第3章 信號(hào)的輸入與處理

3.1 數(shù)字信號(hào)的輸入與處理

3.1.1 開(kāi)關(guān)量的預(yù)處理電路

開(kāi)關(guān)量信號(hào)是智能儀器常需處理的最基本的輸入/輸出信號(hào)，其基本功能就是接收外部裝置或過(guò)程的狀態(tài)信號(hào)。開(kāi)關(guān)量信號(hào)可能是由電壓、電流或開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的接通、斷開(kāi)給出。最簡(jiǎn)單的撥換開(kāi)關(guān)電路中開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)的輸入信號(hào)波形如圖3.1所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)合上時(shí)，U=0V （接地），當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，U=5V。

這類信號(hào)包括：指示燈的亮和滅，斷電器或接觸器的吸合與釋放，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開(kāi)和關(guān)閉等。這類信號(hào)的最大特點(diǎn)是只需要判斷開(kāi)和關(guān)、有電流輸入或無(wú)電流輸入或者高、低電平兩種狀態(tài)。這類開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸入均可以通過(guò)如圖3.1所示的電路把它轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)1和0輸出。

當(dāng)輸入的信號(hào)就是電壓信號(hào)，且高、低電平都符合微處理器對(duì)輸入信號(hào)的要求時(shí)，可以直接輸入。當(dāng)輸入信號(hào)為電流、電阻的變化（如光敏電阻）或者雖是電壓信號(hào)，但其高、低電平不符合微處理器的要求時(shí)，則可以采用如圖3.2所示的轉(zhuǎn)換電路。根據(jù)智能儀器對(duì)輸入信號(hào)的要求適當(dāng)選擇電阻和與非門，其中先根據(jù)后續(xù)電路器件的輸入要求選擇門電路G，然后確定兩個(gè)電阻值。把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的高、低電平，用二進(jìn)制數(shù)的1和0來(lái)表示。

這種接收外部裝置或過(guò)程的狀態(tài)信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的高、低電平（用二進(jìn)制數(shù)的1和0來(lái)表示）輸出的電路通常稱為開(kāi)關(guān)量的預(yù)處理電路。

表3.1給出了在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(biāo)，可以在選擇時(shí)作為參考。在不同的工作條件下，這些輸入/輸出性能會(huì)有所變化，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)參考資料進(jìn)行分析比較。同時(shí)，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(huì)出錯(cuò)。

3.1.2 脈沖信號(hào)的輸入與處理

另一類較常用的數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)。與開(kāi)關(guān)量相比較，在一段時(shí)間內(nèi)，輸入的脈沖信號(hào)通常有周期的高、低電平變化，通常需要測(cè)量其頻率。數(shù)字式傳感器直接輸出的頻率信號(hào)、積累式儀表如電量計(jì)、流量計(jì)的變送器輸出的頻率信號(hào)都是常見(jiàn)的脈沖輸入信號(hào)。普通傳感器、測(cè)速發(fā)電機(jī)等模擬傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換器變換后也成為脈沖信號(hào)。

這些脈沖輸入信號(hào)主要采用計(jì)數(shù)器、定時(shí)器接口，如Intel 8253、8254等芯片或單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器接口，測(cè)量其頻率（單位時(shí)間內(nèi)的周期數(shù)），測(cè)量的主要方法有測(cè)頻法和測(cè)周法。

1.測(cè)頻法

測(cè)頻法是按照頻率的定義對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量原理如圖3.3所示。在與門的兩個(gè)輸入端分別輸入待測(cè)信號(hào)以及持續(xù)時(shí)間為t0的高電平信號(hào)（定時(shí)信號(hào)）。這樣只有在時(shí)間t0間隔內(nèi)，待測(cè)的脈沖信號(hào)才能通過(guò)與門。如果在這段時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為N，則待測(cè)信號(hào)的頻率可表達(dá)為f=N/t0。

在測(cè)量過(guò)程中，定時(shí)器開(kāi)始時(shí)刻與輸入信號(hào)計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間關(guān)系是不相關(guān)的，即它們?cè)跁r(shí)間軸上的相對(duì)位置是隨機(jī)的。如圖3.4所示，第一次定時(shí)器開(kāi)始時(shí)刻和被測(cè)計(jì)數(shù)脈沖隨機(jī)配合的結(jié)果使計(jì)數(shù)器讀數(shù)為6；第二次定時(shí)器開(kāi)始時(shí)刻和被測(cè)計(jì)數(shù)脈沖配合與第一次不同，結(jié)果使計(jì)數(shù)值為5，即兩次的讀數(shù)相差一個(gè)脈沖。

當(dāng)與門開(kāi)閉時(shí)間t0與被測(cè)脈沖周期的整數(shù)倍相接近或相等時(shí)，測(cè)頻法測(cè)量頻率的最大可能誤差為±1，此誤差可稱為“±1個(gè)字誤差”或“±1誤差”。±1誤差引起的測(cè)量相對(duì)誤差為：

式中，t0為定時(shí)信號(hào)持續(xù)時(shí)間，f為待測(cè)信號(hào)頻率。

因此，如果被測(cè)信號(hào)的頻率f一定，則增大測(cè)量時(shí)間，可減小由±1誤差引起的相對(duì)誤差。測(cè)量時(shí)間基準(zhǔn)一般由石英振蕩器提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)整形電路、分頻電路后產(chǎn)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(kāi)關(guān)速度有關(guān)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，這種誤差極小，相比之下，可以認(rèn)為誤差主要取決于±1誤差。那么在單位時(shí)間內(nèi)，讀到的計(jì)數(shù)值越多（即待測(cè)信號(hào)的頻率越高），測(cè)量的相對(duì)誤差就越小，所以這種方法適合測(cè)量高頻信號(hào)，當(dāng)f較低時(shí)，應(yīng)該采用別的測(cè)量方法。

2.測(cè)周法

測(cè)周法是用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的高頻信號(hào) fs作為計(jì)數(shù)器的讀數(shù)對(duì)象，測(cè)量輸入信號(hào)的一個(gè)周期T，然后根據(jù)f=1/T而得到信號(hào)的頻率。測(cè)量原理圖仍如圖3.3所示，與門輸入端之一為輸入信號(hào)，與門的另一輸入端為標(biāo)準(zhǔn)頻率源（定時(shí)器）產(chǎn)生的頻率為fs的脈沖信號(hào)，這樣對(duì)與門輸出端的脈沖計(jì)數(shù)，就可以得到被測(cè)信號(hào)的周期T=N/fs，換算成頻率為f=fs/N。

如圖3.5所示為測(cè)周法的波形圖，注意與圖3.4比較，體會(huì)兩者的不同。這里，定時(shí)器輸出的是用以計(jì)數(shù)的高頻信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)為方波時(shí)，只要測(cè)量輸入信號(hào)的高電平時(shí)間，則計(jì)數(shù)值N為讀數(shù)值的2倍；如果輸入信號(hào)為矩形波，則要分別對(duì)高電平階段和低電平階段（可借助與非門）用計(jì)數(shù)器讀數(shù)，N 為兩個(gè)讀數(shù)值之和。

同測(cè)頻法一樣，測(cè)量中主要的誤差也是±1誤差，而±1誤差對(duì)測(cè)量精度的影響為：

由上式可知，如果被測(cè)信號(hào)頻率f一定，則標(biāo)準(zhǔn)頻率源（定時(shí)器）產(chǎn)生的信號(hào)頻率越高，測(cè)量精度越高，由于這時(shí)計(jì)數(shù)器是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率fs計(jì)數(shù)，因此計(jì)數(shù)器的輸入信號(hào)最高頻率即計(jì)數(shù)頻率這一指標(biāo)，對(duì)測(cè)量精度有直接影響，選擇定時(shí)器芯片時(shí)要注意。（例如，Intel公司的NMOS工藝制成的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8254-2，計(jì)數(shù)頻率最高可達(dá)10MHz）。

若標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率fs已確定，則被測(cè)信號(hào)的頻率f越低（即周期T越長(zhǎng)），測(cè)量精度越高，因此，測(cè)周法測(cè)量信號(hào)頻率時(shí)，適用于信號(hào)頻率較低的場(chǎng)合。

關(guān)于測(cè)頻法和測(cè)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(cè)頻法和測(cè)周法的原理相似。測(cè)頻法適用于被測(cè)信號(hào)頻率較高的場(chǎng)合，測(cè)周法適用于被測(cè)信號(hào)頻率較低的場(chǎng)合。有些儀器可以通過(guò)選擇（或自動(dòng)選擇）測(cè)頻法或測(cè)周法來(lái)拓寬測(cè)量范圍，使儀器具有較大的測(cè)量范圍和較高的測(cè)量精度。把用測(cè)頻法和測(cè)周法的測(cè)量相對(duì)誤差（主要為±1誤差）相等時(shí)的頻率作為兩種方法的分界點(diǎn)，稱為中界頻率。若用f1表示中界頻率，則有：

式中，fs為測(cè)周法時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)頻率（一般與計(jì)數(shù)/定時(shí)器的最高輸入頻率有關(guān)），t0為測(cè)頻法時(shí)的測(cè)量時(shí)間（一般與允許的最大測(cè)量時(shí)間有關(guān)）。一般情況下，當(dāng)待測(cè)輸入信號(hào)的頻率大于 f1時(shí)，選用測(cè)頻法；當(dāng)待測(cè)輸入信號(hào)的頻率小于f1時(shí)，選用測(cè)周法。

實(shí)際待測(cè)信號(hào)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(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，則還需要進(jìn)行預(yù)處理，通常稱為輸入通道處理，輸入通道一般由調(diào)整電路、放大整形電路組成。如圖3.6所示為脈沖信號(hào)輸入通道的示意圖。

調(diào)整電路一般由阻抗變換器、衰減器、保護(hù)電路構(gòu)成，其作用是限制輸入信號(hào)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(fā)器，把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合計(jì)數(shù)器輸入標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖信號(hào)。

電子計(jì)數(shù)器可測(cè)量的頻率是有限的，如某電子計(jì)數(shù)器最高可測(cè)頻率為10MHz，超過(guò)這個(gè)頻率的脈沖信號(hào)就無(wú)法測(cè)量了，解決的辦法是把待測(cè)高頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)分頻，因此，有些電子計(jì)數(shù)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(gè)計(jì)數(shù)器，高頻通道中含有分頻器電路。

數(shù)據(jù)選擇器可以從多路輸入的數(shù)字（脈沖）信號(hào)中根據(jù)控制信號(hào)選取其中一路，并輸給電子計(jì)數(shù)器或單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)用微機(jī)控制可以用一個(gè)電子計(jì)數(shù)器選擇測(cè)量多路脈沖信號(hào)。