下，從多路輸入數(shù)據(jù)中選擇一路輸出。

這是一個集成雙4選1數(shù)據(jù)選擇器74HC153及其符號表示。

雖然這些電路執(zhí)行的邏輯運算很復(fù)雜，但是最終也是以高低電平的形式輸出，那么使用采集卡的DI端口就可以檢測它們的狀態(tài)。依托計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力，可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字運算。

運算結(jié)果由DO輸出相應(yīng)的高低電平，從而控制外部設(shè)備。

當(dāng)然，這些I/O端口也可以發(fā)出一串脈沖信號，這就與時序邏輯電路有關(guān)了。

2、時序邏輯電路

時序邏輯電路的特點是任一時刻的輸出信號不僅取決于該時刻的輸入信號，而且還取決于電路原來的狀態(tài)。它由組合邏輯電路和存儲電路組成。

組合邏輯電路與我們之前介紹的一致。而存儲電路實質(zhì)上是由觸發(fā)器構(gòu)成。所以我們先來看看觸發(fā)器是怎樣工作的。

觸發(fā)器是構(gòu)成時序邏輯電路的基本單元。它是一種具有記憶功能，能儲存1位二進(jìn)制信息的邏輯電路。

這里介紹一種基本RS觸發(fā)器。它的電路結(jié)構(gòu)如下圖：

可以看出，與非門的輸出（“&”表示與）被傳送到了另一個與非門的輸入中，這就是電路中所說的反饋。它的工作流程依照我們分析組合邏輯電路時的分析方法就可以。當(dāng)R（非）=1，S（非）=0，Q置1；當(dāng)R（非）=0，S（非）=1，Q與Q（非）保持之前狀態(tài)不變；當(dāng)R（非）=0，S（非）=1，Q置0。

如果我們在電路中增加了一個同步信號也叫做時鐘信號（CP）時，就可以得到這樣的電路及時序圖：

當(dāng)CP=0時，S（非）=R（非）=1，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變。當(dāng)CP=1時，工作情況與基本RS觸發(fā)器相同。

同組合邏輯電路一樣，由基本的RS觸發(fā)器可以構(gòu)成很多復(fù)雜的觸發(fā)器以及由它們產(chǎn)生的各種時序邏輯電路。這些內(nèi)容就不再為大家列舉了。那么時序邏輯電路又能完成什么樣的工作呢？

四、總線

我們都知道，計算機(jī)自身是不會產(chǎn)生信息的，需要通過鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備向計算機(jī)傳遞消息。這些設(shè)備所使用的總線協(xié)議就和時序邏輯電路息息相關(guān)了。

不過總線又是什么呢？

簡單來說，總線就是連接計算機(jī)各個功能模塊的一條通信主干線。只要器件間想要建立連接，就要通過這條線路。

當(dāng)器件A與器件B通訊后，其他器件想要通訊就只能等待A與B通訊完成或是打斷它們之間的通信。下面我們就為大家介紹幾種常見的總線。

1、USB總線

USB總線是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。它已經(jīng)成為大量計算機(jī)和智能設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口和必備接口之一。

其引腳定義如圖：

USB是一種異步串行總線。它傳輸數(shù)據(jù)主要依靠兩根差分模式傳輸?shù)男盘柧€D+和D-。

主機(jī)發(fā)送或接受的信息均由這兩根數(shù)據(jù)線傳輸，而且差分信號狀態(tài)并不直接代表數(shù)據(jù)狀態(tài)。因為USB使用的是NRZI編碼方式，這種編碼方式較為復(fù)雜，我們之后有機(jī)會在為大家介紹?？傊?，USB總線通過一些列的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使總線上的設(shè)備能夠完成通信。

2、232總線

工業(yè)設(shè)備則大量使用232總線，它是常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)之一，其全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。

先來看看它的接口形態(tài)，公頭是帶有針腳的一端，母頭是帶有孔座的一端。

各引腳的定義如下圖所示：

現(xiàn)在，在工業(yè)控制中一般只使用RS232的三個接口。

我們按照UART串口協(xié)議傳輸0100 1011。便可得到如下時序圖：

起始與停止位各占一位，數(shù)據(jù)以負(fù)邏輯，由高位到低位發(fā)送。在時序圖中大家可以看到，高電平的電壓比較高，可達(dá)15V。與TTL電平不兼容，不能直接連接到TTL電路上，而且232總線只能進(jìn)行點對點的通信，很不方便。所以在RS-232的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了許多種通信接口，RS-485就是其中之一，它被廣泛用于數(shù)據(jù)采集和控制應(yīng)用中。

3、RS-485總線

RS-485總線使用差分模式傳輸數(shù)據(jù)（A、B總線），有較強(qiáng)的抗干擾能力。同時傳輸距離長，可達(dá)1200米。并且在A、B總線上可以掛載多個設(shè)備。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖：

A、B為總線，R為接收器輸入，RE為接受器使能信號；DE為發(fā)送器使能信號，D為發(fā)送器輸出。

當(dāng)它要發(fā)送數(shù)據(jù)時，DE要變成高電平，這樣A、B總線發(fā)送的數(shù)據(jù)才是正確的。

4、I2C總線

下面我們介紹另一類總線協(xié)議。I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二進(jìn)制同步串行總線。因為它只需要兩根線，而且傳輸速度比較慢，所以方便實現(xiàn)。但是這些特點也使得I2C總線不適用于長距離傳輸，而多用于芯片間的信息傳遞。

其物理層的連接如圖：

其中SCL總線負(fù)責(zé)傳遞時鐘信號，SDA總線傳遞數(shù)據(jù)信息。I2C總線傳輸數(shù)據(jù)時的時序圖是這樣的：

處于空閑狀態(tài)時，SCL和SDA均保持高電平；發(fā)送信號時，SDA由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，SCL保持高電平；發(fā)送停止信號時，SDA由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，SCL保持高電平。可以看到只有SCL為低電平時，SDA才能變換。當(dāng)SCL保持高電平時，SDA上的電平是不能任意變化。

5、SPI總線

SPI總線是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫。它是一種4線總線，只占用芯片的4個管腳，節(jié)約了芯片管腳，而且硬件功能很強(qiáng)。所以在越來越多的芯片上都集成了這種通信協(xié)議。

它的四根總線分別是MISO：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；MOSI：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；SCLK，時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生；NSS：從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制。

由于SPI是一種同步信號，數(shù)據(jù)的輸出和采集總是跟隨時鐘信號的變化而進(jìn)行的。以CPOL=1，CPHA=1為例，可以畫出這樣時序圖：

CPOL＝１表示時鐘是高電平時處于空閑；CPHL＝１表示數(shù)據(jù)的輸出在一個時鐘周期的第一個沿上，也就是圖中時鐘信號的下降沿是設(shè)備輸出。推想而知，CPOL和CPHL都有0、1兩種取值，所以SPI總線有四種工作狀態(tài)，這里只列舉了其中的一種。

總線的類型有很多，我們可以將它們大致分為兩類：USB總線、232總線、485總線的傳輸距離相對而言比較長，所以用來建立各設(shè)備之間的信息傳遞。而I2C總線和SPI總線的傳輸距離相對較短，主要是完成電路板上的各種芯片以及處理器間的通訊。

同時需要注意：雖然總線上的數(shù)據(jù)以電壓的形式表現(xiàn)出來，但傳輸過程中有很多因素需要考量，比如傳輸?shù)乃俾?、高低電平的范圍、譯碼規(guī)則等等。因此用采集卡采集總線上的數(shù)字信號，需要復(fù)雜的編程邏輯，甚至需要一些電路調(diào)整，所以這并不是一個好的方案。不過，正如前面提到的，我們可以使用采集卡的DO端口輸出脈沖序列、模擬PWM信號、控制步進(jìn)電機(jī)等等。用DI端口采集連續(xù)變化的數(shù)字波形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

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審核編輯 黃宇