3.1信息傳感技術(shù)

3.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

3.3數(shù)/模轉(zhuǎn)換技術(shù)

3.4信源編譯碼技術(shù)3.1信息傳感技術(shù)3.1.1傳感器概述電子系統(tǒng)無論采用模擬體制還是數(shù)字體制,均只能直接處理電信號(hào),而自然界大量存在的、信號(hào)檢測與處理的對(duì)象或需要傳遞的信息往往是非電量的,如語音、圖像、溫度、煙霧、壓力、光強(qiáng)等。傳感器亦稱為變換器、換能器或探測器,它是將各種非電量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)碾娏康难b置,也定義為對(duì)應(yīng)于特定被測量提供有效電信號(hào)輸出的器件。傳感器種類繁多,通常都用靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性對(duì)其性能進(jìn)行描述。另外,傳感器的敏感元件輸出的信號(hào)一般比較微弱,往往還需要信號(hào)調(diào)理電路,以便將微弱的傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成抗干擾和驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的信號(hào),有時(shí)甚至直接變換成能滿足后續(xù)電路處理要求的電流(如4~20mA)與電壓(如0~10V)信號(hào)。傳感器的性能主要通過其輸入/輸出關(guān)系來描述,傳感器的輸入/輸出關(guān)系特性是傳感器的基本特性。傳感器基本特性又分為靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性,靜態(tài)特性描述的是傳感器在被測量不隨時(shí)間變化,或變化緩慢且在測量期間可忽略其變化時(shí)的性能特性,動(dòng)態(tài)特性描述的是傳感器在被測量隨時(shí)間變化時(shí)的性能特性。1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性主要通過線性度、精度、遲滯、重復(fù)性偏差、準(zhǔn)確度、靈敏度、分辨率、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)來衡量。對(duì)于輸入/輸出特性呈線性關(guān)系的傳感器,線性度是非常重要的性能指標(biāo),它反映的是實(shí)際特性曲線與理論直線間的偏差。傳感器的精度是指測量結(jié)果的精確程度,即測量結(jié)果與真值的偏差。它以給定的準(zhǔn)確度表述重復(fù)某個(gè)度數(shù)的能力,誤差越小,精度越高。當(dāng)傳感器的正(輸入量增大)行程和反(輸入量減小)行程的實(shí)際特性不相重合并形成回線時(shí),稱之為傳感器具有遲滯,其偏差稱為遲滯偏差,如圖3.1所示。當(dāng)傳感器在全量程范圍內(nèi)多次重復(fù)測試時(shí),同在正行程或同在反行程上對(duì)應(yīng)于同一個(gè)輸入量,其輸出量之間的差值稱為重復(fù)性偏差。重復(fù)性偏差所反映的是測量結(jié)果偶然誤差的大小而不是表示與真值之間的偏差。有時(shí)重復(fù)性偏差雖然很好,但實(shí)際測量值可能遠(yuǎn)離真值。傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化與輸入量變化的比值,靈敏度反映了傳感器對(duì)輸入信號(hào)的敏感程度。分辨率又稱分辨力,是指使傳感器輸出發(fā)生可觀測變化的最小輸入變化量。穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)保持其性能的能力,一般以室溫條件下經(jīng)過規(guī)定時(shí)間間隔后傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來表示。2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性又稱為動(dòng)態(tài)響應(yīng),它研究的是當(dāng)被測量隨時(shí)間變化時(shí),傳感器的輸出量與輸入量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。傳感器的動(dòng)態(tài)特性通常用時(shí)域、復(fù)頻域、頻域三種數(shù)學(xué)模型表示。時(shí)域模型就是通過常系數(shù)線性微分方程表示傳感器的輸入/輸出關(guān)系,復(fù)頻域模型是通過傳遞函數(shù)表示傳感器的輸入/輸出關(guān)系,而頻域模型則通過頻率響應(yīng)函數(shù)表示傳感器的輸入/輸出關(guān)系。在傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)中,應(yīng)注意以下兩點(diǎn):(1)合理選擇滿足應(yīng)用要求的傳感器。(2)設(shè)計(jì)合適的信號(hào)調(diào)理電路3.1.2傳聲器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)1.傳聲器傳聲器是一種將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件,它是通過聲波作用到電聲元件上產(chǎn)生電壓,再轉(zhuǎn)為電能。話筒(也稱為麥克風(fēng),Microphone英文單詞的音譯)是最常用的傳聲器,由最初通過電阻轉(zhuǎn)換聲/電發(fā)展為電感、電容式轉(zhuǎn)換聲/電。按照目前業(yè)內(nèi)廣泛使用的分類方法,話筒可分為動(dòng)圈話筒和電容話筒。其中,動(dòng)圈話筒是指由磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體產(chǎn)生電信號(hào)的話筒,由振膜帶動(dòng)線圈振動(dòng),從而使磁場中的線圈生成感應(yīng)電流。動(dòng)圈話筒的特點(diǎn)有:(1)結(jié)構(gòu)牢固,性能穩(wěn)定。(2)頻率特性良好,50~15000Hz頻率范圍內(nèi)幅頻特性曲線平坦。(3)指向性好。(4)無需直流工作電壓,使用簡便,噪聲小。電容話筒的振膜就是電容器的一個(gè)電極,當(dāng)振膜振動(dòng),振膜和固定的后極板間的距離發(fā)生變化,就產(chǎn)生了可變電容量,這個(gè)可變電容量和話筒本身所帶的前置放大器一起產(chǎn)生信號(hào)電壓。電容話筒的特點(diǎn)有:(1)頻率特性好,在音頻范圍內(nèi)幅頻特性曲線平坦。(2)無方向性。(3)靈敏度高,噪聲小,音色柔和。(4)輸出信號(hào)電平比較大,失真小,瞬態(tài)響應(yīng)性能好,這是動(dòng)圈話筒所達(dá)不到的優(yōu)點(diǎn)。(5)工作特性不夠穩(wěn)定,低頻段靈敏度隨著使用時(shí)間的增加而下降,壽命比較短,工作時(shí)需要直流電源,使用不方便。相比較而言,電容話筒在靈敏度和擴(kuò)展后的高頻(有時(shí)也會(huì)是低頻)響應(yīng)方面通常要優(yōu)于動(dòng)圈話筒。鋁帶式話筒也是動(dòng)圈話筒的一種,但它是采用一個(gè)很薄的金屬片代替?zhèn)鹘y(tǒng)動(dòng)圈話筒中所使用的振膜和線圈,通過金屬片自身根據(jù)聲壓變化而產(chǎn)生的震動(dòng)來帶動(dòng)磁場中電流的變化,從而最終產(chǎn)生聲音信號(hào)。鋁帶式話筒對(duì)高頻的響應(yīng)能力要高于傳統(tǒng)的動(dòng)圈式話筒,但無法和電容話筒相媲美。傳聲器或話筒的主要技術(shù)指標(biāo)有靈敏度、頻率響應(yīng)、指向特性、輸出阻抗和動(dòng)態(tài)范圍等。靈敏度是表示話筒聲/電轉(zhuǎn)換效率的重要指標(biāo),是指向話筒施加聲壓為1帕(Pa)的聲波時(shí)話筒的開路輸出電壓,單位是毫伏/帕(mV/Pa)。動(dòng)圈式話筒的靈敏度為1.5~4mV/Pa,而電容式話筒靈敏度典型值是20mV/Pa。話筒的靈敏度還常用dB來表示,規(guī)定1伏/帕(V/Pa)為0dB,由于話筒輸出遠(yuǎn)小于1伏/帕,所以也常用dBm與dBμ表示。0dBm=1mW/Pa,即把1Pa輸入聲壓下給600Ω負(fù)載帶來的1mW功率輸出定義為0dBm;0dBμ=0.775V/Pa,即將1Pa輸入聲壓下話筒輸出0.775V電壓定義為0dBμ。頻率響應(yīng)反映的是話筒聲/電轉(zhuǎn)換過程中衡量頻率失真的一個(gè)重要指標(biāo)。話筒在恒定聲壓和規(guī)定入射角聲波作用下,各頻率聲波信號(hào)的開路輸出電壓與規(guī)定頻率話筒開路輸出電壓之比稱為話筒的頻率響應(yīng)。一般用頻率響應(yīng)曲線來表示,其橫軸為頻率,單位為Hz,大部分情況取對(duì)數(shù)來表示;縱軸則為音強(qiáng),單位為dB。當(dāng)話筒接收到不同頻率聲音時(shí),輸出信號(hào)會(huì)隨著頻率的變化而發(fā)生放大或衰減。最理想的頻率響應(yīng)曲線應(yīng)為一條水平線,代表輸出信號(hào)能真實(shí)呈現(xiàn)原始聲音的特性,但這種理想情況不容易實(shí)現(xiàn)。通常,希望曲線在2Hz~20kHz音頻范圍內(nèi)保持不變。目前,大多數(shù)話筒頻率響應(yīng)在50Hz~15kHz范圍內(nèi),變化范圍在3dB內(nèi)。指向特性是指話筒的靈敏度隨聲波入射方向的變化而變化的特性,又稱為方向特性。基本的指向特性有全方向性、“8”字形雙方向性和心形單方向性三種。其中全方向性又稱無方向性,即話筒靈敏度與聲波入射方向無關(guān),甚至對(duì)從手柄后面?zhèn)鱽淼穆曇粢嗍侨绱?。?”字形雙方向性是指聲波沿話筒振膜正前方或正后方入射,靈敏度最高,而對(duì)左右方向(沿振膜的平行方向)的入射聲波靈敏度極低。心形單方向性話筒對(duì)沿振膜正前方入射的聲波靈敏度最高,對(duì)沿振膜正后方入射的聲波靈敏度極低。輸出阻抗是指話筒的交流內(nèi)阻。話筒輸出阻抗分為高阻輸出與低阻輸出兩類。一般低阻輸出阻抗為200~600Ω,高阻輸出阻抗在10kΩ以上;國產(chǎn)話筒高阻在20kΩ左右;高質(zhì)量話筒都采用低阻抗方式。為了保證足夠的電壓傳輸系數(shù),又不影響整個(gè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng),要求與話筒連接的設(shè)備的輸入阻抗高于話筒輸出阻抗5~10倍。話筒的動(dòng)態(tài)范圍通常用dB表示,是指話筒能夠做出線性響應(yīng)的最大聲壓級(jí)(SPL)與最小聲壓級(jí)之差。動(dòng)態(tài)范圍小會(huì)引起傳輸聲音失真,音質(zhì)變壞,因此要求有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍。高保真話筒在諧波失真小于0.5%時(shí),動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120dB。2.傳聲器應(yīng)用接口設(shè)計(jì)很多計(jì)算機(jī)聲卡用戶需要購買專業(yè)話筒,但由于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的互連規(guī)程與專業(yè)音頻領(lǐng)域的不同,專業(yè)話筒與計(jì)算機(jī)連接時(shí)并不容易。為了成功地將專業(yè)話筒接入計(jì)算機(jī),就必須了解專業(yè)話

筒

和

計(jì)

算

機(jī)

聲

卡

兩

方

面

的

知

識(shí)。首

先,專

業(yè)

話

筒

的

輸

出

信

號(hào)

很

弱,小

于1mV,而聲卡的音頻輸入端口“MicIn”通常不能接受如此低電平的信號(hào),大多數(shù)聲卡要求輸入最小電平為10mV;其次,話筒的阻抗和相連的聲卡的阻抗之間的關(guān)系對(duì)從話筒傳送到聲卡的信號(hào)大小有顯著的影響,為獲得可靠的接收效果,話筒的輸出阻抗必須小于聲卡的輸入阻抗。一般說來,專業(yè)話筒的輸出阻抗低于600Ω,而大多數(shù)聲卡的輸入阻抗為600~2000Ω,因此一般不存在阻抗方面的問題。通過以上簡單分析可知,將話筒直接連接到聲卡上效果會(huì)很差,必須在話筒與聲卡之間加入接口電路,以解決信號(hào)的放大問題,且該接口電路的輸入阻抗必須大于話筒的輸出阻抗。一般來說,對(duì)于動(dòng)圈話筒和電容話筒,接口電路的最佳輸入阻抗應(yīng)該是話筒輸出阻抗的10倍左右。話筒與聲卡的接口電路如圖3.2所示。話筒輸出主要通過由三極管BC413B構(gòu)成的共發(fā)射極放大電路實(shí)現(xiàn);三極管BC547C為射級(jí)跟隨器,用于減小接口電路與聲卡的相互影響。該接口電路采用聲卡供電的方式,C2、C3、R6用于濾除電源中的脈沖干擾與交流干擾;R5構(gòu)成負(fù)反饋;由三極管BC413B構(gòu)成的共發(fā)射極放大電路的輸入阻抗一般在幾千歐姆或幾十千歐姆量級(jí),對(duì)話筒輸出信號(hào)的幅度影響可忽略不計(jì)。經(jīng)過這樣的一個(gè)接口電路,聲卡就能直接對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理了。3.1.3溫度傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)溫度傳感器是通過被感知對(duì)象的溫度變化而相應(yīng)改變其某種特性或參量的敏感元件。溫度傳感器隨被測對(duì)象溫度的變化而引起變化的物理參量有膨脹、電阻值、電容值、熱電動(dòng)勢、磁性能、頻率、光學(xué)特性等。按溫度傳感器與被測對(duì)象的接觸方式不同可分為接觸式與非接觸式溫度傳感器。下面以幾種常用的溫度傳感器為例,對(duì)典型應(yīng)用進(jìn)行討論。1.AD590溫度傳感器與應(yīng)用AD590是電流型絕對(duì)溫度傳感器,以電流作為輸出量,其典型的電流溫度敏感度為1μA/K。AD590是一種電壓輸入、電流輸出的二端器件,器件本身與外殼絕緣,使用方便。AD590作為一種高阻電流源,不需要嚴(yán)格考慮傳輸線上的電壓信號(hào)損失和噪聲干擾問題,適用于遠(yuǎn)距離測量。另外,該傳感器還適用于多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng),而不必考慮選擇開關(guān)或CMOS多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差。由于內(nèi)部采用了一種獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu),并利用薄膜電阻激光微調(diào)技術(shù)校準(zhǔn),使得AD590具有很高的精度。AD590的主要性能參數(shù)如下:(1)線性電流輸出,電流溫度靈敏度為1μA/K。(2)測量溫度范圍為-55℃~+150℃。(3)激光微調(diào)校準(zhǔn)使定標(biāo)精度(測量精度)達(dá)到±0.5℃(AD590M)。(4)在整個(gè)測溫范圍內(nèi)非線性誤差小于0.3℃(AD590M)。(5)工作電壓范圍為4~30V。利用AD590測溫,可從絕對(duì)溫度T(K)計(jì)算出攝氏溫度t(℃),其關(guān)系式為在AD590測溫的實(shí)際應(yīng)用中要注意幾點(diǎn):(1)AD590是溫度電流傳感器,即電流變化反應(yīng)溫度的變化,在實(shí)際應(yīng)用中,通常要將反應(yīng)溫度的電流值轉(zhuǎn)換成便于處理的電壓值。(2)在高精度測溫中,必須保證AD590輸出的電流不被分流,通常采用運(yùn)放的高輸入阻抗和虛地來實(shí)現(xiàn)。(3)AD590是絕對(duì)溫度傳感器,而實(shí)際應(yīng)用中通常只要求反映攝氏溫度的變化,可通過硬件電路與后續(xù)處理兩種方法實(shí)現(xiàn)。如圖3.3所示給出了AD590的幾種典型而又非常簡單的應(yīng)用電路。在圖3.3的三種應(yīng)用電路中,都將隨溫度變化的電流轉(zhuǎn)換成了隨溫度變化的電壓,以方便后續(xù)處理。圖3.3(a)中通過R1與R2后電壓隨溫度變化的靈敏度為1mV/K,調(diào)整電位器R2可校準(zhǔn)輸出的精度。圖3.3(b)中由于運(yùn)放的輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R1,使得運(yùn)放同相端對(duì)傳感器輸出的電流的分流可忽略不計(jì),從而保證了測量的精度。圖3.3(c)則利用運(yùn)放的虛地使得傳感器的輸出電流只能流過反饋電阻Rf,這樣輸出電壓為Uo=RfI,從而實(shí)現(xiàn)電流/電壓轉(zhuǎn)換。由于AD590是絕對(duì)溫度傳感器,圖3.3所示的三種應(yīng)用電路的輸出電壓與絕對(duì)溫度呈正比,而在實(shí)際應(yīng)用中,往往需要檢測攝氏溫度的變化,也就是說,要求輸出與攝氏溫度呈正比。如圖3.4所示就是利用AD590實(shí)現(xiàn)攝氏溫度檢測的典型電路。圖中第一級(jí)運(yùn)放用作射極跟隨器,以隔離后級(jí)電路對(duì)感應(yīng)電流的影響。第二級(jí)運(yùn)放的反相端為固定電壓,該值可通過電位器R2進(jìn)行調(diào)整,同相端的電壓與絕對(duì)溫度呈正比。為了使第二級(jí)運(yùn)放的輸出電壓Uo與攝氏溫度呈正比,只需要在0℃時(shí)調(diào)整電位器R2,使Uo=0V,這樣即可消除式(31)中273.15常數(shù)項(xiàng)的影響。2.LM35/45溫度傳感器與應(yīng)用LM35/45是電壓型攝氏溫度傳感器,其輸出電壓正比于攝氏溫度,靈敏度為10mV/℃。LM35/40芯片為三端器件,由于芯片內(nèi)部采用了曲率補(bǔ)償電路,輸出電壓的線性度得到了改善,在被測范圍內(nèi)非線性誤差僅為±0.2℃。LM35/45的輸出阻抗小,可采用單電源或雙電源供電,與后續(xù)電路接口簡單,使用方便;其工作電流也很小,低于70μA,在靜止空氣中自然升溫不超過0.1℃,測量精度高。LM35/45的主要性能參數(shù)如下:(1)線性電壓輸出靈敏度為10mV/℃。(2)測量溫度范圍為-45℃~+150℃。(3)在全量程范圍內(nèi)測量精度達(dá)到±0.4℃。(4)在整個(gè)測溫范圍內(nèi)非線性誤差為±0.2℃。(5)工作電壓范圍為5~20V。LM35/45基本應(yīng)用電路如圖3.5所示。圖3.5(a)是基本接法,該電路只限于對(duì)正溫度(0℃以上)的檢測。對(duì)于負(fù)溫度的檢測,可采用圖3.5(b)和圖3.5(c)所示電路。圖3.5(b)采用單電源,LM35/45的3腳(負(fù)端)通過二極管接地,以實(shí)現(xiàn)負(fù)端電平的轉(zhuǎn)移。這樣,當(dāng)溫度低于0℃時(shí),在輸出端與負(fù)端之間可以得到負(fù)的電壓輸出,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)攝氏溫度的檢測。圖3.5(c)則使用了雙電源工作。3.1.4光電傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)1.光電傳感器光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測信號(hào)或控制信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化。這個(gè)“被測信號(hào)或控制信號(hào)→光信號(hào)→電信號(hào)”的轉(zhuǎn)換過程通過光既實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)(即被測信號(hào)或控制信號(hào))到電信號(hào)的傳輸,又實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)與電信號(hào)的隔離。因此,光電傳感器在檢測與控制中有著廣泛的應(yīng)用,特別適用于被檢測量對(duì)后續(xù)處理電路容易產(chǎn)生干擾的檢測場合以及被控單元容易對(duì)控制單元產(chǎn)生干擾的控制場合。由于光電傳感器要實(shí)現(xiàn)“被測信號(hào)或控制信號(hào)→光信號(hào)→電信號(hào)”的轉(zhuǎn)換過程,因此,光電傳感器一般包括可控發(fā)光源、光通道以及光電器件等部分。其中可控發(fā)光源通常為發(fā)光二極管或紅外發(fā)光管,光電器件則主要為光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。光敏電阻的阻值與光敏二極管的反向電阻會(huì)隨照射光的增加而減小,光敏三極管則能對(duì)光照射后產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行放大,從而在發(fā)射極產(chǎn)生較大的電流。常用的光電傳感器實(shí)際上是一種光電耦合器,它是一種由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用,并以光作為媒介傳遞信號(hào)的器件,發(fā)光元件與接收元件被封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。光電耦合器的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體發(fā)光二極管,光電接收元件則為光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。按光電耦合器件的輸出結(jié)構(gòu)可分為直流輸出型與交流輸出型兩類;按結(jié)構(gòu)與用途不同可分為用于電隔離的光電耦合器和用于檢測物體有無的光電開關(guān)。光電傳感器也是一種電量隔離轉(zhuǎn)換器,具有抗干擾和單向傳輸?shù)奶匦?廣泛用于電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點(diǎn)開關(guān)以及固態(tài)繼電器等場合。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,來自現(xiàn)場的開關(guān)量通過光電傳感器可轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的數(shù)字量,而計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)(開關(guān)量)則通過它變換成能夠直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)。2.光電傳感器的應(yīng)用接口設(shè)計(jì)1)光電傳感器在機(jī)械有觸點(diǎn)開關(guān)量輸入接口電路中的應(yīng)用機(jī)械有觸點(diǎn)開關(guān)量是工程中經(jīng)常遇到的典型開關(guān)量,它由機(jī)械式開關(guān)(如按鈕、繼電器)產(chǎn)生。其特點(diǎn)是無源,開關(guān)時(shí)有抖動(dòng)。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的這些機(jī)械式開關(guān)在啟動(dòng)與工作過程中會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾,為了保證控制系統(tǒng)的安全可靠,通常在這些開關(guān)量與控制系統(tǒng)之間采用光電耦合器進(jìn)行隔離。其接口電路如圖3.6所示。為了消除操作開關(guān)時(shí)導(dǎo)致的觸點(diǎn)抖動(dòng),在電路中采用了由R1和C構(gòu)成的、有較長時(shí)間常數(shù)的積分電路。2)光電傳感器在電子無觸點(diǎn)開關(guān)量輸入接口電路中的應(yīng)用無觸點(diǎn)開關(guān)量是指電子開關(guān)(如固態(tài)繼電器、功率電子器件、模擬開關(guān))產(chǎn)生的開關(guān)量。由于無觸點(diǎn)開關(guān)通常與主電路沒有隔離,因此隔離電路是信號(hào)變換的一個(gè)重要組成部分。常用的電子無觸點(diǎn)開關(guān)量輸入接口電路如圖3.7所示。3)光電傳感器在交直流繼電器/接觸器接口電路中的應(yīng)用典型的直流繼電器接口電路如圖3.8所示。對(duì)于直流繼電器、接觸器等磁電式執(zhí)行器件,應(yīng)在其線圈兩端并聯(lián)一續(xù)流二極管,以抑制元件斷開時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢對(duì)接口電路的影響。對(duì)于交流繼電器或接觸器,由于其線圈的工作電壓是交流電,通常使用雙向晶閘管驅(qū)動(dòng),接口電路如圖3.9所示。其中OPTOTRIC為雙向晶閘管輸出型光電耦合器,用于觸發(fā)雙向晶閘管。4)光電傳感器在固態(tài)繼電器接口電路中的應(yīng)用固態(tài)繼電器是一種兩輸入端、兩輸出端的四端器件,是一種無觸點(diǎn)電子繼電器。輸入與輸出之間用光電耦合器隔離,輸入端僅要求很小的控制電流,與TTL、CMOS等集成電路具有較好的兼容性,能直接與控制輸出相連,而輸出則用雙向晶閘管接通或斷開負(fù)載電源。固態(tài)繼電器具有開關(guān)速度快、體積小、壽命長、工作可靠的特點(diǎn)。采用固態(tài)繼電器不僅能實(shí)現(xiàn)小信號(hào)對(duì)大電流功率負(fù)載的開關(guān)控制,而且具有隔離作用。固態(tài)繼電器典型接口電路如圖3.10所示,圖中MOC3041為雙向晶閘管輸出型固態(tài)繼電器,內(nèi)有過零觸發(fā)電路,輸入端的控制電流為15mA,輸出端的額定電壓為400V,輸入與輸出端的隔離電壓為7500V。3.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(又稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)是一種將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量的一種電路或器件。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)一般要經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼等幾個(gè)環(huán)節(jié),因器件的實(shí)現(xiàn)方法不同,其工作過程也會(huì)有所區(qū)別。本節(jié)重點(diǎn)討論與模/數(shù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用單元的設(shè)計(jì)密切相關(guān)的內(nèi)容,包括A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇以及A/D轉(zhuǎn)換器的工程應(yīng)用。至于A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部組成與工作原理,這里不予討論,感興趣的讀者可參考相關(guān)書籍。3.2.1A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)很多,包括轉(zhuǎn)換位數(shù)、分辨率、轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換時(shí)間、延遲時(shí)間、量化誤差、滯后誤差、零誤差、滿量程誤差、線性誤差、信噪比、孔徑抖動(dòng)、無雜散動(dòng)態(tài)范圍、互調(diào)失真、總諧波失真、有效轉(zhuǎn)換位數(shù)等。這些技術(shù)指標(biāo)有些比較專業(yè),在進(jìn)行器件的選用時(shí)不一定每項(xiàng)都要深入考慮,應(yīng)根據(jù)需要對(duì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行取舍。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:1)轉(zhuǎn)換位數(shù)與分辨率將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí),該數(shù)字信號(hào)的位數(shù)稱為轉(zhuǎn)換位數(shù)。分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)變化一個(gè)最低有效位(LSB)時(shí),輸入模擬量的“最小變化量”。當(dāng)輸入模擬量的變化比這個(gè)“最小變化量”更小時(shí),則不會(huì)引起輸出數(shù)字量的變化。分辨率又稱為轉(zhuǎn)換靈敏度或量化電平,是對(duì)模擬量微小變化的分辨能力。分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)和輸入滿量程有關(guān)。假如一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為(0,U),轉(zhuǎn)換位數(shù)為n,則它的分辨率為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多,其電壓輸入范圍越小,其分辨率就越高。工程上常用相對(duì)滿度的百分比來表示分辨率,即由于A/D轉(zhuǎn)換器件不能做到完全線性,總會(huì)存在零點(diǎn)幾位乃至一位的精度損失,從而影響A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)際分辨率,降低了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)。通常用有效轉(zhuǎn)換位數(shù)表示轉(zhuǎn)換器非線性的影響。2)轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換完成所需的總時(shí)間,即A/D轉(zhuǎn)換器每轉(zhuǎn)換一次所需時(shí)間。顯然該指標(biāo)也表明了轉(zhuǎn)換速度,即每秒鐘內(nèi)能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。3)量化誤差A(yù)/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差是一個(gè)固定誤差,也稱為舍入誤差。由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字位數(shù)有限而導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差為±(1/2)LSB。4)延遲時(shí)間延遲時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出采樣命令的采樣時(shí)鐘邊沿(上升沿或下降沿)與實(shí)際開始采樣的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。3.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的選擇針對(duì)不同的采樣對(duì)象,有不同的A/D轉(zhuǎn)換器可供選擇,其中有通用的也有專用的,有些A/D轉(zhuǎn)換器還包含其他功能。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)需考慮多種因素,除關(guān)鍵參數(shù)外,還應(yīng)考慮其他因素,如數(shù)據(jù)接口類型、控制接口與定時(shí)要求、采樣保持性能、基準(zhǔn)要求、校準(zhǔn)能力、通道數(shù)量、電源要求(單電源還是雙電源)、輸出二進(jìn)制數(shù)字量的編碼形式、功耗、使用環(huán)境要求、封裝形式以及與軟件有關(guān)的問題等。1)采樣率的選擇A/D轉(zhuǎn)換器采樣率的選擇要根據(jù)待進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)確定。當(dāng)待轉(zhuǎn)換的信號(hào)為基帶信號(hào)時(shí),則采樣率至少應(yīng)滿足奈奎斯特采樣定理要求;當(dāng)待轉(zhuǎn)換的信號(hào)為中頻調(diào)制信號(hào)時(shí),采樣率須滿足帶通采樣定理要求。工程實(shí)現(xiàn)中,采樣率通常選擇采樣定理要求的采樣率的1~3倍,甚至更高。如待轉(zhuǎn)換的基帶信號(hào)最高頻率為3kHz時(shí),工程上采樣率取18~24kHz,最好為30kHz,甚至更高。由于A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率指標(biāo)通常是以區(qū)間形式給出的,只要工程設(shè)計(jì)的采樣率在此區(qū)間,則從采樣率要求考慮,該A/D轉(zhuǎn)換器就符合工程要求。2)轉(zhuǎn)換位數(shù)與分辨率的選擇工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行轉(zhuǎn)換位數(shù)與分辨率的選擇時(shí),首先要根據(jù)電子系統(tǒng)性能指標(biāo)確定要求能分辨的模擬信號(hào)的最小變化量,該最小變化量實(shí)際上就是對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率要求;其次,確定輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)的幅度變化范圍(動(dòng)態(tài)范圍);第三,利用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)、分辨率以及滿量程(即信號(hào)的最大幅值)三者之間的關(guān)系式(32),計(jì)算對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的要求;最后,根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)換位數(shù)、分辨率以及滿量程的要求,選擇合適的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。工程上選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí),盡量選擇比要求高一些的A/D轉(zhuǎn)換器,以便保留一定的余量。這里需要說明的是,上面的計(jì)算是在實(shí)際信號(hào)的最大幅值與A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程相等的條件下進(jìn)行的,而在實(shí)際中,由于信號(hào)的最大幅值可能是一任意值,而A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程是一確定值,二者可能不等。在這種條件下,一方面要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,使信號(hào)的最大幅值與A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程相等,以便使A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍得到充分利用;另一方面,要對(duì)調(diào)理后的信號(hào)的分辨率以及轉(zhuǎn)換位數(shù)重新計(jì)算,以驗(yàn)證選擇的A/D轉(zhuǎn)換器是否符合要求。3)輸入模擬量通道數(shù)與信號(hào)變化范圍的選擇有的A/D轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)模擬輸入通道,有的則有多個(gè)輸入通道,A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號(hào)范圍常為0~5V、0~10V、-5~+5V、-10~+10V。對(duì)于貼片器件來說,一般轉(zhuǎn)換速度較高,其范圍通常為0~3V。在工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器輸入的模擬信號(hào)數(shù)量以及信號(hào)變化范圍選擇合適的器件。4)基準(zhǔn)電源、工作電源與采樣時(shí)鐘的考慮基準(zhǔn)電源是A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量時(shí)用的基準(zhǔn)源,直接影響轉(zhuǎn)換精度。采樣時(shí)鐘是A/D轉(zhuǎn)換器必不可少的組成部分。有的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部集成有基準(zhǔn)電源與采樣時(shí)鐘振蕩電路,有的則沒有,需要外部自行設(shè)計(jì)。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí),應(yīng)盡量選擇內(nèi)部集成有這些模塊的器件,以減小成本與設(shè)計(jì)復(fù)雜性。另外,有的A/D轉(zhuǎn)換器為單電源供電,有的則要求雙電源供電,如果電子系統(tǒng)中其他功能模塊都采用的是單電源供電方式,在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí),最好也選用單電源供電的器件。5)數(shù)字接口考慮A/D轉(zhuǎn)換器輸出有并行輸出與串行輸出,輸出電平以及A/D轉(zhuǎn)換器的控制邏輯電平有TTL電平、CMOS電平與ECL電平,輸出的數(shù)字量編碼有偏移碼與補(bǔ)碼。在工程應(yīng)用中都要仔細(xì)考慮,以選擇合適的器件,否則,就有可能導(dǎo)致電路的復(fù)雜性。如在單元電路中其他功能器件均采用TTL電平,而A/D轉(zhuǎn)換器選用的是ECL電平,則在A/D轉(zhuǎn)換器與其他功能器件的連接中都必須加入電平轉(zhuǎn)換電路。6)工作環(huán)境考慮根據(jù)工作環(huán)境選擇A/D轉(zhuǎn)換器的環(huán)境參數(shù),如功耗、工作溫度等。A/D轉(zhuǎn)換器的功耗應(yīng)盡可能低,因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的功耗太大會(huì)帶來供電、散熱等許多問題。3.2.3A/D轉(zhuǎn)換器工程應(yīng)用為滿足

實(shí)

際

需

要,市

場

上

有

各

種

各

樣

的A/D轉(zhuǎn)

換

器

芯

片,下

面

結(jié)

合AD公

司

的AD1674以及美國國家半導(dǎo)體公司(NSC)的ADC0809討論A/D轉(zhuǎn)換器的工程應(yīng)用。1.AD1674及其應(yīng)用AD1674是美國AD公司推出的一種完整的12位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換單片集成電路。該芯片內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、10V基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘源以及與微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。AD1674的基本特點(diǎn)和參數(shù)如下:(1)帶有內(nèi)部采樣保持的完整12位逐次逼近(SAR)型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。(2)采樣頻率為100kHz。(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs。(4)具有±(1/2)LSB的積分非線性(INL)以及12位無漏碼的差分非線性(DNL)。(5)滿量程校準(zhǔn)誤差為0.125%。(6)內(nèi)有+10V基準(zhǔn)電源,也可使用外部基準(zhǔn)源。(7)四種單極或雙極電壓輸入范圍分別為±5V,±10V,0~10V和0~20V。(8)數(shù)據(jù)并行輸出,采用8/12位可選微處理器總線接口。(9)雙電源供電:模擬部分為±12V/±15V,數(shù)字部分為+5V。(10)功耗低,僅為385mW。AD1674的引腳圖如圖3.11所示。引腳按功能可分為邏輯控制端口、并行數(shù)據(jù)輸出端口、模擬信號(hào)輸入端口和電源端口四種類型。一種利用AD1674對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路如圖3.12所示。來自插座J1的語音信號(hào)經(jīng)電位器調(diào)整信號(hào)的幅度,以滿足模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)幅度的要求,該信號(hào)經(jīng)LF353構(gòu)成的射隨器后,加到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入端。由于要求模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號(hào),所以(數(shù)據(jù)輸出位選擇輸入端)接高電平。從電路圖可看出,由于(片選信號(hào)輸入端)接低電平,CE(操作使能端)接高電平,顯然,模/數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)完全由(讀/轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸入端)的信號(hào)控制。當(dāng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后,STS(轉(zhuǎn)

換

狀

態(tài)

輸

出

端)將

變

為

低

電

平,該

信

號(hào)

經(jīng)

電

平

轉(zhuǎn)

換

芯

片SN74LVC16245后

與TMS320VC33DSP的中斷端相連。也就是說,模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束,DSP將執(zhí)行中斷服務(wù)程序,讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果,供DSP進(jìn)行語音信號(hào)的處理。需要說明的是,由于AD1674的輸出為5V供電

的TTL電

平,而TMS320VC33DSP采

用

的

電

源

是3V,因

此AD1674與TMS320VC33所有信號(hào)的連接都必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC16245。2.ADC0809及其應(yīng)用ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司(NSC)生產(chǎn)的CMOS工藝、8通道、8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器;其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān),可根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào),選擇其中的一路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;具有通道地址譯碼鎖存器、輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器;啟動(dòng)信號(hào)為脈沖啟動(dòng)方式,最大可調(diào)誤差為

±1LSB。ADC0809內(nèi)部沒有

時(shí)

鐘

電

路,故CLK時(shí)

鐘

需

由

外

部

輸

入,CLK允

許

范

圍

為500kHz~1MHz,典

型

值

為640kHz,每一通道的轉(zhuǎn)換需要66~73個(gè)時(shí)鐘周期,即時(shí)間為100~110μs。ADC0809允許8路

模

擬

量

輸

入,但

共

用

一

個(gè)AD轉(zhuǎn)換器,同一時(shí)刻只能選擇1路模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,通

道

選

擇

由

對(duì)ADDA、ADDB、ADDC進(jìn)

行地址位鎖存與譯碼完成。模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)鎖存

器

后

輸

出,故

可

直

接

與

系

統(tǒng)

數(shù)

據(jù)

總

線(DB)相連。ADC0809的引腳圖如圖3.13所示。引腳分為邏輯控制端口、并行數(shù)據(jù)輸出端口、模擬信號(hào)輸入端口和電源端口四種類型。引腳功能說明如下:IN0~IN7為8路模擬量輸入端;D0~D7為8位

數(shù)

字

量

輸

出

端;ADDA、ADDB、ADDC為3位地址,用于選擇進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的通道;ALE為地址鎖存允許信號(hào)(輸入),高電平有效;START為A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)(輸入),高電平有效;EOC為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)(輸出),高電平有效,在A/D轉(zhuǎn)換期間,輸出低電平,轉(zhuǎn)換結(jié)束,輸出高電平;OE為數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)(輸入),高電平有效,在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,給該引腳輸入高電平,轉(zhuǎn)換結(jié)果才能通過三態(tài)門輸出;CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端;VREF(+)、VREF(-)為基準(zhǔn)電壓端;VCC為+5V電源端,GND為地端。ADC0809與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接接口簡單,在設(shè)備的開機(jī)自檢測單元設(shè)計(jì)、故障自診斷(智能診斷)電路設(shè)計(jì)、設(shè)備重要輸出參數(shù)的定期監(jiān)測單元電路設(shè)計(jì)以及對(duì)非電量參數(shù)(溫度、濕度、光強(qiáng)等)的實(shí)時(shí)檢測中得到廣泛應(yīng)用。一種利

用ADC0809與

單

片

機(jī)

進(jìn)

行

模/數(shù)

轉(zhuǎn)

換

與

數(shù)

據(jù)

處

理

的

電

路

如

圖3.14所

示。3.3數(shù)/模轉(zhuǎn)換技術(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)換(又稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC)是一種將二進(jìn)制數(shù)字量形式的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換成以標(biāo)準(zhǔn)量(或參考量)為基準(zhǔn)的模擬量的轉(zhuǎn)換器件。D/A轉(zhuǎn)換器通常由加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源以及模擬開關(guān)4個(gè)部分組成。按輸出模擬量的形式不同,D/A轉(zhuǎn)換器可分為電流型DAC與電壓型DAC;按數(shù)字量輸入的形式不同,分為并行D/A轉(zhuǎn)換器與串行D/A轉(zhuǎn)換器兩種。一般并行D/A轉(zhuǎn)換器比串行D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度快,但并行D/A轉(zhuǎn)換器的引腳多,最常用的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器是將并行二進(jìn)制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為直流電壓或直流電流的并行D/A轉(zhuǎn)換器。不同的應(yīng)用領(lǐng)域,所需求的D/A轉(zhuǎn)換器的性能不同,有的領(lǐng)域需要高速D/A轉(zhuǎn)換器,如儀器儀表領(lǐng)域;有的需要高精度的D/A轉(zhuǎn)換器,如醫(yī)療器械領(lǐng)域。針對(duì)不同的需求,選擇合適的D/A轉(zhuǎn)換器芯片是硬件工程師的重要工作。下面討論與數(shù)/模轉(zhuǎn)換應(yīng)用單元設(shè)計(jì)密切相關(guān)的內(nèi)容,包括D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)及其工程應(yīng)用。3.3.1D/A轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)很多,除了分辨率、轉(zhuǎn)換建立時(shí)間、量程等主要指標(biāo)外,還有其他指標(biāo)。下面分別介紹這些指標(biāo)的具體含義,以方便工程應(yīng)用時(shí)選擇合適的D/A轉(zhuǎn)換器芯片。1)分辨率分辨率是D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入數(shù)字量變化的敏感程度,即當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)字變化(LSB位產(chǎn)生一次變化)時(shí),所對(duì)應(yīng)的輸出模擬量(電壓或電流)的變化量。分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān),實(shí)際使用中,也用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示分辨率。數(shù)字量的位數(shù)越多,分辨率就越高.2)精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與集成芯片的結(jié)構(gòu)和接口電路配置有關(guān)。如果不考慮D/A轉(zhuǎn)換器的其他誤差,D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度就是分辨率的大小。因此,要獲得高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果,必須選擇有足夠分辨率的轉(zhuǎn)換器。同時(shí)轉(zhuǎn)換精度還與外接電路的配置有關(guān),當(dāng)外部電路器件或電源誤差較大時(shí),會(huì)造成較大的轉(zhuǎn)換誤差,當(dāng)這些誤差超過一定范圍時(shí),D/A轉(zhuǎn)換就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。在D/A轉(zhuǎn)換過程中,影響轉(zhuǎn)換精度的主要因素有失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差以及微分非線性誤差。3)轉(zhuǎn)換建立時(shí)間轉(zhuǎn)換建立時(shí)間是描述D/A轉(zhuǎn)換器運(yùn)行快慢的一個(gè)參數(shù),其值為數(shù)字量輸入到模擬量輸出至終值誤差的±(1/2)LSB時(shí)所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換建立時(shí)間表明了D/A轉(zhuǎn)換器從數(shù)字量輸入到模擬量輸出的轉(zhuǎn)換速度。電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換建立時(shí)間比較短,而對(duì)于電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器,由于內(nèi)部的運(yùn)算放大器需要一定的延遲時(shí)間,因此轉(zhuǎn)換建立時(shí)間要長一些。4)非線性誤差非線性誤差定義為實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差,并以該偏差與滿量程的百分?jǐn)?shù)度量,在轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)中,一般要求非線性誤差不大于±(1/2)LSB。5)標(biāo)稱滿量程與實(shí)際滿量程標(biāo)稱滿量程(NFS)是指相應(yīng)于數(shù)字量的標(biāo)稱值2n

的模擬輸出量。實(shí)際滿量程(AFS)是指實(shí)際輸出的模擬量。D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量為2n-1,要比標(biāo)稱值小一個(gè)LSB,即實(shí)際滿量程要比標(biāo)稱滿量程小一個(gè)LSB的增量。6)增益誤差轉(zhuǎn)換器的輸入與輸出特性曲線的斜率稱為D/A轉(zhuǎn)換增益,實(shí)際轉(zhuǎn)換的增益與理想增益之間的偏差稱為增益誤差。通常用輸入時(shí)的輸出值與理想輸出值之間的偏差來表示,也可以用偏差值相對(duì)滿量程的百分?jǐn)?shù)來表示。7)溫度系數(shù)在滿刻度輸出條件下,溫度每升高1℃,輸出變化的百分?jǐn)?shù)定義為溫度系數(shù)。8)失調(diào)誤差失調(diào)誤差又稱為零點(diǎn)誤差,定義為數(shù)字輸入全為0碼時(shí),其模擬輸出值與理想輸出值的偏差值。對(duì)于單極性D/A轉(zhuǎn)換,模擬輸出的理想值為0V。對(duì)于雙極性D/A轉(zhuǎn)換,理想值為負(fù)域滿量程。偏差值的大小一般用LSB或偏差值相對(duì)于滿量程的百分?jǐn)?shù)來表示。9)尖峰尖峰指的是D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端的數(shù)字信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻,在輸出端產(chǎn)生的瞬時(shí)誤差。10)電源抑制比對(duì)于高質(zhì)量的D/A轉(zhuǎn)換器,要求其內(nèi)部的開關(guān)電路與運(yùn)算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時(shí),對(duì)輸出電壓的影響要極小。通常把滿量程電壓變化的百分?jǐn)?shù)與電源電壓變化的百分?jǐn)?shù)之比稱為電源抑制比。11)工作溫度范圍一般情況下,影響D/A轉(zhuǎn)換精度的主要環(huán)境與工作條件因素是溫度與電源電壓的變化。由于工作溫度會(huì)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的運(yùn)算放大器、加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生影響,所以只有在一定的工作溫度范圍內(nèi)才能保證額定精度指標(biāo)。較好的D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍在-40℃~+85℃之間,較差的D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍在0℃~70℃之間。多數(shù)器件的靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)均是在25℃的工作溫度下測得的,工作溫度對(duì)各項(xiàng)精度指標(biāo)的影響用溫度系數(shù)來描述,如失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)、微分線性誤差溫度系數(shù)等。以上這些技術(shù)參數(shù)反應(yīng)了D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能,是選購D/A轉(zhuǎn)換器的主要參考指標(biāo)。3.3.2D/A轉(zhuǎn)換器的選擇針對(duì)不同的應(yīng)用場合,有不同的數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片可供選擇。在實(shí)際應(yīng)用中如何選擇合適的D/A轉(zhuǎn)換器,主要從以下幾個(gè)方面考慮:1)性能指標(biāo)要求在選擇D/A轉(zhuǎn)換器時(shí),首先要分析具體應(yīng)用對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)要求,然后,在此基礎(chǔ)上選擇滿足指標(biāo)要求的D/A轉(zhuǎn)換芯片。D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)很多,在選擇D/A轉(zhuǎn)換器時(shí),通常重點(diǎn)考慮轉(zhuǎn)換速度、分辨率以及準(zhǔn)確度三個(gè)指標(biāo)。轉(zhuǎn)換速度由轉(zhuǎn)換建立時(shí)間決定,如某D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換建立時(shí)間為100μs,如果在具體應(yīng)用中輸出兩個(gè)相鄰數(shù)字量的最小時(shí)間間隔為50μs,則該轉(zhuǎn)換器將無法滿足要求;如果最小時(shí)間間隔為200μs,則該轉(zhuǎn)換器能滿足應(yīng)用要求。分辨率反映了D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入數(shù)字量變化的敏感程度,如某D/A轉(zhuǎn)換器的LSB位產(chǎn)生一次變化對(duì)應(yīng)10mV,而工程上要求最小分辨電壓為5mV時(shí),則該芯片將無法滿足要求。為方便工程實(shí)現(xiàn),通常D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)與輸出數(shù)字編碼的位數(shù)一致。D/A轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度與集成芯片的結(jié)構(gòu)、接口電路配置、電源誤差以及轉(zhuǎn)換器本身的失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差以及微分非線性誤差等因素有關(guān)。除了對(duì)精度要求特別高的場合需要仔細(xì)考慮準(zhǔn)確度指標(biāo)外,隨著電子實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展,D/A轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度通常都能滿足一般工程應(yīng)用要求。2)數(shù)字接口輸入到D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量邏輯電平有TTL電平、CMOS電平與ECL電平,通常優(yōu)先選擇與待轉(zhuǎn)換數(shù)字量邏輯電平、編碼格式一致的轉(zhuǎn)換器。如果沒有滿足要求的芯片,則必須在D/A轉(zhuǎn)換器與其他功能部件的連接之間加入電平轉(zhuǎn)換電路,否則,將會(huì)導(dǎo)致數(shù)字量的不穩(wěn)定。3)基準(zhǔn)電源、工作電源與輸出模擬量的形式基準(zhǔn)電源的精度直接影響D/A轉(zhuǎn)換精度,基準(zhǔn)電源可以分為內(nèi)部基準(zhǔn)和外部基準(zhǔn)、固定基準(zhǔn)和可變基準(zhǔn)、單極性基準(zhǔn)和雙極性基準(zhǔn)。在選擇器件時(shí),應(yīng)盡量選擇有內(nèi)部集成基準(zhǔn)的器件,以減小成本與設(shè)計(jì)復(fù)雜性。工作電壓的變化也會(huì)影響轉(zhuǎn)換精度,有的D/A轉(zhuǎn)換器為單電源供電,有的則要求雙電源供電,如果其他功能模塊都采用的是單電源供電方式,在選擇D/A轉(zhuǎn)換器時(shí),最好也選用單電源供電的D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器模擬量的輸出有電壓與電流兩種形式,究竟選擇哪種輸出形式的D/A轉(zhuǎn)換器,主要由后續(xù)電路對(duì)模擬量的要求確定。如果后續(xù)電路要求輸入模擬電壓,則盡量選擇輸出為電壓的D/A轉(zhuǎn)換器,否則,設(shè)計(jì)電路時(shí)需要加入電流到電壓的轉(zhuǎn)換電路。4)工作環(huán)境應(yīng)根據(jù)工作環(huán)境選擇D/A轉(zhuǎn)換器的環(huán)境參數(shù),如功耗、工作溫度等。D/A轉(zhuǎn)換器的功耗應(yīng)盡可能低。3.3.3D/A轉(zhuǎn)換器工程應(yīng)用為滿足實(shí)際需要,市場上有各種各樣的D/A轉(zhuǎn)換器芯片,下面以美國國家半導(dǎo)體公司的DAC0832為例,討論D/A轉(zhuǎn)換器的工程應(yīng)用。DAC0832是一種8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片,為并行輸入電流型D/A轉(zhuǎn)換器,具有價(jià)格低廉、轉(zhuǎn)換控制容易、接口簡單、與微處理器完全兼容的優(yōu)點(diǎn),在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。該芯片由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及相應(yīng)控制電路組成。電流穩(wěn)定時(shí)間為1μs,+5~+15V單電源供電,功耗20mW。DAC0832的引腳圖如圖3.15所示1)單緩沖方式單緩沖方式是控制8位輸入鎖存器與8位DAC寄存器同時(shí)接收數(shù)據(jù),也就是一個(gè)工作在鎖存狀態(tài),一個(gè)工作在直通狀態(tài)。該工作方式主要用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。2)雙緩沖方式雙緩沖方式是先將數(shù)據(jù)寫入8位輸入鎖存器并鎖存,再控制8位輸入鎖存器的數(shù)據(jù)到8位DAC寄存器,即分兩次鎖存待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。此方式主要用于多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情形。3)直通方式直通方式是8位輸入鎖存器與8位DAC寄存器工作在直通狀態(tài),8位輸入鎖存器與8位DAC寄存器中的數(shù)據(jù)隨D0~D7的變化而變化。由于這種工作方式將輸入的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出,且D0~D7變化時(shí),模擬信號(hào)會(huì)跟隨變化,而D0~D7通常與控制器或處理器的總線相連,會(huì)出現(xiàn)模擬信號(hào)隨總線數(shù)據(jù)變化的情況,因此,這種方式較少運(yùn)用。一種利用DAC0832對(duì)單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換的接口電路如圖3.16所示。3.4信源編譯碼技術(shù)3.4.1信源編譯碼概述通信系統(tǒng)屬于最重要的一類電子系統(tǒng),與人們的日常工作、生活密切相關(guān)。一般地說,通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有有效性、可靠性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性。通信系統(tǒng)優(yōu)化就是使這些指標(biāo)達(dá)到最佳。除了經(jīng)濟(jì)性外,其他指標(biāo)可以通過各種編碼處理使系統(tǒng)性能優(yōu)化。編碼可分為信源編碼、信道編碼以及加密編碼三類。信源編碼的作用有兩個(gè):一是把信源發(fā)出的消息變換成由二進(jìn)制(或多進(jìn)制)碼元組成的代碼組,這種代碼組就是基帶信號(hào);二是壓縮信源的冗余度(即多余度),提高通信系統(tǒng)傳輸消息的效率和優(yōu)化通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)。可見,將傳感器輸出的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào),除了采用前面的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法外,還可以采用信源編碼技術(shù)來實(shí)現(xiàn),數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)就是采用的這種方法。信道編碼的作用是在信源編碼輸出的代碼組中有目的地增加一些監(jiān)督碼元,使之具有檢錯(cuò)與糾錯(cuò)的能力,并由接收機(jī)中與之對(duì)應(yīng)的信道譯碼器將落在其檢錯(cuò)或糾錯(cuò)范圍內(nèi)錯(cuò)傳的碼元檢測出來并加以糾正,以提高傳輸消息的可靠性,改善通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。加密編碼是研究如何隱蔽消息中的信息內(nèi)容,以便在傳輸過程中不被竊聽,提高通信系統(tǒng)的安全性,優(yōu)化通信系統(tǒng)的安全性指標(biāo)。由于這三類編碼的目標(biāo)往往是相互矛盾的,因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)統(tǒng)一考慮,以提高通信系統(tǒng)的性能。提高有效性必須去掉信源信息中的冗余部分,此時(shí)信道誤碼會(huì)使接收端不能恢復(fù)出原來的信息,這就需要相應(yīng)提高傳送的可靠性,不然會(huì)使通信質(zhì)量下降;反之,為了提高可靠性而采用信道編碼,往往需增加碼值,也就降低了有效性。安全性也有類似情況。加密編碼有時(shí)需擴(kuò)展碼位,這樣也就降低了有效性。從理論上講,若能把這三種編碼合并成一種編碼來編譯,即同時(shí)考慮有效性、可靠性和安全性,可使編譯碼更理想化,在經(jīng)濟(jì)上也能更實(shí)惠,但從理論上和技術(shù)上的復(fù)雜性看,要取得有用的結(jié)果,還是相當(dāng)困難的。從信號(hào)與信息處理角度來看,信源編碼完成的是將信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字基帶信號(hào),而信道編碼、加密編碼實(shí)現(xiàn)的是對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)的處理。3.4.2信源編碼分類信源編碼按是否可實(shí)現(xiàn)無失真可逆恢復(fù)可分為無失真信源編碼和限失真信源編碼。無失真信源編碼能實(shí)現(xiàn)無失真地可逆恢復(fù),主要適用于要求進(jìn)行無失真數(shù)據(jù)壓縮的離散信源或數(shù)字信號(hào),如文本、表格及工程圖紙等。限失真信源編碼只能實(shí)現(xiàn)有限失真的可逆恢復(fù),主要適用于允許有一定失真的連續(xù)信源或模擬信號(hào),如話音、電視圖像、彩色靜止圖像等。因?yàn)檫@些信息的最終接收者是人,而人的視覺、聽覺等主要感覺器官具有一些特殊的性質(zhì),不要求完全無失真可逆恢復(fù)消息。限失真信源編碼通常只要求在保證一定質(zhì)量的條件下近似地再現(xiàn)原來的消息即可,也就是說允許恢復(fù)有一定的錯(cuò)誤,而對(duì)視覺與聽覺效應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。根據(jù)信源編碼前后碼元的關(guān)聯(lián)性,信源編碼可分為獨(dú)立信源編碼與相關(guān)信源編碼。獨(dú)立信源編碼又分為離散信源編碼與連續(xù)信源編碼。例如:脈沖編碼調(diào)制(PCM)和矢量量化技術(shù)就屬于獨(dú)立連續(xù)信源編碼,而增量調(diào)制(ΔM、DM)、差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)以及線性預(yù)測聲碼器等預(yù)測編碼則屬于相關(guān)信源編碼。適用于離散信源的無失真信源編碼分為等長編碼和不等長編碼(亦稱變長編碼)。顧名思義,等長編碼的編碼長度為定值,編碼效率低,而變長編碼的編碼長度是變化的,編碼效率高。典型的無失真信源編碼有霍夫曼(Huffman)編碼、游程編碼、算術(shù)編碼以及通用編碼(又稱字典碼)等,這些編碼方法在實(shí)際的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。其中,前三種編碼方法都是當(dāng)信源的統(tǒng)計(jì)特性已確知時(shí),能達(dá)到或接近壓縮極限界限的編碼方法。霍夫曼編碼是一種效率比較高的變長編碼,采用的是分組編碼(塊編碼)方式,主要適用于多元獨(dú)立的信源。雖然霍夫曼碼的編碼不唯一,但其平均長度總是一樣的,而且對(duì)編碼器的要求也較簡單,其缺點(diǎn)是當(dāng)源序列的長度很長時(shí),計(jì)算量非常大。游程編碼是一種針對(duì)相關(guān)信源的有效編碼,尤其適用于二元相關(guān)信源。這種編碼方法在圖文傳真、圖像傳輸?shù)葘?shí)際通信工程技術(shù)中得到應(yīng)用,有時(shí)與其他一些編碼方法混合使用,以獲得更好的壓縮效果。算術(shù)編碼也是一種主要適用于二元信源及具有一定相關(guān)性的有記憶信源的編碼方式,采用的是序貫編譯碼方法,在源序列長度很長時(shí),性能很好。這種編碼方法編碼效率高,實(shí)現(xiàn)簡單,而且能靈活地適應(yīng)數(shù)據(jù)的變化。字典碼是針對(duì)信源的統(tǒng)計(jì)特性未確定或不知時(shí)所采用的編碼方法,或者說這種編碼方法不需要利用信源的統(tǒng)計(jì)特性,是一種編碼效率非常高的語法解析碼。這種編碼方法由以色列學(xué)者A.Lempel和J.Ziv提出,習(xí)慣上簡稱LZ碼。T.A.Welch在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),將LZ碼變成了一種實(shí)用的編碼,稱為LZW碼。LZW編碼具有自適應(yīng)性、壓縮效果好、邏輯性強(qiáng)、易于硬件實(shí)現(xiàn)、運(yùn)算速度快等顯著特點(diǎn),已經(jīng)作為一種通用壓縮方法廣泛應(yīng)用于二元數(shù)據(jù)的壓縮。目前市場上常用的Winzip、ARJ、ARC等著名壓縮軟件都是LZW編碼的改進(jìn)與應(yīng)用。3.4.3語音編解碼技術(shù)及其工程應(yīng)用語音通信是目前最常見、也是用得最多的一種人與人溝通與交流的方式。由于數(shù)字通信相對(duì)于模擬通信具有諸多優(yōu)點(diǎn),目前移動(dòng)通信均采用數(shù)字通信體制,由語音編碼器將模擬話音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。語音編碼在移動(dòng)通信中非常重要,它決定了接收到的話音質(zhì)量與系統(tǒng)容量。衡量語音編碼器的特性有編碼率、時(shí)延、復(fù)雜度與話音質(zhì)量。其中,降低編碼率是話音編碼的首要目標(biāo),它直接關(guān)系到傳輸資源的有效利用和網(wǎng)絡(luò)容量的提高。時(shí)延會(huì)對(duì)通話的實(shí)時(shí)性產(chǎn)生影響,時(shí)延通常由算法時(shí)延、計(jì)算時(shí)延、復(fù)用時(shí)延(又稱裝配時(shí)延)以及傳輸時(shí)延四部分組成。復(fù)雜度決定了編碼器硬件成本與功耗,也影響編譯碼器的實(shí)時(shí)性。而編解碼后恢復(fù)的話音質(zhì)量和許多外界條件有關(guān)。一個(gè)好的語音編碼技術(shù)應(yīng)具有低編碼率、小時(shí)延、低復(fù)雜度、高話音質(zhì)量。當(dāng)然,在具體實(shí)現(xiàn)中這些特性往往是矛盾的,必須根據(jù)實(shí)際需要取舍,對(duì)各個(gè)特性提出折中要求,從而確定合適的編碼方法。對(duì)語音進(jìn)行編碼,實(shí)現(xiàn)語音數(shù)字化,主要利用了發(fā)聲過程中存在的冗余度和人的聽覺特性。據(jù)統(tǒng)計(jì),雙方通話大約只有40%的時(shí)間是真正有聲音的,即,只有40%的時(shí)間是有效通信時(shí)間,60%的時(shí)間屬于冗余時(shí)間。另外,人耳接收語音信號(hào)的帶寬與分辨率往往有限,話音信號(hào)的頻譜范圍為20Hz~8kHz,如果去掉低端與高端的頻率,保留頻譜范圍為300~3400Hz的信號(hào),對(duì)人的聽覺不會(huì)產(chǎn)生影響。語音編碼技術(shù)可分為波形編碼、參量編碼和混合編碼三大類。波形編碼是對(duì)模擬語音信號(hào)波形經(jīng)過取樣、量化、編碼而形成的數(shù)字語音信號(hào)。為了保證數(shù)字語音信號(hào)解碼后的高保真度,波形編碼需要較高的編碼速率,一般要求16~64kb/s。波形編碼的優(yōu)點(diǎn)是適用于很寬范圍的語音信號(hào),且在噪音環(huán)境下都能保持穩(wěn)定,缺點(diǎn)是占用的頻帶較寬。這種編碼技術(shù)主要用于有線通信中。波形編碼包

括

脈

沖

編

碼

調(diào)

制(PCM)、差

分

脈

沖

編

碼

調(diào)

制(DPCM)、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)、增量調(diào)制(ΔM、DM)、連續(xù)可變斜率增量調(diào)制(CVSDM)、自適應(yīng)變換編碼(ATC)、子帶編碼(SBC)和自適應(yīng)預(yù)測編碼(APC)等。參量編碼是基于人類語言的發(fā)聲機(jī)理,找出表征語音的特征參量,對(duì)這些特征參量進(jìn)行編碼的一種方法。在接收端,根據(jù)所收的語音特征參量信息恢復(fù)出原來的語音。由于參量編碼只需傳送語音特征參數(shù),可實(shí)現(xiàn)低速率的語音編碼,編碼速率一般在1.2~4.8kb/s。線性預(yù)測編碼(LPC)及其變形編碼均屬于參量編碼。參量編碼的缺點(diǎn)在于語音質(zhì)量只能達(dá)到中等水平,不能滿足商用語音通信的要求。為此,綜合參量編碼和波形編碼各自的優(yōu)點(diǎn),即參量編碼的低速率和波形編碼的高質(zhì)量,提出了混合編碼方法。混合編碼是基于參量編碼和波形編碼而發(fā)展的一類新的編碼技術(shù),在混合編碼的信號(hào)中,既含有若干語音特征參量,又含有部分波形編碼信息,其編碼速率一般在4~16kb/s。當(dāng)編碼速率在8~16kb/s范圍時(shí),其語音質(zhì)量可達(dá)商用語音通信標(biāo)準(zhǔn)的要求,因此混合編碼技術(shù)在數(shù)字移動(dòng)通信中得到了廣泛應(yīng)用?；旌暇幋a包括規(guī)則脈沖激勵(lì)-長時(shí)預(yù)測-線性預(yù)測編碼(RPELTPLPC)、矢量和激勵(lì)線性預(yù)測編碼(VSELP)以及碼激勵(lì)線性預(yù)測編碼(CELP)等。下面以深圳市硅傳科技有限公司自主研發(fā)的語音編解碼芯片AP280為例,討論其工程應(yīng)用。AP280是一款低碼率2.0~8.0kb/s語音編解碼芯片。該芯片采用多帶激勵(lì)的方法,在編碼時(shí)首先對(duì)語音進(jìn)行分幀處理,每幀時(shí)長20ms,再對(duì)每幀語音進(jìn)行特征分析,得到特征參數(shù),然后對(duì)這些參數(shù)分別采用標(biāo)量量化或矢量量化,得到最終的編碼數(shù)據(jù),編碼數(shù)據(jù)的長度根據(jù)編碼速率的不同而不同。在解碼時(shí),對(duì)清音和濁音采用不同的激勵(lì)源進(jìn)行合成,從而得到優(yōu)良的音質(zhì)。AP280內(nèi)置FLASH和RAM,無需外掛存儲(chǔ)器,內(nèi)置CODEC,可直接外接麥克風(fēng)和耳機(jī)(小喇叭),可實(shí)現(xiàn)真正的單芯片語音編解碼,降低了用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。同時(shí),也提供標(biāo)準(zhǔn)的外置CODEC接口,可連接外置CODEC,以滿足不同客戶的需求。采用標(biāo)準(zhǔn)UART接口與MCU連接,用戶可通過UART接口實(shí)現(xiàn)語音編碼數(shù)據(jù)的讀出和寫入。AP280應(yīng)用范圍廣泛,包括數(shù)字對(duì)講、短波通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。其引腳圖如圖3.17所示。AP280內(nèi)部功能模塊框圖如圖3.18所示,包括算法核模塊(ALG_CORE)、MCU接口模塊(MCU_INF)、內(nèi)部Codec模塊(INT_CODEC)、外部Codec接口模塊(EXT_CODEC_INF)以及外部配置模塊(EXT_CONF)。AP280與外部MCU之間通過UART接口進(jìn)行通信,以傳輸編碼數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù),通信幀的長度固定為30個(gè)字節(jié)。UART的設(shè)置為1個(gè)起始位、8位數(shù)據(jù)、1個(gè)停止位、無硬件流控。UART速率可通過外部硬件引腳進(jìn)行選擇,也可通過軟件進(jìn)行設(shè)置。AP280的通信協(xié)議如下:1)幀結(jié)構(gòu)通信幀的長度固定為30字節(jié)(Byte)。幀結(jié)構(gòu)為:兩個(gè)字節(jié)幀頭(HEADER)+1個(gè)字節(jié)命令類型(CMD_TYPE)+1個(gè)字節(jié)凈荷長度(LEN)+25個(gè)字節(jié)凈荷數(shù)據(jù)(PAYLOAD)+1個(gè)字節(jié)校驗(yàn)和(CHECKSUM)。其中兩個(gè)字節(jié)的幀頭固定為0x594F,凈荷數(shù)據(jù)(PAYLOAD)最大長度為25字

節(jié),根

據(jù)

編

碼

速

率

的

不

同

而

不

同,1個(gè)

字

節(jié)

的

校

驗(yàn)

和(CHECKSUM)由一幀中前面所有字節(jié)累加(校驗(yàn)和本身除外)得到,累加和的低8位即為校驗(yàn)和。默認(rèn)情況下,校驗(yàn)不使能。2)命令結(jié)構(gòu)命令分為工作模式配置命令、編碼數(shù)據(jù)傳輸命令、音量設(shè)置命令以及響應(yīng)命令四種類型。工作模式配置命令由MCU發(fā)送給AP280,且CMD_TYPE=0x00,LEN=25,長度為25個(gè)字節(jié)的凈荷數(shù)據(jù)(PAYLOAD)只使用前面的11個(gè)字節(jié),其余保留,具體定義如表3.2所示。編碼數(shù)據(jù)傳輸命令用于AP280與MCU之間傳輸編碼數(shù)據(jù),MCU與其他模塊之間互相傳輸數(shù)據(jù)。CMD_TYPE=0x01時(shí),LEN根據(jù)編碼速率的不同而變。凈荷數(shù)據(jù)(PAYLOAD)所用字節(jié)與設(shè)置的數(shù)據(jù)編碼速率有關(guān),具體定義為:當(dāng)設(shè)置的編碼速率為2kb/s時(shí),凈荷數(shù)據(jù)使用BYTE0~BYTE4字節(jié);編碼速率為4kb/s時(shí),使用BYTE0~BYTE9字節(jié);編碼速率為6kb/s時(shí),使

用BYTE0~BYTE14字

節(jié);編

碼

速

率

為8kb/s時(shí),使

用BYTE0~BYTE19字節(jié),其他保留。音量設(shè)置命令

由MCU發(fā)送給AP280,且CMD_TYPE=0x03,LEN=4。音量設(shè)置配置字定義如表3.3所示。響應(yīng)命令用于AP280向MCU傳輸各種響應(yīng),且CMD_TYPE=0x04,LEN=1,凈荷數(shù)據(jù)(PAYLOAD)只使用BYTE0,其他均保留。當(dāng)BYTE0=0時(shí),為STARTUP響應(yīng),AP280上電初始化成功后,會(huì)發(fā)送此響應(yīng);當(dāng)BYTE0=1時(shí),為ACK_WRMODE響應(yīng),AP280收到MCU發(fā)

送

的WR_MODE命

令,并

檢

查

正

確

之

后,會(huì)

發(fā)

送

此

響

應(yīng);當(dāng)BYTE0=2時(shí),為ACK_SETVOL響應(yīng),AP280收到MCU發(fā)送的SET_VOL命令,并檢查正確之后,會(huì)發(fā)送此響應(yīng)。一種利用AP280進(jìn)行語音編解碼的典型電路如圖3.19所示。4.1概述

4.2信道編譯碼技術(shù)

4.3塊交織技術(shù)

4.4擾碼技術(shù)

4.5RAKE接收技術(shù)

4.6數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在參數(shù)測量中的應(yīng)用4.1概述數(shù)字基帶信號(hào)處理組成框圖如圖4.1所示。在發(fā)射端,來自于信息源或模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元或信源編碼單元的數(shù)字信號(hào),經(jīng)PN序列加擾后進(jìn)行信道編碼,其輸出經(jīng)塊交織后送調(diào)制器完成調(diào)制,最后經(jīng)中頻單元和射頻通道后饋送到天線向外發(fā)射;在接收端,來自于中頻單元、經(jīng)解調(diào)與濾波得到的基帶信號(hào),由A/D轉(zhuǎn)換,將模擬基帶信號(hào)變?yōu)閿?shù)字基帶信號(hào);該信號(hào)在干擾抑制單元進(jìn)行濾波處理,以減小干擾與噪聲的影響;經(jīng)RAKE接收,實(shí)現(xiàn)對(duì)多條多徑信號(hào)的合并,以提高信噪比;經(jīng)判決得到數(shù)字序列后,再經(jīng)解交織處理,恢復(fù)出與發(fā)射端時(shí)序一致的數(shù)字序列,然后經(jīng)信道譯碼和誤碼糾錯(cuò)后送解擾器解擾,獲取最終的數(shù)字序列。4.2信道編譯碼技術(shù)4.2.1信道編譯碼概述數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中,由于受到干擾的影響,信號(hào)碼元波形會(huì)變差,傳輸?shù)浇邮斩撕罂赡馨l(fā)生錯(cuò)誤判斷。由乘性干擾引起的碼間串?dāng)_,可采用均衡的辦法糾正,而加性干擾的影響則需要從其他途徑解決。通常在設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí),首先要從合理地選擇調(diào)制解調(diào)方法以及發(fā)射功率等方面考慮,使加性干擾不足以影響誤碼性能。若仍難以滿足要求時(shí),通常就要考慮采用差錯(cuò)控制措施。加性干擾引起的誤碼通常分為兩種情況,即由隨機(jī)噪聲引起的在時(shí)間上隨機(jī)出現(xiàn)的誤碼(隨機(jī)誤碼)和由脈沖干擾或信道衰落導(dǎo)致的、在短時(shí)間區(qū)間出現(xiàn)的大量誤碼(突發(fā)誤碼)。誤碼的控制通常有檢錯(cuò)重發(fā)法、前向糾錯(cuò)法以及反饋校驗(yàn)法三類,檢錯(cuò)重發(fā)法與反饋校驗(yàn)法需要反饋信道,實(shí)時(shí)性差,只適用于對(duì)傳輸實(shí)時(shí)性要求不高的場合,而前向糾錯(cuò)法糾錯(cuò)過程僅在接收端獨(dú)立進(jìn)行,不存在差錯(cuò)信息的反饋,無需反饋信道,時(shí)延小、實(shí)時(shí)性好,在話音、圖像傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的場合得到廣泛應(yīng)用。隨機(jī)誤碼通常采用信道編譯碼技術(shù)來糾錯(cuò),而突發(fā)誤碼則采用塊交織技術(shù)將時(shí)間上連續(xù)的誤碼分開,然后采用信道編譯碼技術(shù)糾錯(cuò)。信道編碼就是按一定規(guī)則給數(shù)字序列增加一些多余的碼元,使不具有規(guī)律性的數(shù)字序列變換為具有某種規(guī)律性的數(shù)碼序列(碼序列)。碼序列中信息序列碼元與多余碼元之間是相關(guān)的。在接收端,信道譯碼器利用這種預(yù)知的編碼規(guī)則譯碼,檢驗(yàn)接收的數(shù)字序列是否符合既定的規(guī)則,從而發(fā)現(xiàn)是否有錯(cuò),或者糾正其中的錯(cuò)誤。根據(jù)相關(guān)性來檢測和糾正傳輸過程中產(chǎn)生的差錯(cuò)就是信道編碼的基本思想。不同的編碼方法,有不同的檢錯(cuò)與糾錯(cuò)能力,有的編碼只能檢錯(cuò),不能糾錯(cuò)。一般來說,付出的代價(jià)越大,檢(糾)錯(cuò)的能力就越強(qiáng)。這里所說的代價(jià),指的是增加多余碼元的多少,通常用多余度或者編碼速率(即編碼效率)來衡量。例如,若編碼序列中,平均每兩個(gè)信息碼元就有一個(gè)監(jiān)督碼元,則這種編碼的多余度為1/3,或者說,這種編碼的編碼速率或編碼效率為2/3。編碼效率為衡量信道編碼的主要技術(shù)指標(biāo),為有用比特?cái)?shù)與總比特?cái)?shù)之比。不同的編碼方式,其編碼效率有所不同。由上可見,信道編碼是以降低信息傳輸速率為代價(jià)來提高傳輸?shù)目煽啃?。提高?shù)據(jù)傳輸效率與降低誤碼率是信道編碼的任務(wù)。4.2.2前向糾錯(cuò)編碼分類與常用編譯碼方法前向糾錯(cuò)編碼作為差錯(cuò)控制的主要方式,其編碼方法很多,通常按以下所述方式對(duì)糾錯(cuò)編碼進(jìn)行分類。按監(jiān)督位與信息位之間的約束關(guān)系分為分組碼與卷積碼。分組碼編碼規(guī)則僅局限于本碼組之內(nèi),本碼組的監(jiān)督元僅和本碼組的信息元相關(guān),而卷積碼在本碼組的監(jiān)督元不僅和本碼組的信息元相關(guān),而且還與本碼組相鄰的前n-1個(gè)碼組的信息元相關(guān)。分組碼按碼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),又可分為循環(huán)碼與非循環(huán)碼;按監(jiān)督位與信息位之間的關(guān)系分為線性碼和非線性碼,線性碼編碼規(guī)則可以用線性方程表示(滿足線性疊加原理),而非線性碼編碼規(guī)則不能用線性方程表示;按碼字的結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)碼與非系統(tǒng)碼,系統(tǒng)碼的前k個(gè)碼元與信息碼組一致,而非系統(tǒng)碼沒有系統(tǒng)碼的特性;按糾正差錯(cuò)的類型分為糾隨機(jī)(獨(dú)立)錯(cuò)誤碼、糾突發(fā)錯(cuò)誤碼、糾隨機(jī)與突發(fā)錯(cuò)誤碼;按碼字中每個(gè)碼元的取值分為二進(jìn)制碼與q進(jìn)制碼(q=pm,p為素?cái)?shù),m為正整數(shù))。需要特別說明的是,前向糾錯(cuò)編碼的糾錯(cuò)能力是有限的,即當(dāng)差錯(cuò)數(shù)大于糾錯(cuò)能力時(shí),接收端發(fā)生錯(cuò)譯卻意識(shí)不到錯(cuò)譯的發(fā)生,收信者無法判斷譯出的碼是糾錯(cuò)后的正確碼還是誤判了的碼。值得慶幸的是存在以下客觀事實(shí),即在誤碼隨機(jī)獨(dú)立發(fā)生時(shí),連續(xù)出現(xiàn)誤碼的概率比只出現(xiàn)一位誤碼的概率要低得多。如某系統(tǒng)發(fā)生一位誤碼的概率10-3時(shí),則連續(xù)出現(xiàn)兩位錯(cuò)誤的概率為10-6,連續(xù)出現(xiàn)三位錯(cuò)誤的概率為10-9,也就是說,連續(xù)出現(xiàn)兩位錯(cuò)誤的可能性只有出現(xiàn)一位錯(cuò)誤的千分之一,連續(xù)出現(xiàn)三位錯(cuò)誤的可能性只有出現(xiàn)一位錯(cuò)誤的一百萬分之一。如果該系統(tǒng)發(fā)生一位誤碼的概率為10-4,則連續(xù)出現(xiàn)兩位錯(cuò)誤的概率是出現(xiàn)一位錯(cuò)誤的萬分之一,連續(xù)出現(xiàn)三位錯(cuò)誤的概率可忽略不計(jì)。也正是基于這一事實(shí),目前前向糾錯(cuò)編碼方法都是以糾正一位誤碼為目的。4.2.3幾種典型的糾檢錯(cuò)編譯碼1.奇偶監(jiān)督碼奇偶監(jiān)督碼分為奇數(shù)監(jiān)督碼與偶數(shù)監(jiān)督碼兩種,二者原理相同。在偶數(shù)監(jiān)督碼中,無論信息位有多少,監(jiān)督位只有一位,它使碼組中“1”的數(shù)碼為偶數(shù),即滿足下式條件:式中,a0為監(jiān)督位,其他為信息位。如信息10的偶數(shù)監(jiān)督碼為101,11的偶數(shù)監(jiān)督碼即為110,101與110的最后一位監(jiān)督碼“1”與“0”就是按照這種規(guī)則加入的。這種碼能夠檢測奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤。在接收端,按照式(41)將碼組中各碼元模2加,若結(jié)果為“1”,就說明存在錯(cuò)誤,為“0”就認(rèn)為無錯(cuò)。奇數(shù)監(jiān)督碼與其相似,只不過其碼組中“1”的數(shù)目為奇數(shù),即滿足條件:且其檢錯(cuò)能力與偶數(shù)監(jiān)督碼一樣。把上述奇偶監(jiān)督碼的若干碼組排列成矩陣,每一碼組寫成一行,然后再按列的方向增加監(jiān)督碼位,就構(gòu)成了二維奇偶監(jiān)督碼,又稱方陣碼,如圖4.2所示。圖中

為m行奇偶監(jiān)督碼中的m個(gè)監(jiān)督碼位。

為按列進(jìn)行第二次編碼所增加的監(jiān)督位,它們構(gòu)成一監(jiān)督位行。二維奇偶監(jiān)督碼有可能檢測偶數(shù)個(gè)錯(cuò)誤,因?yàn)槊啃械谋O(jiān)督位雖然不能用于檢測本行中的偶數(shù)個(gè)錯(cuò)誤,但按列的方向由

等監(jiān)督位則能檢測出來。但有一些偶數(shù)個(gè)錯(cuò)碼不能檢測出來,例如,構(gòu)成矩形的四個(gè)錯(cuò)碼,如上圖中的