模拟波形的生成与分析

心电图监护仪的模拟波形

我们喜欢把数字脉冲和模拟波看作属于完全不同的电子设计领域，但事实并非如此。当你开始检查滤波器、放大器和组件带宽对数字信号的影响时，你开始意识到它们与模拟世界的联系。有许多应用程序涉及数字脉冲和模拟信号之间的转换，您需要为这些应用程序构建提供所需转换的电路。

虽然我们无法列出每种模拟波形的所有不同应用，但我们可以向您展示一个强大的电路模拟器如何在驱动不同模拟波形时帮助加快分析电路。如果您需要直接在PCB上进行不同波形之间的转换，您可以创建简单而有效的电路，无需合并多个波形发生器ic即可提供所需的转换。此外，您将节省与不使用新的波形生成组件相关的成本。

数字和模拟波形生成之间的联系

倾向于数学的电路设计者可能对傅里叶级数很熟悉。对于那些不是，我们将给出一个非常简短的回顾。简而言之，傅立叶级数的核心思想是，通过混合正弦和余弦的谐波级数，可以构造出任意形状的振荡信号。每个正弦和余弦函数的频率都是某个基频的整数倍。如果你把这些频率正确地组合起来，就可以产生数字脉冲。

注意，还有其他的级数展开可以用来表示任何其他函数。您可以使用任何一组标准正交基函数为任何其他函数创建一个级数展开。一些例子包括贝塞尔函数、勒让德多项式、加权埃尔米特多项式和其他解决Sturm-Liouville问题的函数集(包括正弦函数)。

在现实中，完美地表示一个数字脉冲所需的频率是无限的，因此手动输入多个正弦波和余弦波到混合器中来生成一串数字脉冲显然是不切实际的。然而，还有其他方法利用谐波产生产生数字脉冲流(即方波)。作为一个例子,非线性饱和而且比较器或放大器中的迟滞现象，或整流在背靠背二极管，可用于转换从正弦波到方波或反之亦然。

这些简单的转换电路可以直接在PCB级实现，无需使用多个集成电路，节省了一些空间和成本。复杂的任意波形更难以产生，可能需要混合两个或多个模拟波形。这可能需要使用上/下转换和宽带混合器来提供所需的模拟波形，同时避免输入和输出信号上的信号失真。

这个运算放大器是波形转换的基础

模拟波形电路分析

任何可以用于方波或正弦波驱动的分析也可以用于检查模拟波形的生成和转换电路。您可以很容易地将数字脉冲流或正弦源应用到模拟波形生成或转换电路中，并测量电路中各个部分的电流/电压。这允许您看到数字或模拟波形是如何转换的，因为它穿过电路。当您使用正确的基于spice的模拟器(包含强大的UI)时，您可以通过跟踪图上的电压或电流水平创建任意模拟波形，并应用相同的技术。

要测量的一个重要参数是模拟波形操纵电路的带宽。注意，线性和非线性状态下的带宽会因电路中的饱和和单个元件的带宽而不同。应用一个频率扫描适用于线性范围，并将以波德图的形式给出线性带宽的准确视图。然而，检查在非线性状态下发生的事情是更加复杂的，特别是对于任意的模拟波形。

这就是使用傅里叶分析来观察不同模拟波形之间的转换的地方。由于波形的产生和转换可以通过非线性和/或迟滞元件来完成，而且通常需要同时考虑多个频率成分，因此很难用非线性分析技术(例如，小信号分析结合频率扫描)。请注意,转移函数正如大多数工程师所理解的那样，它们不适用于分析电路在非线性状态下工作时的波形产生和转换，因为传递函数不是根据输入信号电平定义的。

构造非线性传递函数所涉及的数学问题相当复杂，超出了本文的讨论范围。但是，您可以使用SPICE模拟结果来创建非线性传递函数的可视化。对输入和输出信号应用傅里叶变换提供了一种简单的方法来检查在模拟电路中不同频率和输入电平下饱和和滞后的影响。如果你通过不同的频率和电压水平迭代，你可以为你的电路构造一个非线性传递函数，并在一个3D图形中可视化它。这可以让你看到带宽是如何随着不同的输入电压水平而变化的。当使用射频信号链中的功率放大器时，这一点尤其重要，因为这些放大器通常接近饱和运行。

将正弦波转换为方波时产生谐波。中心峰值是输入模拟频率。转换电路产生边带谐波。

从设计角度和测量角度来看，这些模拟非常重要。模拟的结果有助于设计，在微调电路时可以迭代不同的组件值。您还可以将模拟结果与测量结果进行比较，这有助于您检查电路中不同的信号完整性问题。

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