模擬信號
基本介紹
模擬信號（英語：analog signal）是指在時域上數學形式為連續函數的信號。與模擬信號對應的是數字信號，後者採取分立的邏輯值，而前者可以取得連續值。模擬信號的概念常常在涉及電的領域中被使用，不過經典力學、氣動力學（pneumatic）、水力學等學科有時也會使用模擬信號的概念。
模擬信號利用對象的一些物理屬性來表達、傳遞信息。例如，非液體氣壓表利用指針螺旋位置來表達壓強信息。在電學中，電壓是模擬信號最普遍的物理媒介，除此之外，頻率、電流和電荷也可以被用來表達模擬信號。[1]
任何的信息都可以用模擬信號來表達。這裡的信號常常指物理現象中被測量對變化的響應，例如聲音、光、溫度、位移、壓強，這些物理量可以使用傳感器測量。模擬信號中，不同的時間點位置的信號值可以是連續變化的；而對於數字信號，不同時間點的信號值總是處於預先設定的離散點，因此如果物理量的真實值不能在這些預設值中被找到，那麼這時數字信號就與真實值存在一定的偏差。
區別介紹
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）一般採用模擬信號(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）則採用數字信號(Digital Signal)，例如用一系列斷續變化的電壓脈衝(如我們可用恆定的正電壓表示二進制數1，用恆定的負電壓表示二進制數0)，或光脈衝來表示。 當模擬信號採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；而當模擬信號採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。 當數字信號採用斷續變化的電壓或光脈衝來表示時，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。
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脈碼調製(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，例如採用8位編碼可將模擬信號量化為2^8=256個量級，實用中常採取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。但是更多的是具應用發展前景的是數字信號。
數字傳輸
圖所示為一簡單增量調製的仿真實驗原理圖。圖中的話音信號源採用了一個高斯噪聲源經過3KHz低通濾波器後的輸出來模擬。調整圖中的圖符5的增益可以改變差值Δ的大小。在接收端，解調器未使用與本地解調器一致的電路，直接使用積分器解調輸出。如果希望輸出波形平滑，可在積分器和輸出放大器之間加入一個低通濾波器，以濾除信號中的高頻成分。所示是輸入的模擬話音信號波形。是增量調製後的輸出波形。為經過積分器解調後的輸出波形。觀察可以比較輸入輸出波形之間的失真。[2]
由理論分析可知，ΔM的量化信噪比與抽樣頻率成三次方關係，即抽樣頻率每提高一倍則量化信噪比提高9dB。通常ΔM的抽樣頻率至少16KHz以上才能使量化信噪比達到15dB以上。32KHz時，量化信噪比約為26dB左右，可以用於一般的通信質量要求。如果設信道可用的最小信噪比為15dB，則信號的動態範圍僅有11dB，遠遠不能滿足高質量通信要求的35-50dB的動態範圍，除非抽樣頻率提高到100KHz以上採用實用價值。上述理論分析的結論讀者可以通過改變仿真實驗的信號抽樣頻率觀察到。當抽樣頻率低於16KHz時，信號失真已十分明顯，當抽樣頻率為128KHz時失真較小。
改進ΔM動態範圍的方法有很多，其基本原理是採用自適應方法使量階Δ的大小隨輸入信號的統計特性變化而跟蹤變化。如量階能隨信號瞬時壓擴，則稱為瞬時壓擴ΔM，記作ADM。若量階Δ隨音節時間問隔（5一20ms）中信號平均斜率變化，則稱為連續可變斜率增量調製，記作CVSD。由於這種方法中信號斜率是根據碼流中連「1」或連「0」的個數來檢測的，所以又稱為數字檢測、音節壓擴的自適應增量調製，簡稱數字壓擴增量調製。圖9.20給出了數字壓擴增量調製的方框圖。
數字壓擴增量調製與普通增量調製相比，其差別在於增加了連「1」連「0」數字檢測電路和音節平滑電路。由於CVSD的自適應信息（即控制電壓）是從輸出碼流中提取的，所以接收端不需要發送端傳送專門的自適應信息就能自適應於原始信號，電路實現起來比較容易。對於數字壓擴增量調製感興趣的讀者可以在上述仿真實驗的基礎上加入連「1」連「0」數字檢測電路和音節平滑電路，重新仿真並觀察改善情況。
採集信息
7.1.1 模擬信號採集技術
這裡的模擬信號是指電壓和電流信號，對模擬信號的處理技術主要包括模擬量的選通、模擬量的放大、信號濾波、電流電壓的轉換、V/F轉換、A/D轉換等。
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採集和控制，如果每一路都單獨採用各自的輸入迴路，即每一路都採用放大、濾波、採樣/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，且由於模擬器件、阻容元件參數特性不一致，對系統的校準帶來很大困難；並且對於多路巡檢如128路信號採集情況，每路單獨採用一個迴路幾乎是不可能的。因此，除特殊情況下採用多路獨立的放大、A/D外，通常採用公共的採樣/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。
在選擇多路模擬開關時，需要考慮以下幾點：
（1）通道數量
通道數量對切換開關傳輸被測信號的精度和切換速度有直接的影響，因為通道數目越多，寄生電容和泄漏電流通常也越大。平常使用的模擬開關，在選通其中一路時，其它各路並沒有真正斷開，只是處於高阻狀態，仍存在漏電流，對導通的信號產生影響；通道越多，漏電流越大，通道間的干擾也越多。
（2）泄漏電流
在設計電路時，泄漏電流越小越好。採集過程中，信號本身就非常微弱，如果信號源內阻很大，泄漏電流對精度的影響會非常大。
（3）切換速度
在選擇模擬開關時，要綜合考慮每路信號的採樣速率、A/D的轉換速率，因為它們決定了對模擬開關的切換速度的要求。
（4）開關電阻
理想狀態的多路開關其導通電阻為零，而斷開電阻為無窮大，而實際的模擬開關無法到這個要求，因此需考慮其開關電阻，尤其當與開關串聯的負載為低阻抗時，應選擇導通電阻足夠低的多路開關。
（5）參數的漂移性及每路電阻的一致性
（6）器件的封裝
常用的模擬開關有DIP和SO兩種封裝，可以根據實際需要選擇。
2．信號濾波
從傳感器或其它接收設備獲得的電信號，由於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，需採取濾波措施，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，然後計算電路參數，完成設計。
但是模擬濾波電路複雜，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。隨着電子技術的發展，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，大多採用數字濾波技術。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採取抗干擾措施，然後在設計軟件時，對採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，使採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。
（1）死區處理
從工業現場採集到的信號往往會在一定的範圍內不斷的波動，或者說有頻率較高、能量不大的干擾疊加在信號上，這種情況往往出現在應用工控板卡的場合，此時採集到的數據有效值的最後一位不停的波動，難以穩定。這種情況可以採取死區處理，把波動的值進行死區處理，只有當變化超出某值時才認為該值發生了變化。比如編程時可以先對數據除以10，然後取整，去掉波動項。
（2）算術平均值法
公式為YK =(XK1+XK2+XK3+…+XKN)/N，在一個周期內的不同時間點取樣，然後求其平均值，這種方法可以有效的消除周期性的干擾。同樣，這種方法還可以推廣成為連續幾個周期進行平均。
（3）中值濾波法
這種方法的原理是將採集到的若干個周期的變量值進行排序，然後取排好順序的值得中間的值，這種方法可以有效的防止受到突發性脈衝干擾的數據進入。在實際使用時，排序的周期的數量要選擇適當，如果選擇過小，可能起不到去除干擾的作用，選擇的數量過大，會造成採樣數據的時延過大，造成系統性能變差。
（4）低通濾波法
公式為YK =Q*XK+(1-Q)*YK-1 截止頻率為f=K/2πT。這種濾波方式相當於使採集到的數據通過一次低通濾波器。來自現場的信號往往是4~20mA信號，它的變化一般比較緩慢，而干擾一般帶有突發性的特點，變化頻率較高，而低通濾波器就可以濾除這種干擾，這就是低通濾波的原理。實際使用時，根據信號的帶寬，合理選擇Q值。
（5）滑動濾波法
滑動濾波法是由一階低通濾波法推廣而來的。現場信號一般都是平滑的，不會出現突變，如果接收到的信號有突變，那麼很可能就是干擾。滑動濾波法就是基於這個原理，把所有的突變都視為干擾，並且通過平滑去掉干擾。應用這種方法，只能處理平滑信號，並且不同的場合，數據處理過程也要做相應調整。滑動濾波法的公式是：Yn=Q1Xn+Q2Xn-1+Q3Xn-2，其中Q1 + Q2+ Q3 =1且Q1 >Q2> Q3。
在實際使用時，常常需要結合多種方法，以其它濾波的效果。比如在中值濾波法中，加入平均值濾波，藉以提高濾波的性能。
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後採集，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，然後進行轉換。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，通過直接採集電阻兩端的電壓來獲得電流。A/D器件只能轉換一定範圍的電壓信號，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。如果電流的動態範圍較多，還必須在後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，且能適應大範圍大電流的測量。
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，相當於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。另外可採用光電耦合連接V/F轉換器與單片機之間的通道，實現隔離。
(3)便於遠距離傳輸。可通過調製進行無線傳輸或光傳輸。
由於以上這些特點，V/F轉換器適用於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年第一隻集成A/D轉換器問世至今，A/D、D/A轉換器在加工工藝、精度、採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，採樣速度可達1GSPS，今後的A/D轉換器將向超高速、超高精度、集成化、單片化發展。不管怎麼發展，A/D轉換的原理和作用都是不變的。在下一節，將着重討論A/D轉換技術。
7.1.2 A/D轉換技術
現在的軟件無線電、數字圖像採集都需要有高速的A/D採樣保證有效性和精度，一般的測控系統也希望在精度上有所突破，人類數字化的浪潮推動了A/D轉換器不斷變革，而A/D轉換器是人類實現數字化的先鋒。A/D轉換器發展了30多年，經歷了多次的技術革新，從並行、逐次逼近型、積分型ADC，到近年來新發展起來的∑-Δ型和流水線型ADC，它們各有其優缺點，能滿足不同的應用場合的使用。
逐次逼近型、積分型、壓頻變換型等，主要應用於中速或較低速、中等精度的數據採集和智能儀器中。分級型和流水線型ADC主要應用於高速情況下的瞬態信號處理、快速波形存儲與記錄、高速數據採集、視頻信號量化及高速數字通訊技術等領域。此外，採用脈動型和摺疊型等結構的高速ADC，可應用於廣播衛星中的基帶解調等方面。∑-Δ型ADC主應用於高精度數據採集特別是數字音響系統、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領域。下面對各種類型的ADC作簡要介紹。
1．逐次逼近型
逐次逼近型ADC是應用非常廣泛的模/數轉換方法，它包括1個比較器、1個數模轉換器、1個逐次逼近寄存器（SAR）和1個邏輯控制單元。它是將採樣輸入信號與已知電壓不斷進行比較，1個時鐘周期完成1位轉換，N位轉換需要N個時鐘周期，轉換完成，輸出二進制數。這一類型ADC的分辨率和採樣速率是相互矛盾的，分辨率低時採樣速率較高，要提高分辨率，採樣速率就會受到限制。
優點：分辨率低於12位時，價格較低，採樣速率可達1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當低。
缺點：在高於14位分辨率情況下，價格較高；傳感器產生的信號在進行模/數轉換之前需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。
2．積分型ADC
積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，它的應用也比較廣泛。它由1個帶有輸入切換開關的模擬積分器、1個比較器和1個計數單元構成，通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內利用計數器對時鐘脈衝進行計數，從而實現A/D轉換。
積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發生器和計數器來確定，因此所得到的D表達式與時鐘頻率無關，其轉換精度只取決於參考電壓VR。此外，由於輸入端採用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾（如50Hz或60Hz），適合在嘈雜的工業環境中使用。這類ADC主要應用於低速、精密測量等領域，如數字電壓表。
優點：分辨率高，可達22位；功耗低、成本低。
缺點：轉換速率低，轉換速率在12位時為100～300SPS。
3．並行比較A/D轉換器
並行比較ADC主要特點是速度快，它是所有的A/D轉換器中速度最快的，現代發展的高速ADC大多採用這種結構，採樣速率能達到1GSPS以上。但受到功率和體積的限制，並行比較ADC的分辨率難以做的很高。
這種結構的ADC所有位的轉換同時完成，其轉換時間主取決於比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。增加輸出代碼對轉換時間的影響較小，但隨着分辨率的提高，需要高密度的模擬設計以實現轉換所必需的數量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數字增加一位，精密電阻數量就要增加一倍，比較器也近似增加一倍。
並行比較ADC的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制。結果重複的並聯比較器如果精度不匹配，還會造成靜態誤差，如會使輸入失調電壓增大。同時，這一類型的ADC由於比較器的亞穩壓、編碼氣泡，還會產生離散的、不精確的輸出，即所謂的「火花碼」。
優點：模/數轉換速度最高。
缺點：分辨率不高，功耗大，成本高。
4．壓頻變換型ADC
壓頻變換型ADC是間接型ADC，它先將輸入模擬信號的電壓轉換成頻率與其成正比的脈衝信號，然後在固定的時間間隔內對此脈衝信號進行計數，計數結果即為正比於輸入模擬電壓信號的數字量。從理論上講，這種ADC的分辨率可以無限增加，只要採用時間長到滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈衝個數的寬度即可。
優點：精度高、價格較低、功耗較低。
缺點：類似於積分型ADC，其轉換速率受到限制，12位時為100～300SPS。
5．∑-Δ型ADC
∑-Δ轉換器又稱為過採樣轉換器，它採用增量編碼方式即根據前一量值與後一量值的差值的大小來進行量化編碼。∑-Δ型ADC包括模擬∑-Δ調製器和數字抽取濾波器。∑-Δ調製器主要完成信號抽樣及增量編碼，它給數字抽取濾波器提供增量編碼即∑-Δ碼；數字抽取濾波器完成對∑-Δ碼的抽取濾波，把增量編碼轉換成高分辨率的線性脈衝編碼調製的數字信號。因此抽取濾波器實際上相當於一個碼型變換器。
優點：分辨率較高，高達24位；轉換速率高，高於積分型和壓頻變換型ADC；價格低；內部利用高倍頻過採樣技術，實現了數字濾波，降低了對傳感器信號進行濾波的要求。
缺點：高速∑-△型ADC的價格較高；在轉換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高。
6．流水線型ADC
流水線結構ADC，又稱為子區式ADC，它是一種高效和強大的模數轉換器。它能夠提供高速、高分辨率的模數轉換，並且具有令人滿意的低功率消耗和很小的芯片尺寸；經過合理的設計，還可以提供優異的動態特性。
流水線型ADC由若干級級聯電路組成，每一級包括一個採樣/保持放大器、一個低分辨率的ADC和DAC以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器。快速精確的n位轉換器分成兩段以上的子區（流水線）來完成。首級電路的採樣/保持器對輸入信號取樣後先由一個m位分辨率粗A/D轉換器對輸入進行量化，接着用一個至少n位精度的乘積型數模轉換器（MDAC）產生一個對應於量化結果的模/擬電平並送至求和電路，求和電路從輸入信號中扣除此模擬電平。並將差值精確放大某一固定增益後關交下一級電路處理。經過各級這樣的處理後，最後由一個較高精度的K位細A/D轉換器對殘餘信號進行轉換。將上述各級粗、細A/D的輸出組合起來即構成高精度的n位輸出。
優點：有良好的線性和低失調；可以同時對多個採樣進行處理，有較高的信號處理速度，典型的為Tconv<100ns；低功率；高精度；高分辨率；可以簡化電路。
缺點：基準電路和偏置結構過於複雜；輸入信號需要經過特殊處理，以便穿過數級電路造成流水延遲；對鎖存定時的要求嚴格；對電路工藝要求很高，電路板上設計得不合理會影響增益的線性、失調及其它參數。
目前，這種新型的ADC結構主要應用於對THD和SFDR及其它頻域特性要求較高的通訊系統，對噪聲、帶寬和瞬態相應速度等時域特性要求較高的CCD成像系統，對時域和頻域參數都要求較高的數據採集系統。
7.1.3 A/D轉換器件選型指南
A/D轉換器的品種繁多，性能各異，A/D轉換器的選擇直接影響系統的性能。在確定設計方案後，首先需要明確A/D轉換的需要的指標要求，包括數據精度、採樣速率、信號範圍等等。
1．確定A/D轉換器的位數
在選擇A/D器件之前，需要明確設計所要達到的精度。精度是反映轉換器的實際輸出接近理想輸出的精確程度的物理量。在轉化過程中，由於存在量化誤差和系統誤差，精度會有所損失。其中量化誤差對於精度的影響是可計算的，它主要決定於A/D轉換器件的位數。A/D轉換器件的位數可以用分辨率來表示。一般把8位以下的A/D轉換器稱為低分辨率ADC，9~12位稱為中分辨率ADC，13位以上為高分辨率。A/D器件的位數越高，分辨率越高，量化誤差越小，能達到的精度越高。理論上可以通過增加A/D器件的位數，無止境提高系統的精度。但事實並非如此，由於A/D前端的電路也會有誤差，它也同樣制約着系統的精度。
比如，用A/D採集傳感器提供的信號，傳感器的精度會制約A/D採樣的精度，經A/D採集後信號的精度不可能超過傳感器輸出信號的精度。設計時應當綜合考慮系統需要的精度以及前端信號的精度。
2．選擇A/D轉換器的轉換速率
在不同的應用場合，對轉換速率的要求是不同的，在相同的場合，精度要求不同，採樣速率也會不同。採樣速率主要由採樣定理決定。確定了應用場合，就可以根據採集信號對象的特性，利用採樣定理計算採樣速率。如果採用數字濾波技術，還必須進行過採樣，提高採樣速率。
3．判斷是否需要採樣/保持器
採樣/保持器主要用於穩定信號量，實現平頂抽樣。對於高頻信號的採集，採樣/保持器是非常必要的。如果採集直流或者低頻信號，可以不需要採樣保持器。
4．選擇合適的量程
模擬信號的動態範圍較大，有時還有可能出現負電壓。在選擇時，待測信號的動態範圍最好在A/D器件的量程範圍內。以減少額外的硬件付出。
5．選擇合適的線形度
在A/D採集過程中，線形度越高越好。但是線形度越高，器件的價格也越高。當然，也可以通過軟件補償來減少非線性的影響。所以在設計時要綜合考慮精度、價格、軟件實現難度等因素。
6．選擇A/D器件的輸出接口
A/D器件接口的種類很多，有並行總線接口的，有SPI、I2C、1-Wire等串行總線接口的。它們在原理和精度上相同，但是控制方法和接口電路會有很大差異。在接口上的選擇，主要決定於系統要求、已經開發者對於各種接口的熟練程度。
7.1.4 數字邏輯信號的採集
通常需要採集的數字邏輯信號包括頻率信號、邏輯編碼信號。頻率信號典型的應用包括測量電壓，提供時間基準等。邏輯編碼信號是個很廣泛的概念，現在有的傳感器是數字型的，它輸出的不是電流或電壓，而直接是編碼的邏輯信號，如溫度傳感器DS1820、各種時鐘芯片、GPS OEM模塊等。邏輯編碼信號的採集主要考慮物力接口和通信協議。在有些書本中，也將其歸類為通信技術。