硬件設(shè)計常用知識信號和信號傳遞,阻抗匹配和阻抗變換詳細(xì)資料介紹

1、信號和信號傳遞

2、阻抗匹配概念I(lǐng)mpedance matching和阻抗變換網(wǎng)絡(luò)

1.信號和信號傳遞

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計核心是運動變換設(shè)計，把簡單周期性循環(huán)往復(fù)運動變換并傳遞為各種直線或曲線的復(fù)雜運動，實現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)。

電子系統(tǒng)設(shè)計則是用各種復(fù)雜的電子電路完成信號變換和傳遞，實現(xiàn)預(yù)期的控制和目標(biāo)結(jié)果。

什么是信號呢？信號是消息的載體，是運載消息的工具。大自然中，大海潮汐浪濤聲、秋天山林顏色變化、落葉飄落等都是信號，傳遞著某種你知道或不知道的神秘消息。信號它就在那里，可以沒有觀眾、沒有聽眾。即使有，如果不明白信號中的消息也等于沒有，不是？

以電聲信號為例，巢妹在深圳房間里對一個物體大喊“Now see you”。這個物體俗名叫“話筒”，科技型名為傳感器，再描述的細(xì)致一點叫“拾音器”，抽象名為“負(fù)載”。這個有多個名字的家伙，它承載了巢妹的“Now see you”語音信號，要傳遞給千里之外的北京電娃聽。

巢妹的聲音“Now see you”從這個物體開始先被記錄下來，然后切割、包裝進(jìn)行傳遞。中間穿上各種顏色的馬甲，經(jīng)過了各種各樣變換，坐上不同的”汽車、火車、輪船”等交通工具，通過很多種不同類型的紅綠燈口，還要在空中飛一會，中間“渴了、餓了”要中轉(zhuǎn)休息（緩沖）等一系列過程，傳輸?shù)奖本╇娡奘稚系囊粋€物體里，這個物體可能叫“手機(jī)”。

在電娃手機(jī)里面又經(jīng)歷一通信號變換和傳遞，最后來到一個“輸出負(fù)載”，接到一個叫“喇叭”東西上，學(xué)名“揚聲器”，在喇叭里把巢妹的聲音還原出來。盡管遠(yuǎn)在千里之外，經(jīng)歷了這么多過程，電娃在分毫?xí)r間之內(nèi)還是聽到了巢妹的聲音。在北京的電娃聽到巢妹的聲音，清晰悅耳、沒有雜音而且沒有變成“No see you”。電娃感到一陣狂喜幸福。

那么，問題來了，巢妹是在深圳喊的，北京的電娃聽到的真的是巢妹的聲音嗎？既是也不是。巢妹在深圳說過的話，說完就消失在空氣中了。北京聽到的并不是直接的巢妹說話，而是被電子系統(tǒng)記錄、經(jīng)過信號變換并傳輸、復(fù)原過來的聲音。然而這個在北京復(fù)原的聲音里面包含了巢妹說話的固有特征信息，也的確是巢妹說的話。

這個例子中，巢妹的語音被負(fù)載承載，由聲音信號轉(zhuǎn)換為實時模擬電信號，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，按照已確定的協(xié)議編碼、壓縮傳輸發(fā)送。到電娃接收端那里，嚴(yán)格按照協(xié)議進(jìn)行信號逆向變換，在一個明確的負(fù)載上再重現(xiàn)出來。

信號就這么從深圳傳遞到北京電娃的手機(jī)里?？墒莻鬟f過去的究竟是什么特征信息，還能夠在北京的喇叭里被復(fù)原呢？這涉及到信號的表征。

一個單純信號可以用一個確定的電壓表達(dá)式來描述：瞬時電壓，有：

幅度A，頻率f，相位。信號傳遞需要有負(fù)載來介入，以便顯現(xiàn)出信號來。負(fù)載上就會有瞬時電流i(t)。信號在負(fù)載Load上，就有瞬時電功率為p(t)=u(t)i(t)。

信號在時域上有三個參數(shù)：頻率、振幅和相位，在頻域上有兩個參數(shù)：頻率和振幅。如果有很多頻率的信號組成一群，就有信號群、頻率帶的概念。

信號傳遞需要負(fù)載Load這個東西，還需要傳輸介質(zhì)。信號能夠復(fù)原不僅需要Load，還需要協(xié)議protocol這個東西。

信號傳遞和交換才有價值。黃山上千年美麗的風(fēng)景就在那里，有愛好者在上面安裝了不少電子眼，只要付費買個賬號，就可以實時傳遞信息過來，看到黃山的晨曦和晚霞，甚至可以看到幾個月前的美麗景象。山上美景一直存在，如果不經(jīng)過信號傳遞，就無從體現(xiàn)價值。

信號傳遞總是要通過各種各樣電路的。信號從始端輸入，經(jīng)過一級級的電路、一層層的控制，要求最后無失真地傳遞到目的地。電路系統(tǒng)中各個不同部分、各個單元各司其職，忠實地完成信號的各種變換、控制、交換和傳遞。

信號通過一個電路進(jìn)行處理時，在時域上三個參數(shù)會變化，頻域上兩個參數(shù)也會變化。常用這些顯著的參數(shù)變化用來表征這個電路的功能特性，如：放大電路、移相電路、震蕩電路等，也會說這些電路具有不同的放大特性、幅頻特性、相頻特性等。

上面巢妹和電娃的實例中，要傳遞到北京去的信號特征，只是要把巢妹的語音里包含的所有頻率分量、振幅和相位、時間間隔、語速等參數(shù)通過電路系統(tǒng)傳送過去，在終端進(jìn)行復(fù)現(xiàn)出來。

這個例子中信號傳遞開始要作的事，是要在電路里把信號的瞬時電功率盡可能大的傳送到后面環(huán)節(jié)中去，保證不失真，再逐級往后向目的地傳送。

2.阻抗匹配概念I(lǐng)mpedance matching和阻抗變換網(wǎng)絡(luò)

阻抗是表示元件性能或一段電路電性能的物理量，是指電路中電阻、電感、電容等對電路中電流所起的阻礙作用。

阻（resistance）是對能量的消耗，通常轉(zhuǎn)換為熱耗，而抗（reactance）是對能量的儲存。

阻抗常用Z表示，是一個復(fù)數(shù)，矢量向量。數(shù)學(xué)公式：阻抗Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。其中R為電阻，ωL為感抗，1/（ωC）為容抗。

（1）如果(ωL–1/ωC) > 0，稱為“感性負(fù)載”；（2）反之，如果(ωL–1/ωC) < 0稱為“容性負(fù)載”。

負(fù)載是電阻、電感的感抗、電容的容抗三種類型的復(fù)合物，復(fù)合后統(tǒng)稱“阻抗”。

當(dāng)電路頻率滿足ωL=1/ωC時，即容抗等于感抗，電路呈阻性。這個頻率點稱為諧振頻率點。

每個包含有電感L和電容C組成的電路，都可能在一個或若干個頻率上發(fā)生諧振現(xiàn)象（電路呈阻性的點，如：左圖）。

能夠在一個或若干個頻率上發(fā)生諧振現(xiàn)象的電路，稱為諧振電路。諧振電路對信號頻率具有選通性（右圖為LC并聯(lián)諧振回路的特性）。

電路阻抗有：源端輸出阻抗、傳輸線阻抗、輸入阻抗、負(fù)載阻抗等。

為要得到最大功率輸出的工作狀態(tài)，負(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗之間要實現(xiàn)阻抗匹配。要傳送最大功率，阻抗匹配設(shè)計比較復(fù)雜。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。

在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。

線性電路傳輸信號最大功率的條件是負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻相等。

非線性電路由于器件工作狀態(tài)的不同，信號源/激勵源的內(nèi)阻變動很大，輸出阻抗不是常數(shù)。負(fù)載端要隨時調(diào)整負(fù)載阻抗來等于信源輸出阻抗以獲得最大功率，是不可能做到的事情。

有兩種方式來設(shè)置匹配條件：

1、明確激勵源輸出特性，在輸出特性范圍負(fù)載阻抗可調(diào)節(jié)，得到近似最大功率；

2、確定負(fù)載條件，調(diào)整激勵源，使激勵源總能夠輸出額定功率到負(fù)載端。這也稱作“達(dá)到匹配狀態(tài)”

信號在中間電路傳送環(huán)節(jié)，并不是總要按照傳遞最大功率來設(shè)計。根據(jù)需要，有時候傳送信號最大電壓或最大電流就可以達(dá)到目的。例如信號源輸出阻抗盡可能低，測試儀器的信號輸入端的輸入阻抗盡可能高（比信號源輸出阻抗高10倍以上），這樣可以直接把信號源信號連接到儀器的輸入端，可以得到信號源最大電壓信號。

這樣不需要考慮額外匹配，電路就進(jìn)入預(yù)想的工作狀態(tài)，可以使得電路得以簡化，降低成本。

信號傳輸過程中負(fù)載阻抗和前級輸出內(nèi)阻抗之間總要有特定配合關(guān)系，無論是要傳送最大功率或者最大電壓或電流到下一級。

阻抗匹配的另外一個顯著作用是讓后級負(fù)載接入時，不影響前級的工作和輸出，起到隔離作用。

作傳送最大功率的電路阻抗匹配設(shè)計是最為復(fù)雜的。作好最大功率傳輸?shù)钠ヅ?，其他就是小菜一碟了?/p>

共軛匹配與阻抗變換網(wǎng)絡(luò)

在信號源給定的情況下，輸出功率取決于負(fù)載電阻與信號源內(nèi)阻之比K，當(dāng)兩者相等，即K=1時，輸出功率最大。當(dāng)負(fù)載阻抗與信號源阻抗共軛時，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的最大傳輸。如果負(fù)載阻抗不滿足共軛匹配的條件，就要在負(fù)載和信號源之間加一個阻抗變換網(wǎng)絡(luò)（也可叫“阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)”），將負(fù)載阻抗變換為信號源阻抗的共軛，實現(xiàn)阻抗匹配。

在信號源輸出和負(fù)載的輸入端之間總有第三者介入，這個第三者統(tǒng)稱信號“傳輸線”。如前面連接測試儀器的電纜、PCB上的走線、雙絞線等都是傳輸線的具體形式。

傳輸線是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的不可或缺的組成部分，它們是信號傳輸?shù)耐ǖ馈Ｒ虼?，阻抗匹配設(shè)計就要對信號源、傳輸線/阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載三者之間進(jìn)行設(shè)計選擇出一種合適的搭配方式。

如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢？

如果不匹配，則會形成信號反射，能量不能夠有效傳遞到負(fù)載，降低效率

小結(jié)一下

信號要傳遞和交換出去才有其用：

1、信號傳遞需要負(fù)載Load這個東西，還需要傳輸介質(zhì)。

2、信號能夠復(fù)原不僅需要Load，還需要協(xié)議protocol這個東西。

3、信號傳遞需要在信號源、傳輸線（傳輸介質(zhì)）、負(fù)載之間實現(xiàn)阻抗匹配。通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)有效傳輸?shù)哪康摹?/p>

4、阻抗變換設(shè)計涉及到頻帶選通性，因此阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計并不是一件容易的事情。

實際工作中，由于電路形式和器件都是參考別人已經(jīng)用過、比較成熟的東西，因此經(jīng)驗非常豐富的硬件大咖，常常要作的實際設(shè)計工作內(nèi)容就是在作各種條件下的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，竭力使電路達(dá)到最佳效果。但是他們常常攪盡了腦汁，還是沒有最佳結(jié)果，是因為忽視了PCB設(shè)計師的工作。

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是一個layout-driven的設(shè)計工作，需要硬件工程師和PCB設(shè)計師一起合作來完成。往往硬件工程師新手反而沒有感覺那么復(fù)雜，因為不懂而謙虛，多和上下游配合的工程師交流，從而似乎輕而易舉、不經(jīng)意之間實現(xiàn)了最佳結(jié)果。再次說明“信息交換、共享合作創(chuàng)造價值”。

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