模擬信號和數(shù)字信號講堂(10)，模擬信號和數(shù)字信號之模擬信號處理

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

模擬信號是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號。 或在一段連續(xù)的時間間隔內(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。

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

實際生產(chǎn)生活中的各種物理量，如攝相機攝下的圖像、錄音機錄下的聲音、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。數(shù)字信號是在模擬信號的基礎(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按。適當(dāng)?shù)臅r間間隔得到各個時刻的樣本值。量化是把經(jīng)采樣測得的各個時刻的值用二進(jìn)碼制來表示，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。

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

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

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，這種形式的信號稱為數(shù)字信號。這種信號在時間的特定時刻取有限個數(shù)值中的一個，所以能用二進(jìn)制數(shù)(或比特)來表示。這種數(shù)字?jǐn)?shù)字信號的處理稱為 DSP，用方框圖的形式表示為：

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

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

DSP：DSP 的核心部分，可以代表一臺通過計算機或?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)生一個模擬信號的第一步;

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;

(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”兩個過程，通過這兩大過程，聲音被轉(zhuǎn)化為比特流。

采樣：從時間軸上等間隔地取 N 個時間點，然后取得原始模擬信號在該 N 個時間點上的值，這一過程就叫采樣;

那么，究竟要取多少點，原始的連續(xù)時間信號所含的信息才不會丟失。奈奎斯特給出一個論證，如果一個信號是帶限的(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(采樣頻率大于信號帶寬的兩倍，2f)，那么便可以無失真地還原信號，這個結(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通話的需求，

事實上，GSM 規(guī)范規(guī)定的 GSM 手機采樣頻率正是 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：指傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)直流信號，如0--20MA、4--20MA、0--10V、1--5V 等

3. 數(shù)字量(量化值)：指與模擬量相對應(yīng)的數(shù)值，如0--10V 模擬量對應(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)運算指令運算后轉(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 擴展EM235模塊測量溫度，溫度傳感器的測量范圍是-50 ℃ ----+120 ℃，信號輸出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)果存儲在VD4 地址上，人機界面讀取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)行運算。如果對數(shù)據(jù)類型不是特別熟悉將數(shù)據(jù)一律轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)再進(jìn)行運算。

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