信号的模数转换

将随时间连续变化的模拟信号转变为只在离散时刻出现的数字信号的过程称为模数转换。模数转换包括采样保持、量化和译码三个环节，如图1所示。
(1) 采样保持： 采样是把待处理的模拟信号每隔一定时间Ts取一个样本；保持则起着每次采样结束后保持采样结果不变的作用。在采样脉冲逐次作用下，经采样保

图1 模数转换电路方框图

图2 采样保持前后信号波形

持电路后，输出端便得到包络线大致和X(t)一致的阶梯状波形，如图2所示。
(2) 量化： 用数字量对模拟量准确采样值近似逼近的过程称为量化。例如，设模拟量的准确值为1.7582，在只能用三位十进制数表示时，其结果便被表示成1.76（采用四舍五入）。实际量化过程是将采样保持的输出电压与一组等间距的参考电平相比较，量化的精度取决于参考电平的间距大小和等级数，一组参考电平中等级越多，每级间距越小，则量化精度越高。
(3) 译码： 译码器的作用是把量化环节的输出变成二进制数字信号，以便送入数字计算机中进行处理。
模数转换的两个基本问题是量化误差和采样率。
❶量化误差： 量化使实际值和表示值之间产生的误差称为量化误差。由于模数转换后只能用有限位数的数字量来表示任一采样值，故转换结果必定会有量化误差。例如，如果转换后字长是八位，则最小表示值(00000001)只能是最大表示值(11111111)的1/2⁸＝1/256，小于全量1/256的余量只能加以舍入。量化误差对数字处理结果的影响应予以重视；
❷采样率： 每秒的采样次数称作采样率，它是采样脉冲间隔Ts的倒数，如果采样间隔为1ms，则采样率为每秒1000次，即1000Hz。采样率的高低决定于信号所含的频率成分。理论分析证明，采样率不能低于信号所含最高频率成分的两倍，该最低采样率称为奈奎斯特(Nyguist)频率。例如，通常认为心电图的主要频率成分在100Hz以下，所以对心电图采样时采样率不能低于200Hz。采样率如果低于奈奎斯特频率，就可能对不同频率成分采得同样结果，因而不能区别这两个频率，以致发生频率的混淆。由于采样率过低，两个频率相差整数倍的正弦波经采样保持后，甚至可能得出同样的输出波形。