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，而數字信號是人為的抽象出來的在幅度取值上不連續的信號。電學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制數1，用恒定的負電壓表示二進制數0)，或光脈沖來表示。 當模擬信號采用連續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；而當模擬信號采用連續變化的信號電壓來表示時，它一般通過傳統的模擬信號傳輸線路(例如電話網、有線電視網)來傳輸。 當數字信號采用斷續變化的電壓或光脈沖來表示時，一般則需要用雙絞線、電纜或光纖介質將通信雙方連接起來，才能將信號從一個節點傳到另一個節點。

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；數字信號一般通過對載波進行移相(Phase Shift)的方法轉換為模擬信號。計算機、計算機局域網與城域網中均使用二進制數字信號，目前在計算機廣域網中實際傳送的則既有二進制數字信號，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需要進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等環節，不僅成本比單路成倍增加，而且會導致系統體積龐大，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，可以方便實現共用。

2．信號濾波

　　從傳感器或其它接收設備獲得的電信號，由于傳輸過程中的各種噪聲干擾，工作現場的電磁干擾，前段電路本身的影響，往往會有多種頻率成分的噪聲信號，嚴重情況下，這種噪聲信號甚至會淹沒有效輸入信號，致使測試無法正常進行。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，提高系統的信噪比(S/N)。

　　過去常用模擬濾波電路實現濾波，模擬濾波的技術較為成熟。模擬濾波可分為有源濾波和無源濾波。設計有源濾波器，首先根據所要求的幅頻特性，尋找可實現的有理函數進行逼近設計。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。隨著電子技術的發展，現在很多的場合都應用數字濾波技術。數字濾波技術發展非常迅速，現在的手機、PDA等智能設備，大多采用數字濾波技術。它作為軟件無線電的一個處理單元，有非常廣闊的發展前景。但是，單片機的處理能力有限，只能完成比較簡單的數字濾波。

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，對采集到的數據進行消除干擾的處理，以進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的反映現場的情況。下面介紹的幾種工控中常用的數字濾波技術。

3．電流電壓的轉換

　　電壓信號可以經由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，然后進行轉換。電流/電壓轉換在工業控制中應用非常廣泛。

　　電流/電壓轉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器件只能轉換一定范圍的電壓信號，所以在電流/電壓轉換過程中，需要選擇合適阻值的精密電阻。如果電流的動態范圍較多，還必須在后端加入放大器進行二次處理。經過多次處理，會損失測量的精度。

　　現在有很多電流/電壓轉換芯片，其響應時間、線性度、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：

(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時鐘輸入系統。

(2)抗干擾性能好。V/F轉換本身是一個積分過程，且用V/F轉換器實現A/D轉換，就是頻率計數過程，相當于在計數時間內對頻率信號進行積分，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，實現隔離。

(3)便于遠距離傳輸。可通過調制進行無線傳輸或光傳輸。

由于以上這些特點，V/F轉換器適用于一些非快速而需進行遠距離信號傳輸的A/D轉換過程。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轉換

　　A/D轉換是指將模擬輸入信號轉換成N位二進制數字輸出信號的過程。伴隨半導體技術、數字信號處理技術及通信技術的飛速發展，A/D轉換器近年也呈現高速發展的趨勢。人類數字化的浪潮推動了A/D轉換器不斷變革，現在，在通信產品、消費類產品、工業醫療儀器乃至軍工產品中無一不顯現A/D轉換器的身影，可以說，A/D轉換器已經成為人類實現數字化的先鋒。自1973年第一只集成A/D轉換器問世至今，A/D、D/A轉換器在加工工藝、精度、采樣速率上都有長足發展，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、單片化發展。不管怎么發展，A/D轉換的原理和作用都是不變的。在下一節，將著重討論A/D轉換技術。

三、模擬信號的優缺點

　　優點

　　模擬信號的主要優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行盡可能逼近的描述。

模擬信號的另一個優點是，當達到相同的效果，模擬信號處理比數字信號處理更簡單。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，而數字信號處理往往涉及復雜的算法，甚至需要專門的數字信號處理器。

　　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變化值）的影響。信號被多次復制，或進行長距離傳輸之后，這些隨機噪聲的影響可能會變得十分顯著。在電學里，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面效應。

噪聲效應會使信號產生有損。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。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現數字化，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字轉換器轉換為數字信號，以方便計算機進行處理，或通過互聯網進行傳輸。

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