當(dāng)前位置:首頁銀河百科 │ 模擬信號

模擬信號

  • 瀏覽次數(shù):13378次
  • 發(fā)布時間:2013/9/18 12:31:48
  • 作者:銀河電氣

一、概述

  模擬信號分布于自然界的各個角落,如每天溫度的變化,而數(shù)字信號是人為的抽象出來的在幅度取值上不連續(xù)的信號。電學(xué)上的模擬信號主要是指幅度和相位都連續(xù)的電信號,此信號可以被模擬電路進(jìn)行各種運算,如放大,相加,相乘等。模擬信號是指用連續(xù)變化的物理量表示的信息,其信號的幅度,或頻率,或相位隨時間作連續(xù)變化,如目前廣播的聲音信號,或圖像信號等。

  與數(shù)字信號的區(qū)別和聯(lián)系

1.模擬信號與數(shù)字信號

  不同的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號才能進(jìn)行傳輸:模擬數(shù)據(jù)(模擬量)一般采用模擬信號(Analog Signal),例如用一系列連續(xù)變化的電磁波(如無線電與電視廣播中的電磁波),或電壓信號(如電話傳輸中的音頻電壓信號)來表示;數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(數(shù)字量)則采用數(shù)字信號(Digital Signal),例如用一系列斷續(xù)變化的電壓脈沖(如我們可用恒定的正電壓表示二進(jìn)制數(shù)1,用恒定的負(fù)電壓表示二進(jìn)制數(shù)0),或光脈沖來表示。 當(dāng)模擬信號采用連續(xù)變化的電磁波來表示時,電磁波本身既是信號載體,同時作為傳輸介質(zhì);而當(dāng)模擬信號采用連續(xù)變化的信號電壓來表示時,它一般通過傳統(tǒng)的模擬信號傳輸線路(例如電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng))來傳輸。 當(dāng)數(shù)字信號采用斷續(xù)變化的電壓或光脈沖來表示時,一般則需要用雙絞線、電纜或光纖介質(zhì)將通信雙方連接起來,才能將信號從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點。

2.模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換

  模擬信號和數(shù)字信號之間可以相互轉(zhuǎn)換:模擬信號一般通過PCM脈碼調(diào)制(Pulse Code Modulation)方法量化為數(shù)字信號,即讓模擬信號的不同幅度分別對應(yīng)不同的二進(jìn)制值,例如采用8位編碼可將模擬信號量化為2^8=256個量級,實用中常采取24位或30位編碼;數(shù)字信號一般通過對載波進(jìn)行移相(Phase Shift)的方法轉(zhuǎn)換為模擬信號。計算機(jī)、計算機(jī)局域網(wǎng)與城域網(wǎng)中均使用二進(jìn)制數(shù)字信號,目前在計算機(jī)廣域網(wǎng)中實際傳送的則既有二進(jìn)制數(shù)字信號,也有由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換而得的模擬信號。但是更具應(yīng)用發(fā)展前景的是數(shù)字信號。

二、信號采集

1.模擬通道選通

  單片機(jī)測控系統(tǒng)有時需要進(jìn)行多路和多參數(shù)的采集和控制,如果每一路都單獨采用各自的輸入回路,即每一路都采用放大、濾波、采樣/保持,A/D等環(huán)節(jié),不僅成本比單路成倍增加,而且會導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大,且由于模擬器件、阻容元件參數(shù)特性不一致,對系統(tǒng)的校準(zhǔn)帶來很大困難;并且對于多路巡檢如128路信號采集情況,每路單獨采用一個回路幾乎是不可能的。因此,除特殊情況下采用多路獨立的放大、A/D外,通常采用公共的采樣/保持及A/D轉(zhuǎn)換電路(有時甚至可將某些放大電路共用),利用多路模擬開關(guān),可以方便實現(xiàn)共用。

2.信號濾波

  從傳感器或其它接收設(shè)備獲得的電信號,由于傳輸過程中的各種噪聲干擾,工作現(xiàn)場的電磁干擾,前段電路本身的影響,往往會有多種頻率成分的噪聲信號,嚴(yán)重情況下,這種噪聲信號甚至?xí)蜎]有效輸入信號,致使測試無法正常進(jìn)行。為了減少噪聲信號對測控過程的影響,需采取濾波措施,濾除干擾噪聲,提高系統(tǒng)的信噪比(S/N)。

  過去常用模擬濾波電路實現(xiàn)濾波,模擬濾波的技術(shù)較為成熟。模擬濾波可分為有源濾波和無源濾波。設(shè)計有源濾波器,首先根據(jù)所要求的幅頻特性,尋找可實現(xiàn)的有理函數(shù)進(jìn)行逼近設(shè)計。常用的逼近函數(shù)有:波待瓦茲(Butterworth)函數(shù)、切比雪夫(Chebyshev)函數(shù),貝塞爾(Besel)函數(shù)等,然后計算電路參數(shù),完成設(shè)計。

  但是模擬濾波電路復(fù)雜,不僅增加了設(shè)計成本,而且還增加系統(tǒng)的功耗,降低了系統(tǒng)可靠性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在很多的場合都應(yīng)用數(shù)字濾波技術(shù)。數(shù)字濾波技術(shù)發(fā)展非常迅速,現(xiàn)在的手機(jī)、PDA等智能設(shè)備,大多采用數(shù)字濾波技術(shù)。它作為軟件無線電的一個處理單元,有非常廣闊的發(fā)展前景。但是,單片機(jī)的處理能力有限,只能完成比較簡單的數(shù)字濾波。

在單片機(jī)系統(tǒng)中,首先在設(shè)計硬件是對信號采取抗干擾措施,然后在設(shè)計軟件時,對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除干擾的處理,以進(jìn)一步消除附加在數(shù)據(jù)中的各式各樣的干擾,使采集到的數(shù)據(jù)能夠真實的反映現(xiàn)場的情況。下面介紹的幾種工控中常用的數(shù)字濾波技術(shù)。

3.電流電壓的轉(zhuǎn)換

  電壓信號可以經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號然后采集,但是電流不能直接由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用中,先將電流轉(zhuǎn)變成電壓信號,然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電流/電壓轉(zhuǎn)換在工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛。

  電流/電壓轉(zhuǎn)換最簡單的方法是在被測電路中串入精密電阻,通過直接采集電阻兩端的電壓來獲得電流。A/D器件只能轉(zhuǎn)換一定范圍的電壓信號,所以在電流/電壓轉(zhuǎn)換過程中,需要選擇合適阻值的精密電阻。如果電流的動態(tài)范圍較多,還必須在后端加入放大器進(jìn)行二次處理。經(jīng)過多次處理,會損失測量的精度。

  現(xiàn)在有很多電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片,其響應(yīng)時間、線性度、漂移等指標(biāo)均很理想,且能適應(yīng)大范圍大電流的測量。

4.電壓頻率的轉(zhuǎn)換

  頻率接口有以下特點:

(1)接口簡單、占用硬件資源少。頻率信號通過任一根I/O口線或作為中斷源及計數(shù)時鐘輸入系統(tǒng)。

(2)抗干擾性能好。V/F轉(zhuǎn)換本身是一個積分過程,且用V/F轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,就是頻率計數(shù)過程,相當(dāng)于在計數(shù)時間內(nèi)對頻率信號進(jìn)行積分,因而有較強的抗干擾能力。另外可采用光電耦合連接V/F轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)之間的通道,實現(xiàn)隔離。

(3)便于遠(yuǎn)距離傳輸??赏ㄟ^調(diào)制進(jìn)行無線傳輸或光傳輸。

由于以上這些特點,V/F轉(zhuǎn)換器適用于一些非快速而需進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)腁/D轉(zhuǎn)換過程。利用V/F變換,還可以減化電路、降低成本、提高性價比。

5.A/D轉(zhuǎn)換

  A/D轉(zhuǎn)換是指將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成N位二進(jìn)制數(shù)字輸出信號的過程。伴隨半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展,A/D轉(zhuǎn)換器近年也呈現(xiàn)高速發(fā)展的趨勢。人類數(shù)字化的浪潮推動了A/D轉(zhuǎn)換器不斷變革,現(xiàn)在,在通信產(chǎn)品、消費類產(chǎn)品、工業(yè)醫(yī)療儀器乃至軍工產(chǎn)品中無一不顯現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的身影,可以說,A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為人類實現(xiàn)數(shù)字化的先鋒。自1973年第一只集成A/D轉(zhuǎn)換器問世至今,A/D、D/A轉(zhuǎn)換器在加工工藝、精度、采樣速率上都有長足發(fā)展,現(xiàn)在的A/D轉(zhuǎn)換器的精度可達(dá)26位,采樣速度可達(dá)1GSPS,今后的A/D轉(zhuǎn)換器將向超高速、超高精度、集成化、單片化發(fā)展。不管怎么發(fā)展,A/D轉(zhuǎn)換的原理和作用都是不變的。在下一節(jié),將著重討論A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。

三、模擬信號的優(yōu)缺點

  優(yōu)點

  模擬信號的主要優(yōu)點是其精確的分辨率,在理想情況下,它具有無窮大的分辨率。與數(shù)字信號相比,模擬信號的信息密度更高。由于不存在量化誤差,它可以對自然界物理量的真實值進(jìn)行盡可能逼近的描述。

模擬信號的另一個優(yōu)點是,當(dāng)達(dá)到相同的效果,模擬信號處理比數(shù)字信號處理更簡單。模擬信號的處理可以直接通過模擬電路組件(例如運算放大器等)實現(xiàn),而數(shù)字信號處理往往涉及復(fù)雜的算法,甚至需要專門的數(shù)字信號處理器。

  缺點

  模擬信號的主要缺點是它總是受到雜訊(信號中不希望得到的隨機(jī)變化值)的影響。信號被多次復(fù)制,或進(jìn)行長距離傳輸之后,這些隨機(jī)噪聲的影響可能會變得十分顯著。在電學(xué)里,使用接地屏蔽(shield)、線路良好接觸、使用同軸電纜或雙絞線,可以在一定程度上緩解這些負(fù)面效應(yīng)。

噪聲效應(yīng)會使信號產(chǎn)生有損。有損后的模擬信號幾乎不可能再次被還原,因為對所需信號的放大會同時對噪聲信號進(jìn)行放大。如果噪聲頻率與所需信號的頻率差距較大,可以通過引入電子濾波器,過濾掉特定頻率的噪聲,但是這一方案只能盡可能地降低噪聲的影響。因此,在噪聲在作用下,雖然模擬信號理論上具有無窮分辨率,但并不一定比數(shù)字信號更加精確。

盡管數(shù)字信號處理算法相對復(fù)雜,但是現(xiàn)有的數(shù)字信號處理器可以快速地完成這一任務(wù)。另外,計算機(jī)等系統(tǒng)的逐漸普及,使得數(shù)字信號的傳播、處理都變得更加方便。諸如照相機(jī)等設(shè)備都逐漸實現(xiàn)數(shù)字化,盡管它們最初必須以模擬信號的形式接收真實物理量的信息,最后都會通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,以方便計算機(jī)進(jìn)行處理,或通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。


上一篇:滑動平均

下一篇:三次諧波

Copyright 2010-2017 m.myyfit.com, All Rights Reserved 湖南銀河電氣有限公司 版權(quán)所有 湘ICP備09002592號-5