模拟信号的信号采集

这里的模拟信号是指电压和电流信号，模拟信号的处理技术主要有模拟选通、模拟放大、信号滤波、电流-电压转换、V/F转换、A/D转换等。

1.模拟通道门控

单片机测控系统有时需要采集和控制多通道、多参数。如果每个通道都采用自己的输入回路，即每个通道都采用放大、滤波、采样/保持、A/D等环节，不仅成本会比单个通道增加一倍，而且系统庞大，由于模拟器件和阻容元件的参数特性不一致，系统的校准会非常困难。而且像128信号采集这样的多路巡检几乎不可能使用单回路。因此，除了在特殊情况下使用多路独立放大和A/D外，通常使用普通的采样/保持和A/D转换电路(有时甚至可以使用部分放大电路)，可以方便地使用多路模拟开关。

选择多通道模拟开关时，需要考虑以下几点:

(1)通道数

通道的数量直接影响开关传输被测信号的精度和开关速度，因为通道越多，寄生电容和漏电流越大。通常使用的模拟开关，当选通其中一个时，其他通路并没有真正断开，而是处于高阻状态，仍然存在漏电流，影响on信号；通道越多，漏电流越大，通道间干扰越多。

(2)漏电流

设计电路时，漏电流越小越好。在采集过程中，信号本身非常微弱。如果信号源内阻较大，漏电流会对精度产生较大影响。

(3)切换速度

在选择模拟开关时，应综合考虑每个信号的采样率和A/D转换速率，因为它们决定了对模拟开关开关速度的要求。

(4)开关电阻

理想的多路开关导通电阻为零，关断电阻无穷大，但实际的模拟开关无法满足这一要求，所以要考虑开关电阻，特别是当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择低导通电阻的多路开关。

(5)参数的漂移性和各阻力的一致性。

(6)设备的包装

常用的模拟开关有DIP和SO封装，可根据实际需要选择。

2.信号过滤

由于传输过程中的各种噪声干扰、工作现场的电磁干扰以及前端电路本身的影响，从传感器或其他接收设备获得的电信号往往含有各种频率成分的噪声信号。在严重的情况下，这种噪声信号甚至会淹没有效的输入信号，导致正常测试失败。为了减少噪声信号对测控过程的影响，需要采取滤波措施滤除干扰噪声，提高系统的信噪比。

过去常常采用模拟滤波电路来实现滤波，模拟滤波的技术已经比较成熟。模拟滤波可分为有源滤波和无源滤波。为了设计有源滤波器，首先根据所需的幅频特性，找到可实现的有理函数进行近似设计。常用的逼近函数有:巴特沃兹函数、切比雪夫函数、贝赛尔函数等。然后计算电路参数，完成设计。

然而，模拟滤波电路的复杂性不仅增加了设计成本，而且增加了系统的功耗，降低了系统的可靠性。随着电子技术的发展，数字滤波技术在20世纪被应用于许多场合。数字滤波技术发展非常迅速。在21世纪，大多数智能设备如手机和PDA都采用了数字滤波技术。作为软件无线电的处理单元，它有着非常广阔的发展前景。而单片机的处理能力有限，只能完成相对简单的数字滤波。

在单片机系统中，首先设计硬件对信号采取抗干扰措施，然后在设计软件时对采集的数据进行处理消除干扰，从而进一步消除附着在数据上的各种干扰，使采集的数据真实反映现场情况。下面介绍几种工业控制中常用的数字滤波技术。

(1)停滞时间处理

工业现场采集的信号往往在一定范围内波动，或者信号上叠加有高频低能量的干扰。这种情况在工控卡的应用中经常出现，采集数据的有效值最后一位不断波动，难以稳定。在这种情况下，可以用死区来处理波动值，只有当变化超过一定值时，才能认为值发生了变化。比如编程时，可以将数据除以10，然后向上取整，去掉波动项。

(2)算术平均法

公式为YK =(XK1+XK2+XK3+…+XKN)/N，在一个周期内的不同时间点采样，然后计算其平均值，这种方法可以有效消除周期性干扰。同样，这种方法可以推广到几个连续周期的平均值。

(3)中值滤波法

这种方法的原理是将收集到的几个时期的变量值进行排序，然后取排序后的值的中间值。这种方法可以有效地防止被突发脉冲干扰的数据进入。在实际使用中，应适当选择分选循环的次数。如果数量太少，可能无法消除干扰。如果数量过大，会导致采样数据的延迟过大，系统性能恶化。

(4)低通滤波法

公式为YK =Q*XK+(1-Q)*YK-1，截止频率为f = k/2π t，这种滤波方法相当于将采集的数据通过一次低通滤波器。来自现场的信号通常为4~20mA，其变化一般较慢，而干扰具有突发性和变化频率高的特点，低通滤波器可以滤除这种干扰，这就是低通滤波的原理。在实际使用中，根据信号的带宽合理选择Q值。

(5)滑动滤波法

滑动滤波法是一阶低通滤波法的推广。一般现场信号都比较平稳，不会出现突变。如果接收到的信号有突变，很可能是干扰。基于这一原理，滑动滤波方法将所有突变视为干扰，通过平滑去除干扰。使用这种方法只能处理平滑的信号，在不同的场合要相应调整数据处理过程。滑动滤波法的公式为:yn = q 1xn+q2xn-1+q3xn-2，其中Q1+Q2+ Q3 =1且q 1 >；Q2 & gt；Q3 .

在实际使用中，往往需要结合各种方法来达到其他滤波效果。比如在中值滤波法中，加入了均值滤波来提高滤波性能。

3.电流-电压转换

电压信号可以通过A/D转换器转换成数字信号然后采集，而电流不能直接通过A/D转换器转换。应用时，先将电流转换成电压信号，再进行转换。电流/电压转换广泛应用于工业控制中。

电流/电压转换最简单的方法是在被测电路中串联一个精密电阻，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，需要选择阻值合适的精密电阻。如果电流的动态范围较大，则必须在后端增加一个放大器进行二次处理。重复处理后，测量精度会有所损失。21世纪有很多电流/电压转换芯片，其响应时间、线性度、漂移等指标都比较理想，能够适应大范围电流的测量。

4.电压和频率的转换

频率接口具有以下特征:

(1)接口简单，占用硬件资源少。频率信号通过任何I/O端口线路或作为中断源和计数时钟输入系统。

(2)抗干扰性能好。V/F转换本身是一个积分过程，用V/F转换器进行A/D转换是一个频率计数过程，相当于在计数时间内对频率信号进行积分，所以抗干扰能力强。另外，可以用光电耦合连接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。无线传输或光传输可以通过调制来执行。

由于这些特点，V/F转换器适用于一些速度不快但需要长距离信号传输的A/D转换过程。V/F转换还可以简化电路，降低成本，提高性价比。

5.模数转换

模数转换是指将模拟输入信号转换为N位二进制数字输出信号的过程。随着半导体技术、数字信号处理技术和通信技术的快速发展，A/D转换器在2000年也呈现出快速发展的趋势。人类数字化的浪潮推动了A/D转换器的不断变革。2014年A/D转换器全部出现在通讯产品、消费类产品、工业医疗仪器甚至军工产品中。可以说，A/D转换器已经成为人类数字化的先行者。自从1973第一个集成A/D转换器问世以来，A/D和D/A转换器在处理工艺、精度和采样率方面都有了很大的进步。2014中A/D转换器的精度可以达到26位，采样率可以达到1GSPS。未来的A/D转换器将是超高速和超高速的。不管怎么发展，A/D转换的原理和作用都是不变的。在下一节中，我们将重点讨论模数转换技术。

7.1.2模数转换技术

21世纪，软件无线电和数字图像采集需要高速A/D采样来保证有效性和准确性，通用测控系统也希望在精度上有所突破。人类数字化的浪潮推动了A/D转换器的不断变革，A/D转换器是人类数字化的先行者。A/D转换器发展了30多年，经历了多次技术革新，从并行、逐次逼近、积分ADC到21世纪新发展的sigma-delta ADC、流水线ADC。它们各有优缺点，可以满足不同应用的需要。

逐次逼近、积分、电压频率转换等。，主要用于中速或低速、中等精度的数据采集和智能仪表。分级和流水线ADC主要应用于高速瞬态信号处理、快速波形存储和记录、高速数据采集、视频信号量化和高速数字通信技术。此外，具有脉冲和折叠结构的高速ADC可以应用于广播卫星中的基带解调。σ-δADC主要用于高精度数据采集，特别是数字音频系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。下面简单介绍一下各类ADC。

1.逐次近似计算法

逐次逼近型ADC是一种广泛使用的模数转换方法，它包括1个比较器、1个数模转换器、1个逐次逼近寄存器(SAR)和1个逻辑控制单元。它将采样的输入信号与已知电压连续比较，在1个时钟周期内完成1位转换，n位转换需要n个时钟周期，转换完成后输出二进制数。这类ADC的分辨率和采样率是矛盾的。分辨率低时，采样率高。为了提高分辨率，采样率将受到限制。

优点:分辨率低于12位时，价格更低，采样率可达1 msps；与其他ADC相比，功耗相当低。

缺点:分辨率高于14位时，价格较高；传感器产生的信号需要在模数转换前进行调理，包括增益级和滤波，这显然会增加成本。

2.集成ADC

积分型ADC也称为双斜率或多斜率ADC，应用也很广泛。它由1个带输入开关的模拟积分器、1个比较器和1个计数单元组成。输入模拟电压通过两次积分转换成与其平均值成比例的时间间隔。同时用一个计数器对这个时间间隔内的时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。

积分型ADC的两次积分时间由同一个时钟发生器和计数器决定，因此得到的D表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压VR。此外，由于在输入端使用了积分器，因此具有很强的抑制交流噪声干扰的能力。能抑制高频噪声和固定低频干扰(如50Hz或60Hz)，适合在嘈杂的工业环境中使用。这种ADC主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。

优点:分辨率高，最高22位；低功耗和低成本。

缺点:转换率低，12位转换率100 ~ 300 SPs。

3.并行比较模数转换器

并行比较ADC的主要特点是速度快，是所有A/D转换器中速度最快的。现代高速ADC大多采用这种结构，采样率可以达到1GSPS以上。但是由于功率和体积的限制，并行比较ADC的分辨率很难很高。

该ADC中所有位的转换是同时完成的，其转换时间主要取决于比较器的开关速度和编码器的传输时延。增加输出码对转换时间影响不大，但随着分辨率的提高，需要高密度的模拟设计来实现转换所需的大量精密分压器和比较器电路。当输出数量增加一位时，精密电阻的数量将增加一倍，比较器也将增加大约一倍。

并行比较ADC的分辨率受到芯片尺寸、输入电容和功率的限制。结果如果并联比较器的精度不匹配，也会造成静态误差，比如增加输入失调电压。同时，由于比较器的元稳压和编码气泡，这类ADC还会产生离散和不准确的输出，即所谓的“火花码”。

优点:模数转换速度最高。

缺点:分辨率低，功耗大，成本高。

4.电压频率转换ADC

电压频率转换ADC是一种间接ADC。它先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后以固定的时间间隔对脉冲信号进行计数，计数结果就是与输入模拟电压信号成正比的数字量。理论上，这种ADC的分辨率可以无限提高，只要累积脉冲数的宽度足够长，满足输出频率分辨率的要求。

优点:精度高，价格低，功耗低。

缺点:类似于积分型ADC，其转换速率有限，12位时为100 ~ 300 SPs。

5.适马-δ模数转换器

σ-δ转换器又称过采样转换器，采用增量编码方式，即根据前一值与后一值的差值进行量化编码。σ-δADC包括模拟σ-δ调制器和数字抽取滤波器。σ-δ调制器主要完成信号采样和增量编码，为数字抽取滤波器提供增量编码，即σ-δ码；数字抽取滤波器完成σ-δ码的抽取滤波，将增量码转换成高分辨率的线性脉码调制数字信号。因此，抽取滤波器实际上相当于一个代码转换器。

优点:分辨率高，最高24位；转换率高，高于积分型ADC和压频型ADC。价格低；内部采用高倍频过采样技术实现数字滤波，降低了对传感器信号滤波的要求。

缺点:高速sigma-delta ADC价格较高；在相同的转换速率下，功耗高于积分型ADC和逐次逼近型ADC。

6.流水线ADC

流水线ADC，也称为分区ADC，是一种高效、强大的模数转换器。它能提供高速高分辨率的模数转换，具有令人满意的低功耗和小芯片尺寸；经过合理的设计，还能提供优良的动态特性。

流水线ADC由多个级联电路组成，每一级包括采样/保持放大器、低分辨率ADC和DAC以及求和电路，其中求和电路还包括可以提供增益的级间放大器。快速准确的N位转换器分为两个以上的子部分(流水线)来完成。在对输入信号进行采样之后，第一级电路的采样器/保持器通过M位分辨率的粗A/D转换器对输入进行量化，然后通过具有至少N位精度的乘积数模转换器(MDAC)产生对应于量化结果的模拟/模拟电平，并将其发送到求和电路，求和电路从输入信号中减去模拟电平。并且该差值被精确地放大固定增益，然后被移交给下一个电路进行处理。经过各级处理后，残余信号最终由高精度K位精细A/D转换器进行转换。将上述各级的粗调和精调模数输出相结合，形成一个高精度N位输出。

优点:线性度好，失调低；它可以同时处理多个样本，并具有较高的信号处理速度，通常为tconv

缺点:参考电路和偏置结构过于复杂；输入信号需要特殊处理，以便通过几级电路并引起流水线延迟；对锁存时序的严格要求；电路工艺要求很高，电路板的设计忽略了线性度、失调等影响增益的参数。

这种新型ADC结构主要用于对THD、SFDR等频域特性要求较高的通信系统，对噪声、带宽、瞬态响应速度等时域特性要求较高的CCD成像系统，以及对时域和频域参数要求较高的数据采集系统。

7.1.3 A/D转换器件选型指南

A/D转换器种类繁多，性能各异，A/D转换器的选择直接影响系统的性能。在确定设计方案后，首先要明确A/D转换所需的指标要求，包括数据精度、采样率、信号范围等。

1.确定模数转换器的位数

在选择A/D器件之前，有必要明确设计中要达到的精度。精度是反映转换器实际输出接近理想输出的精度的物理量。在转换过程中，由于量化误差和系统误差，精度会有所损失。其中量化误差对精度的影响是可计算的，主要取决于A/D转换器的位数。A/D转换器件的位数可以用分辨率来表示。一般8位以下的A/D转换器称为低分辨率ADC，9~12位的称为中分辨率ADC，13位以上的称为高分辨率ADC。A/D器件的位数越多，分辨率越高，量化误差越小，可达到的精度越高。理论上，通过增加A/D器件的位数，可以不断提高系统的精度。但事实并非如此，因为A/D前端的电路也会有误差，这也制约了系统的精度。

比如用A/D采集传感器提供的信号，传感器的精度会制约A/D采样的精度，A/D采集后的信号精度不能超过传感器输出信号的精度。设计时要综合考虑系统要求的精度和前端信号的精度。

2.选择A/D转换器的转换速率。

在不同的应用中，对转换速率的要求是不同的，同样的场合，不同的精度要求，采样率也会不同。采样率主要由采样定理决定。当应用场合确定后，可以根据采集信号对象的特点，利用采样定理计算采样率。如果使用数字滤波技术，则必须对其进行过采样，以提高采样速率。

3.判断是否需要采样/保持。

采样保持器主要用于稳定信号量，实现平顶采样。采样/保持对于高频信号的采集是非常必要的。如果采集DC或低频信号，可能不需要采样保持器。

4.选择合适的范围

模拟信号的动态范围大，有时可能出现负电压。选择时，被测信号的动态范围应在A/D器件的范围内。以减少额外的硬件成本。

5.选择合适的线性度

在A/D采集过程中，线性度越高越好。但是线性度越高，设备的价格就越高。当然，非线性的影响也可以通过软件补偿来降低。所以在设计时要综合考虑精度、价格、软件实现难度等因素。

6.选择A/D设备的输出接口。

A/D设备接口有很多种，包括并行总线接口和串行总线接口，如SPI、I2C、1-Wire。两者原理相同，精度相同，但控制方式和接口电路却大相径庭。界面的选择主要取决于系统需求和开发人员对各种界面的熟练程度。

7.1.4数字逻辑信号采集

通常，需要采集的数字逻辑信号包括频率信号和逻辑编码信号。频率信号的典型应用包括测量电压、提供时间基准等。逻辑编码信号是一个非常宽泛的概念。2014中，有些传感器是数字的，其输出不是电流或电压，而是直接编码的逻辑信号，比如温度传感器DS1820，各种时钟芯片，GPS OEM模块等等。逻辑编码信号的获取主要考虑材料接口和通信协议。在一些书中，它也被归类为通信技术。

模拟信号(英文)是指数学形式为时域连续函数的信号。与模拟信号相对应的是数字信号，数字信号取离散的逻辑值，而前者可以得到连续的值。模拟信号的概念常用于涉及电学的领域，但在经典力学、气动学、水力学等学科中有时也会用到。