一、概述

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

　　與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別和聯(lián)系

1.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

　　不同的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號(hào)才能進(jìn)行傳輸：模擬數(shù)據(jù)（模擬量）一般采用模擬信號(hào)(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(hào)(如電話傳輸中的音頻電壓信號(hào))來表示；數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（數(shù)字量）則采用數(shù)字信號(hào)(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(hào)采用連續(xù)變化的電磁波來表示時(shí)，電磁波本身既是信號(hào)載體，同時(shí)作為傳輸介質(zhì)；而當(dāng)模擬信號(hào)采用連續(xù)變化的信號(hào)電壓來表示時(shí)，它一般通過傳統(tǒng)的模擬信號(hào)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(hào)采用斷續(xù)變化的電壓或光脈沖來表示時(shí)，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(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換

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

二、信號(hào)采集

1．模擬通道選通

　　單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)有時(shí)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(dú)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(huì)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(duì)系統(tǒng)的校準(zhǔn)帶來很大困難；并且對(duì)于多路巡檢如128路信號(hào)采集情況，每路單獨(dú)采用一個(gè)回路幾乎是不可能的。因此，除特殊情況下采用多路獨(dú)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(shí)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(shí)現(xiàn)共用。

2．信號(hào)濾波

　　從傳感器或其它接收設(shè)備獲得的電信號(hào)，由于傳輸過程中的各種噪聲干擾，工作現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾，前段電路本身的影響，往往會(huì)有多種頻率成分的噪聲信號(hào)，嚴(yán)重情況下，這種噪聲信號(hào)甚至?xí)蜎]有效輸入信號(hào)，致使測(cè)試無法正常進(jìn)行。為了減少噪聲信號(hào)對(duì)測(cè)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(shí)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(jì)有源濾波器，首先根據(jù)所要求的幅頻特性，尋找可實(shí)現(xiàn)的有理函數(shù)進(jìn)行逼近設(shè)計(jì)。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(jì)算電路參數(shù)，完成設(shè)計(jì)。

　　但是模擬濾波電路復(fù)雜，不僅增加了設(shè)計(jì)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(chǎng)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(gè)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(jiǎn)單的數(shù)字濾波。

在單片機(jī)系統(tǒng)中，首先在設(shè)計(jì)硬件是對(duì)信號(hào)采取抗干擾措施，然后在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，對(duì)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(shí)的反映現(xiàn)場(chǎng)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(hào)可以經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(hào)，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(jiǎn)單的方法是在被測(cè)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(hào)，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(dòng)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(huì)損失測(cè)量的精度。

　　現(xiàn)在有很多電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片，其響應(yīng)時(shí)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(cè)量。

4．電壓頻率的轉(zhuǎn)換

　　頻率接口有以下特點(diǎn)：

(1)接口簡(jiǎn)單、占用硬件資源少。頻率信號(hào)通過任一根I/O口線或作為中斷源及計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入系統(tǒng)。

(2)抗干擾性能好。V/F轉(zhuǎn)換本身是一個(gè)積分過程，且用V/F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，就是頻率計(jì)數(shù)過程，相當(dāng)于在計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行積分，因而有較強(qiáng)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(shí)現(xiàn)隔離。

(3)便于遠(yuǎn)距離傳輸。可通過調(diào)制進(jìn)行無線傳輸或光傳輸。

由于以上這些特點(diǎn)，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(hào)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(jià)比。

5．A/D轉(zhuǎn)換

　　A/D轉(zhuǎn)換是指將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成N位二進(jìn)制數(shù)字輸出信號(hào)的過程。伴隨半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)字信號(hào)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(shì)。人類數(shù)字化的浪潮推動(dòng)了A/D轉(zhuǎn)換器不斷變革，現(xiàn)在，在通信產(chǎn)品、消費(fèi)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(shí)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(zhǎng)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(hào)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)

　　模擬信號(hào)的主要優(yōu)點(diǎn)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(hào)相比，模擬信號(hào)的信息密度更高。由于不存在量化誤差，它可以對(duì)自然界物理量的真實(shí)值進(jìn)行盡可能逼近的描述。

模擬信號(hào)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)達(dá)到相同的效果，模擬信號(hào)處理比數(shù)字信號(hào)處理更簡(jiǎn)單。模擬信號(hào)的處理可以直接通過模擬電路組件（例如運(yùn)算放大器等）實(shí)現(xiàn)，而數(shù)字信號(hào)處理往往涉及復(fù)雜的算法，甚至需要專門的數(shù)字信號(hào)處理器。

　　缺點(diǎn)

　　模擬信號(hào)的主要缺點(diǎn)是它總是受到雜訊（信號(hào)中不希望得到的隨機(jī)變化值）的影響。信號(hào)被多次復(fù)制，或進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸之后，這些隨機(jī)噪聲的影響可能會(huì)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(huì)使信號(hào)產(chǎn)生有損。有損后的模擬信號(hào)幾乎不可能再次被還原，因?yàn)閷?duì)所需信號(hào)的放大會(huì)同時(shí)對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行放大。如果噪聲頻率與所需信號(hào)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(hào)理論上具有無窮分辨率，但并不一定比數(shù)字信號(hào)更加精確。

盡管數(shù)字信號(hào)處理算法相對(duì)復(fù)雜，但是現(xiàn)有的數(shù)字信號(hào)處理器可以快速地完成這一任務(wù)。另外，計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)的逐漸普及，使得數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化，盡管它們最初必須以模擬信號(hào)的形式接收真實(shí)物理量的信息，最后都會(huì)通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以方便計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，或通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

---