模拟信号与数字信号的本质区别

自然界中存在两种信号,模拟信号与数字信号。

模拟信号:模拟电路,比如音频、三角波、温度等渐变的信号。
数字信号:数字电路,比如FPGA 、数字视频、高速数字信号。
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模拟信号的特点:

  1. 渐变
  2. 斜率比较缓
  3. 看整个信号变化的过程

数学信号的特点:

  1. 突变
  2. 斜率比较陡
  3. 看高低电平两个状态

从模拟信号变化到数字信号只要斜率越来越陡,当中间的状态可以忽略不计时,可以说模拟信号就成为了数字信号。而斜率的本质其实就是带宽

带宽:最初指的是电磁波频带的宽度,也就是信号的最高频率与最低频率的差值。目前,它被更广泛地借用在数字通信中,用来描述网络或线路理论上传输数据的最高速率。

BW=fmax-fmin=1/tmin-1/tmax

下面以单片机输出方波理解带宽的含义

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黑色:单片机输出波形1。
浅绿:单片机输出波形上升斜率变缓,波形2。
红色:单片机输出波形上升斜率边陡,波形3。

根据示意图可以发现,t3波形的周期最小,对应的频率最大。如果三种波形,对应三种电源电压相同的单片机,按照带宽的定义,输出红色波形的单片机带宽最大,驱动能力最大,运算速度最快。

驱动能力越大,运算速度越快,对芯片的工艺的要求越高。同时,驱动能力的增大,芯片功耗也会越大,对散热的要求也越来越高。

对于某一种单片机来说,从外部看进去,它等效为一个电阻R的器件,由I=U/R P=UI可知,如果单片机不变,单纯的降低供电电压,U↓,I↓最后,P↓。所以降低单片机的供电电压,是可以降低单片机的功耗,最终还会带来带宽的增加。

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从上面的图就可以很清楚的看出降低电压,也能增加芯片的带宽。

51单片机供电为5V,工作频率12M。
stm32单片机供电电压为3.3V,工作频率72M。
FPGA的内核供电有1.8V、1.25V,工作频率100M+。

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