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模拟测量与数字测量

[拼音]:moni celiang yu shuzi celiang

[外文]:analog and digital measurements

宏观物理量本质上大都是固定或连续变化的模拟量。迄今为止的测量仪器的示值都模拟着被测量的变化。由于仪器本身的局限性,示值的分辨力只能达到2~3位有效数字,而且模拟式信号(测量数据)在测量过程中易受噪声和干扰的影响而变值。随着数字技术的发展,测量仪器日渐数字化。它使被测的模拟量通过模-数变换成为数字量,再利用数字技术和计算机成就来提高测量的精确度、可靠性、灵活性和自动化程度。数字式仪器用数码显示结果,读数方便,不易读错,示值分辨力可达6、7位(电压表)乃至 9、10位(频率计数器)有效数字。而且数字信号(测量数据)采用高-低两个电平编码信号,不易受干扰而出错。

数字量是离散量,以一定的跨步(量子值)跃变。每个数字量是一系列阶跃跨步的总和,通常用n比特二进制编码来表示。量化即模-数变换的结果(图中粗线)只能在一些个别点全同于模拟量(细线)。二者之间不可避免的差异,称为量化误差或量化噪声。二进编码时,分辨率(一个量子)为1/(2n-1),8比特的分辨率为±2×10-3,16比特的为±8×10-6,24比特的为±3×10-8。测量的动态范围为n×6.02分贝。

量化过程需要一定时间τ,即模-数变换器的总采样时间。τ值正比于比特数n,反比于时钟(采样节拍)频率。显然,τ应与被测之量v的变化速率(dv/dt)相适应。测量误差为��v=(��v/��t)τ。对于正弦变化量vsinωt,最大误差将为��v=vωτ或��v/v=ωτ。把1千赫正弦信号量化到10比特,若要求��v/v与数字分辨率(1×10-3)相当,则要求τ≤160纳秒。测量速度与精确度之间存在矛盾,精确度要求越高,则总采样时间越长。

为了提高效率,可用较低的重复频率fs<<1/τ来进行采样,并在相继二次采样之间用保持电路来保持采得的值。若要从采样结果复现原来的信号,根据采样定理至少要求fs>2fn,这里fn是信号中所含的最高傅氏频率分量,这样复现的信号将无失真。然而,由于噪声的影响,而且需要滤除采样频率fs,实际上要求fs>5fn。采样保持电路的作用犹如一个低通滤波器,其截频为fs/2,并会产生一个相位延迟,其值为1/(2fs)。模-数变换在高速、高频方面受到限制。

模-数变换的逆过程就是数-模变换,即从数字式编码信号变换为对应的模拟式信号。当被变换的信号变化时,所得模拟信号呈现出量化阶梯。用低通滤波器滤除阶跃所产生的谐波,即得到平滑的模拟信号。若模拟信号中低频傅氏分量的谐波低于高频傅氏分量,则谐波的滤除显然有困难。

除了可以用数-模变换电路作反馈来构成模-数变换器之外,在测量仪器和系统中,数-模变换器常用以产生模拟信号来驱动模拟式终端设备(例如X-Y绘图仪和示波器等)和用于任意波形信号发生器。

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