一、概述

　　模擬信號分布于自然界的各個(gè)角落，如每天溫度的變化，而數字信號是人為的抽象出來(lái)的在幅度取值上不連續的信號。電學(xué)上的模擬信號主要是指幅度和相位都連續的電信號，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(shí)間作連續變化，如目前廣播的聲音信號，或圖像信號等。

　　與數字信號的區別和聯(lián)系

1.模擬信號與數字信號

　　不同的數據必須轉換為相應的信號才能進(jìn)行傳輸：模擬數據（模擬量）一般采用模擬信號(Analog Signal)，例如用一系列連續變化的電磁波(如無(wú)線(xiàn)電與電視廣播中的電磁波)，或電壓信號(如電話(huà)傳輸中的音頻電壓信號)來(lái)表示；數字數據（數字量）則采用數字信號(Digital Signal)，例如用一系列斷續變化的電壓脈沖(如我們可用恒定的正電壓表示二進(jìn)制數1，用恒定的負電壓表示二進(jìn)制數0)，或光脈沖來(lái)表示。 當模擬信號采用連續變化的電磁波來(lái)表示時(shí)，電磁波本身既是信號載體，同時(shí)作為傳輸介質(zhì)；而當模擬信號采用連續變化的信號電壓來(lái)表示時(shí)，它一般通過(guò)傳統的模擬信號傳輸線(xiàn)路(例如電話(huà)網(wǎng)、有線(xiàn)電視網(wǎng))來(lái)傳輸。 當數字信號采用斷續變化的電壓或光脈沖來(lái)表示時(shí)，一般則需要用雙絞線(xiàn)、電纜或光纖介質(zhì)將通信雙方連接起來(lái)，才能將信號從一個(gè)節點(diǎn)傳到另一個(gè)節點(diǎn)。

2.模擬信號與數字信號之間的相互轉換

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

二、信號采集

1．模擬通道選通

　　單片機測控系統有時(shí)需要進(jìn)行多路和多參數的采集和控制，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，不僅成本比單路成倍增加，而且會(huì )導致系統體積龐大，且由于模擬器件、阻容元件參數特性不一致，對系統的校準帶來(lái)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(gè)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(kāi)關(guān)，可以方便實(shí)現共用。

2．信號濾波

　　從傳感器或其它接收設備獲得的電信號，由于傳輸過(guò)程中的各種噪聲干擾，工作現場(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，嚴重情況下，這種噪聲信號甚至會(huì )淹沒(méi)有效輸入信號，致使測試無(wú)法正常進(jìn)行。為了減少噪聲信號對測控過(guò)程的影響，需采取濾波措施，濾除干擾噪聲，提高系統的信噪比(S/N)。

　　過(guò)去常用模擬濾波電路實(shí)現濾波，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(wú)源濾波。設計有源濾波器，首先根據所要求的幅頻特性，尋找可實(shí)現的有理函數進(jìn)行逼近設計。常用的逼近函數有：波待瓦茲（Butterworth)函數、切比雪夫(Chebyshev)函數，貝塞爾(Besel)函數等，然后計算電路參數，完成設計。

　　但是模擬濾波電路復雜，不僅增加了設計成本，而且還增加系統的功耗，降低了系統可靠性。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，現在很多的場(chǎng)合都應用數字濾波技術(shù)。數字濾波技術(shù)發(fā)展非常迅速，現在的手機、PDA等智能設備，大多采用數字濾波技術(shù)。它作為軟件無(wú)線(xiàn)電的一個(gè)處理單元，有非常廣闊的發(fā)展前景。但是，單片機的處理能力有限，只能完成比較簡(jiǎn)單的數字濾波。

在單片機系統中，首先在設計硬件是對信號采取抗干擾措施，然后在設計軟件時(shí)，對采集到的數據進(jìn)行消除干擾的處理，以進(jìn)一步消除附加在數據中的各式各樣的干擾，使采集到的數據能夠真實(shí)的反映現場(chǎng)的情況。下面介紹的幾種工控中常用的數字濾波技術(shù)。

3．電流電壓的轉換

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

　　電流/電壓轉換最簡(jiǎn)單的方法是在被測電路中串入精密電阻，通過(guò)直接采集電阻兩端的電壓來(lái)獲得電流。A/D器件只能轉換一定范圍的電壓信號，所以在電流/電壓轉換過(guò)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(guò)多次處理，會(huì )損失測量的精度。

　　現在有很多電流/電壓轉換芯片，其響應時(shí)間、線(xiàn)性度、漂移等指標均很理想，且能適應大范圍大電流的測量。

4．電壓頻率的轉換

　　頻率接口有以下特點(diǎn)：

(1)接口簡(jiǎn)單、占用硬件資源少。頻率信號通過(guò)任一根I/O口線(xiàn)或作為中斷源及計數時(shí)鐘輸入系統。

(2)抗干擾性能好。V/F轉換本身是一個(gè)積分過(guò)程，且用V/F轉換器實(shí)現A/D轉換，就是頻率計數過(guò)程，相當于在計數時(shí)間內對頻率信號進(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轉換器與單片機之間的通道，實(shí)現隔離。

(3)便于遠距離傳輸?？赏ㄟ^(guò)調制進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸或光傳輸。

由于以上這些特點(diǎn)，V/F轉換器適用于一些非快速而需進(jìn)行遠距離信號傳輸的A/D轉換過(guò)程。利用V/F變換，還可以減化電路、降低成本、提高性?xún)r(jià)比。

5．A/D轉換

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

三、模擬信號的優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)

　　模擬信號的主要優(yōu)點(diǎn)是其精確的分辨率，在理想情況下，它具有無(wú)窮大的分辨率。與數字信號相比，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(shí)值進(jìn)行盡可能逼近的描述。

模擬信號的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當達到相同的效果，模擬信號處理比數字信號處理更簡(jiǎn)單。模擬信號的處理可以直接通過(guò)模擬電路組件（例如運算放大器等）實(shí)現，而數字信號處理往往涉及復雜的算法，甚至需要專(zhuān)門(mén)的數字信號處理器。

　　缺點(diǎn)

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

噪聲效應會(huì )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(huì )同時(shí)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(guò)引入電子濾波器，過(guò)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(wú)窮分辨率，但并不一定比數字信號更加精確。

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

---