模拟与数字信号：工业仪表基础
仪表学是测量控制压力、温度、流量、化学成分等物理过程的科学与实践。仪表——无论传感器、变送器或执行器——捕获物理量并显示或据此动作。
信号指携带信息的可测量量。语音、光、甚至简单手势皆为实体间传递意义的信号。
本章中“信号”近乎专指用于传输控制的、代表物理变量的电压或电流。
模拟与数字
模拟信号平滑连续变化，数字信号离散阶跃变化。经典类比：指针平滑扫过的模拟时钟 vs 整秒跳动的数字时钟。模拟时钟理论可显示任意分数时间；数字时钟受限于分辨率（如 1 秒步进）。
两种形式广泛用于现代电子，本文聚焦模拟信号，因其实现相对简单。
因多数物理量——尤其是电量——连续变化，模拟信号理论上可近乎无限分辨率地传递信息。
工业仪表系统
历史上工业控制系统用压缩空气作信号媒介。变送器调节管路气压编码被测变量，接收器用压力表或控制阀解读压力。
例：气动液位变送器测水箱水位，空箱低压、半箱中压、满箱高压。对应压力表——称液位指示器（LI）——测压力并显示推断水位。
气压信号本质模拟：过程变量任何变化转化为成比例压力变化。此特性使气动系统凭借简洁、安全、稳健成为早期工业控制基石。
但实际局限——脏湿空气、管路泄漏、压缩机械复杂——推动向电信号转型。固态放大器与精准电压/电流基准使电压或电流作为模拟信号经细导线传输成为可能，免去笨重压缩机与大量管路。
今日模拟电信号仍是仪表通信主流，但数字通信在新应用中日益普及。
活零点
“活零点”将测量零百分比映射至非零信号值。此惯例在系统故障或失信号时提供即时视觉线索。
例：气动变送器标定 0–12 PSI，0 PSI 代表 0%，12 PSI 代表 100%。系统失压时指示器读 0%——与真零测量无法区分。将量程平移至 3–15 PSI（3 PSI=0%，15 PSI=100%），失压产生负读数（如 –25%），清晰指示故障。
许多行业标准采用活零标度——如广泛使用的 4–20 mA 电流环——以增强故障检测与系统可靠性。
回顾
- 信号为传递信息的可检测量。
- 模拟信号可连续变化，能表征微小变化。
- 早期工业系统依赖气动信号；现代系统主用电压或电流。
- 活零点将零百分比映射至非零基线，使故障立现。
工业技术