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。

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