Аналоговые и цифровые сигналы: основы промышленной инструментальной техники

Инструментальная техника — наука и практика измерения и управления физическими процессами, такими как давление, температура, расход и химический состав. Прибор — будь то датчик, преобразователь или исполнительный механизм — фиксирует физическую величину и либо отображает, либо воздействует на нее.

Сигнал — это любая измеримая величина, несущая информацию. Речь, свет и даже простое жест рук — все это сигналы, передающие смысл от одной сущности к другой.

В этой главе мы используем термин сигнал почти исключительно для описания электрического напряжения или тока, представляющего физическую переменную для передачи и управления.

Аналоговые vs Цифровые

Аналоговый сигнал изменяется плавно и непрерывно, тогда как цифровой сигнал меняется дискретными шагами. Привычное сравнение — классические аналоговые часы с плавно движущейся стрелкой против цифровых часов, тикающих целыми секундами. Аналоговые часы теоретически могут отображать любую дробную величину времени; цифровые часы ограничены своим разрешением (например, шагами в одну секунду).

Обе формы используются во всей современной электронике, но это обсуждение фокусируется на аналоговых сигналах, которые, как правило, имеют более простое внедрение.

Для краткого введения посмотрите вводное видео об аналоговой и цифровой электронике (ссылка).

Поскольку большинство физических величин — особенно электрических — изменяются непрерывно, аналоговый сигнал может передавать информацию с практически неограниченным разрешением.

Промышленная система инструментальной техники

Исторически промышленные системы управления использовали сжатый воздух как сигнальный носитель. Преобразователь модулировал давление воздуха в трубе для кодирования измеренной переменной, а приемник интерпретировал это давление с манометром или регулирующим клапаном.

Например, пневматический уровень-преобразователь, измеряющий высоту воды в баке, выдавал низкое давление при пустом баке, среднее — при частично полном, и высокое — при полном. Соответствующий манометр — называемый уровень-индикатором (LI) — измеряет это давление и отображает выведенный уровень воды.

Пневматические сигналы по своей природе аналоговые: любое изменение технологической переменной переводится в пропорциональное изменение давления. Это свойство сделало пневматические системы основой раннего промышленного управления благодаря их простоте, безопасности и надежности.

Однако практические ограничения — грязный или влажный воздух, утечки труб, механическая сложность компрессоров — стимулировали переход к электрической сигнализации. Твердотельные усилители и точные опорные напряжения/токи позволили использовать напряжение или ток как аналоговые сигналы по тонким проводам, устраняя необходимость в громоздких компрессорах и обширных трубопроводах.

Сегодня аналоговые электрические сигналы остаются доминирующим режимом связи в инструментальной технике, хотя цифровая связь все чаще встречается в новых приложениях.

Живой ноль (Live Zero)

«Живой ноль» — это соглашение о масштабировании, отображающее нулевое процентное состояние измерения в ненулевое значение сигнала. Этот метод дает немедленный визуальный признак, когда система выходит из строя или теряет сигнал.

Рассмотрим пневматический преобразователь, калиброванный от 0 до 12 PSI, где 0 PSI означает 0 %, а 12 PSI — 100 %. Если система потеряет давление, индикатор покажет 0 % — легальное значение, неотличимое от истинного нулевого измерения. Смещая шкалу на 3–15 PSI (3 PSI = 0 %, 15 PSI = 100 %), потеря давления даст отрицательное показание (например, –25 %), явно сигнализируя о неисправности.

Многие промышленные стандарты принимают живой ноль — такой как широко используемый токовый контур 4–20 мА — для повышения обнаружения неисправностей и надежности системы.

• Сигнал — любая детектируемая величина, используемая для передачи информации.
• Аналоговый сигнал может варьироваться непрерывно, позволяя представление минимальных изменений.
• Ранние промышленные системы опирались на пневматические сигналы; современные системы преимущественно используют электрическое напряжение или ток.
• Живой ноль масштабирует сигнал так, что ноль процентов представлен ненулевой базовой линией, делая неисправности сразу видимыми.