数字信号与脉冲序列调理

数字IO接口

数字信号

采用数字信号进行通信是计算机和外设、仪器以及其他电子设备之间最常见的通信方式，因为这是计算机工作的基本元素。任何信号，都必须转换为数字信号之后，才能输入计算机，并进行处理。

数字信号流入或流出系统时，或是单个信号，或是一串脉冲，可以只经过单一端口，也可以经过多个并行端口，并行端口上每根信号线代表字符中的一个bit。计算机的数字输出信号线往往用于控制继电器，以间接控制其他设备的开关。类似地，数字输入信号线可以代表某个传感器或开关的两种状态之一，而一串脉冲序列可以指示某个设备的当前位置或瞬时速度。输入信号可能来自继电器或其他固态设备。

大电流、高电压数字IO

通过继电器，可控制超出计算机内部处理范围的电压或电流，但信号或状态的响应速度受限于线圈的频率响应和触点移动。同时，当电感负载由闭合切换至断开时，两端的反向自感电动势必须被抑制，可将续流二极管反接在负载两端，为脉冲电流提供通路，以释放能量。如果没有这个二极管，继电器两端的电弧会缩短自身使用寿命（见图11．01）。

TTL和CMOS设备通常用于连接高速低压信号，例如速度或位置传感器的输出信号。但是在需要用计算机去激励继电器线圈的应用中，TTL或CMOS设备也许无法满足电压和电流需求。因此需要在TTL信号和继电器之间接入一级缓冲，以提供30V，100mA的驱动能力。

这种系统的一个例子是用于数字IO仪器的板卡，板载放大／衰减单元，由一个PNP晶体管、一个续流二极管和一个电阻组成（见图11．02）。为了控制标准的24V继电器，需要从外部引入24V电源。内部TTL输出高电平时，三极管导通，输出低电平（约0．7V）；TTL输出低电平时，三极管进入截止区，输出被拉到24V。因为继电器线圈是感性负载，所以需要反接一个续流二极管，用于在开关切换时保护继电器。

图11．03演示了高压数字输入的降压电路。这使得TTL电路可以处理高达48V的电压。高压信号接入电阻分压电路，得到衰减。选取一个阻值适当的电阻R，用于处理不同程度的高压信号。图11．04中的表格提供一些常用方案。

数字输入

计算机处理数字输入的方法各种各样，有难有易。这一章节简要讨论软件触发，单字节读取；硬件控速，数字输入；外部触发，数字输入。

数字输入的异步读取

当计算机周期性的采样数字引脚时，需要使用软件触发的异步读取方式。有时，读取数字输入的速度和时机至关重要，但是采用软件触发的单字节读取方式，读取间隔很难保持稳定，尤其是当应用程序运行在多任务操作系统下的时候，例如在PC机上运行。原因是读取间隔受计算机的运行速度和其他并发任务的影响。读取间隔的不稳定可用软件定时器进行补偿，但是小于10ms的时间分辨率在PC上很难得到保证。

数字输入的同步读取

有些系统提供硬件控速的数字输入读取方式，用户可以设置数字输入端口的读取频率。例如，某系统能够以100kHz的频率读取16位IO口，某些系统可以达到1MHz的速度。硬件控制的读取，最大优点就是可以做到比软件快得多的速度。最后，此类设备可以在读取模拟输入的同时读取数字输入，使得模拟输入和数字输入的数据具有紧密的关联性。

数字输入的外部触发读取

某些外部设备以独立于数据采集系统的速率，产生以比特、字节或字为单位的数据。只有当新数据可读时才进行读数，并非以预先设置好的速率读数。因此，这些外部设备通常采用信号交换技术进行数据传输。当新的事件发生，例如外部数据就绪或门控信号输入时，外部设备在单独一根信号线上产生电平翻转。为了与这些设备交互，数据采集系统必须具备可被外部信号控制的输入锁存功能。这样，一个逻辑信号会提交到主控计算机，提示新数据准备就绪，可从锁存器中读取。

举例来说，一个以此方式工作的设备，在其6根控制信号线中有一根线用来通知外部设备主机正在读取输入锁存器中的数据。这个动作使外部设备能够保持住新数据，直到本次读取完成。

数字隔离

由于多种原因，数字信号往往需要被隔离，比如保护系统一端免受另一端随时可能出现的高压信号的损害、使得不共地的两个设备之间正常通信或保证医学应用中用户的安全。常见的隔离方案是光耦。光耦包含一个用于发射数字信号的LED或激光二极管，和一个用于接收信号的光电二极管或光电三极管（见图11．05）。光耦体积虽小，但可以隔离500V高压，这种技术还可以用于控制并监控不共地的设备。

脉冲序列信号调理

在许多测量频率的应用中，脉冲信号被计数或与某个固定的时基单元做比较。脉冲也可作为一种数字信号，因为只有上升沿或下降沿会被计数。在很多情况下，脉冲序列甚至可能来自模拟信号源，比如电磁拾波器（magnetic pickup）。

举例来说，数据采集系统中应用广泛的频率采集卡，提供4路频率输入通道，并包含2个独立的前端电路，一个用于数字信号输入，另一个用于模拟信号输入。采集卡将数字输入划分为不同逻辑状态，将模拟输入转换成一个随时间变化的纯净的数字脉冲序列。

图11．06演示了原理框图：总共模拟输入和信号调理两部分。前端RC网络提供交流耦合，允许高于25Hz的信号通过。衰减比例可调的衰减器降低了波形的整体幅度，削弱了不必要的低压噪声的影响。当需要使用来自继电器闭合时的脉冲序列时，此电路单元为用户提供了软件可配置去抖时间的功能。数字电路监控着被调节的脉冲序列，保持高电平或低电平。如果没有去抖动环节，信号中额外的边沿将导致过高的、不稳定的频率读数。