模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)講堂(10)，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之模擬信號(hào)處理

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的使用必不可少，對(duì)于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，小編推出模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)系列文章。想對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)有更多認(rèn)識(shí)的朋友，可以翻閱哦。本文對(duì)于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的介紹在于講解模擬信號(hào)是如何被處理的。如果你對(duì)本文內(nèi)容具有一定興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

模擬信號(hào)是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號(hào)。 或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號(hào)。

模擬信號(hào)是指用連續(xù)變化的物理量所表達(dá)的信息，如溫度、濕度、壓力、長(zhǎng)度、電流、電壓等等，我們通常又把模擬信號(hào)稱為連續(xù)信號(hào)，它在一定的時(shí)間范圍內(nèi)可以有無(wú)限多個(gè)不同的取值。而數(shù)字信號(hào)是指在取值上是離散的、不連續(xù)的信號(hào)。

實(shí)際生產(chǎn)生活中的各種物理量，如攝相機(jī)攝下的圖像、錄音機(jī)錄下的聲音、車間控制室所記錄的壓力、流t、轉(zhuǎn)速、濕度等等都是模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)是在模擬信號(hào)的基礎(chǔ)上經(jīng)過采樣、量化和編碼而形成的。具體地說，采樣就是把輸入的模擬信號(hào)按。適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔得到各個(gè)時(shí)刻的樣本值。量化是把經(jīng)采樣測(cè)得的各個(gè)時(shí)刻的值用二進(jìn)碼制來(lái)表示，編碼則是把t化生成的二進(jìn)制數(shù)排列在一起形成順序脈沖序列。

模擬信號(hào)傳輸過程中，先把信息信號(hào)轉(zhuǎn)換成幾乎“一模一樣”的波動(dòng)電信號(hào)(因此叫“模擬”)，再通過有線或無(wú)線的方式傳輸出去，電信號(hào)被接收下來(lái)后，通過接收設(shè)備還原成信息信號(hào)。

實(shí)際中遇到的信號(hào)大多為模擬信號(hào)，這些在時(shí)間和幅度上都連續(xù)變化的信號(hào)利用含有源電路和無(wú)源電路元件的電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理。這種途徑稱為模擬信號(hào)處理(ASP，Analog Signal Processing)，例如無(wú)線電和電視接收機(jī)就屬于這一類。

它們能夠利用加法器，乘法器和邏輯元件的數(shù)字硬件或?qū)Ｓ梦⑻幚砥鬟M(jìn)行處理。然而需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一種適合于數(shù)字硬件的某種形式，這種形式的信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)。這種信號(hào)在時(shí)間的特定時(shí)刻取有限個(gè)數(shù)值中的一個(gè)，所以能用二進(jìn)制數(shù)(或比特)來(lái)表示。這種數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)的處理稱為 DSP，用方框圖的形式表示為：

PtF：是一個(gè)前置濾波器(prefilter)或抗混疊濾波器，用于控制模擬信號(hào)以防止混疊;

ADC：analog-to-digital converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來(lái)從模擬信號(hào)產(chǎn)生一串二進(jìn)制數(shù)值流;

DSP：DSP 的核心部分，可以代表一臺(tái)通過計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚砥?，或?shù)字硬件等等;

DAC：ADC 的逆操作，digital-to-analog converter，它從一串二進(jìn)制數(shù)的序列中產(chǎn)生一種階梯形波形(如下圖)，這是朝著產(chǎn)生一個(gè)模擬信號(hào)的第一步;

PoF：postfilter，后置濾波器，用于將階梯波形平滑為所期望的模擬信號(hào);

(一)奈奎斯特采樣定理

從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換包含了“采樣”和“量化”兩個(gè)過程，通過這兩大過程，聲音被轉(zhuǎn)化為比特流。

采樣：從時(shí)間軸上等間隔地取 N 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，然后取得原始模擬信號(hào)在該 N 個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的值，這一過程就叫采樣;

那么，究竟要取多少點(diǎn)，原始的連續(xù)時(shí)間信號(hào)所含的信息才不會(huì)丟失。奈奎斯特給出一個(gè)論證，如果一個(gè)信號(hào)是帶限的(bounded bandwidth，傅里葉變換在某一有限頻帶范圍內(nèi)有值(f)，以外均為 0)，如果采樣的樣本足夠密集的話(采樣頻率大于信號(hào)帶寬的兩倍，2f)，那么便可以無(wú)失真地還原信號(hào)，這個(gè)結(jié)論被稱為奈奎斯特采樣定理。

人發(fā)出的聲音的頻率一般為：85 - 1100hz，而 1-4kHz 也是人耳非常敏感的頻率范圍，則根據(jù)奈奎斯特采樣頻率，8kHz 的采樣便可滿足手機(jī)通話的需求，

事實(shí)上，GSM 規(guī)范規(guī)定的 GSM 手機(jī)采樣頻率正是 8kHz;

(二)S7-200 量程轉(zhuǎn)換

1. 工程量：指工程設(shè)計(jì)中沒有量化之前的物理量，如溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、液位、壓差等;

2. 模擬量：指?jìng)鞲衅鬏敵龅臉?biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)，如0--20MA、4--20MA、0--10V、1--5V 等

3. 數(shù)字量(量化值)：指與模擬量相對(duì)應(yīng)的數(shù)值，如0--10V 模擬量對(duì)應(yīng)0--32000 數(shù)字量;

4. 量程：工程量上限值減去工程量下限值; 5. 值域：數(shù)字量上限值減去數(shù)字量下限值;

6. 量程轉(zhuǎn)換：把模擬量地址上的數(shù)字量經(jīng)過PLC 的數(shù)學(xué)運(yùn)算指令運(yùn)算后轉(zhuǎn)換成工程量的方法。

(三)S7-200PLC 量程轉(zhuǎn)換的過程

(四)S7-200PLC 模擬量信號(hào)與數(shù)字量的關(guān)系

(五)量程轉(zhuǎn)換公式及其用法量程轉(zhuǎn)換公式

(六)量程轉(zhuǎn)換公式的使用方法

某工程使用CPU224 擴(kuò)展EM235模塊測(cè)量溫度，溫度傳感器的測(cè)量范圍是-50 ℃ ----+120 ℃，信號(hào)輸出0----10V，接在模擬量模塊的輸入端A 口(地址AIW0)，假設(shè)AIW0=10000，此時(shí)溫度是多少?根據(jù)給定條件：yH=120.0℃、yL=-50.0 ℃、xH=32000.0、xL=0.0、x=10000.0，則y=3.12℃

(七)S7-200PLC 量程轉(zhuǎn)換的編程方法

1. 讀取模擬量地址的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)存入VD0 地址里

2. 把得到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為工程量(量程轉(zhuǎn)換)，首先給各變量分配地址并安排在V 區(qū)，中間結(jié)果安排在M 區(qū)，最終結(jié)果存儲(chǔ)在VD4 地址上，人機(jī)界面讀取VD4地址得工程量數(shù)值。X=VD0、Y=VD4

S7-200PLC 執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算之前，必須將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為同一類型的數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行運(yùn)算。如果對(duì)數(shù)據(jù)類型不是特別熟悉將數(shù)據(jù)一律轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)再進(jìn)行運(yùn)算。

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