模拟信号和数字信号

模拟信号和数字信号 模拟信号 [编辑本段]什么是模拟信号 主要是与离散的数字信号相对的连续的信号。模拟信号分布于自然界的各个角落，如每天温度的变化，而数字信号是人为的抽象出来的在时间上不连续的信号。电学上的模拟信号是主要是指幅度和相位都连续的电信号，此信号可以被模拟电路进行各种运算，如放大，相加，相乘等。 模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化，如目前广播的声音信号，或图像信号等。 [编辑本段]模拟信号与数字信号的区别 (1)模拟信号与数字信号 不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输:模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，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;数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。 当模拟信号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;而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。 当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。 (2)模拟信号与数字信号之间的相互转换 模拟信号和数字信号之间可以相互转换:模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号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量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码;数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。 计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数字信号。 [编辑本段]模拟信号的数字传输 图所示为一简单增量调制的仿真实验原理图。图中的话音信号源采用了一个高斯噪声源经过3KHz低通滤波器后的输出来模拟。调整图中的图符5的增益可以改变差值Δ的大小。在接收端，解调器未使用与本地解调器一致的电路，直接使用积分器解调输出。如果希望输出波形平滑，可在积分器和输出放大器之间加入一个低通滤波器，以滤除信号中的高频成分。所示是输入的模拟话音信号波形。是增量调制后的输出波形。为经过积分器解调后的输出波形。观察可以比较输入输出波形之间的失真。 由理论分析可知，ΔM的量化信噪比与抽样频率成三次方关系，即抽样频率每提高一倍则量化信噪比提高9dB。通常ΔM的抽样频率至少16KHz以上才能使量化信噪比达到15dB以上。32KHz时，量化信噪比约为26dB左右，可以用于一般的通信质量要求。如果设信道可用的最小信噪比为15dB，则信号的动态范围仅有11dB，远远不能满足高质量通信要求的35-50dB的动态范围，除非抽样频率提高到100KHz以上采用实用价值。上述理论分析的结论读者可以通过改变仿真实验的信号抽样频率观察到。当抽样频率低于16KHz时，信号失真已十分明显，当抽样频率为128KHz时失真较小。 改进ΔM动态范围的方法有很多，其基本原理是采用自适应方法使量阶Δ的大小随输入信号的统计特性变化而跟踪变化。如量阶能随信号瞬时压扩，则称为瞬时压扩ΔM，记作ADM。若量阶Δ随音节时间问隔(5一20ms)中信号平均斜率变化，则称为连续可变斜率增量调制，记作CVSD。由于这种方法中信号斜率是根据码流中连“1”或连“0”的个数来检测的，所以又称为数字检测、音节压扩的自适应增量调制，简称数字压扩增量调制。图9.20给出了数字压扩增量调制的方框图。 数字压扩增量调制与普通增量调制相比，其差别在于增加了连“1”连“0”数字检测电路和音节平滑电路。由于CVSD的自适应信息(即控制电压)是从输出码流中提取的，所以接收端不需要发送端传送专门的自适应信息就能自适应于原始信号，电路实现起来比较容易。对于数字压扩增量调制感兴趣的读者可以在上述仿真实验的基础上加入连“1”连“0”数字检测电路和音节平滑电路，重新仿真并观察改善情况。 优点:模拟信号:直观且容易实现 数字信号:传播距离长，可同时传递大容量的信号，抗干扰能力强 缺点:模拟信号:传播距离较短，传递容量小，保真性较差 数字信号:处理复杂 特点:模拟信号:是电流传递的信号 数字信号:是用不同符号的不同组合表示的信号 数字信号 英文名称:Digital signal [编辑本段]数字信号的概述 数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。 [编辑本段]数字信号的特点 (1)抗干扰能力强、无噪声积累。在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使传输质量严重恶化。 对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，即在适当的距离采用判决再生的方法，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，所以可实现长距离高质量的传输。 (2)便于加密处理。信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。 (3)便于存储、处理和交换。数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。 (4)设备便于集成化、微型化。数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。 (5)便于构成综合数字网和综合业务数字网。采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。另外，电话业务和各种非话业务都可以实现数字化，构成综合业务数字网。 (6)占用信道频带较宽。一路模拟电话的频带为4kHz带宽，一路数字电话约占64kHz，这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因。随着宽频带信道(光缆、数字微波)的大量利用(一对光缆可开通几千路电话)以及数字信号处理技术的发展(可将一路数字电话的数码率由64kb/s压缩到32kb/s甚至更低的数码率)，数字电话的带宽问已不是主要问题了。 以上介绍可知，数字通信具有很多优点，所以各国都在积极发展数字通信。近年来，我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。 [编辑本段]数字信号的产生 (1)模拟信号 信号波形模拟着信息的变化而变化，模拟信号其特点是幅度连续(连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值)。模拟信号，其信号波形在时间上也是连续的，因此它又是连续信号。模拟信号按一定的时间间隔T抽样后的抽样信号，由于其波形在时间上是离散的，它又叫离散信号。但此信号的幅度仍然是连续的，所以仍然是模拟信号。电话、传真、电视信号都是模拟信号。 (2)数字信号 数字信号其特点是幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的而是离散的。二进码，每一个码元只取两个幅值(0，A):四进码，每个码元取四(3、1、,1、,3)中的一个。这种幅度是离散的信号称数字信号。 [编辑本段]信号数字化过程 信号的数字化需要三个步骤:抽样、量化和编码。抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反，再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号。上述数字化的过程又称为脉冲编码调制。 抽样 话音信号是模拟信号，它不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间上也是连续的。要使话音信号数字化并实现时分多路复用，首先要在时间上对话音信号进行离散化处理，这一过程叫抽样。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)，抽样后所得出的一系列在时间上离散的抽样值称为样值序列，如图2,,所示。抽样后的样值序列在时间上是离散的，可进行时分多路复用，也可将各个抽样值经过量化、编码变换成二进制数字信号。理论和实践证明，只要抽样脉冲的间隔T?1/2fm(或?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fs?2×3400=6800Hz。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音信号，话音信号的抽样频率通常取8000Hz/s。对于PAL制电视信号。视频带宽为6MHz，按照CCIR601建议，亮度信号的抽样频率为13.5MHz，色度信号为6.75MHz。 量化 抽样把模拟信号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，示于图2,5中。图2,5(a)所示的量化方式中，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。图(b)所示的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，0.5,15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化，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，可以把量化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，失真就越小。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这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数来区分，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。 量化误差与噪声是有本质的区别的。因为任一时刻的量化误差是可以从输入信号求出，而噪声与信号之间就没有这种关系。可以证明，量化误差是高阶非线性失真的产物。但量化失真在信号中的表现类似于噪声，也有很宽的频谱，所以也被称为量化噪声并用信噪比来衡量。 上面所述的采用均匀间隔量化级进行量化的方法称为均匀量化或线性量化，这种量化方式会造成大信号时信噪比有余而小信号时信噪比不足的缺点。如果使小信号时量化级间宽度小些，而大信号时量化级间宽度大些，就可以使小信号时和大信号时的信噪比趋于一致。这种非均匀量化级的安排称为非均匀量化或非线性量化。数字电视信号大多采用非均匀量化方式，这是由于模拟视频信号要经过校正，而校正类似于非线性量化特性，可减轻小信号时误差的影响。 对于音频信号的非均匀量化也是采用压缩、扩张的方法，即在发送端对输入的信号进行压缩处理再均匀量化，在接收端再进行相应的扩张处理。 目前国际上普遍采用容易实现的A律13折线压扩特性和μ律15折线的压扩特性。我国规定采用A律13折线压扩特性。 采用13折线压扩特性后小信号时量化信噪比的改善量可达24dB，而这是靠牺牲大信号量化信噪比(亏损12dB)换来的。 编码 抽样、量化后的信号还不是数字信号，需要把它转换成数字编码脉冲，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，每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，整个过程见图2,7。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码率。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，还有其他形式的二进制码，如格雷码和折叠二进制码等，表2,1示出了这三种二进制码。这三种码各有优缺点:(1)自然二进制码和二进制数一一对应，简单易行，它是权重码，每一位都有确定的大小，从最高位到最低位依次为，可以直接进行大小比较和算术运算。自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的3转换为4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。(2)格雷码则没有这一缺点，它在相邻电平间转换时，只有一位生变化，格雷码不是权重码，每一位码没有确定的大小，不能直接进行比较大小和算术运算，也不能直接转换成模拟信号，要经过一次码变换，变成自然二进制码。(3)折叠二进制码沿中心电平上下对称，适于表示正负对称的双极性信号。它的最高位用来区分信号幅值的正负。折叠码的抗误码能力强。 表2,1各种二进制码量化电平 量化电平自然二进制码格雷码折叠二进制码 0000000011 1001001010 2010011001 3011010000 4100110100 5101111101 6110101110 7111100111 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去，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。 [编辑本段]数字视频信号 数字视频信号的编码方式和格式 (1)复合编码和分量编码 视频信号有两种编码方式，即复合编码和分量编码。复合编码是将复合彩色信号直接编码成PCM形式。复合彩色信号是指彩色全电视信号，它包含有亮度信号和以不同方式编码的色度信号。分量编码是将三基色信号R、G、B分量或亮度和色差信 号Y、(B,Y)、(R,Y)分别编码成PCM形式。 复合编码的优点是码率低些，设备较简单，适用于在模拟系统中插入单个数字设备的情况。它的缺点是由于数字电视的抽样频率必须与彩色副载频保持一定的关系，而各种制式的副载频各不相同，难以统一。采用复合编码时由抽样频率和副载频间的差拍造成的干扰将影响图像的质量。 分量编码的优点是编码与制式无关，只要抽样频率与行频有一定的关系，便于制式转换和统一，而且由于Y、(R,Y)、(B,Y)分别编码，可采用时分复用方式，避免亮色互串，可获得高质量的图像。在分量编码中，亮度信号用较高的码率传送，两个色差信号的码率可低一些，但总的码率比较高，设备价格相应较贵。 (2)数字视频信号的抽样频率和格式现行的扫描制式主要有625行,50场和525行,60场两种，它们的行频分别为15625赫和15734.265赫。 ITU,R建议的分量编码的亮度抽样频率为13.5兆赫，这恰好是上述两种行频的整数倍，对于625行,50场，每行的抽样点数为个，对于525行,60场，每行的抽样点数为个，按照国际现行电视制式，亮度信号最大带宽是6兆赫。根据奈奎斯特抽样定理，抽样频率至少要大于2×6,12兆赫，因此取13.5兆赫也是合适的。 由于色差信号的带宽比亮度信号窄得多，所以在分量编码时两个色差信号的抽样频率可以低一些，同时也考虑到抽样的样点结构满足正交结构的要求，ITU,R建议两个色差信号的抽样频率均为亮度信号抽样频率的一半，即6.75兆赫，每行的样值点数也是亮度信号样值点数的一半，即分别为432个,行和429个,行。因此，对演播室数字电视设备进行分量编码的标准是:亮度信号的抽样频率是13.5兆赫，两个色差信号的抽样频率是6.75兆赫，其抽样频率之比为4:2:2，因此也称为4:2:2格式。对于用于信号源信号处理的质量要求更高的设备，还可以采用4:4:4的抽样关系。 [编辑本段]数字通信系统 数字通信系统的主要性能指标 (1)信道传输速率 信道的传输速率通常是以每秒所传输的信息量多少来衡量。信息论中定义信源发生信息量的度量单位是“比特”(bit)。一个二进制码元所含的信息量是一个“比特”，所以信息传输速率的单位是比特/秒(bit/s)。例如一个数字通信系统，它每秒传输600个二进制码元，它的信息传输速率是600比特/秒(600bit/s)。 (2)符号传输速率 它是指单位时间(秒)内传输的码元数目，其单位为波特。这里的码元可以是二进 制的，也可以是多进制的。符号传输速率M和信息传输速率R的关系为R=Nlog2M当码元为二进制时M为2;码元为四进制时M为4……如果符号速率为600波特，在二进制时，信息传输速率为600比特/秒，在四进制时为1200比特/秒。 (3)误码率 信码在传输过程中，由于信道不理想以及噪声的干扰，以致在接收端判决再生后的码元可能出现错误，这叫误码。误码的多少用误码率来衡量，误码率是数字通信系统中单位时间内错误码元数与发送总码元数之比。误码越多，误码率越大。 (4)传输速率和带宽的关系 数字信号的传输要求与模拟信号的要求不同，模拟信号的传输要求接收端无波形失真，而数字信号的传输是要求接收端无差错地恢复成原来的二进数码(可以允许接收波形失真，只要不影响正确恢复信码即可)。 由于数字信号的频带非常宽(从直流一直到无限高的频率)，但其主要能量则集中在低频段，而电缆传输信道是只允许比较低的频率成分通过的低通信道。当一系列数字脉冲信号通过带限的电缆信由于高频成分被滤去，使输出波形出现了失真。 这种波形顶部变圆，底部展宽。一个码元的波形展宽到其他码元位置，影响到其他码元，这种影响称码间干扰。由于波形的拖尾很长，码间干扰将影响到数个码元。波形的拖尾可以是正的也可能是负的。如果所有的拖尾相加后是正值，而且达到门限判决电平就可能将“0”误判为“1”码;反之，如果所有的拖尾相加后在某个码元位置的值是负的，就可能将“1”码误判为“0”码。为了减少码间干扰，数字信号传输的基本理论——奈奎斯特第一准则规定带限信道的理想低道截止频率为fH时，最高的无码间干扰传输的极限速度为2fH。例如，信道带宽为2000Hz时，每秒最多可传送4000个二进制码元。一路数字电话速率为64kbit/s，则无码间干扰的信道带宽为32kHz。 怎么将PLC数字信号转换成电压, 通过PLC加数模(DA)转换模块，将PLC数字信号转换成电压(或电流视 变频器设置而定)信号,怎么样转换的?我用的是FX2N-32MR的PLC和FX2N- 4DA的数模(DA)转换模块.PLC又怎么编程呢? 可编程逻辑控制(PLC)是一种基于计算机的紧凑的电子系统，它使用数字或者模拟输入/输出模块来控制机器、工艺和其他控制模块。PLC能够接收(输入)和发送(输出)各种不同类型的电气和电子信号，并利用它们来控制和监测几乎任何一种机械和/或电气系统。PLC可以按照所能提供的I/O功能来分类。例如，一个nano PLC具备的I/O数少于32路，一个micro PLC的I/O数在32和128路之间，而小型PLC的I/O数则达到了128,256，其余依此类推。图1描绘典型的PLC系统。 图1 PLC系统架构，示出了各种不同的I/O模块功能 PLC系统包含输入模块、输出模块和输入/输出模块。因为许多输入和输出都涉及现实世界中的模拟变量——而控制器是数字式的—PLC系统硬件设计任务将主要围绕如下方面展开:数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、输入和输出信号调理、输入/输出模块的电气连线与控制器之间以及模块相互之间的隔离问题。 I/O模块的分辨率范围从12位到16位，在整个工业级温度范围的精度为0.1%。模拟输出电压范围通常为?5V、?10V或者0V~5V、0V~10V，电流范围为4~20mA或0~20mA。对DAC的稳定时间要求，从10ms一直到100ms，具体则取决于应用的实际要求。模拟输入范围广泛，由电桥传感器输出的?10mV微弱电压信号;也有电机控制器?10V的电压信号，或者工业过程控制系统的4~20mA电流。转换时间则取决于所要求的精度和所选用的ADC架构，从10SPS到几百KSPS。 数字隔离器、光耦隔离器或者电磁隔离器用来将系统现场的ADC、DAC和信号调理电路与数字端的控制器隔离开来。如果模拟端的系统也必须实现充分隔离的话，在输入或者输出的每个通道必须采用转换器以便最大限度提高通道间的隔离度—电源的隔离也是必需的。 iCMOS 工艺 iCMOS技术是一种新型的高性能制造工艺，它将高压的集成电路与亚微米级CMOS和互补双极型工艺融为一体，在PLC设计的输入、输出部分所使用。 iCMOS技术使得单芯片的设计能够融合5V CMOS并实现其与电压更高的(16、24或者30V)CMOS电路的匹配——于是同一块芯片将拥有多路不同电压的电源。由于能够如此灵活地将各种元件和工作电压集成到一起，亚微米的iCMOS 器件具有更高的性能，其集成的功能更多，而功耗更低——而且所需要的电路板面积大大小于前几代高压产品。其中的双极型工艺为ADC、DAC和低失调放大器提供了精确的基准源，出色的匹配特性和高度的稳定性。 薄膜电阻具有高达12位的初始匹配特性，经过修调后可以实现16位的匹配，温度和电压系数与传统的多晶硅的电阻相比，改善了20倍，是高准确度、高精度的数模转换器的理想选择。片上的薄膜熔断器使得高精度转换器的积分非线性、偏置和增益等性能可以用数字化的技术来校准。 PLC 输出模块 PLC系统的模拟输出——通常用于控制工业环境中的执行器、阀和电机——使用了标准的模拟输出范围，如?5、?10V、0V,5V、0V,10V、4,20mA或者0,20mA。模拟输出 的信号链常常包括了数字隔离——将控制器的数字输出与DAC和模拟信号调理部分隔离开来。在数字化隔离的系统中所使用的转换器主要使用3线或者4线串行接口来最大限度减小所要求的数字隔离器或者光耦隔离器的数量。 PLC系统的模拟输出模块通常采用两种架构:每个通道一个DAC的架构和每个通道一个采样保持器的架构。第一种架构中，每个通道使用一个专用的DAC来产生模拟控制电压或者电流。现在有许多多通道DAC可供选择，在空间占用上更少，通道单位成本更低，但那些需要通道相互隔离的往往采用了单通道DAC架构。图2是每通道使用一个DAC的典型配置。这种最简单DAC是低压单电源型的，采用2.5V~5.5V电源供电，输出范围是0~VREF，输出信号经过调理后可以产生所需的任意电压或者电流范围。双极性输出转换器采用双电源供电，可以用于必须输出双极性电压范围的输出模块。 图2 每通道一个DAC的架构 四路D/A转换器是非隔离型的多通道输出设计的理想选择，通过外接信号调理电路的方法可以实现多达4路的不同的输出配置。例如，图3示出了16bit 4路电压输出型DACAD5664R是如何提供0,5V的输出范围的——它也可以通过不同的连接方式提供各种标准所需的输出电压范围，或者通过外接的四运放构成灌电流输出。在配制成双极性输出时，其内部基准源的对外输出可以提供必要的跟踪偏置电压。 图3 利用多通道D/A变换器实现?5V、?10V、0V~10V、0V~5V等电压和电流沉输出 图4示出了隔离4~20mA电流环控制电路中所使用的一个单通道转换器。AD5662采用SOT-23封装，适用于那些需要在模拟输出之间充分隔离的应用。 图4 一个4,20mA电流控制电路 图4 中，AD5662最大的输出电压摆幅为5V，该电压由ADR02电压基准来提供，它可以从变化的回路电压中稳压出一路精密的电源。5V的DAC输出则通过一个运算放大器和晶体管构成的混合电路转换成4,20mA的电流输出。因为运算放大器的同向端输入处于虚地电位，运放就可以调节电流Is，以维持在RS和R3上的电压相等的关系，于是有 RSIS=R3I3 N2端的电流的总和构成了环路电流: 电流在N1点相加，于是有: 环路电流中的4mA的偏移分量是由基准电压所提供: 环路电流中可编程0~16mA电流则是由DAC提供: 每通道配置采样-保持电路 另一种可选的架构是利用开关电容和缓冲器来构成采样-保持放大器(HA)，以储存高性能单DAC的输出信号，如图5所示。这些采样值通过模拟多路复用器在不同的电容器之间切换。因为系统的保持精度由电容的下降速率所决定，所以需要对这些通道进行频繁的刷新以维持所需要的精度。根据输出的要求，可采用低压单电源DAC，也可以使用双极性输出DAC。缓冲器可以提供信号调理，对电容而言呈现一个很高的输入阻抗，并能提供很低的输出阻抗，以驱动负载。 图5 单DAC架构 电源和数字信号的电流隔离 在PLC、过程控制、数据采集以及控制系统中，各种传感器产生的数字信号都传送到一个中央控制器，进行处理和分析。为了保证用户接口端电压的安全性，也为了防止瞬态尖峰的传输，需要实现电流隔离。最常用的隔离器件是光耦器、基于变压器的隔离器和电容耦合式隔离器。 通用的光耦器利用发光二极管(LED)来将电气信号转换成对应的光强度，并用光电探测器将光信号转换成电信号。一般说来，它们的LED普遍存在转换效率低的问题，而且光电探测器的响应速度较慢;光耦隔离器的寿命有限，随着温度、工作速度和功耗的变化而会出现过大的性能波动。它们一般局限于1或2通道结构，需要外接元件才能实现完整的功能。 ADI目前开发出一种新的隔离方法，它将芯片级的变压器技术与集成化的CMOS输入与输出电路结合起来。这些 iCoupler 器件在尺寸、成本和功耗方面都低于光耦隔离器，同时，有多种多样的通道配置和性能水平，并带有标准的CMOS接口，且无需外接元件——且能在全温度、电源范围和寿命期中保持其高性能和稳定性。iCoupler的数据率和定时精度比常见的高速光耦合器高2,4倍，而它们用的功耗仅为光耦合器的1/50，发热更小，而可靠性得以提高，成本则更低。