一、概述

　　模拟信号分布于自然界的各个角落，如每天温度的变化，而数字信号是人为的抽象出来的在幅度取值上不连续的信号。电学上的模拟信号主要是指幅度和相位都连续的电信号，此信号可以被模拟电路进行各种运算，如放大，相加，相乘等。模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化，如目前广播的声音信号，或图像信号等。

　　与数字信号的区别和联系

1.模拟信号与数字信号

　　不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据（模拟量）一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据（数字量）则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。 当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。 当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。

2.模拟信号与数字信号之间的相互转换

　　模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数字信号。

二、信号采集

1．模拟通道选通

　　单片机测控系统有时需要进行多路和多参数的采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、滤波、采样/保持，A/D等环节，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难；并且对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采用一个回路几乎是不可能的。因此，除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D外，通常采用公共的采样/保持及A/D转换电路(有时甚至可将某些放大电路共用)，利用多路模拟开关，可以方便实现共用。

2．信号滤波

　　从传感器或其它接收设备获得的电信号，由于传输过程中的各种噪声干扰，工作现场的电磁干扰，前段电路本身的影响，往往会有多种频率成分的噪声信号，严重情况下，这种噪声信号甚至会淹没有效输入信号，致使测试无法正常进行。为了减少噪声信号对测控过程的影响，需采取滤波措施，滤除干扰噪声，提高系统的信噪比(S/N)。

　　过去常用模拟滤波电路实现滤波，模拟滤波的技术较为成熟。模拟滤波可分为有源滤波和无源滤波。设计有源滤波器，首先根据所要求的幅频特性，寻找可实现的有理函数进行逼近设计。常用的逼近函数有：波待瓦兹（Butterworth)函数、切比雪夫(Chebyshev)函数，贝塞尔(Besel)函数等，然后计算电路参数，完成设计。

　　但是模拟滤波电路复杂，不仅增加了设计成本，而且还增加系统的功耗，降低了系统可靠性。随着电子技术的发展，现在很多的场合都应用数字滤波技术。数字滤波技术发展非常迅速，现在的手机、PDA等智能设备，大多采用数字滤波技术。它作为软件无线电的一个处理单元，有非常广阔的发展前景。但是，单片机的处理能力有限，只能完成比较简单的数字滤波。

在单片机系统中，首先在设计硬件是对信号采取抗干扰措施，然后在设计软件时，对采集到的数据进行消除干扰的处理，以进一步消除附加在数据中的各式各样的干扰，使采集到的数据能够真实的反映现场的情况。下面介绍的几种工控中常用的数字滤波技术。

3．电流电压的转换

　　电压信号可以经由A/D转换器件转换成数字信号然后采集，但是电流不能直接由A/D 转换器转换。在应用中，先将电流转变成电压信号，然后进行转换。电流/电压转换在工业控制中应用非常广泛。

　　电流/电压转换最简单的方法是在被测电路中串入精密电阻，通过直接采集电阻两端的电压来获得电流。A/D器件只能转换一定范围的电压信号，所以在电流/电压转换过程中，需要选择合适阻值的精密电阻。如果电流的动态范围较多，还必须在后端加入放大器进行二次处理。经过多次处理，会损失测量的精度。

　　现在有很多电流/电压转换芯片，其响应时间、线性度、漂移等指标均很理想，且能适应大范围大电流的测量。

4．电压频率的转换

　　频率接口有以下特点：

(1)接口简单、占用硬件资源少。频率信号通过任一根I/O口线或作为中断源及计数时钟输入系统。

(2)抗干扰性能好。V/F转换本身是一个积分过程，且用V/F转换器实现A/D转换，就是频率计数过程，相当于在计数时间内对频率信号进行积分，因而有较强的抗干扰能力。另外可采用光电耦合连接V/F转换器与单片机之间的通道，实现隔离。

(3)便于远距离传输。可通过调制进行无线传输或光传输。

由于以上这些特点，V/F转换器适用于一些非快速而需进行远距离信号传输的A/D转换过程。利用V/F变换，还可以减化电路、降低成本、提高性价比。

5．A/D转换

　　A/D转换是指将模拟输入信号转换成N位二进制数字输出信号的过程。伴随半导体技术、数字信号处理技术及通信技术的飞速发展，A/D转换器近年也呈现高速发展的趋势。人类数字化的浪潮推动了A/D转换器不断变革，现在，在通信产品、消费类产品、工业医疗仪器乃至军工产品中无一不显现A/D转换器的身影，可以说，A/D转换器已经成为人类实现数字化的先锋。自1973年第一只集成A/D转换器问世至今，A/D、D/A转换器在加工工艺、精度、采样速率上都有长足发展，现在的A/D转换器的精度可达26位，采样速度可达1GSPS，今后的A/D转换器将向超高速、超高精度、集成化、单片化发展。不管怎么发展，A/D转换的原理和作用都是不变的。在下一节，将着重讨论A/D转换技术。

三、模拟信号的优缺点

　　优点

　　模拟信号的主要优点是其精确的分辨率，在理想情况下，它具有无穷大的分辨率。与数字信号相比，模拟信号的信息密度更高。由于不存在量化误差，它可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述。

模拟信号的另一个优点是，当达到相同的效果，模拟信号处理比数字信号处理更简单。模拟信号的处理可以直接通过模拟电路组件（例如运算放大器等）实现，而数字信号处理往往涉及复杂的算法，甚至需要专门的数字信号处理器。

　　缺点

　　模拟信号的主要缺点是它总是受到杂讯（信号中不希望得到的随机变化值）的影响。信号被多次复制，或进行长距离传输之后，这些随机噪声的影响可能会变得十分显著。在电学里，使用接地屏蔽（shield）、线路良好接触、使用同轴电缆或双绞线，可以在一定程度上缓解这些负面效应。

噪声效应会使信号产生有损。有损后的模拟信号几乎不可能再次被还原，因为对所需信号的放大会同时对噪声信号进行放大。如果噪声频率与所需信号的频率差距较大，可以通过引入电子滤波器，过滤掉特定频率的噪声，但是这一方案只能尽可能地降低噪声的影响。因此，在噪声在作用下，虽然模拟信号理论上具有无穷分辨率，但并不一定比数字信号更加精确。

尽管数字信号处理算法相对复杂，但是现有的数字信号处理器可以快速地完成这一任务。另外，计算机等系统的逐渐普及，使得数字信号的传播、处理都变得更加方便。诸如照相机等设备都逐渐实现数字化，尽管它们最初必须以模拟信号的形式接收真实物理量的信息，最后都会通过模拟数字转换器转换为数字信号，以方便计算机进行处理，或通过互联网进行传输。

 

　　作者：vfecc

　　单位：湖南银河电气有限公司（www.vfe.cc）

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