經(jīng)常翻閱各種電子行業(yè)的平面媒體，每每看見(jiàn)Analog Device公司的廣告，在廣告畫面的下方，都會(huì)有這么一個(gè)廣告詞“Analog is everywhere”(見(jiàn)圖1.1)。翻譯成中文，就是本文的標(biāo)題“模擬，無(wú)處不在”。
我想，Analog Device公司想通過(guò)這個(gè)廣告詞想表達(dá)這樣幾層意思： 1.1 任何電路都會(huì)有可能用到模擬器件 我雖然和Analog Device沒(méi)有任何利害關(guān)系。但是憑良心說(shuō)，電子行業(yè)混了十幾年，自己也感覺(jué)Analog Device公司的模擬產(chǎn)品的質(zhì)量還是拿得出手的。他通過(guò)這個(gè)廣告詞來(lái)強(qiáng)化“Analog Device”商標(biāo)在電子行業(yè)的品牌效應(yīng)。 任何電路都會(huì)有可能用到模擬器件，這句話換一種說(shuō)法，就是：“這個(gè)世界沒(méi)有100%的全數(shù)字產(chǎn)品”。任何電子產(chǎn)品都會(huì)有模擬電路的部分，都有可能用到工作在線性狀態(tài)的模擬器件。比如表1.1所列的電子產(chǎn)品： MP3、MP4 公認(rèn)的數(shù)字產(chǎn)品 但是至少他的audio部分是模擬的。MP4的TFT屏幕對(duì)外接口雖然也是數(shù)字的。但是顯示出華麗的色彩，那些色彩就是由數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換而來(lái)的模擬信號(hào)。 收音機(jī)、CRT電視 不用說(shuō)，傳統(tǒng)的模擬電子產(chǎn)品。相信不會(huì)有人說(shuō)他是數(shù)字的。 平板電視 信號(hào)部分一般都是數(shù)字信號(hào)處理的。但是其前端高頻頭是模擬的、伴音輸出是模擬的、TFT屏幕最后還原出來(lái)的彩色信號(hào)也是模擬的。 光驅(qū)、硬盤 無(wú)論是SATA接口還是IDE接口，在其前端讀取數(shù)據(jù)的部分，都是模擬的。 光驅(qū)靠激光頭還原出微小的光盤反射信號(hào)，放大后經(jīng)過(guò)處理得到光盤上的數(shù)據(jù)；硬盤靠磁阻磁頭還原出微小的磁信號(hào)，放大后經(jīng)過(guò)處理得到磁盤上的數(shù)據(jù)；SATA接口是一種電流型的串行接口，在數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端也都需要工作在線性狀態(tài)的模擬器件，否則就不能傳送高速的數(shù)字信號(hào)了。 硬盤上的信號(hào)也是模擬儲(chǔ)存的，硬盤上面的磁阻磁頭在放大信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一個(gè)判別電路，電平大于某個(gè)數(shù)值的判斷為1、小于某個(gè)數(shù)值的判斷為0。光盤上的0-1-0-1-0-1-0-1信號(hào)，在光盤上雖然是一一個(gè)個(gè)細(xì)小的坑洞來(lái)表示，看似“很數(shù)字很數(shù)字”。可是由于光盤反射層的反射率有大有小、激光頭的功率有大有小、盤面距離激光頭的距離還會(huì)有微小的瞬時(shí)抖動(dòng)，實(shí)際上激光頭讀出來(lái)的信號(hào)仍然是可大可小的模擬信號(hào)。需要經(jīng)過(guò)信號(hào)自動(dòng)增益控制電路，穩(wěn)定信號(hào)的幅度。然后解調(diào)才得到數(shù)字信號(hào)。 手機(jī) 中間的信號(hào)都是數(shù)字的，前端的射頻信號(hào)處理和后端的聲音還原都是模擬的。從我看過(guò)的NOKIA的N7x系列手機(jī)電路圖和MTK山寨機(jī)的手機(jī)電路圖來(lái)看，他們后端的音頻功率放大器為了省電，全部使用PWM調(diào)制，做成很節(jié)能的D類放大器，將音頻信號(hào)重放出來(lái)。這也是一種形式的D/A轉(zhuǎn)換。 以太網(wǎng)交換機(jī) 以太網(wǎng)芯片都有一個(gè)模擬前端，工作于線性狀態(tài)。還有一個(gè)以太網(wǎng)變壓器，上面?zhèn)鬟f的其實(shí)也是模擬的電流環(huán)信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬編碼后，通過(guò)電路板上的以太網(wǎng)變壓器傳送。 以太網(wǎng)前端還要考慮變壓器和線纜之間的阻抗匹配。這些都是模擬電路里面經(jīng)常要考慮的東西。 U盤 USB口看似一個(gè)數(shù)字接口，其實(shí)他和以太網(wǎng)一樣，前端也是模擬的電流環(huán)信號(hào)。USB口有4根線，分別是+5V、GND、DATA+、DATA—。其中DATA+、DATA— 構(gòu)成了一個(gè)模擬的電流環(huán)信號(hào)。 臺(tái)式機(jī)CPU CPU處理的都是數(shù)字信號(hào)，但是隨著CPU工作頻率越來(lái)越高，其設(shè)計(jì)也越來(lái)越講究。最早的CPU其地址總線、數(shù)據(jù)總線都是一個(gè)個(gè)的TTL信號(hào)。但是隨著CPU工作頻率的升高，這種方式變得很不穩(wěn)定[U1] 。而改進(jìn)的措施，都是基于模擬技術(shù)而改進(jìn)的。正是由于這些模擬技術(shù)的存在，才讓這些信號(hào)傳輸又穩(wěn)定、又高速。 隨著CPU工作電壓的下降，電源的噪聲和半導(dǎo)體材料的噪聲對(duì)CPU的干擾越來(lái)越明顯，為此CPU內(nèi)部的信號(hào)傳輸都作了很多變化。而無(wú)論是高頻的無(wú)線電發(fā)射電路，還是高頻的CPU電路，設(shè)計(jì)的過(guò)程都很類似。 表1.1 1.2 凡是電路，其實(shí)都是模擬電路。 我做了這些年的設(shè)計(jì)，慢慢有些感悟。其中一個(gè)感悟就是：“這個(gè)世界其實(shí)沒(méi)有數(shù)字電路，所有的電路都是模擬的。數(shù)字電路只是模擬電路的特殊形式，正如同正方形是矩形的特殊形式、圓形是橢圓的特殊形式一樣。”或者更簡(jiǎn)單的說(shuō)：“數(shù)字電路是模擬電路的一個(gè)子集。” 這兩句話可能會(huì)比較難以理解，首先我們來(lái)理解“正如同正方形是矩形的特殊形式、圓形是橢圓的特殊形式一樣”這句話。回頭翻閱一下幾何書(shū)，書(shū)上說(shuō)：一個(gè)矩形，如果他的長(zhǎng)度和寬度一樣，那它就是正方形。所以正方形是矩形的特殊形式；一個(gè)橢圓，其長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度相等，那它就是一個(gè)圓形。所以圓形是橢圓的特殊形式。 數(shù)字電路是模擬電路的特殊形式，就比較難理解了。 為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我找了一個(gè)TTL集成電路74HC08的規(guī)格書(shū)，相信沒(méi)有誰(shuí)會(huì)否認(rèn)這個(gè)IC是數(shù)字電路吧？圖1.2是這個(gè)IC的直流參數(shù)表。其中一項(xiàng)VIH（高電平輸入電壓值）。它有最大、最小和典型值三個(gè)數(shù)據(jù)。在不同的電壓下其數(shù)據(jù)還不一樣。比如IC供電電壓VCC=6V的時(shí)候，最小值=4.2、典型值=3.2。就是說(shuō)，要讓這個(gè)IC認(rèn)為輸入的信號(hào)是高電平，一般要求輸入電壓要達(dá)到3.2V，在最壞的情況下，也要達(dá)到4.2V。達(dá)到4.2V他絕對(duì)就可以100%認(rèn)可你的輸入電平為高電平。 同樣的道理IC供電電壓VCC=6V的時(shí)候，VIL（低電平輸入電壓）至少要小于2.8V。 那問(wèn)題就來(lái)了，在2.8V和3.2V之間的輸入電壓，算0，還是算1？答案是：這個(gè)IC會(huì)隨機(jī)的認(rèn)為這是0，或者是1。
把以上問(wèn)題圖示成圖 1.3，就可以更好的說(shuō)明問(wèn)題。 l 如果你要讓IC的輸出和你的輸入百發(fā)百中確定的相關(guān)，你就要把你的輸入電壓控制在A和E的范圍內(nèi)， l B和D的范圍也許可以穩(wěn)定工作，但是未必能夠100%保證可靠，也許不可靠的概率可能有10%，也可能只有1%，比較難發(fā)現(xiàn)。但是你的電路就埋下了一個(gè)爆炸時(shí)間為未知數(shù)的炸彈。 l 如果你不幸把輸入電壓放在了C的范圍內(nèi)，這個(gè)時(shí)候這個(gè)IC就判斷不清除你輸入的電壓是0還是1，所以在這種情況下，出現(xiàn)問(wèn)題的概率非常大，也許你的電路立即就會(huì)死得很難看。
把以上問(wèn)題用如圖1.4所示的坐標(biāo)圖表示，更容易理解了：
看明白了吧！即使是數(shù)字電路，他的輸入輸出其實(shí)也是和電壓的大小強(qiáng)弱密切相關(guān)的，多一點(diǎn)少一點(diǎn)都可以造成不同的結(jié)果。 傳遞數(shù)字信號(hào)，比如在遠(yuǎn)距離和高吞吐量的數(shù)字傳輸方面，也經(jīng)常用模擬技術(shù)來(lái)傳遞我們平常所說(shuō)的“數(shù)字信號(hào)”。這個(gè)方面最好的例子，就是電流環(huán)的RS485信號(hào)。 大家都知道RS232接口的信號(hào)不能傳遞很遠(yuǎn)，而RS485接口的信號(hào)就可以輕輕松松的把信號(hào)傳遞到3～4公里外。RS232信號(hào)之所以不能傳遠(yuǎn)，就是因?yàn)樗鼘?-1-0-1的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成了+10V、-10V的電壓，用電壓通過(guò)電纜進(jìn)行傳送。這些電壓在信號(hào)的發(fā)送端都可以做的很好，但是結(jié)果電纜之后，由于電纜的分布電容、分布電感、空間的干擾、信號(hào)的振鈴和反射等因素，到電纜的對(duì)端接收后，信號(hào)都會(huì)有所變形。而且電纜越長(zhǎng)變形越嚴(yán)重。 為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們使用了電流環(huán)差分信號(hào)來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)。
圖 1.5是我們常用的MAX485芯片的信號(hào)傳輸?shù)刃D，左邊的驅(qū)動(dòng)器D是用于發(fā)送的，右邊的接收器R是用于接收的。2個(gè)100pF電容用于模擬信號(hào)電纜的分布電容。54Ω的電阻是信號(hào)匹配電阻。 發(fā)送器的輸入TTL IN就是圖 1.6里面的DI，RECEIVER OUT就是圖1. 6里面的RO。圖 1.6里面的Vy-Vz是發(fā)送器的Z輸出和Y輸出之間的電壓差。這里可以看見(jiàn)，它有點(diǎn)像一個(gè)鋸齒波，而且擺幅也在±1V之間，已經(jīng)是公認(rèn)的模擬信號(hào)了。在圖 1.7可以看見(jiàn)在接收端的A、B端點(diǎn)之間，只需要電壓差的絕對(duì)值大過(guò)0.2V接收器就可以接收了，這也說(shuō)明，IC內(nèi)部其實(shí)是有模擬電路的，起碼，他需要將0.2V的信號(hào)放大到2~3V的水平。 從這里，可以看見(jiàn)在傳輸路徑中，經(jīng)過(guò)了2次信號(hào)變換，他們分別是：“數(shù)字信號(hào)”→差分模擬信號(hào)→“數(shù)字信號(hào)”，而在線纜上傳送的只是差分模擬信號(hào)。 使用以上方法，可以大幅度減少噪聲對(duì)電纜的干擾。也可以最大限度的弱化電纜直流電阻、分布電容和分布電感的影響。這就是為什么RS485的傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過(guò)RS232接口的緣故。 類似的原理，電流環(huán)還應(yīng)用在LVDS傳輸接口、1394總線、以太網(wǎng)接口、SATA硬盤傳輸線、USB傳輸線上。大家使用的LCD電腦監(jiān)視器，它的LCD屏幕的信號(hào)電纜也是用這個(gè)原理傳輸?shù)模砸粋�(gè)小小的電纜可以輕松傳送監(jiān)視器那樣的高帶寬信號(hào)。
本書(shū)中還有一個(gè)文章《搞定噪聲》里面的章節(jié)“注意你的高速數(shù)字信號(hào)”，如果您能理解這個(gè)文章所陳述的思想，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，傳送高頻率的數(shù)字信號(hào)其實(shí)很麻煩，不僅有傳輸距離的限制，還會(huì)有振鈴、反射等一大堆的問(wèn)題。這些問(wèn)題都是模擬電路中才有的問(wèn)題。而要傳輸好這些高頻率的數(shù)字信號(hào)，有且僅有使用模擬的這些解決之道才能搞定。 與文章《搞定噪聲》里面的章節(jié)“注意你的高速數(shù)字信號(hào)”的原理類似，你可以拔一條計(jì)算機(jī)的內(nèi)存條出來(lái)看看，上面除了內(nèi)存顆粒，還有很多貼片的電阻，而且大都靠近連接器的位置，這些基本都是降低振鈴、反射等問(wèn)題用的（見(jiàn)圖1.8）。
所以，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)主板，其實(shí)是一個(gè)很有技術(shù)含量的事情。市場(chǎng)方面有成本壓著，不能隨便使用高檔材料，技術(shù)上，CPU系統(tǒng)的工作頻率不斷升級(jí)，電路的布線難度越來(lái)越高，還要考慮散熱、電磁兼容等一大堆的問(wèn)題。所以雖然很多人認(rèn)為設(shè)計(jì)電路板是個(gè)簡(jiǎn)單勞動(dòng)。可是設(shè)計(jì)主板的工程師絕對(duì)不會(huì)是菜鳥(niǎo)。 推而廣之 剛參加工作的時(shí)候，經(jīng)常騎自行車，由于有自己動(dòng)手的習(xí)慣，喜歡動(dòng)手自己維修自行車。記得當(dāng)時(shí)把前輪拆下來(lái)修理后，以為自行車沒(méi)什么大不了的，就隨隨便便的把前輪裝上去。雖然也能騎，卻騎得很不舒服。后來(lái)拿到維修店請(qǐng)師傅看，才知道，車輪在安裝的時(shí)候，車輪和主支架有夾角。所以車輪轉(zhuǎn)動(dòng)后就不平衡了，輪胎會(huì)左右晃動(dòng)。維修店的師傅又把它拆下來(lái)，仔仔細(xì)細(xì)地慢慢調(diào)正，前輪的主軸螺絲被一點(diǎn)點(diǎn)一點(diǎn)點(diǎn)地調(diào)緊，一邊調(diào)整還要一邊不時(shí)地轉(zhuǎn)動(dòng)輪子，看看輪子轉(zhuǎn)動(dòng)后的動(dòng)態(tài)平衡狀況。之后自行車才有了比較好的使用感覺(jué)。 比較類似的，還有自行車的鏈條。調(diào)緊了，騎的時(shí)候很費(fèi)力（傳動(dòng)效率低），鏈條本身發(fā)生金屬疲勞的可能性也會(huì)增大許多，金屬件發(fā)生金屬疲勞通常就意味著會(huì)有裂縫、即將斷裂之類的毛病。調(diào)松了，發(fā)生脫鏈的概率就大幅度上升。我們把它畫成坐標(biāo)圖好理解（見(jiàn)圖1.9）。所以可以看出維修店師傅的賣點(diǎn)就在于他能準(zhǔn)確把握這個(gè)最佳工作點(diǎn)。把車子調(diào)整到這個(gè)工作點(diǎn)就需要費(fèi)一些時(shí)間，一邊調(diào)觀察車子的各種狀態(tài)，最終將自行車調(diào)節(jié)在這個(gè)最佳的工作點(diǎn)上。從這個(gè)角度看鏈條和調(diào)節(jié)前輪主軸的例子，這個(gè)和我們調(diào)試模擬電路工作點(diǎn)不是如出一轍嗎？
同樣的，在醫(yī)學(xué)上，健康和生死問(wèn)題也不是非黑即白的，在病與非病之間、生與死之間也不是界限分明的。 首先說(shuō)說(shuō)健康與生病之間的關(guān)系，很多人認(rèn)為，一個(gè)人沒(méi)有生病就是健康，不健康就是生病。其實(shí)在健康和生病之間還有中間狀態(tài)，就是所謂的亞健康狀態(tài)。 圖1.10和表1.2為人健康狀態(tài)描述。
有些人會(huì)突然出現(xiàn)E點(diǎn)的癥狀，但如果患者仔細(xì)觀察自己的身體的話，其實(shí)至少B點(diǎn)的癥狀至少會(huì)有一些的。這個(gè)例子就說(shuō)明病于非病、健康與非健康之間也和模擬電路一樣，是有漸進(jìn)的過(guò)程的。 生與死的界限同樣也是有過(guò)渡過(guò)程的，曾經(jīng)就見(jiàn)過(guò)一個(gè)古稀老人，因?yàn)橄兰毙匝装Y，剛開(kāi)始還能喝點(diǎn)稀飯之類的。因?yàn)檠装Y沒(méi)有控制住，后來(lái)只能喝水，身體也日漸消瘦，靠輸液支持著。再往后，因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)的問(wèn)題，出現(xiàn)并發(fā)癥且意識(shí)模糊，在最后的40小時(shí)左右，說(shuō)了最后一句話。這個(gè)時(shí)候醫(yī)生已經(jīng)告訴家屬，該患者已經(jīng)徹底沒(méi)有希望了。最后的幾個(gè)小時(shí)只能嘴唇微動(dòng)，但可以聽(tīng)見(jiàn)周邊人的說(shuō)話，還會(huì)用眼神對(duì)別人的話作出反應(yīng)。在她徹底失去反應(yīng)之前，手一直是熱的。在最后的階段，你不能說(shuō)她已經(jīng)死了，但是她明顯也不像是個(gè)大活人。從生病到駕鶴歸西，整個(gè)過(guò)程歷時(shí)2個(gè)月。這個(gè)例子也說(shuō)明生與死同樣也不是非0即1的。 即使所謂的“死亡”真的發(fā)生了，比如醫(yī)生宣布某人脈搏和呼吸都停止了，并且腦死亡也已經(jīng)發(fā)生了。但是很多人不知道的是：其實(shí)這個(gè)時(shí)候身體的很多器官還在運(yùn)轉(zhuǎn)。《法醫(yī)學(xué)》上的描述是：如果腦死亡發(fā)生20分鐘之內(nèi)，很多人體器官還有可供移植的價(jià)值、2小時(shí)之內(nèi)腸子還會(huì)蠕動(dòng)、4小時(shí)之內(nèi)人體的某些肌肉對(duì)于一些化學(xué)刺激還有反應(yīng)。這個(gè)例子同樣也說(shuō)明了，即使是死亡真的不可逆轉(zhuǎn)地發(fā)生了，其過(guò)程同樣也是漸進(jìn)的，是一個(gè)“模擬”的過(guò)程。 經(jīng)常可以看見(jiàn)一些菜鳥(niǎo)工程師，在畫單片機(jī)電路板的時(shí)候，簡(jiǎn)單的以為：這是一個(gè)純數(shù)字的系統(tǒng)，只要把線路全部連接起來(lái)就好了。事實(shí)上把線路全部連接起來(lái)，確實(shí)會(huì)有一些電路真的可以安全工作。但是一些稍微復(fù)雜的電路，只要碰到以下幾種情況之一，就可能就會(huì)出問(wèn)題： l 工作頻率很高的數(shù)字電路，比如高速CPU系統(tǒng)。 l 大功率的系統(tǒng)，比如開(kāi)關(guān)電源 l 電源上疊加了比較大的紋波 l 信號(hào)線比較長(zhǎng) l 工作電壓比較低，比如1.8V的系統(tǒng) l 微弱信號(hào)放大電路，比如硬盤的磁頭信號(hào)放大器、光盤的激光頭信號(hào)放大器。 所以，我的設(shè)計(jì)習(xí)慣是：無(wú)論什么電路，都把它看作模擬電路去設(shè)計(jì)。認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)銅箔的接線、認(rèn)真計(jì)算每一個(gè)接口的阻抗和電平。出現(xiàn)異常的時(shí)候，用示波器仔細(xì)分析波形是否變形。只有這樣，數(shù)字電路才能有足夠的[url=]穩(wěn)定性[/url]。
|
