模拟和数字信号

仪器仪表是一个以物理过程的测量和控制为中心的研究和工作领域。这些物理过程包括压力、温度、流速和化学一致性。仪器是一种测量和/或控制任何物理过程的设备。由于电压和电流的电量易于测量、操纵和远距离传输，因此它们被广泛用于表示此类物理变量并将信息传输到远程位置。

信号 是任何一种传递信息的物理量。语音当然是一种信号，因为它通过声音的物理媒介将一个人的想法（信息）传达给另一个人。手势也是信号，通过光传递信息。

这篇文字是另一种信号，由你受过英语训练的大脑解释为关于电路的信息。在本章中，信号这个词 将主要用于参考用于表示的电压或电流的电量 或表示 其他一些物理量。

模拟与数字

模拟 信号是一种连续可变的信号，而不是在其范围内具有有限数量的步长（称为数字 ）。模拟与数字的一个众所周知的例子是时钟：模拟是指针围绕圆形刻度缓慢旋转的类型，数字是带有十进制数字显示的类型或“秒针”的类型，它跳动而不是平稳旋转。

模拟时钟对它显示时间的精细程度没有物理限制，因为它的“指针”以平稳、无停顿的方式移动。另一方面，数字时钟不能传达任何小于其显示允许的时间单位。带有以 1 秒为间隔跳动的“秒针”的时钟类型是具有最低分辨率的数字设备 一秒。

模拟和数字信号在现代电子学中都有应用，这两种基本信息形式之间的区别将在本书后面详细介绍。现在，我将讨论的范围限制在模拟信号上，因为使用它们的系统往往设计更简单。

有关此主题的最基本概述，请参阅有关模拟和数字电子设备的视频教程。

对于许多物理量，尤其是电气量，很容易得出模拟可变性。如果将这样的物理量用作信号媒介，它将能够以几乎无限的分辨率来表示信息的变化。

工业仪表系统

在工业仪表的早期，压缩空气被用作信号介质，将信息从测量仪器传送到位于远程的指示和控制设备。气压的大小对应于被测量的任何变量的大小。大约 20 磅每平方英寸 (PSI) 的清洁干燥空气通过管道从空气压缩机供应到测量仪器，然后由该仪器根据被测数量进行调节以产生相应的输出信号。

例如，设置用于测量储罐中水位（“过程变量”）的气动（空气信号）液位“变送器”设备会在储罐空时输出低气压，当储罐空时输出中压部分满，当油箱完全满时压力很高。

“水位指示器”（LI）只不过是测量气动信号线中气压的压力表。这个气压是一个信号 ，反过来，是水箱中水位的表示。罐内液位的任何变化都可以通过气动信号压力的适当变化来表示。

除了气压装置的力学施加的某些实际限制外，这种气动信号是无限可变的，能够表示水位的任何程度的变化，因此，模拟 真正意义上的。

尽管看起来很粗糙，但这种气动信号系统构成了世界各地许多工业测量和控制系统的支柱，由于其简单、安全和可靠性，今天仍然可以使用。气压信号很容易通过廉价的管道传输，很容易测量（使用机械压力表），并且很容易通过使用波纹管、隔膜、阀门和其他气动装置的机械装置进行操纵。气压信号不仅用于测量 物理过程，但用于控制 他们也是。

有了足够大的活塞或隔膜，就可以利用很小的气压信号产生很大的机械力，从而可以用来移动阀门或其他控制装置。以气压为信号介质，已制成完整的自动控制系统。它们简单、可靠且相对容易理解。然而，在某些情况下，空气压力信号精度的实际限制可能过于有限，特别是当压缩空气不干净和干燥时，以及存在管道泄漏的可能性时。

随着固态电子放大器的出现和其他技术进步，电压和电流的电量可用作模拟仪器信号媒体。与使用气压信号来传递有关储水罐充满度的信息不同，电信号可以通过细线（而不是管道）传递相同的信息，并且不需要空气压缩机等昂贵设备的支持来运行：

模拟电子信号仍然是当今（2001 年 1 月）仪器仪表领域使用的主要信号类型，但它正在许多应用中让位于数字通信模式（稍后将详细介绍该主题）。尽管技术发生了变化，但对基本原理有透彻的了解总是好的，因此以下信息永远不会真正过时。

活零

在许多模拟仪器信号系统中应用的一个重要概念是“活零”，这是一种标定信号的标准方式，以便可以将 0% 的指示与“死”系统的状态区分开来。以气动信号系统为例：如果变送器和指示器的信号压力范围设计为 0 至 12 PSI，其中 0 PSI 代表过程测量的 0%，12 PSI 代表 100%，则接收到 0% 的信号可以是 0% 测量值的合法读数或 这可能意味着系统出现故障（空气压缩机停止、管道损坏、变送器故障等）。由于 0 个百分点由 0 PSI 表示，因此很难区分两者。

但是，如果我们将仪器（变送器和指示器）缩放为使用 3 到 15 PSI 的标度，其中 3 PSI 代表 0%，15 PSI 代表 100%，则导致空气压力为零的任何类型的故障指标将产生 -25% (0 PSI) 的读数，这显然是一个错误值。然后，查看指示器的人将能够立即判断出问题所在。

并非所有信号标准都设置了实时零基线，但更强大的信号标准（3-15 PSI，4-20 mA）有，而且有充分的理由。

评论：

• 一个信号 是用于传达信息的任何类型的可检测量。
• 一个模拟 信号是可以连续或无限变化以表示任何少量变化的信号。
• 气动 或气压信号曾经在工业仪表信号系统中很常见。这些已在很大程度上被电压和电流等模拟电信号所取代。
• 一个活零 指使用非零量表示实际测量值的 0% 的模拟信号标度，以便可以立即识别导致零信号压力、电压或电流的自然“静止”状态的任何系统故障。