浅谈Proteus模拟中的信号传输

　　电子信号可以是模拟的，也可以是数字的。

　　数字信号

　　我们先来看看数字信号。

　　数字信号只能处于两种可能状态之一——开或关（高或低，真或假）。它们是二进制的，代表了现代计算机内部的工作方式。

　　关（低/假）通常用0V电压表示。

　　On（高/真）通常由正电压表示，其大小取决于特定的系统/协议；5V是传统上大多数数字系统使用的电压，然而3.3V在新系统中变得更加流行。一些系统使用1.8V、1.5V、1.35V、1.2V等较低的电压，较低的电压使用较少的功率，因此更加节能，但是它们更容易受到干扰和衰减，因此需要更加注意硬件设计。

　　当然，系统中的电压不太可能精确地0V和5V，所以关于什么范围的电压代表开/高，什么范围的电压代表关/低，存在一些容差。现代集成电路可以由数十亿个微小晶体管组成，开关阈值取决于所用晶体管的类型：

　　晶体管到晶体管逻辑

　　采用较老的TTL（晶体管到晶体管逻辑）技术（使用BJTs双极结型晶体管）构建的系统接受2V及以上（最大系统信号电压）的任何电压作为开/高电平，接受低于0.8V的任何电压作为关/低电平。

　　同时，在输出端，on应至少为2.7V，off不应超过0.5V和2V之间的电压是不确定的，可以解释为on或off（显然是随机的）。

　　互补金属氧化物半导体

　　采用较新的CMOS（互补金属氧化物半导体）技术（使用MOSFETs（金属氧化物半导体场效应晶体管））构建的系统接受高于工作电压约2/3 （67%）的任何电压作为开/高，接受低于工作电压约1/3 （33%）的任何电压作为关/低。例如：

　　输出应非常接近逻辑电源电平。高阈值和低阈值之间的输入也是未定义的（并且可能导致消耗大量功率）。

　　模拟信号

　　数字信号只能处于两种可能的水平之一，而模拟信号可以有几乎无限的数值范围（只受测量设备精度的限制，如果你要达到原子级的精度，那么从技术上讲，就是一个质子或电子的电荷）。

　　模拟与数字

　　如果模拟信号可以有几乎无限的取值范围，而数字信号只有两种可能的取值范围，那么听起来模拟信号可能更好，也是必然的选择？然而，模拟信号也有缺点，这导致我们大多数现代电子系统都是数字的。

　　模拟信号的一个缺点是它们非常容易受到传输错误的影响；这意味着到达接收器的模拟信号完全保证不会与发射器发射的模拟信号完全相同。这可能是由于在传输过程中添加到信号中的噪声（例如来自电磁干扰），以及传输过程中信号的修改；例如，沿着金属线传输的信号将会由于金属线的电阻而降级/衰减。另一方面，数字信号可以准确地传输和复制，因此到达接收器的数字信息与发射器发射的数字信息完全相同。

　　模拟信号的一些例子可以是来自传感器或电位计的输出电压。例如，麦克风将声音转换成模拟信号（电压电平）。LP唱片——以模拟方式分享老店音频中音乐的无处不在的方式（有时仍因其提供的无限分辨率而受到珍视——下文将对分辨率进行更多讨论）。

　　模拟和数字之间的转换

　　从模拟到数字的转换是通过模数转换器（ADC）完成的。用数模转换器（DAC）完成从数字到模拟的转换。

　　当信号从模拟转换为数字时，必须为转换选择一定的分辨率。模拟电压被转换成数字，分辨率决定了该数字的可能取值范围。

　　例如，一个1位ADC的输出可能只有两个值，要么是0，要么是1。

　　2位ADC的输出介于0和3之间。

　　3位ADC的输出介于0和7之间。

　　大多数流行的微控制器都内置一个10位ADC外设，其输出介于0和1023之间。

　　现在，ADC有正负基准电压，这决定了转换中如何调整输入电压。正参考电压为5V，负参考电压为0V，例如：

　　如果分辨率为1位，则输出1将意味着2.5V-5.0V之间的输入，输出0将意味着0.0V-2.5V之间的输入。

　　如果分辨率为2位，则输出3（二进制11）意味着输入介于3.75V-5.0V之间，输出1意味着输入介于1.25V-2.5V之间，输出0意味着输入介于0.0V-1.25V之间。

　　如果分辨率为3位，则输出7（二进制111）将意味着4.375V-5.0V之间的输入，输出1将意味着0.625V-1.25V之间的输入，输出0将意味着0.0V-0.625V之间的输入。

　　诸如此类。请注意，分辨率对应于输出中可能的二进制位数。

　　根据具体的ADC或微控制器，有时也可以向ADC提供独立的基准电压（例如负基准电压为1V，正基准电压为2V），此时输出将在这些基准电压值之间进行调整。

　　显然，较高的分辨率似乎更好，但是这里有一个性价比的权衡，分辨率的选择通常取决于应用。更高的分辨率需要更多的内存、更高的处理能力和更复杂的ADCs因此通常更加昂贵——并且根据应用，由于质量没有进一步明显的改善，将会有一个提高分辨率的实际回报减少的点。

　　ADC有许多不同的类型，如逐次逼近型和适马-德尔塔型；其细节超出了本文的范围。

　　DAC的作用与ADC相反，它将数字转换成模拟电压（同样，显然，具有一定的分辨率）。还有许多不同类型的DAC，如基于电阻梯的DAC和基于脉宽调制的DACs这些细节也超出了本文的范围。

　　Proteus模拟中的信号传输

　　Proteus能够进行混合模式仿真，这意味着它能够以最小的处理能力和最高的速度有效地模拟模拟和数字信号。Proteus包括各种ADC和DAC的仿真模型，以及内置一个或两个转换器的各种微控制器。

　　审核编辑：黄飞