3.2 模擬信號(hào)的輸入與處理

很多儀表（傳感器）傳送的電信號(hào)是模擬信號(hào)，反映了待測信號(hào)隨時(shí)間連續(xù)變化的關(guān)系。為了將電信號(hào)輸入到微機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理，如圖3.7所示為單通道測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖。

為了對(duì)某個(gè)待測量進(jìn)行測量，首先選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲗⒋郎y量（若為非電量）轉(zhuǎn)換為電量，若信號(hào)中含有共模分量，則要考慮采用隔離電路；若信號(hào)中有干擾噪聲，則要通過濾波器將信號(hào)中的不需要的頻率分量濾除。隔離電路和濾波電路用虛框圍住，表示這部分電路要根據(jù)需要選用，可以不用。接著，要用前置放大器放大模擬信號(hào)，若信號(hào)變化太快，則要用采樣電路在指定時(shí)刻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并由保持電路將采樣電平保持下來，成為時(shí)間離散信號(hào)；同樣，若信號(hào)變化十分緩慢，則采樣/保持電路也可省略。A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)離散信號(hào)的幅度進(jìn)行量化，輸出幅度和時(shí)間均為離散的數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中。至此，系統(tǒng)已完成了從實(shí)際世界獲得模擬量、對(duì)它們進(jìn)行預(yù)處理、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并存于存儲(chǔ)器等一系列操作。這一全過程稱為數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)獲取（Data Acquisition）過程。下面分別討論數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的各個(gè)模塊。

3.2.1 模擬信號(hào)的檢測

對(duì)模擬信號(hào)的檢測，分以下幾種情況進(jìn)行討論。

1.被測量用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)儀表檢測

模擬電信號(hào)有交流和直流兩種。由于直流信號(hào)具有不受線路中電感、電容及負(fù)載性質(zhì)的影響，不存在相移問題等優(yōu)點(diǎn)，所以工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)較多地采用直流電流或直流電壓作為統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號(hào)。

不同的儀表系列，所取信號(hào)的上、下限值是不同的。例如，DDZ-Ⅱ型儀表采用0～10mA直流電流作為統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號(hào)；DDZ-Ⅲ型儀表采用4～20mA直流電流信號(hào)和1～5V直流電壓作為統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號(hào)；有些儀表則采用0～5V或0～10V直流電壓作為聯(lián)絡(luò)信號(hào)。

如果檢測儀表輸出電流信號(hào)，可以把它看成是一個(gè)電流源，如果有多臺(tái)儀器需要接收這個(gè)信號(hào)，則這些儀器需要串聯(lián)，如圖3.8所示。圖3.8中，Rs為電流型儀表的輸出電阻，Rx為傳輸導(dǎo)線的等效電阻，R1、R2為接收儀器的輸入電阻。

接收信號(hào)儀器接收到的電流信號(hào) I 的相對(duì)誤差為：

根據(jù)并聯(lián)分流的關(guān)系，可以用電阻關(guān)系求出相對(duì)誤差：

從式中可以看到，電流型儀表的輸出電阻越大越好，接收電流型儀表信號(hào)輸入的儀器的輸入電阻越小越好。

實(shí)際電流型儀表的輸出電阻Rs很大，相當(dāng)于一個(gè)恒流源，連接導(dǎo)線的長度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)輸出電流信號(hào)的影響可以忽略不計(jì)，所以電流信號(hào)適于遠(yuǎn)距離傳輸。

因?yàn)橹悄軆x器測量的一般是電壓信號(hào)，因此電流型儀表輸出的電流信號(hào)要轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。當(dāng)然直接讓電流流過一個(gè)電阻，利用歐姆定律，也可以把電流轉(zhuǎn)換為電壓，但當(dāng)電流信號(hào)及其變化量很小時(shí)，僅用電阻來構(gòu)成電流/電壓轉(zhuǎn)換是不切實(shí)際的。比較實(shí)用的方法是用集成運(yùn)算放大器和高阻值的反饋電阻RF構(gòu)成。如圖3.9所示為一簡單的電流/電壓轉(zhuǎn)換放大電路，在電子技術(shù)中已經(jīng)學(xué)過，這是一個(gè)反相比例放大器，在忽略集成運(yùn)算放大器的靜態(tài)偏置電流情況下，有：

圖3.9中的電阻R2=RF//R1，起到減小偏置電流的作用，為減小偏置電流的影響最好選用場效應(yīng)晶體管作為輸入級(jí)的集成運(yùn)放，如AD515等。

如果檢測儀表輸出電壓信號(hào)，可以把它看成是一個(gè)電壓源，如果有多臺(tái)儀器需要接收這個(gè)信號(hào)，則這些儀器需要并聯(lián)，如圖3.10所示。圖中，R0為電壓型儀表的輸出電阻，Rx為傳輸導(dǎo)線的等效電阻，R1、R2為各接收儀器的輸入電阻。

在不計(jì)傳輸線上的電壓降時(shí)，接收儀器接收到的電壓信號(hào)的相對(duì)誤差為：

其中，R1//R2表示兩個(gè)接收儀表輸入電阻的并聯(lián)。從式中可以看到，電壓型儀表的輸出電阻越小越好，接收電壓型儀表信號(hào)輸入的儀器的輸入電阻越大越好，且傳輸線過長時(shí)其電阻Rx對(duì)信號(hào)的影響就不可忽略了。

在這兩種情況中，接收儀器均不宜過多，考慮到現(xiàn)在的智能儀器具有較強(qiáng)的通信功能，所以一般只要一臺(tái)接收儀器就可以了，其他儀器可以通過通信獲得需要的信號(hào)數(shù)據(jù)。

2.被測量用傳感器檢測

傳感器是智能儀器最主要的輸入信號(hào)源，傳感器體積小，種類多，有些傳感器輸出一體化標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（1～5V的電壓信號(hào)或0～20mA的電流信號(hào)等），電路接法與上述標(biāo)準(zhǔn)儀表相同，也有些傳感器輸出比較弱的電信號(hào)，則需要進(jìn)行放大。

各類傳感器輸出信號(hào)的形式各不相同，因此，需要的放大電路也有所不同。在各類傳感器的輸出中，采用最多的是以下4種。

（1）電阻輸出型。這類傳感器把待測量轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，常見的有PN結(jié)溫度傳感器、應(yīng)變?cè)龋话阃ㄟ^交直流電橋把阻值的變化轉(zhuǎn)化為微小電壓的變化。例如，如圖3.11所示為直流電橋電路，可以把待測元件的阻值變化轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)輸出。

（2）電壓輸出型。有些傳感器內(nèi)已集成了一部分處理電路，可以直接輸出電壓。這些處理電路有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，也有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。對(duì)稱結(jié)構(gòu)中又以交直流電橋輸出居多，如應(yīng)變電橋、熱敏元件、霍爾電橋等效電路等。這類傳感器使用比較簡單，如果輸出電壓太小的話只要求外接電壓放大電路即可。

（3）電流輸出型。如光電傳感器產(chǎn)生微弱電流等，要求后接電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，其電路如圖3.9所示。

（4）電荷輸出型。如壓電式傳感器等，要求后接電荷/電壓轉(zhuǎn)換電路，通常結(jié)合運(yùn)算放大器，還具有一定的信號(hào)放大作用。

電荷/電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3.12所示，它將電荷轉(zhuǎn)換成電壓。

圖3.12中忽略了所有的漏電阻，Cab為壓電晶體的固有電容，C1為傳輸電纜的等效電容，CF為反饋電容，則有：

式中，A為集成運(yùn)放的開環(huán)增益（又稱開環(huán)放大倍數(shù)），因?yàn)榧蛇\(yùn)放的A很大，輸入電荷幾乎只對(duì)CF充電，近似有：

可見，在A很大的情況下，輸出電壓僅與Q、CF有關(guān)，與電路的其他參數(shù)無關(guān)。若集成運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)不夠大，則需要計(jì)入壓電晶體固有電容與傳輸電容的影響。

3.2.2 信號(hào)濾波及檢測

在測控過程中，需要測量放大的電壓、電流通常稱為信號(hào)，而因?yàn)榄h(huán)境溫度變化、電源波動(dòng)等原因造成的電壓、電流變化稱為噪聲，雖然信號(hào)和噪聲在時(shí)域上混合在一起，即在波形圖上很難區(qū)分開來，但大部分情況下，信號(hào)與噪聲在頻域上的分布是不同的。一般來說，信號(hào)是有一定范圍的，如直流信號(hào)或經(jīng)調(diào)制的交流信號(hào)（其載波頻率已知）；而噪聲是無規(guī)則可循的（若存在有規(guī)律的噪聲則要根據(jù)其規(guī)律去設(shè)法抑制），其頻率范圍要寬得多，如白噪聲，各種頻率的干擾都可能存在。當(dāng)信號(hào)中干擾信號(hào)的電壓比較大時(shí)，用高增益（放大倍數(shù)）的放大器去放大信號(hào)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致放大器飽和，不能正常工作。在這種情況下，就需要在前面接濾波電路，先過濾掉噪聲。

濾波器的作用是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，抑制頻率范圍外的干擾信號(hào)（噪聲）。在電子技術(shù)中學(xué)過，根據(jù)濾波的范圍，濾波器可以分為4種，分別是低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器，如圖3.13所示為這4種濾波器的理想幅頻特性曲線。根據(jù)實(shí)現(xiàn)濾波的方式不同，濾波器又可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。模擬濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的濾波，一般用電路實(shí)現(xiàn)；數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的濾波，可以用電路（硬件）實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件（數(shù)據(jù)處理）實(shí)現(xiàn)。

在模擬信號(hào)輸入端所接的濾波器是模擬濾波器。因?yàn)樵谧詣?dòng)化工業(yè)中大部分信號(hào)是緩慢變化的，即為低頻信號(hào)，所以一般都采用低通濾波器濾去高頻噪聲。

理想低通濾波器的輸出幅頻特性曲線如圖3.13（a）所示，即當(dāng)輸入信號(hào)（頻率小于截止頻率f1）通過濾波器時(shí)，信號(hào)電壓沒有衰減（結(jié)合具體設(shè)計(jì)，可能還獲得一定的放大），但頻率超過截止頻率f1的信號(hào)卻被抑制了，理想情況下輸出電壓U0=0。在實(shí)際的低通濾波器設(shè)計(jì)中，希望尋找一個(gè)傳遞函數(shù)，使其幅頻特性曲線盡可能逼近理想特性曲線。

如圖3.14所示為用運(yùn)算放大器構(gòu)成的二階低通有源濾波器。圖3.14中用一個(gè)二階RC低通無源網(wǎng)絡(luò)接到運(yùn)算放大器正向輸入端，以獲得比較高的輸入阻抗。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率f=0（即直流信號(hào)）時(shí)，其增益A0最大，隨著頻率f的增加，電容C有分流作用，輸出電壓將減小，為使其頻率特性更接近于理想的低通濾波器的頻率特性，濾波電容C不接地，接到輸出端。這個(gè)濾波電路的電壓放大倍數(shù)為：

輸入信號(hào)的截止頻率為：

多路采集或多通道系統(tǒng)中，如果每個(gè)通道都有不同頻率和不同特性的噪聲，也可以在每個(gè)通道前設(shè)置不同參數(shù)的低通濾波器，再由多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)行切換后接入系統(tǒng)；也可以用一個(gè)濾波器，通過用程控開關(guān)控制濾波器參數(shù)，以獲得截止頻率可調(diào)的濾波器。

模擬信號(hào)的處理也可以用Proteus軟件（或其他電路軟件）進(jìn)行仿真，以圖3.14所示電路為例，取R1=R2=100kΩ，C1=C2=220pF，則由式（3.12）得該低通濾波電路的截止頻率為：

取RF=R3=10kΩ，則由式（3.11）可知在通帶范圍內(nèi)放大倍數(shù)約為2。

如圖3.15所示為低通濾波電路的仿真原理圖，在Proteus中還可以用圖表模式來顯示所設(shè)計(jì)電路的一些波形特點(diǎn)，在信號(hào)的輸入端加上激勵(lì)源，這里選擇正弦信號(hào)（幅值為1V，頻率為1kHz），圖中標(biāo)為INPUT（輸入），然后在輸出端加上電壓測量探針，名稱為OUTPUT （輸出），接著在工具欄中選擇“圖表模式→頻率儀（Frequency）”，右擊該圖表，在下拉菜單中選擇“添加圖線”，選擇加入“OUTPUT”探針。在“編輯頻率圖表”中選擇以INPUT為參考源。

開始仿真，默認(rèn)仿真時(shí)間為1s，仿真后右擊圖表，在下拉菜單中選擇“可以得到所設(shè)計(jì)的低通濾波器的波特圖”（幅頻特性用對(duì)數(shù)表示），所得到的圖形還可以放大，如圖3.16所示。從圖中可以看到其截止頻率與所設(shè)計(jì)的理論值相近。

同樣，還可以加入輸入/輸出波形圖，如圖3.17所示。從圖中可以看到，對(duì)1kHz的波形，其放大倍數(shù)約為2，輸出波形與輸入波形有一個(gè)很小的相位差。

3.2.3 多路模擬開關(guān)

智能儀器往往具有多種測量功能，需要對(duì)工業(yè)控制現(xiàn)場的多種待測量進(jìn)行監(jiān)控，因此就有可能需要自動(dòng)巡回測量或選擇性測量，這種功能一般是通過多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。多路模擬開關(guān)又稱多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器（Multiplexer，簡稱MUX），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.18所示。它由若干個(gè)模擬開關(guān)并聯(lián)而成，在正常工作時(shí)，由地址線控制選擇其中一個(gè)模擬開關(guān)導(dǎo)通，其他開關(guān)全斷開。其作用為用（程序控制）地址線在多路模擬輸入信號(hào)中選擇其中一路模擬信號(hào)輸入。例如，AD7051共有8個(gè)模擬信號(hào)輸入端，用三根地址線控制選取其中哪一個(gè)模擬開關(guān)與OUT導(dǎo)通。另外，AD7051還有一個(gè)芯片使能端EN（Enable，使能），如果這8個(gè)開關(guān)都不需要接通時(shí)，令EN=0，則該8路模擬開關(guān)集成芯片沒有被選中，所有的開關(guān)均不導(dǎo)通，芯片為高阻狀態(tài)。

MUX常用的芯片有兩種：一種是普通型，一種是精密型。普通型產(chǎn)品為CD4000系列，如CD4051、CD4052、CD4053等；精密型的產(chǎn)品為AD系列，如AD7051、AD7053等。

另外，也有同時(shí)控制兩路開關(guān)閉合的多路模擬開關(guān)，如AD7052，共控制四路，每路有兩個(gè)模擬開關(guān)受控同時(shí)接通或斷開，這樣可以適用于需要差分輸入的連接。

在使用MUX芯片時(shí)，要注意多路模擬開關(guān)總會(huì)有一些接觸電阻，從而引起幾十到幾百微伏之間的誤差，這種誤差對(duì)毫伏級(jí)的微弱信號(hào)切換產(chǎn)生的影響就必須考慮。

多路模擬開關(guān)的地址變化可以控制開關(guān)的切換，這種切換可以用軟件來實(shí)現(xiàn)或用硬件來實(shí)現(xiàn)。軟件切換便于實(shí)現(xiàn)靈活多樣的測量控制，但軟件切換要占用CPU的時(shí)間，且切換速度慢。在高速多路采集監(jiān)控系統(tǒng)中，如果要求不斷地順序采集，也可以用硬件計(jì)數(shù)器來構(gòu)成自動(dòng)順序切換地址，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量。