第3章 信號的輸入與處理

3.1 數字信號的輸入與處理

3.1.1 開關量的預處理電路

開關量信號是智能儀器常需處理的最基本的輸入/輸出信號，其基本功能就是接收外部裝置或過程的狀態信號。開關量信號可能是由電壓、電流或開關觸點的接通、斷開給出。最簡單的撥換開關電路中開關的閉合與斷開的輸入信號波形如圖3.1所示，當開關合上時，U=0V （接地），當開關斷開時，U=5V。

這類信號包括：指示燈的亮和滅，斷電器或接觸器的吸合與釋放，電動機的啟動與停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關閉等。這類信號的最大特點是只需要判斷開和關、有電流輸入或無電流輸入或者高、低電平兩種狀態。這類開關信號的輸入均可以通過如圖3.1所示的電路把它轉換成電平信號1和0輸出。

當輸入的信號就是電壓信號，且高、低電平都符合微處理器對輸入信號的要求時，可以直接輸入。當輸入信號為電流、電阻的變化（如光敏電阻）或者雖是電壓信號，但其高、低電平不符合微處理器的要求時，則可以采用如圖3.2所示的轉換電路。根據智能儀器對輸入信號的要求適當選擇電阻和與非門，其中先根據后續電路器件的輸入要求選擇門電路G，然后確定兩個電阻值。把輸入信號轉換成標準的高、低電平，用二進制數的1和0來表示。

這種接收外部裝置或過程的狀態信號，并把它轉換成標準的高、低電平（用二進制數的1和0來表示）輸出的電路通常稱為開關量的預處理電路。

表3.1給出了在標準測試條件下TTL邏輯門電路及CMOS邏輯門電路輸入/輸出性能的主要指標，可以在選擇時作為參考。在不同的工作條件下，這些輸入/輸出性能會有所變化，設計時要根據參考資料進行分析比較。同時，從表3.1中也可以看出，TTL芯片與CMOS芯片是不兼容的，即不可以直接連接，否則可能會出錯。

3.1.2 脈沖信號的輸入與處理

另一類較常用的數字信號是脈沖信號。與開關量相比較，在一段時間內，輸入的脈沖信號通常有周期的高、低電平變化，通常需要測量其頻率。數字式傳感器直接輸出的頻率信號、積累式儀表如電量計、流量計的變送器輸出的頻率信號都是常見的脈沖輸入信號。普通傳感器、測速發電機等模擬傳感器輸出的模擬信號經壓頻轉換器變換后也成為脈沖信號。

這些脈沖輸入信號主要采用計數器、定時器接口，如Intel 8253、8254等芯片或單片機內部的計數器接口，測量其頻率（單位時間內的周期數），測量的主要方法有測頻法和測周法。

1.測頻法

測頻法是按照頻率的定義對信號的頻率進行測量，其測量原理如圖3.3所示。在與門的兩個輸入端分別輸入待測信號以及持續時間為t0的高電平信號（定時信號）。這樣只有在時間t0間隔內，待測的脈沖信號才能通過與門。如果在這段時間內，計數器的計數值為N，則待測信號的頻率可表達為f=N/t0。

在測量過程中，定時器開始時刻與輸入信號計數脈沖之間的時間關系是不相關的，即它們在時間軸上的相對位置是隨機的。如圖3.4所示，第一次定時器開始時刻和被測計數脈沖隨機配合的結果使計數器讀數為6；第二次定時器開始時刻和被測計數脈沖配合與第一次不同，結果使計數值為5，即兩次的讀數相差一個脈沖。

當與門開閉時間t0與被測脈沖周期的整數倍相接近或相等時，測頻法測量頻率的最大可能誤差為±1，此誤差可稱為“±1個字誤差”或“±1誤差”?！?誤差引起的測量相對誤差為：

式中，t0為定時信號持續時間，f為待測信號頻率。

因此，如果被測信號的頻率f一定，則增大測量時間，可減小由±1誤差引起的相對誤差。測量時間基準一般由石英振蕩器提供的標準頻率經整形電路、分頻電路后產生，其誤差與石英晶體振蕩器和整形電路、分頻電路及與門的開關速度有關。隨著微電子技術的發展，這種誤差極小，相比之下，可以認為誤差主要取決于±1誤差。那么在單位時間內，讀到的計數值越多（即待測信號的頻率越高），測量的相對誤差就越小，所以這種方法適合測量高頻信號，當f較低時，應該采用別的測量方法。

2.測周法

測周法是用一個標準的高頻信號 fs作為計數器的讀數對象，測量輸入信號的一個周期T，然后根據f=1/T而得到信號的頻率。測量原理圖仍如圖3.3所示，與門輸入端之一為輸入信號，與門的另一輸入端為標準頻率源（定時器）產生的頻率為fs的脈沖信號，這樣對與門輸出端的脈沖計數，就可以得到被測信號的周期T=N/fs，換算成頻率為f=fs/N。

如圖3.5所示為測周法的波形圖，注意與圖3.4比較，體會兩者的不同。這里，定時器輸出的是用以計數的高頻信號。當輸入信號為方波時，只要測量輸入信號的高電平時間，則計數值N為讀數值的2倍；如果輸入信號為矩形波，則要分別對高電平階段和低電平階段（可借助與非門）用計數器讀數，N 為兩個讀數值之和。

同測頻法一樣，測量中主要的誤差也是±1誤差，而±1誤差對測量精度的影響為：

由上式可知，如果被測信號頻率f一定，則標準頻率源（定時器）產生的信號頻率越高，測量精度越高，由于這時計數器是對標準信號頻率fs計數，因此計數器的輸入信號最高頻率即計數頻率這一指標，對測量精度有直接影響，選擇定時器芯片時要注意。（例如，Intel公司的NMOS工藝制成的可編程計數器/定時器8254-2，計數頻率最高可達10MHz）。

若標準信號頻率fs已確定，則被測信號的頻率f越低（即周期T越長），測量精度越高，因此，測周法測量信號頻率時，適用于信號頻率較低的場合。

關于測頻法和測周法之間中界頻率的確定分析如下所述。

由上述分析可知，測頻法和測周法的原理相似。測頻法適用于被測信號頻率較高的場合，測周法適用于被測信號頻率較低的場合。有些儀器可以通過選擇（或自動選擇）測頻法或測周法來拓寬測量范圍，使儀器具有較大的測量范圍和較高的測量精度。把用測頻法和測周法的測量相對誤差（主要為±1誤差）相等時的頻率作為兩種方法的分界點，稱為中界頻率。若用f1表示中界頻率，則有：

式中，fs為測周法時的標準頻率（一般與計數/定時器的最高輸入頻率有關），t0為測頻法時的測量時間（一般與允許的最大測量時間有關）。一般情況下，當待測輸入信號的頻率大于 f1時，選用測頻法；當待測輸入信號的頻率小于f1時，選用測周法。

實際待測信號的形狀、幅度往往是未知的，并可能還夾帶著一定的噪聲。如果輸入信號不是標準的脈沖信號，則還需要進行預處理，通常稱為輸入通道處理，輸入通道一般由調整電路、放大整形電路組成。如圖3.6所示為脈沖信號輸入通道的示意圖。

調整電路一般由阻抗變換器、衰減器、保護電路構成，其作用是限制輸入信號的幅度，并提高輸入阻抗。放大整形電路一般采用施密特觸發器，把輸入信號轉換成符合計數器輸入標準的矩形脈沖信號。

電子計數器可測量的頻率是有限的，如某電子計數器最高可測頻率為10MHz，超過這個頻率的脈沖信號就無法測量了，解決的辦法是把待測高頻信號進行預分頻，因此，有些電子計數器還將輸入通道分為低頻通道和高頻通道，為了和低頻通道共用一個計數器，高頻通道中含有分頻器電路。

數據選擇器可以從多路輸入的數字（脈沖）信號中根據控制信號選取其中一路，并輸給電子計數器或單片機進行計數，通過用微機控制可以用一個電子計數器選擇測量多路脈沖信號。