Аналоговые и цифровые сигналы

Контрольно-измерительные приборы - это область исследования и работы, сосредоточенная на измерении и контроле физических процессов. Эти физические процессы включают давление, температуру, скорость потока и химическую консистенцию. Инструмент - это устройство, которое измеряет и / или действует для управления любым физическим процессом. Поскольку электрические величины напряжения и тока легко измерять, манипулировать и передавать на большие расстояния, они широко используются для представления таких физических переменных и передачи информации в удаленные места.

сигнал это любая физическая величина, передающая информацию. Слышимая речь, безусловно, является своего рода сигналом, поскольку она передает мысли (информацию) одного человека другому через физическую среду звука. Жесты рук тоже являются сигналами, передающими информацию с помощью света.

Этот текст - еще один вид сигнала, интерпретируемый вашим обученным английским умом как информация об электрических цепях. В этой главе слово сигнал будет использоваться в первую очередь по отношению к количеству электрического напряжения или тока, которое используется для представления или означать какое-то другое физическое количество.

Аналоговые и цифровые

аналог signal - это вид сигнала, который является непрерывно изменяемым, в отличие от ограниченного числа шагов в диапазоне (так называемый цифровой ). Хорошо известным примером аналоговых и цифровых часов являются часы:аналоговые - это тип с указателями, которые медленно вращаются вокруг круговой шкалы, а цифровые - это тип с отображением десятичных чисел или «подержанные», которые дергаются, а не плавно вращается.

Аналоговые часы не имеют физических ограничений на то, насколько точно они могут отображать время, поскольку их «стрелки» движутся плавно, без пауз. Цифровые часы, с другой стороны, не могут передавать любую единицу времени меньше, чем позволяет их дисплей. Часы с «подержанными» часами, которые дергаются с интервалом в 1 секунду, представляют собой цифровые устройства с минимальным разрешением . одной секунды.

И аналоговые, и цифровые сигналы находят применение в современной электронике, и различия между этими двумя основными формами информации будут рассмотрены более подробно позже в этой книге. А пока я ограничусь рамками этого обсуждения аналоговыми сигналами, поскольку системы, в которых они используются, обычно имеют более простую конструкцию.

Самый базовый обзор этой темы см. В этом видеоуроке по аналоговой и цифровой электронике.

При наличии многих физических величин, особенно электрических, аналоговая изменчивость легко обнаруживается. Если такая физическая величина используется в качестве носителя сигнала, она сможет представлять вариации информации с почти неограниченным разрешением.

Промышленные контрольно-измерительные приборы

На заре промышленного приборостроения сжатый воздух использовался в качестве сигнальной среды для передачи информации от измерительных приборов к показывающим и управляющим устройствам, расположенным удаленно. Величина давления воздуха соответствовала величине измеряемой переменной. Чистый сухой воздух с плотностью около 20 фунтов на квадратный дюйм (PSI) подавался от воздушного компрессора по трубке к измерительному прибору и затем регулировался этим прибором в соответствии с измеряемой величиной для получения соответствующего выходного сигнала.

Например, пневматический (воздушный сигнал) «датчик» уровня, настроенный для измерения высоты воды («параметр процесса») в резервуаре-хранилище, будет выдавать низкое давление воздуха, когда резервуар пустой, и среднее давление, когда резервуар был частично заполнен, и высокое давление, когда резервуар был полностью заполнен.

«Индикатор уровня воды» (LI) - это не что иное, как манометр, измеряющий давление воздуха в пневматической сигнальной линии. Это давление воздуха, являющееся сигналом , в свою очередь, отображает уровень воды в резервуаре. Любое изменение уровня в резервуаре может быть представлено соответствующим изменением давления пневматического сигнала.

Помимо определенных практических ограничений, налагаемых механикой устройств, работающих под давлением воздуха, этот пневматический сигнал является бесступенчатым, может отображать любую степень изменения уровня воды и, следовательно, является аналоговым в прямом смысле этого слова.

Каким бы грубым это ни казалось, этот вид пневматической сигнальной системы сформировал основу многих промышленных систем измерения и управления по всему миру и до сих пор находит применение благодаря своей простоте, безопасности и надежности. Сигналы давления воздуха легко передаются по недорогим трубкам, легко измеряются (с помощью механических манометров) и ими легко манипулировать с помощью механических устройств, использующих сильфоны, диафрагмы, клапаны и другие пневматические устройства. Сигналы давления воздуха полезны не только для измерения физические процессы, но для управления их тоже.

При достаточно большом поршне или диафрагме небольшой сигнал давления воздуха может использоваться для создания большой механической силы, которая может использоваться для перемещения клапана или другого управляющего устройства. Полные системы автоматического управления были созданы с использованием давления воздуха в качестве сигнальной среды. Они просты, надежны и относительно легки для понимания. Однако практические пределы точности сигнала давления воздуха в некоторых случаях могут быть слишком ограничивающими, особенно когда сжатый воздух не является чистым и сухим, и когда существует возможность утечки в трубках.

С появлением полупроводниковых электронных усилителей и других технологических достижений, электрические величины напряжения и тока стали практичными для использования в качестве аналоговых средств сигнализации приборов. Вместо использования сигналов пневматического давления для передачи информации о заполнении резервуара для хранения воды электрические сигналы могут передавать ту же информацию по тонким проводам (вместо трубок) и не требуют поддержки такого дорогостоящего оборудования, как воздушные компрессоры, для работы:

Аналоговые электронные сигналы по-прежнему являются основными видами сигналов, используемых в мире измерительных приборов сегодня (январь 2001 г.), но они уступают место цифровым способам связи во многих приложениях (подробнее об этом позже). Несмотря на технологические изменения, всегда полезно иметь полное представление об основных принципах, поэтому следующая информация никогда не устареет.

Live Zero

Одной из важных концепций, применяемых во многих системах аналоговых контрольно-измерительных приборов, является концепция «живого нуля», стандартный способ масштабирования сигнала так, чтобы показание 0 процентов можно было отличить от состояния «мертвой» системы. В качестве примера возьмем пневматическую сигнальную систему:если диапазон давления сигнала для датчика и индикатора был спроектирован таким образом, чтобы составлять от 0 до 12 фунтов на кв. быть законным показателем измерения 0 процентов или это могло означать, что система неисправна (воздушный компрессор остановлен, сломана трубка, неисправен датчик и т. д.). С нулевой точкой, представленной 0 фунтов на квадратный дюйм, не было бы простого способа отличить одно от другого.

Однако, если бы нам пришлось масштабировать инструменты (датчик и индикатор), чтобы использовать шкалу от 3 до 15 фунтов на квадратный дюйм, где 3 фунта на квадратный дюйм представляют 0 процентов, а 15 фунтов на квадратный дюйм представляют 100 процентов, любой вид неисправности, приводящей к нулевому давлению воздуха на Индикатор выдаст значение -25 процентов (0 фунтов на квадратный дюйм), что явно является ошибочным значением. Тогда человек, смотрящий на индикатор, сможет сразу сказать, что что-то не так.

Не все стандарты сигналов установлены с базовыми линиями «живого нуля», но более надежные стандарты сигналов (3–15 фунтов на кв. Дюйм, 4–20 мА) имеют, и не зря.

ОБЗОР:

• сигнал любая поддающаяся обнаружению величина, используемая для передачи информации.
• аналог signal - это сигнал, который можно непрерывно или бесконечно изменять, чтобы представить любое небольшое изменение.
• Пневматический Сигналы давления воздуха, или давления воздуха, когда-то были обычным явлением в промышленных контрольно-измерительных системах. Они были в значительной степени вытеснены аналоговыми электрическими сигналами, такими как напряжение и ток.
• живой ноль относится к шкале аналогового сигнала, использующей ненулевую величину для представления 0 процентов реального измерения, так что любая неисправность системы, приводящая к естественному состоянию «покоя» нулевого сигнального давления, напряжения или тока, может быть немедленно обнаружена.