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那么生活中我們又如何衡量這些模擬量信號呢?如溫度多少?壓力多大?風速是多少?對于很多學習過模擬電子技術的同學,這個問題并不難理解。只需要A/D電路就可以實現信號的轉化。
模擬量介紹:
模擬信號轉換為數字信號需要經過采樣、保持、量化與編碼四個基本步驟。前兩步由采樣保持電路完成,后兩步由A/D轉換電路完成。
采樣是對連續信號在時間上進行離散,即按照特定的時間間隔在原始的模擬信號上逐點采集瞬時值。采集到其瞬時值后要在原位置保持一段時間,這樣形成的鋸齒型波信號提供給后續信號量化。
對采集得到的離散信號進行量化是將特定幅度的信號轉化為模數轉換器的最小單位的整數倍,這個最小單位也被稱為模數轉換器的量化單位。每個采樣值代表一次采樣所獲得模擬信號的瞬時幅度。通常量化單位都是2的倍數,量化位數越多,量化誤差就越小,量化得到的結果就越好。
對量化后的離散信號進行編碼是模擬信號轉換為數字信號的最后環節,常見的采用并行比較A/D轉換電路,逐次逼近式A/D轉換電路,雙積分式A/D轉換電路實現,通過借助一定的電路,可以將量化后的離散信號轉換為對應的數字信號。
最常見的模擬量是12位,精度為2~12,當然也有高精度的如16位的。
模擬量的優點:
模擬信號的主要優點是其精確的分辨率,與數字信號相比,模擬信號的信息密度更高。它的信號波形隨著信息的變化而變化,其特點是幅度連續(連續的含義是在某一取值范圍內可以取無限多個數值),由于不存在量化誤差,它可以對自然界物理量的真實值進行盡可能逼近的描述。
模擬信號的另一個優點是,模擬信號處理比數字信號處理更簡單。模擬信號的處理可以直接通過模擬電路組件(例如運算放大器等)實現。
模擬量的缺點:
抗干擾能力差,信號在沿線路的傳輸過程中會受到外界的通信系統內部的各種噪聲干擾,噪聲和信號混合后難以分開,從而使得通信質量下降。線路越長,噪聲的積累也就越多。例如翻錄錄音帶、錄像帶,每翻錄一次,聲音、圖像質量就差一次,原因就在于此。
可以使用接地屏蔽、線路良好接觸、使用同軸電纜或屏蔽雙絞線,甚至是光纖,可以在一定程度上緩解這些負面效應。
模擬信號的保密性也差,尤其是微波通信和有線通信,容易被竊聽。只要收到模擬信號,就很容易得到通信的內容。
模擬信號的數字化實現:
在現實的工業現場,人們常使用各種傳感器,變送器實現模擬量信號的采集轉換等功能。在工業現場常見的這類儀器儀表都有什么呢?
壓力變送器:是一種將壓力轉換成氣動信號或電動信號進行控制和遠傳的設備,常見的是電動信號的,它能將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數轉變成標準的電信號(如4~20mA電流信號,0-5V/0-10V電壓信號),以供給指示報警儀、記錄儀、調節器等二次儀表進行測量、指示和過程調節。
那么這些變送器/傳感器將模擬信號采集后,人們如何獲取到可以人類識別的信號呢。大部分這類設備帶有顯示單元,可以通過數字顯示具體的數據,如壓力變送器可以顯示具體的壓力值是多少kPa,溫度變送器顯示多少攝氏度,液位變送器顯示多少厘米/米高度等。
而在工業現場人們需要實時監控這些數值的變化,以控制其他設備的運行或者報警,防止意外的發生。目前大部分設備處于經濟性考慮,大部分都是提供模擬量信號輸出,我們可以通過其他二次數顯儀表,PLC(可編程控制器),DCS等進行數據的采集與顯示。
通常這些儀表輸出的電流或者電壓信號,工業現場常用標準是4~20mA電流信號和0-5V/0-10V電壓信號。因大部分信號需要遠傳,所以4~20mA是我們常用的信號類型。而0-5V/0-10V電壓信號主要作為接收。
而對于電流信號/電壓信號,在接線方式上還分為二線制,三線制,四線制,不同接線方式具有不同的作用。