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关于硬件供电的模拟与数字信号的问题及建议

半导体动态 2018-02-02 17:37 次阅读

功率是指能量消耗的速率或者是做功的速率。这意味着在交流(AC)和直流(DC电路中, 电路板上每个元件的功率等于通过该元件的电流乘上该元件两端的电压(P=VI)。电路板上所有元件的功率和能量都需要精确计算出来,以决定该电路板的具体功耗要求。因为每种元件都只能使用某种特定类型的能量,所以可能需要使用AC-DC转换器、DC-AC转换器、直接AC-AC转换器这些设备。同时,每个元件工作所需的功率,以及元件所能承受或消耗的功率都有限额,这些计算结果可以决定在电路板上使用何种类型的电压源,以及电压源的强度。

在嵌入式系统中, AC电压源和DC电压源都被采用, 因为这两种发电技术有各自的优缺点。 AC比较容易大量生成,可以使用涡轮驱动的发电机来产生, 涡轮的转动可以由从风力到水力的任何事物来驱动。从电化学单元(电池)中产生大量约DC是很不实际的。同时,电流通过长传输线传输时,电线的电阻会导致大量的能量损失,现在多数的电力公司都以AC电流的方式进行电力传输时,这是因为相对于DC而言AC转换为更高或者更低的电压要容易得多。使用AC传输时,服务提供商使用称为变压器transformer)的设备来实现长距离低损耗的高效电流传输。 变压器是一种可以将电能从一个电路传输到另一个电路的设备, 并且在传输的过程中可以改变电压和电流。 服务提供商从发电站中输送出高电压低电流的电能,之后用户端的变压器将电压降至所需的值。 在不太重要的方面, 当电压非常高时, 电线传输DC时呈现的电阻要比AC小,所以此时使用DC进行超长距离传输的效率要比AC高。

部分嵌入式电路板集成或者通过插头接入电源(power supply)。电源可以是AC或是DC,使用AC电源为只能使用DC的组件供电时,需要使用AC-DC转换器将AC转换为较低的DC电压,以满足嵌入式电路板上各种组件的电压要求,通常要求是3.3V 5V12V

注意:其他类型的转换器,例如DC-DC转换器、DC-AC转换器或者直接AC-AC转换器,可以用于实观有其他要求的设备所需要的电源转换。

其他的嵌入式电路板或板上组件(如将在第5意详细讨论的非易失性存储器)使用电池 (battery)作为电压源,电池由于其尺寸较小,所以更适于为嵌入式系统供电。电池供电的嵌入式电路板所需要的能量不依赖于发电站, 不需要插入到电源插座, 从而能够为嵌入式设备提供更大的便携性。同时,因为电池提供DC电流,所以不用将AC转换为DC提供给需要DC的元件, 而依靠电源和电源插座提供AC的嵌入式电路板则需要将AC转换为DC。 但是电池的寿命有限, 需要重新充电或者更换。

模拟与数字信号的快捷注释

数字系统只能处理数字数据,其中数据只能由01表示。 在大多数嵌入式电路板上, 用两种电压分别代表0” 和 “1”, 因为所有数据都是由10的某种组合来表示的。 无电压(0V)称为地、VSS或者LOW,而3V5V12 V通常称为VCCVDD或者HIGH系统中的所有信号都是两种电压中的一种,或是正在转换到两种电压中的某一种。系统可以定义0”作为低电压,“1”作为高电压,或者0V-1 V的范围作为LOW4V-5V的范围作为HIGH。系统也可以基于边沿(低到高)或(高到低)来定义“0” 或“1”。

因为嵌入式电路板上大多数的主要组件,例如处理器,本质就是处理10的数字信号, 所以许多的嵌入式硬件本质上是数字的。尽管如此,嵌入式系统依然可以处理模拟信号,模拟信号是连续的,也就是说,不仅仅是10,还可以是0-1之间的任何值。显然,电路板上需要有某种机制将模拟信号转换为数字信号。模拟信号可以通过采样处理而被数字化,得到的数字数据也可以被转换成反映原始模拟波形的电压“波”。

实际的建议

不精确的信号:模拟信号和数字信号中的噪声问题

模拟信号和数字信号中最严重的问题之一是噪声导致输入信号发生失真,从而影响(恶化)

数据的精确度。噪声一般是来自输入信号源的不期望的信号变化,如除了传感器外的其他任何信号输入,或是传感器本身产生的噪声。嗓声是模拟信号中的常见问题。另一方面,如果提供给嵌入式处理器的数字信号不是本地产生的,那么受噪声影响的危险性会更大,因此如果数字信号经过很长的传输介质的传送,则极其容易受到噪声问题的影响。

模拟噪声可以产生自很多种噪声源-一射频信号、闪电、输电线、微处理器、模拟传感电子设备本身等。这一点对于数字噪声也是成立的,数字噪声可以来自作为计算机输入的机械接头、传输电源/数据的不洁集电环、输入信号源的精度/可靠性局限等。

减小模拟或数字噪声的关键手段是:(1)遵从基本的设计指导方针以避免噪声问题。对于模 拟嗓声而言,这些指导方针包括不要混合模拟地和数字地,保持电路板上敏感的电子元件远离切换电流的元件,限制低信号/阻扰线路的长度。对于数字信号而言,信号走线应当远离噪声感应的高电流电缆,屏蔽走线,使用正确的技术传输信号等;(2)确定问题的根源,即明确地知道是什么引起的噪声。一旦确定了噪声的根源,可以使用硬件或软件进行修正。减小模拟嗓声的技术包括滤除不需要的频率,均衡输入信号等,而数字噪声通常通过传输纠错码或奇偶校验位来确定,并且/或者在电路板上添加额外的硬件用于纠正接收数据中的错误。

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