模拟信号和数字信号的区别是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号 或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号

模擬信号和数字信号的区别是指用连续变化的物理量所表达的信息，如温度、湿度、压力、长度、电流、电压等等我们通常又把模拟信号囷数字信号的区别称为连续信号，它在一定的时间范围内可以有无限多个不同的取值

模拟数据（模拟量）一般采用模拟信号和数字信号嘚区别，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示。当模拟信号囷数字信号的区别采用连续变化的电磁波来表示时电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号和数字信号的区别采用連续变化的信号电压来表示时它一般通过传统的模拟信号和数字信号的区别传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。 

模拟信号和数字信号的区别和数字信号之间可以相互转换：模拟信号和数字信号的区别一般通过PCM脉码调制(PulseCode Modulation)方法量化为数字信号即让模拟信号和数字信号嘚区别的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号和数字信号的区别量化为2^8=256个量级实用中常采取24位或30位编码；數字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号和数字信号的区别。

这里的模拟信号和数字信号的区别是指电压和电流信号对模拟信号和数字信号的区别的处理技术主要包括模拟量的选通、模拟量的放大、信号滤波、电流电压的转换、V/F转换、A/D转换等。

首先介绍 模擬通道选通

单片机测控系统有时需要进行多路和多参数的采集和控制如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、滤波、采样/保持A/D等环节，不仅成本比单路成倍增加而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致对系统的校准带来很大困难；并且对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采用一个回路几乎是不可能的因此，除特殊情况下采用多路独立的放夶、A/D外通常采用公共的采样/保持及A/D转换电路(有时甚至可将某些放大电路共用)，利用多路模拟开关可以方便实现共用。

从 传感器或其它接收设备获得的电信号由于传输过程中的各种噪声干扰，工作现场的电磁干扰前段电路本身的影响，往往会有多种频率成分的噪声信號严重情况 下，这种噪声信号甚至会淹没有效输入信号致使测试无法正常进行。为了减少噪声信号对测控过程的影响需采取滤波措施，滤除干扰噪声提高系统的信噪比(S/N)。

过去常用模拟滤波电路实现滤波模拟滤波的技术较为成熟。模拟滤波可分为有源滤波和无源滤波设计有源滤波器，首先根据所要求的幅频特性寻找可实现的有理函数进行逼近设计。常用的逼近函数有：波待瓦兹（Butterworth)函数、切比雪夫(Chebyshev)函数贝塞尔(Besel)函数等，然后计算电路参数完成设计。

在单片机系统中首先在设计硬件是对信号采取抗干扰措施，然后在设计软件时对采集到的数据进行消除干扰的处理，以进一步消除附加在数据中的各式各样的干扰使采集到的数据能够真实的反映现场的情况。下媔介绍的几种工控中常用的数字滤波技术

从 工业现场采集到的信号往往会在一定的范围内不断的波动，或者说有频率较高、能量不大的幹扰叠加在信号上这种情况往往出现在应用工控板卡的场合，此时采集 到的数据有效值的最后一位不停的波动难以稳定。这种情况可鉯采取死区处理把波动的值进行死区处理，只有当变化超出某值时才认为该值发生了变化比如编 程时可以先对数据除以10，然后取整詓掉波动项。

在一个周期内的不同时间点取样然后求其平均值，这种方法可以有效的消除周期性的干扰同样，这种方法还可以推广成為连续几个周期进行平均

这 种方法的原理是将采集到的若干个周期的变量值进行排序，然后取排好顺序的值得中间的值这种方法可以囿效的防止受到突发性脉冲干扰的数据进入。在实际使用 时排序的周期的数量要选择适当，如果选择过小可能起不到去除干扰的作用，选择的数量过大会造成采样数据的时延过大，造成系统性能变差

这种滤波方式相当于使采集到的数据通过一次低通滤波器。来自现場的信号往往是4~20mA信号它的变化一般比较缓慢，而干扰一般带有突发性的特点变化频率较高，而低通滤波器就可以滤除这种干扰这就昰低通滤波的原理。实际使用时根据信号的带宽，合理选择Q值

滑 动滤波法是由一阶低通滤波法推广而来的。现场信号一般都是平滑的不会出现突变，如果接收到的信号有突变那么很可能就是干扰。滑动滤波法就是基于这个原 理把所有的突变都视为干扰，并且通过岼滑去掉干扰应用这种方法，只能处理平滑信号并且不同的场合，数据处理过程也要做相应调整

在实际使用时，常常需要结合多种方法以其它滤波的效果。比如在中值滤波法中加入平均值滤波，借以提高滤波的性能

然后介绍 电流电压的转换

电压信号可以经由A/D转換器件转换成数字信号然后采集，但是电流不能直接由A/D 转换器转换在应用中，先将电流转变成电压信号然后进行转换。电流/电压转换茬工业控制中应用非常广泛

电流/电压转换最简单的方法是在被测电路中串入精密电阻，通过直接采集电阻两端的电压来获得电流A/D器件呮能转换一定范围的电压信号，所以在电流/电压转换过程中需要选择合适阻值的精密电阻。如果电流的动态范围较多还必须在后端加叺放大器进行二次处理。经过多次处理会损失测量的精度。21世纪有很多电流/电压转换芯片其响应时间、线性度、漂移等指标均很理想，且能适应大范围大电流的测量

最后介绍 电压频率的转换

(1)接口简单、占用硬件资源少。频率信号通过任一根I/O口线或作为中断源及计数时鍾输入系统

(2)抗干扰性能好。V/F转换本身是一个积分过程且用V/F转换器实现A/D转换，就是频率计数过程相当于在计数时间内对频率信号进行積分，因而有较强的抗干扰能力另外可采用光电耦合连接V/F转换器与单片机之间的通道，实现隔离

(3)便于远距离传输。可通过调制进行无線传输或光传输

由于以上这些特点，V/F转换器适用于一些非快速而需进行远距离信号传输的A/D转换过程利用V/F变换，还可以减化电路、降低荿本、提高性价比

数字信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，这种信号的自变量用整数表示因变量用有限数字中的一个数芓来表示。在计算机中数字信号的大小常用有限位的二进制数表示，例如字长为2位的二进制数可表示4种数字信号，它们是00、01、10和11

由于數字信号是用两种物理状态来表示0和1的故其抵抗材料本身干扰和环境干扰的能力都比模拟信号和数字信号的区别强很多；在现代技术的信号处理中，数字信号发挥的作用越来越大几乎复杂的信号处理都离不开数字信号；或者说，只要能把解决问题的方法用数学公式表示就能用计算机来处理代表物理量的数字信号。

 在数字电路中由于数字信号只有0、1两个状态，它的值是通过中央值来判断的在中央值鉯下规定为0，以上规定为1 所以即使混人了其他干扰信号，只要干扰信号的值不超过闽值范围就可以再现出原来的信号。即使因干扰信號的值超过阂值范围而出现了误码只要采用一定的编 码技术，也很容易将出错的信号检测出来并加以纠正因此与模拟信号和数字信号嘚区别相比，数字信号在传输过程中具有更高的抗干扰能力更远的传输距离，且失真幅度小

数 字信号在传输过程中不仅具有较高的抗幹扰性，还可以通过压缩占用较少的带宽，实现在相同的带宽内传输更多、更高音频、视频等数字信号的效果此外，数字 信号还可用半导体存储器来存储并可直接用于计算机处理。若将电话、传真、电视所处理的音频、文本、视频等数据及其他各种不同形式的信号都轉换成数字脉冲 来传输还有利于组成统一的通信网。

从原始信号转换到数字信号一般要经地抽样、量化和编码这样三个过程抽样是指烸隔一小段时间,取原始信号的一个值。间隔时间越短,单位时间内取的样值也越多,这样取出的一组样值也就越接近原来的信号抽样以后要進行量化，量化就是把取出的各种各样的样值仅用我们指定的若干个值来表示最后就是编码,把量化后的值分别编成仅由0和1这两个数字组荿的序列,由脉冲信号发生器生成相应的数字信号。这样就可以用数字信号进行传送了

话音信号是模拟信号和数字信号的区别，它不仅在幅度取值上是连续的而且在时间上也是连续的。所谓抽样就是每隔一定的时间间隔T抽取话音信号的一个瞬时幅度值(抽样值)，抽样后所嘚出的一系列在时间上离散的抽样值称为样值序列抽样后的样值序列在时间上是离散的，可将各个抽样值经过量化、编码变换成二进制數字信号理论和实践证明，只要抽样脉冲频率f≥2fm (fm是话音信号的最高频率)则抽样后的样值序列可不失真地还原成原来的话音信号。

例如一路电话信号的频带为300～3400Hz，fm=3400Hz则抽样频率f≥2×Hz。如按6800Hz的抽样频率对300～3400Hz的电话信号抽样则抽样后的样值序列可不失真地还原成原来的话喑信号，话音信号的抽样频率通常取8000Hz

抽样把模拟信号和数字信号的区别变成了时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍然是模拟的还必须进行离散化处理，才能最终用数码来表示这就要对幅值进行舍零取整的处理，这个过程称为量化量化有两种方式，量化方式中取整时只舍不入，即0～1伏间的所有输入电压都输出0伏1～2伏间所有输入电压都输出1伏等。采用这种量化方式输入电压总是大于输出电压，因此产生的量化误差总是正的最大量化误差等于两个相邻量化级的间隔Δ。量化方式在取整时有舍有入，即0～0.5伏间的输入电压都输出0伏，0.5～1?5伏间的输出电压都输出1伏等等采用这种量化方式量化误差有正有负，量化误差的绝对值最大为Δ/2因此，采用有舍有入法进行量囮误差较小。

实际信号可以看成量化输出信号与量化误差之和因此只用量化输出信号来代替原信号就会有失真。一般说来可以把量囮误差的幅度概率分布看成在-Δ/2～+Δ/2之间的均匀分布。可以证明量化失真功率?， 即与最小量化间隔的平方成正比最小量化间隔越小，夨真就越小最小量化间隔越小，用来表示一定幅度的模拟信号和数字信号的区别时所需要的量化级数就越多因此处理和传输 就越复杂。所以量化既要尽量减少量化级数，又要使量化失真看不出来一般都用一个二进制数来表示某一量化级数，经过传输在接收端再按照這个二进制数来恢 复原信号的幅值所谓量化比特数是指要区分所有量化级所需几位二进制数。例如有8个量化级，那么可用三位二进制數来区分因为，称8个量化级的量化为3比特量化8比特量化则是指共有个量化级的量化。

抽样、量化后的信号还不是数字信号需要把它轉换成数字编码脉冲，这一过程称为编码最简单的编码方式是二进制编码。具体说来就是用n比 特二进制码来表示已经量化了的样值，烸个二进制数对应一个量化值然后把它们排列，得到由二值脉冲组成的数字信息流编码过程在接收端，可以按所收到的信 息重新组成原来的样值再经过低通滤波器恢复原信号。用这样方式组成的脉冲串的频率等于抽样频率与量化比特数的积称为所传输数字信号的数碼率。显然抽 样频率越高，量化比特数越大数码率就越高，所需要的传输带宽就越宽除了上述的自然二进制码，还有其他形式的二進制码如格雷码和折叠二进制码等。

在 通信理论中编码分为信源编码和信道编码两大类。所谓信源编码是指将信号源中多余的信息除詓形成一个适合用来传输的信号。为了抑制信道噪声对信号的干 扰往往还需要对信号进行再编码，编成在接收端不易为干扰所弄错的形式这称为信道编码。为了对付干扰必须花费更多的时间，传送一些多余的重复信号从 而占用了更多频带，这是通信理论中的一条基本原理

信号数据可用于表示任何信息洳符号、文字、语音、图像等，从表现形式上可归结为两类：模拟信号和数字信号的区别和数字信号模拟信号和数字信号的区别与数字信号的区别可根据幅度取值是否离散来确定。

　　模拟信号和数字信号的区别指幅度的取值是连续的(幅值可由无限个数值表示)时间上离散的模拟信号和数字信号的区别是一种抽样信号，它是对模拟信号和数字信号的区别每隔时间T抽样一次所得到的信号虽然其波形在时间仩是不连续的，但其幅度取值是连续的所以仍是模拟信号和数字信号的区别，称之为脉冲幅度调制(PAM简称脉幅调制)信号。平时我们听到嘚声音、看到的电视图像都是模拟信号和数字信号的区别

　　从模拟信号和数字信号的区别转换到数字信号一般要经过抽样、量化和编碼这样三个过程，最终变成由一连串由0和1来代表的脉冲数字信号数字信号首先应用在通信上，导致了通信的一次革命

　　1、模拟通信：模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在重要缺点

　　模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信很容易被窃听。只要收到模拟信号和数字信号的区别就容易得到通信内容。

　　(2)抗干扰能力弱

　　电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降线路越长，噪声的积累也就越多

　　大家都有经验：翻录录音带、录潒带，每翻录一次声音、图像质量就差一次，原因就在此

　　(1)数字化传输与交换的优越性

　　　①加强了通信的保密性。语音信号经A／D变换后可以先进行加密处理，再进行传输在接收端解密后再经D/A变换还原成模拟信号和数字信号的区别。

　　　②提高了抗干扰能力数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压(称为阈值)去衡量输入的信号电压只有达到某一电压幅度，电路財会有输出值并自动生成一整齐的脉冲(称为整形或再生)。较小杂音电压到达时由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作因此洅生的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码为了防止误码，在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法即茬出现误码时，可以利用后向信号使对方重发因而数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路

　　　③ 可构建综合數字通信网。采用时分交换后传输和交换统一起来，可以形成一个综合数字通信网

　　(2)数字化通信的缺点

　　　①占用频带较宽。因為线路传输的是脉冲信号传送一路数字化语音信息需占20-64kHz的带宽，而一个模拟话路只占用4kHz带宽即一路PCM信号占了几个模拟话路。对某一话蕗而言它的利用率降低了，或者详它对线路的要求提高了

　　　② 技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高接收方要能正确地悝解发送方的意思，就必须正确地把每个码元区分开来并且找到每个信息组的开始，这就需要收发双方严格实现同步如果组成一个数芓网的话，同步问题的解决将更加困难

　　　③ 进行模/数转换时会带来量化误差。随着大规模集成电路的使用以及光纤等宽频带传输介質的普及对信息的存储和传输，越来越多使用的是数字信号的方式因此必须对模拟信号和数字信号的区别进行模/数转换，在转换中不鈳避免地会产生量化误差

　　在通信由模拟向数字化转换后，带来的好处是人人共知的：以前用模拟的纵横制交换机一个城市局间的接通率不到20%，农村有线广播一开农村电话就没法打了，全是干扰音……用了全数字的程控交换机和数字传输电路以后电话接通率大大提高，传输质量做到几乎听不到噪声组成了以地级市为区域的本地通信网……可以说是一个翻天覆地的变化。几年以后电视实现数字化後将又是一场革命。