簡介
模拟信号傳輸過程中，先把信息信号轉換成幾乎“一模一樣”的波動電信号(因此叫“模拟”)，再通過有線或無線的方式傳輸出去，電信号被接收下來後，通過接收設備還原成信息信号。
近百年以來，無論是有線相連的電話，還是無線發送的廣播電視，很長的時間内都是用模拟信号來傳遞信号的。照說模拟信号同原來的信号在波形上幾乎“一模一樣”，似乎應該達到很好的傳播效果，然而事實恰恰相反，過去我們打電話時常常遇到聽不清、雜音大的現象;廣播電台播出的交響樂，聽起來同在現場聽樂隊演奏相比總有較大的欠缺;電視圖像上也時有雪花點閃爍。這是因為信号在傳輸過程中要經過許多的處理和轉送，這些設備難免要産生一些噪音和幹擾;此外，如果是有線傳輸，線路附近的電氣設備也要産生電磁幹擾;如果是無線傳送，則更加“開放”，空中的各種幹擾根本無法抗拒。
這些幹擾很容易引起信号失真，也會帶來一些噪聲。這些失真和附加的噪聲，還會随着傳送的距離的增加而積累起來，嚴重影響通訊質量。對此，人們想了許多辦法。一種是采取各種措施來抗幹擾，如提高信息處理設備的質量，盡量減少它産生噪音;又如給傳輸線加上屏蔽;再如采用調頻載波來代替調幅載波等。但是，這些辦法都不能從根本上解決幹擾的問題。另一種辦法是設法除去信号中的噪聲，把失真的信号恢複過來，但是，對于模拟信号來說，由于無法從已失真的信号較準确地推知出原來不失真的信号，因此這種辦法很難有效，有的甚至越弄越糟。
主要是與離散的數字信号相對的連續的信号。模拟信号分布于自然界的各個角落，如氣溫的變化，而數字信号是人為的抽象出來的在幅度取值上不連續的信号。電學上的模拟信号主要是指幅度和相位都連續的電信号，此信号可以被模拟電路進行各種運算，如放大，相加，相乘等。模拟信号是指用連續變化的物理量表示的信息，其信号的幅度，或頻率，或相位随時間作連續變化，廣播的聲音信号，電視的圖像信号等。
數字傳輸
圖所示為一簡單增量調制的仿真實驗原理圖。圖中的話音信号源采用了一個高斯噪聲源經過3KHz低通濾波器後的輸出來模拟。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緻的電路，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，以濾除信号中的高頻成分。所示是輸入的模拟話音信号波形。是增量調制後的輸出波形。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。
由理論分析可知，ΔM的量化信噪比與抽樣頻率成三次方關系，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，可以用于一般的通信質量要求。如果設信道可用的最小信噪比為15dB，則信号的動态範圍僅有11dB，遠遠不能滿足高質量通信要求的35-50dB的動态範圍，除非抽樣頻率提高到100KHz以上采用實用價值。上述理論分析的結論讀者可以通過改變仿真實驗的信号抽樣頻率觀察到。當抽樣頻率低于16KHz時，信号失真已十分明顯，當抽樣頻率為128KHz時失真較小。
改進ΔM動态範圍的方法有很多，其基本原理是采用自适應方法使量階Δ的大小随輸入信号的統計特性變化而跟蹤變化。如量階能随信号瞬時壓擴，則稱為瞬時壓擴ΔM，記作ADM。若量階Δ随音節時間問隔（5一20ms）中信号平均斜率變化，則稱為連續可變斜率增量調制，記作CVSD。由于這種方法中信号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、音節壓擴的自适應增量調制，簡稱數字壓擴增量調制。圖9.20給出了數字壓擴增量調制的方框圖。
數字壓擴增量調制與普通增量調制相比，其差别在于增加了連“1”連“0”數字檢測電路和音節平滑電路。由于CVSD的自适應信息（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适應信息就能自适應于原始信号，電路實現起來比較容易。對于數字壓擴增量調制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，重新仿真并觀察改善情況。
信号采集
7.1.1模拟信号采集技術
這裡的模拟信号是指電壓和電流信号，對模拟信号的處理技術主要包括模拟量的選通、模拟量的放大、信号濾波、電流電壓的轉換、V/F轉換、A/D轉換等。
1．模拟通道選通
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，而且會導緻系統體積龐大，且由于模拟器件、阻容元件參數特性不一緻，對系統的校準帶來很大困難；并且對于多路巡檢如128路信号采集情況，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(有時甚至可将某些放大電路共用)，利用多路模拟開關，可以方便實現共用。
在選擇多路模拟開關時，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号的精度和切換速度有直接的影響，因為通道數目越多，寄生電容和洩漏電流通常也越大。平常使用的模拟開關，在選通其中一路時，其它各路并沒有真正斷開，隻是處于高阻狀态，仍存在漏電流，對導通的信号産生影響；通道越多，漏電流越大，通道間的幹擾也越多。
（2）洩漏電流
在設計電路時，洩漏電流越小越好。采集過程中，信号本身就非常微弱，如果信号源内阻很大，洩漏電流對精度的影響會非常大。
（3）切換速度
在選擇模拟開關時，要綜合考慮每路信号的采樣速率、A/D的轉換速率，因為它們決定了對模拟開關的切換速度的要求。
（4）開關電阻
理想狀态的多路開關其導通電阻為零，而斷開電阻為無窮大，而實際的模拟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緻性
（6）器件的封裝
常用的模拟開關有DIP和SO兩種封裝，可以根據實際需要選擇。
2．信号濾波
從傳感器或其它接收設備獲得的電信号，由于傳輸過程中的各種噪聲幹擾，工作現場的電磁幹擾，前段電路本身的影響，往往會有多種頻率成分的噪聲信号，嚴重情況下，這種噪聲信号甚至會淹沒有效輸入信号，緻使測試無法正常進行。為了減少噪聲信号對測控過程的影響，需采取濾波措施，濾除幹擾噪聲，提高系統的信噪比(S/N)。
過去常用模拟濾波電路實現濾波，模拟濾波的技術較為成熟。模拟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。
但是模拟濾波電路複雜，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。随着電子技術的發展，21世紀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，21世紀的手機、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，隻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号采取抗幹擾措施，然後在設計軟件時，對采集到的數據進行消除幹擾的處理，以進一步消除附加在數據中的各式各樣的幹擾，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。
（1）死區處理
從工業現場采集到的信号往往會在一定的範圍内不斷的波動，或者說有頻率較高、能量不大的幹擾疊加在信号上，這種情況往往出現在應用工控闆卡的場合，此時采集到的數據有效值的最後一位不停的波動，難以穩定。這種情況可以采取死區處理，把波動的值進行死區處理，隻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，在一個周期内的不同時間點取樣，然後求其平均值，這種方法可以有效的消除周期性的幹擾。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
這種方法的原理是将采集到的若幹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沖幹擾的數據進入。在實際使用時，排序的周期的數量要選擇适當，如果選擇過小，可能起不到去除幹擾的作用，選擇的數量過大，會造成采樣數據的時延過大，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。這種濾波方式相當于使采集到的數據通過一次低通濾波器。來自現場的信号往往是4~20mA信号，它的變化一般比較緩慢，而幹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幹擾，這就是低通濾波的原理。實際使用時，根據信号的帶寬，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。現場信号一般都是平滑的，不會出現突變，如果接收到的信号有突變，那麼很可能就是幹擾。滑動濾波法就是基于這個原理，把所有的突變都視為幹擾，并且通過平滑去掉幹擾。應用這種方法，隻能處理平滑信号，并且不同的場合，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，借以提高濾波的性能。
3．電流電壓的轉換
電壓信号可以經由A/D轉換器件轉換成數字信号然後采集，但是電流不能直接由A/D轉換器轉換。在應用中，先将電流轉變成電壓信号，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，通過直接采集電阻兩端的電壓來獲得電流。A/D器件隻能轉換一定範圍的電壓信号，所以在電流/電壓轉換過程中，需要選擇合适阻值的精密電阻。如果電流的動态範圍較多，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。21世紀有很多電流/電壓轉換芯片，其響應時間、線性度、漂移等指标均很理想，且能适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。頻率信号通過任一根I/O口線或作為中斷源及計數時鐘輸入系統。
(2)抗幹擾性能好。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，相當于在計數時間内對頻率信号進行積分，因而有較強的抗幹擾能力。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轉換器适用于一些非快速而需進行遠距離信号傳輸的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轉換是指将模拟輸入信号轉換成N位二進制數字輸出信号的過程。伴随半導體技術、數字信号處理技術及通信技術的飛速發展，A/D轉換器2000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，2014年，在通信産品、消費類産品、工業醫療儀器乃至軍工産品中無一不顯現A/D轉換器的影，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、采樣速率上都有長足發展，2014年的A/D轉換器的精度可達26位，采樣速度可達1GSPS，今後的A/D轉換器将向超高速、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，将着重讨論A/D轉換技術。
7.1.2A/D轉換技術
21世紀的軟件無線電、數字圖像采集都需要有高速的A/D采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，經曆了多次的技術革新，從并行、逐次逼近型、積分型ADC，到21世紀來新發展起來的∑-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，主要應用于中速或較低速、中等精度的數據采集和智能儀器中。分級型和流水線型ADC主要應用于高速情況下的瞬态信号處理、快速波形存儲與記錄、高速數據采集、視頻信号量化及高速數字通訊技術等領域。此外，采用脈動型和折疊型等結構的高速ADC，可應用于廣播衛星中的基帶解調等方面。∑-Δ型ADC主應用于高精度數據采集特别是數字音響系統、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。它是将采樣輸入信号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的分辨率和采樣速率是相互矛盾的，分辨率低時采樣速率較高，要提高分辨率，采樣速率就會受到限制。
優點：分辨率低于12位時，價格較低，采樣速率可達1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當低。
缺點：在高于14位分辨率情況下，價格較高；傳感器産生的信号在進行模/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拟積分器、1個比較器和1個計數單元構成，通過兩次積分将輸入的模拟電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔内利用計數器對時鐘脈沖進行計數，從而實現A/D轉換。與模拟信号相比，其采用的數字化通信指揮系統，保密性、抗幹擾能力和精度都得到最好地保證。該武器系統采用的導彈速度快、射程遠，采用了垂直發射技術，可以在360°範圍内任意方向實現快速轉彎。
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确定，因此所得到的D表達式與時鐘頻率無關，其轉換精度隻取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的幹擾有很強的抑制能力。能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻幹擾（如50Hz或60Hz），适合在嘈雜的工業環境中使用。這類ADC主要應用于低速、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．并行比較A/D轉換器
并行比較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大多采用這種結構，采樣速率能達到1GSPS以上。但受到功率和體積的限制，并行比較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，其轉換時間主取決于比較器的開關速度、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，但随着分辨率的提高，需要高密度的模拟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。
并行比較ADC的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制。結果重複的并聯比較器如果精度不匹配，還會造成靜态誤差，如會使輸入失調電壓增大。同時，這一類型的ADC由于比較器的亞穩壓、編碼氣泡，還會産生離散的、不精确的輸出，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，它先将輸入模拟信号的電壓轉換成頻率與其成正比的脈沖信号，然後在固定的時間間隔内對此脈沖信号進行計數，計數結果即為正比于輸入模拟電壓信号的數字量。從理論上講，這種ADC的分辨率可以無限增加，隻要采用時間長到滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數的寬度即可。
優點：精度高、價格較低、功耗較低。
缺點：類似于積分型ADC，其轉換速率受到限制，12位時為100～300SPS。
5．∑-Δ型ADC
∑-Δ轉換器又稱為過采樣轉換器，它采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包括模拟∑-Δ調制器和數字抽取濾波器。∑-Δ調制器主要完成信号抽樣及增量編碼，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沖編碼調制的數字信号。因此抽取濾波器實際上相當于一個碼型變換器。
優點：分辨率較高，高達24位；轉換速率高，高于積分型和壓頻變換型ADC；價格低；内部利用高倍頻過采樣技術，實現了數字濾波，降低了對傳感器信号進行濾波的要求。
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，并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态特性。
流水線型ADC由若幹級級聯電路組成，每一級包括一個采樣/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。快速精确的n位轉換器分成兩段以上的子區（流水線）來完成。首級電路的采樣/保持器對輸入信号取樣後先由一個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）産生一個對應于量化結果的模/拟電平并送至求和電路，求和電路從輸入信号中扣除此模拟電平。并将差值精确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轉換器對殘餘信号進行轉換。将上述各級粗、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；可以同時對多個采樣進行處理，有較高的信号處理速度，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于複雜；輸入信号需要經過特殊處理，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，電路闆上設計得不合理會影響增益的線性、失調及其它參數。
，這種新型的ADC結構主要應用于對THD和SFDR及其它頻域特性要求較高的通訊系統，對噪聲、帶寬和瞬态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采集系統。
7.1.3A/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。在确定設計方案後，首先需要明确A/D轉換的需要的指标要求，包括數據精度、采樣速率、信号範圍等等。
1．确定A/D轉換器的位數
在選擇A/D器件之前，需要明确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确程度的物理量。在轉化過程中，由于存在量化誤差和系統誤差，精度會有所損失。其中量化誤差對于精度的影響是可計算的，它主要決定于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。但事實并非如此，由于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采集傳感器提供的信号，傳感器的精度會制約A/D采樣的精度，經A/D采集後信号的精度不可能超過傳感器輸出信号的精度。設計時應當綜合考慮系統需要的精度以及前端信号的精度。
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，采樣速率也會不同。采樣速率主要由采樣定理決定。确定了應用場合，就可以根據采集信号對象的特性，利用采樣定理計算采樣速率。如果采用數字濾波技術，還必須進行過采樣，提高采樣速率。
3．判斷是否需要采樣/保持器
采樣/保持器主要用于穩定信号量，實現平頂抽樣。對于高頻信号的采集，采樣/保持器是非常必要的。如果采集直流或者低頻信号，可以不需要采樣保持器。
4．選擇合适的量程
模拟信号的動态範圍較大，有時還有可能出現負電壓。在選擇時，待測信号的動态範圍最好在A/D器件的量程範圍内。以減少額外的硬件付出。
5．選擇合适的線形度
在A/D采集過程中，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，有并行總線接口的，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，主要決定于系統要求、已經開發者對于各種接口的熟練程度。
7.1.4數字邏輯信号的采集
通常需要采集的數字邏輯信号包括頻率信号、邏輯編碼信号。頻率信号典型的應用包括測量電壓，提供時間基準等。邏輯編碼信号是個很廣泛的概念，2014年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号，如溫度傳感器DS1820、各種時鐘芯片、GPSOEM模塊等。邏輯編碼信号的采集主要考慮物力接口和通信協議。在有些書本中，也将其歸類為通信技術。
模拟信号（英語：analogsignal）是指在時域上數學形式為連續函數的信号。與模拟信号對應的是數字信号，後者采取分立的邏輯值，而前者可以取得連續值。模拟信号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拟信号的概念。
