第3章 信号的输入与处理
在智能仪器中，为了用微处理器处理输入信号，要对输入信号进行预处理，一般被测量的信号要经过多次具有一定目的的变换。传感器一般用于被测信号的第一次变换，它能够将非电量信号变换成电信号。这些电信号种类很多，按信号波形是否为时间的连续函数可以把它分为模拟信号与数字信号，对它们有不同的处理方法。本章对一些典型的输入进行分析和讨论，并介绍各种放大电路及集成放大电路芯片，可供需要选用，同时拓宽思路，为今后更好地设计实用信号放大电路打下基础。
为了能用微机系统对模拟信号进行处理，必须把测量得到的模拟信号转换成数字信号，因此本章将介绍模/数转换的基本概念、主要性能指标和与微机的接口方式，并对构成多路数据采集系统的几种方法进行讨论。
3.1 数字信号的输入与处理
3.1.1 开关量的预处理电路
开关量信号是智能仪器常需处理的最基本的输入/输出信号，其基本功能就是接收外部装置或过程的状态信号。开关量信号可能是由电压、电流或开关触点的接通、断开给出。最简单的拨换开关电路中开关的闭合与断开的输入信号波形如图3.1所示，当开关合上时，U=0V （接地），当开关断开时，U=5V。
图3.1 开关量的输入
这类信号包括：指示灯的亮和灭，断电器或接触器的吸合与释放，电动机的启动与停止，晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭等。这类信号的最大特点是只需要判断开和关、有电流输入或无电流输入或者高、低电平两种状态。这类开关信号的输入均可以通过如图3.1所示的电路把它转换成电平信号1和0输出。
当输入的信号就是电压信号，且高、低电平都符合微处理器对输入信号的要求时，可以直接输入。当输入信号为电流、电阻的变化（如光敏电阻）或者虽是电压信号，但其高、低电平不符合微处理器的要求时，则可以采用如图3.2所示的转换电路。根据智能仪器对输入信号的要求适当选择电阻和与非门，其中先根据后续电路器件的输入要求选择门电路G，然后确定两个电阻值。把输入信号转换成标准的高、低电平，用二进制数的1和0来表示。
图3.2 电信号转换电路
这种接收外部装置或过程的状态信号，并把它转换成标准的高、低电平（用二进制数的1和0来表示）输出的电路通常称为开关量的预处理电路。
表3.1给出了在标准测试条件下TTL逻辑门电路及CMOS逻辑门电路输入/输出性能的主要指标，可以在选择时作为参考。在不同的工作条件下，这些输入/输出性能会有所变化，设计时要根据参考资料进行分析比较。同时，从表3.1中也可以看出，TTL芯片与CMOS芯片是不兼容的，即不可以直接连接，否则可能会出错。
表3.1 逻辑门电路的性能指标比较
3.1.2 脉冲信号的输入与处理
另一类较常用的数字信号是脉冲信号。与开关量相比较，在一段时间内，输入的脉冲信号通常有周期的高、低电平变化，通常需要测量其频率。数字式传感器直接输出的频率信号、积累式仪表如电量计、流量计的变送器输出的频率信号都是常见的脉冲输入信号。普通传感器、测速发电机等模拟传感器输出的模拟信号经压频转换器变换后也成为脉冲信号。
这些脉冲输入信号主要采用计数器、定时器接口，如Intel 8253、8254等芯片或单片机内部的计数器接口，测量其频率（单位时间内的周期数），测量的主要方法有测频法和测周法。
1.测频法
测频法是按照频率的定义对信号的频率进行测量，其测量原理如图3.3所示。在与门的两个输入端分别输入待测信号以及持续时间为t0的高电平信号（定时信号）。这样只有在时间t0间隔内，待测的脉冲信号才能通过与门。如果在这段时间内，计数器的计数值为N，则待测信号的频率可表达为f=N/t0。
在测量过程中，定时器开始时刻与输入信号计数脉冲之间的时间关系是不相关的，即它们在时间轴上的相对位置是随机的。如图3.4所示，第一次定时器开始时刻和被测计数脉冲随机配合的结果使计数器读数为6；第二次定时器开始时刻和被测计数脉冲配合与第一次不同，结果使计数值为5，即两次的读数相差一个脉冲。
图3.3 脉冲信号测量原理图
图3.4 测频法两次测量计数值差1
当与门开闭时间t0与被测脉冲周期的整数倍相接近或相等时，测频法测量频率的最大可能误差为±1，此误差可称为“±1个字误差”或“±1误差”。±1误差引起的测量相对误差为：
式中，t0为定时信号持续时间，f为待测信号频率。
因此，如果被测信号的频率f一定，则增大测量时间，可减小由±1误差引起的相对误差。测量时间基准一般由石英振荡器提供的标准频率经整形电路、分频电路后产生，其误差与石英晶体振荡器和整形电路、分频电路及与门的开关速度有关。随着微电子技术的发展，这种误差极小，相比之下，可以认为误差主要取决于±1误差。那么在单位时间内，读到的计数值越多（即待测信号的频率越高），测量的相对误差就越小，所以这种方法适合测量高频信号，当f较低时，应该采用别的测量方法。
2.测周法
测周法是用一个标准的高频信号 fs作为计数器的读数对象，测量输入信号的一个周期T，然后根据f=1/T而得到信号的频率。测量原理图仍如图3.3所示，与门输入端之一为输入信号，与门的另一输入端为标准频率源（定时器）产生的频率为fs的脉冲信号，这样对与门输出端的脉冲计数，就可以得到被测信号的周期T=N/fs，换算成频率为f=fs/N。
如图3.5所示为测周法的波形图，注意与图3.4比较，体会两者的不同。这里，定时器输出的是用以计数的高频信号。当输入信号为方波时，只要测量输入信号的高电平时间，则计数值N为读数值的2倍；如果输入信号为矩形波，则要分别对高电平阶段和低电平阶段（可借助与非门）用计数器读数，N 为两个读数值之和。
图3.5 测周法两次测量读数值差1
同测频法一样，测量中主要的误差也是±1误差，而±1误差对测量精度的影响为：
由上式可知，如果被测信号频率f一定，则标准频率源（定时器）产生的信号频率越高，测量精度越高，由于这时计数器是对标准信号频率fs计数，因此计数器的输入信号最高频率即计数频率这一指标，对测量精度有直接影响，选择定时器芯片时要注意。（例如，Intel公司的NMOS工艺制成的可编程计数器/定时器8254-2，计数频率最高可达10MHz）。
若标准信号频率fs已确定，则被测信号的频率f越低（即周期T越长），测量精度越高，因此，测周法测量信号频率时，适用于信号频率较低的场合。
关于测频法和测周法之间中界频率的确定分析如下所述。
由上述分析可知，测频法和测周法的原理相似。测频法适用于被测信号频率较高的场合，测周法适用于被测信号频率较低的场合。有些仪器可以通过选择（或自动选择）测频法或测周法来拓宽测量范围，使仪器具有较大的测量范围和较高的测量精度。把用测频法和测周法的测量相对误差（主要为±1误差）相等时的频率作为两种方法的分界点，称为中界频率。若用f1表示中界频率，则有：
式中，fs为测周法时的标准频率（一般与计数/定时器的最高输入频率有关），t0为测频法时的测量时间（一般与允许的最大测量时间有关）。一般情况下，当待测输入信号的频率大于 f1时，选用测频法；当待测输入信号的频率小于f1时，选用测周法。
实际待测信号的形状、幅度往往是未知的，并可能还夹带着一定的噪声。如果输入信号不是标准的脉冲信号，则还需要进行预处理，通常称为输入通道处理，输入通道一般由调整电路、放大整形电路组成。如图3.6所示为脉冲信号输入通道的示意图。
图3.6 脉冲信号输入通道的示意图
调整电路一般由阻抗变换器、衰减器、保护电路构成，其作用是限制输入信号的幅度，并提高输入阻抗。放大整形电路一般采用施密特触发器，把输入信号转换成符合计数器输入标准的矩形脉冲信号。
电子计数器可测量的频率是有限的，如某电子计数器最高可测频率为10MHz，超过这个频率的脉冲信号就无法测量了，解决的办法是把待测高频信号进行预分频，因此，有些电子计数器还将输入通道分为低频通道和高频通道，为了和低频通道共用一个计数器，高频通道中含有分频器电路。
数据选择器可以从多路输入的数字（脉冲）信号中根据控制信号选取其中一路，并输给电子计数器或单片机进行计数，通过用微机控制可以用一个电子计数器选择测量多路脉冲信号。