電氣設計之--感知世界的模擬量信號

在電工，電子領域，我們經常會遇到各種模擬量信號如電壓，電流，在大自然中更是有多種模擬量信號，如溫度，風速，壓力，溼度，酸鹼度，那麼如何定義模擬量信號呢？在模擬電子技術中：是指用連續變化的物理量所表達的信息。

那麼生活中我們有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？對於很多學習過模擬電子技術的同學，這個問題並不難理解。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採樣、保持、量化與編碼四個基本步驟。前兩步由採樣保持電路完成，後兩步由A/D轉換電路完成。

採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採集瞬時值。採集到其瞬時值後要在原位置保持一段時間，這樣行成的鋸齒型波信號提供給後續信號量化。

對採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。每個採樣值代表一次採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。

對量化後的離散信號進行編碼是模擬信號轉換為數字信號的最後環節，常見的採用並行比較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，通過藉助一定的電路，可以將量化後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，及精度為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範圍內可以取無限多個數值)，由於不存在量化誤差，它可以對自然界物理量的真實值進行儘可能逼近的描述。

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，噪聲和信號混合後難以分開，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，原因就在於此。

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採集轉換等功能。在工業現場常見的這類儀器儀表都有什麼呢？

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。

溫度變送器：採用熱電偶、熱電阻作為測溫元件，從測溫元件輸出信號送到變送器模塊，經過穩壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I轉換、恆流及反向保護等電路處理後，轉換成與溫度成線性關係的4～20mA電流信號0-5V/0-10V電壓信號。

液位變送器：是對壓力變送器技術的延伸和發展，根據不同比重的液體在不同高度所產生壓力成線性關係的原理，實現對水、油及糊狀物的體積、液高、重量的準確測量和傳送。當然液位測量的方式很多，還有雷達液位計，超聲波液位計，磁翻板液位計，磁致伸縮液位計等等。這裡不再累述，有需要了解的可以留言。

可燃氣體濃度變送器：是可燃氣體檢測儀是對單一或多種可燃氣體濃度響應的探測器。可燃氣體檢測儀有催化型、紅外光學型兩種類型。催化型可燃氣體檢測儀是利用難熔金屬鉑絲加熱後的電阻變化來測定可燃氣體濃度。

顏色傳感器：顏色傳感器是一種傳感裝置，是將物體顏色同前面已經示教過的參考顏色進行比較來檢測顏色的裝置。當兩個顏色在一定的誤差範圍內相吻合時，輸出檢測結果。

圖像傳感器：圖像傳感器是利用光電器件的光電轉換功能。將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關係的電信號。與光敏二極管，光敏三極管等“點”光源的光敏元件相比，圖像傳感器是將其受光面上的光像，分成許多小單元，將其轉換成可用的電信號的一種功能器件。圖像傳感器分為光導攝像管和固態圖像傳感器。與光導攝像管相比，固態圖像傳感器具有體積小、重量輕、集成度高、分辨率高、功耗低、壽命長、價格低等特點。因此在各個行業得到了廣泛應用。常用的有兩種：CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS則應用於較低影像品質的產品中，它的優點是製造成本較CCD更低，功耗也低得多。

以上介紹的只是各種傳感器/變送器中冰山一角，還有很多如溼度，風速，重量，密度，流量，聲音等沒有介紹。

那麼這些變送器/傳感器將模擬信號採集後，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釐米/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。目前大部分設備處於經濟性考慮，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等進行數據的採集與顯示。

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。

而對於電流信號/電壓信號，在接線方式上還分為二線值，三線制，四線制，不同接線方式具有不同的作用。

如果對變送器多線制接線，PLC，DCS感興趣的朋友，可以繼續關注文章，下一節將詳細介紹相關知識點。