3.2 模拟信号的输入与处理

很多仪表（传感器）传送的电信号是模拟信号，反映了待测信号随时间连续变化的关系。为了将电信号输入到微机中进行实时处理，需要对输入信号进行分析处理，如图3.7所示为单通道测量数据采集系统的框图。

为了对某个待测量进行测量，首先选择适当的传感器将待测量（若为非电量）转换为电量，若信号中含有共模分量，则要考虑采用隔离电路；若信号中有干扰噪声，则要通过滤波器将信号中的不需要的频率分量滤除。隔离电路和滤波电路用虚框围住，表示这部分电路要根据需要选用，可以不用。接着，要用前置放大器放大模拟信号，若信号变化太快，则要用采样电路在指定时刻对输入信号进行采样，并由保持电路将采样电平保持下来，成为时间离散信号；同样，若信号变化十分缓慢，则采样/保持电路也可省略。A/D转换器对离散信号的幅度进行量化，输出幅度和时间均为离散的数字信号，存储于计算机的存储器中。至此，系统已完成了从实际世界获得模拟量、对它们进行预处理、转换成数字量并存于存储器等一系列操作。这一全过程称为数据采集或数据获取（Data Acquisition）过程。下面分别讨论数据采集系统中的各个模块。

3.2.1 模拟信号的检测

对模拟信号的检测，分以下几种情况进行讨论。

1.被测量用标准工业仪表检测

模拟电信号有交流和直流两种。由于直流信号具有不受线路中电感、电容及负载性质的影响，不存在相移问题等优点，所以工业自动化行业较多地采用直流电流或直流电压作为统一联络信号。

不同的仪表系列，所取信号的上、下限值是不同的。例如，DDZ-Ⅱ型仪表采用0～10mA直流电流作为统一联络信号；DDZ-Ⅲ型仪表采用4～20mA直流电流信号和1～5V直流电压作为统一联络信号；有些仪表则采用0～5V或0～10V直流电压作为联络信号。

如果检测仪表输出电流信号，可以把它看成是一个电流源，如果有多台仪器需要接收这个信号，则这些仪器需要串联，如图3.8所示。图3.8中，Rs为电流型仪表的输出电阻，Rx为传输导线的等效电阻，R1、R2为接收仪器的输入电阻。

接收信号仪器接收到的电流信号 I 的相对误差为：

根据并联分流的关系，可以用电阻关系求出相对误差：

从式中可以看到，电流型仪表的输出电阻越大越好，接收电流型仪表信号输入的仪器的输入电阻越小越好。

实际电流型仪表的输出电阻Rs很大，相当于一个恒流源，连接导线的长度在一定范围内变化时，对输出电流信号的影响可以忽略不计，所以电流信号适于远距离传输。

因为智能仪器测量的一般是电压信号，因此电流型仪表输出的电流信号要转换成电压信号。当然直接让电流流过一个电阻，利用欧姆定律，也可以把电流转换为电压，但当电流信号及其变化量很小时，仅用电阻来构成电流/电压转换是不切实际的。比较实用的方法是用集成运算放大器和高阻值的反馈电阻RF构成。如图3.9所示为一简单的电流/电压转换放大电路，在电子技术中已经学过，这是一个反相比例放大器，在忽略集成运算放大器的静态偏置电流情况下，有：

图3.9中的电阻R2=RF//R1，起到减小偏置电流的作用，为减小偏置电流的影响最好选用场效应晶体管作为输入级的集成运放，如AD515等。

如果检测仪表输出电压信号，可以把它看成是一个电压源，如果有多台仪器需要接收这个信号，则这些仪器需要并联，如图3.10所示。图中，R0为电压型仪表的输出电阻，Rx为传输导线的等效电阻，R1、R2为各接收仪器的输入电阻。

在不计传输线上的电压降时，接收仪器接收到的电压信号的相对误差为：

其中，R1//R2表示两个接收仪表输入电阻的并联。从式中可以看到，电压型仪表的输出电阻越小越好，接收电压型仪表信号输入的仪器的输入电阻越大越好，且传输线过长时其电阻Rx对信号的影响就不可忽略了。

在这两种情况中，接收仪器均不宜过多，考虑到现在的智能仪器具有较强的通信功能，所以一般只要一台接收仪器就可以了，其他仪器可以通过通信获得需要的信号数据。

2.被测量用传感器检测

传感器是智能仪器最主要的输入信号源，传感器体积小，种类多，有些传感器输出一体化标准信号（1～5V的电压信号或0～20mA的电流信号等），电路接法与上述标准仪表相同，也有些传感器输出比较弱的电信号，则需要进行放大。

各类传感器输出信号的形式各不相同，因此，需要的放大电路也有所不同。在各类传感器的输出中，采用最多的是以下4种。

（1）电阻输出型。这类传感器把待测量转化为电阻值的变化，常见的有PN结温度传感器、应变元件等，一般通过交直流电桥把阻值的变化转化为微小电压的变化。例如，如图3.11所示为直流电桥电路，可以把待测元件的阻值变化转换成直流电压信号输出。

（2）电压输出型。有些传感器内已集成了一部分处理电路，可以直接输出电压。这些处理电路有对称结构，也有非对称结构。对称结构中又以交直流电桥输出居多，如应变电桥、热敏元件、霍尔电桥等效电路等。这类传感器使用比较简单，如果输出电压太小的话只要求外接电压放大电路即可。

（3）电流输出型。如光电传感器产生微弱电流等，要求后接电流/电压转换电路，其电路如图3.9所示。

（4）电荷输出型。如压电式传感器等，要求后接电荷/电压转换电路，通常结合运算放大器，还具有一定的信号放大作用。

电荷/电压转换电路如图3.12所示，它将电荷转换成电压。

图3.12中忽略了所有的漏电阻，Cab为压电晶体的固有电容，C1为传输电缆的等效电容，CF为反馈电容，则有：

式中，A为集成运放的开环增益（又称开环放大倍数），因为集成运放的A很大，输入电荷几乎只对CF充电，近似有：

可见，在A很大的情况下，输出电压仅与Q、CF有关，与电路的其他参数无关。若集成运放的开环放大倍数不够大，则需要计入压电晶体固有电容与传输电容的影响。

3.2.2 信号滤波及检测

在测控过程中，需要测量放大的电压、电流通常称为信号，而因为环境温度变化、电源波动等原因造成的电压、电流变化称为噪声，虽然信号和噪声在时域上混合在一起，即在波形图上很难区分开来，但大部分情况下，信号与噪声在频域上的分布是不同的。一般来说，信号是有一定范围的，如直流信号或经调制的交流信号（其载波频率已知）；而噪声是无规则可循的（若存在有规律的噪声则要根据其规律去设法抑制），其频率范围要宽得多，如白噪声，各种频率的干扰都可能存在。当信号中干扰信号的电压比较大时，用高增益（放大倍数）的放大器去放大信号时，会导致放大器饱和，不能正常工作。在这种情况下，就需要在前面接滤波电路，先过滤掉噪声。

滤波器的作用是让一定频率范围内的信号通过，抑制频率范围外的干扰信号（噪声）。在电子技术中学过，根据滤波的范围，滤波器可以分为4种，分别是低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器，如图3.13所示为这4种滤波器的理想幅频特性曲线。根据实现滤波的方式不同，滤波器又可分为模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器实现对模拟信号的滤波，一般用电路实现；数字滤波器实现对数字信号的滤波，可以用电路（硬件）实现，也可以用软件（数据处理）实现。

在模拟信号输入端所接的滤波器是模拟滤波器。因为在自动化工业中大部分信号是缓慢变化的，即为低频信号，所以一般都采用低通滤波器滤去高频噪声。

理想低通滤波器的输出幅频特性曲线如图3.13（a）所示，即当输入信号（频率小于截止频率f1）通过滤波器时，信号电压没有衰减（结合具体设计，可能还获得一定的放大），但频率超过截止频率f1的信号却被抑制了，理想情况下输出电压U0=0。在实际的低通滤波器设计中，希望寻找一个传递函数，使其幅频特性曲线尽可能逼近理想特性曲线。

如图3.14所示为用运算放大器构成的二阶低通有源滤波器。图3.14中用一个二阶RC低通无源网络接到运算放大器正向输入端，以获得比较高的输入阻抗。当输入信号的频率f=0（即直流信号）时，其增益A0最大，随着频率f的增加，电容C有分流作用，输出电压将减小，为使其频率特性更接近于理想的低通滤波器的频率特性，滤波电容C不接地，接到输出端。这个滤波电路的电压放大倍数为：

输入信号的截止频率为：

多路采集或多通道系统中，如果每个通道都有不同频率和不同特性的噪声，也可以在每个通道前设置不同参数的低通滤波器，再由多路转换器进行切换后接入系统；也可以用一个滤波器，通过用程控开关控制滤波器参数，以获得截止频率可调的滤波器。

模拟信号的处理也可以用Proteus软件（或其他电路软件）进行仿真，以图3.14所示电路为例，取R1=R2=100kΩ，C1=C2=220pF，则由式（3.12）得该低通滤波电路的截止频率为：

取RF=R3=10kΩ，则由式（3.11）可知在通带范围内放大倍数约为2。

如图3.15所示为低通滤波电路的仿真原理图，在Proteus中还可以用图表模式来显示所设计电路的一些波形特点，在信号的输入端加上激励源，这里选择正弦信号（幅值为1V，频率为1kHz），图中标为INPUT（输入），然后在输出端加上电压测量探针，名称为OUTPUT （输出），接着在工具栏中选择“图表模式→频率仪（Frequency）”，右击该图表，在下拉菜单中选择“添加图线”，选择加入“OUTPUT”探针。在“编辑频率图表”中选择以INPUT为参考源。

开始仿真，默认仿真时间为1s，仿真后右击图表，在下拉菜单中选择“可以得到所设计的低通滤波器的波特图”（幅频特性用对数表示），所得到的图形还可以放大，如图3.16所示。从图中可以看到其截止频率与所设计的理论值相近。

同样，还可以加入输入/输出波形图，如图3.17所示。从图中可以看到，对1kHz的波形，其放大倍数约为2，输出波形与输入波形有一个很小的相位差。

3.2.3 多路模拟开关

智能仪器往往具有多种测量功能，需要对工业控制现场的多种待测量进行监控，因此就有可能需要自动巡回测量或选择性测量，这种功能一般是通过多路模拟开关实现的。多路模拟开关又称多路模拟信号转换器（Multiplexer，简称MUX），其内部结构如图3.18所示。它由若干个模拟开关并联而成，在正常工作时，由地址线控制选择其中一个模拟开关导通，其他开关全断开。其作用为用（程序控制）地址线在多路模拟输入信号中选择其中一路模拟信号输入。例如，AD7051共有8个模拟信号输入端，用三根地址线控制选取其中哪一个模拟开关与OUT导通。另外，AD7051还有一个芯片使能端EN（Enable，使能），如果这8个开关都不需要接通时，令EN=0，则该8路模拟开关集成芯片没有被选中，所有的开关均不导通，芯片为高阻状态。

MUX常用的芯片有两种：一种是普通型，一种是精密型。普通型产品为CD4000系列，如CD4051、CD4052、CD4053等；精密型的产品为AD系列，如AD7051、AD7053等。

另外，也有同时控制两路开关闭合的多路模拟开关，如AD7052，共控制四路，每路有两个模拟开关受控同时接通或断开，这样可以适用于需要差分输入的连接。

在使用MUX芯片时，要注意多路模拟开关总会有一些接触电阻，从而引起几十到几百微伏之间的误差，这种误差对毫伏级的微弱信号切换产生的影响就必须考虑。

多路模拟开关的地址变化可以控制开关的切换，这种切换可以用软件来实现或用硬件来实现。软件切换便于实现灵活多样的测量控制，但软件切换要占用CPU的时间，且切换速度慢。在高速多路采集监控系统中，如果要求不断地顺序采集，也可以用硬件计数器来构成自动顺序切换地址，实现自动测量。