9.1: Аналогові та цифрові сигнали
- Page ID
- 101537
Приладобудування - це галузь дослідження та роботи, що зосереджується на вимірюванні та контролі фізичних процесів. Ці фізичні процеси включають тиск, температуру, швидкість потоку та хімічну консистенцію. Прилад - це пристрій, який вимірює та/або діє для контролю будь-якого фізичного процесу. Завдяки тому, що електричні величини напруги і струму легко вимірювати, маніпулювати і передавати на великі відстані, вони широко використовуються для представлення таких фізичних змінних і передачі інформації у віддалені місця.
Сигнал - це будь-яка фізична величина, яка передає інформацію. Чутна мова, безумовно, є своєрідним сигналом, так як вона передає думки (інформацію) однієї людини іншій через фізичне середовище звуку. Жести рук - це сигнали, теж передають інформацію за допомогою світла. Цей текст - ще один вид сигналу, інтерпретований вашим англійським навченим розумом як інформація про електричних ланцюгах. У цьому розділі слово сигнал буде використовуватися в основному для посилання на електричну величину напруги або струму, яка використовується для представлення або позначення якоїсь іншої фізичної величини.
Аналоговий сигнал - це різновид сигналу, який є безперервно змінним, на відміну від обмеженої кількості кроків уздовж його діапазону (називається цифровим). Відомим прикладом аналогового проти цифрового є годинник: аналоговий - це тип з покажчиками, які повільно обертаються навколо кругової шкали, а цифровий - тип з десятковими цифровими дисплеями або «секонд-хенд», який смикається, а не плавно обертається. Аналоговий годинник не має фізичної межі того, наскільки тонко він може відображати час, оскільки його «руки» рухаються плавно, без паузи. Цифровий годинник, з іншого боку, не може передати жодної одиниці часу, меншої за те, що дозволить його дисплей. Тип годин з «секонд-хендом», що ривками в 1-секундний інтервал - це цифровий пристрій з мінімальною роздільною здатністю в одну секунду.
Як аналогові, так і цифрові сигнали знаходять застосування в сучасній електроніці, і відмінності між цими двома основними формами інформації - це те, що слід висвітлити набагато докладніше пізніше в цій книзі. Наразі я обмежу сферу цієї дискусії аналоговими сигналами, оскільки системи, що їх використовують, як правило, мають простішу конструкцію.
З багатьма фізичними величинами, особливо електричними, аналогова мінливість легко прийти. Якщо така фізична величина використовується як носій сигналу, вона зможе представляти варіації інформації з майже необмеженим дозволом.
У перші дні промислового приладобудування стиснене повітря використовувалося як сигнальне середовище для передачі інформації від вимірювальних приладів до пристроїв індикації та управління, розташованих віддалено. Величина тиску повітря відповідала величині будь-якої змінної, яка вимірювалася. Чисте, сухе повітря приблизно 20 фунтів на квадратний дюйм (PSI) подавалося від повітряного компресора через трубки до вимірювального приладу, а потім регулювалося цим приладом відповідно до кількості, що вимірюється для отримання відповідного вихідного сигналу. Наприклад, пневматичний (повітряний сигнал) рівня «передавач» пристрій, встановлений для вимірювання висоти води («змінна процесу») у резервуарі для зберігання, видавав низький тиск повітря, коли резервуар був порожнім, середній тиск, коли бак був частково заповнений, і високий тиск, коли бак був повністю заповнений.
«Індикатор рівня води» (LI) - це не що інше, як манометр, що вимірює тиск повітря в пневматичній сигнальній лінії. Цей тиск повітря, будучи сигналом, в свою чергу є поданням рівня води в баку. Будь-яка зміна рівня в баку може бути представлена відповідною варіацією тиску пневматичного сигналу. Крім певних практичних обмежень, накладених механікою пристроїв тиску повітря, цей пневматичний сигнал є нескінченно змінним, здатним представляти будь-яку ступінь зміни рівня води, і тому є аналогом у прямому сенсі цього слова.
Як би не здавалося, цей вид пневматичної сигналізації склав основу багатьох промислових систем вимірювання та управління по всьому світу, і досі бачить використання сьогодні завдяки своїй простоті, безпеки та надійності. Сигнали тиску повітря легко передаються через недорогі трубки, легко вимірюються (за допомогою механічних манометрів) і легко маніпулюються механічними пристроями за допомогою сильфонів, діафрагм, клапанів та інших пневматичних пристроїв. Сигнали тиску повітря корисні не тільки для вимірювання фізичних процесів, але і для управління ними. З досить великим поршнем або діафрагмою невеликий сигнал тиску повітря може бути використаний для генерації великої механічної сили, яку можна використовувати для переміщення клапана або іншого керуючого пристрою. Повні автоматичні системи управління були зроблені з використанням тиску повітря в якості сигнального середовища. Вони прості, надійні і відносно легкі для розуміння. Однак практичні межі точності сигналу тиску повітря можуть бути занадто обмеженими в деяких випадках, особливо коли стиснене повітря не є чистим і сухим, і коли існує можливість витоків труб.
З появою твердотільних електронних підсилювачів та інших технологічних досягнень електричні величини напруги та струму стали практичними для використання в якості аналогового приладу сигналізації. Замість використання пневматичних сигналів тиску для передачі інформації про наповненість резервуара для зберігання води, електричні сигнали могли б передавати ту саму інформацію по тонких проводах (замість труб) і не вимагати підтримки такого дорогого обладнання, як повітряні компресори для роботи:
Аналогові електронні сигнали все ще є основними видами сигналів, що використовуються в світі приладів сьогодні (січень 2001), але він поступається місцем цифровим режимам зв'язку в багатьох додатках (докладніше про це пізніше). Незважаючи на зміни в технологіях, завжди добре мати глибоке розуміння основоположних принципів, тому наступна інформація ніколи не застаріє.
Однією з важливих концепцій, що застосовуються в багатьох аналогових системах сигналізації приладів, є «живий нуль», стандартний спосіб масштабування сигналу, щоб індикація 0 відсотків може бути дискримінована від статусу «мертвої» системи. Візьмемо пневматичну сигнальну систему як приклад: якщо діапазон тиску сигналу для передавача та індикатора був розроблений таким чином, щоб бути від 0 до 12 PSI, при цьому 0 PSI, що представляє 0 відсотків вимірювання процесу, а 12 PSI - 100 відсотків, прийнятий сигнал 0 відсотків може бути законним читанням 0 відсотків вимірювання або це може означати, що система була несправною (зупинений повітряний компресор, порушена трубка, несправність передавача тощо). З 0 відсотковою точкою, представленою 0 PSI, не було б простого способу відрізнити одне від іншого.
Якщо, однак, ми повинні були масштабувати прилади (передавач і індикатор), щоб використовувати шкалу від 3 до 15 PSI, з 3 PSI, що представляють 0 відсотків і 15 PSI, що представляють 100 відсотків, будь-яка несправність, що призводить до нульового тиску повітря на індикаторі буде генерувати показання -25 відсотків (0 PSI), що явно несправне значення. Людина, яка дивиться на індикатор, тоді зможе відразу сказати, що щось не так.
Не всі стандарти сигналів були встановлені з живими нульовими базовими лініями, але більш надійні стандарти сигналів (3-15 PSI, 4-20 мА) мають, і з поважних причин.
ОГЛЯД
- Сигнал - це будь-який вид виявленої кількості, що використовується для передачі інформації.
- Аналоговий сигнал - це сигнал, який може бути безперервно або нескінченно, варіюватися, щоб представляти будь-яку невелику кількість змін.
- Пневматичні, або тиск повітря, сигнали, які використовуються переважно в промислових системах сигналізації приладів. Це було значною мірою витіснено аналоговими електричними сигналами, такими як напруга та струм.
- Живий нуль відноситься до шкали аналогового сигналу, що використовує ненульову величину, щоб представляти 0 відсотків реального вимірювання, так що будь-яка несправність системи, що призводить до природного «спокою» стану нульового сигналу тиску, напруги або струму, може бути негайно розпізнана.