第1节 模拟和数字信号(修订中)
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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、流速和化学浓度。仪器是一种测量和/或控制任何种类的物理过程的设备。由于电压和电流的电气量易于测量、操作和远距离传输，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。有声语言当然是一种信号，因为它通过声音这一物理媒介将一个人的思想（信息）传递给另一个人。手势也是信号，通过光的方式传达信息。
这段文字是另一种信号，被你受过英语训练的头脑解释为关于电路的信息。在本章中，信号这个词主要是指用于表示或标志其他物理量的电压或电流的电气量。
# 1. 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 (opens new window)）。模拟与数字的一个著名示例是时钟：模拟是指针围绕圆形刻度缓慢旋转的类型，数字是具有十进制数字显示的类型或“秒针”，它会抖动而不是平滑旋转。
模拟时钟对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允许显示的时间单位。具有以 1 秒间隔抖动的“秒针”的时钟类型是最小_分辨率_为 1 秒的数字设备。
模拟和数字信号都在现代电子学中得到应用，这两种基本信息形式之间的区别将在本书后面更详细地介绍。现在，我将把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学的视频教程 (opens new window)。
对于许多物理量，尤其是电气量，模拟变化量很容易获得。如果将这样的物理量用作信号介质，它将能够以几乎无限的分辨率表示信息的变化。
# 2. 工业仪表系统
在工业仪表 (opens new window)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量的量进行调节以产生相应的输出信号。
例如，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”装置在储罐为空时会输出低气压，在储罐时输出中压部分装满，当油箱完全装满时会产生高压。
“水位指示器”（LI）只不过是一个压力表，用于测量气动信号管路中的气压。该气压作为一个_信号_，反过来又代表了水箱中的水位。罐中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之外，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，因此是真正意义上的_模拟。_
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，并且由于其简单、安全和可靠性而至今仍在使用。气压信号很容易通过廉价的管子传输，很容易测量（使用机械压力表），并且很容易被使用波纹管、隔膜、阀门和其他气动装置的机械装置操纵。气压信号不仅可用于_测量_物理过程，还可用于_控制_它们。
使用足够大的活塞或隔膜，可以使用很小的气压信号来产生很大的机械力，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，气压信号精度的实际限制可能过于有限，尤其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和其他技术进步的出现，电压和电流的电量变得实用，可用作模拟仪器信号媒体。电信号可以通过细线（而不是管道）传递相同的信息，而不是使用气动压力信号来传递有关储水箱满度的信息，并且不需要像空气压缩机这样昂贵的设备来操作：
模拟电子信号仍然是当今（2001 年 1 月）仪器世界中使用的主要信号类型，但在许多应用中它正在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。
# 3. 实时零点
在许多模拟仪表信号系统中应用的一个重要概念是 "实时零点"，这是一种标准的信号缩放方式，以便将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被设计为0到12PSI，0PSI代表过程测量的0%，12PSI代表100%，收到的0%的信号可能是0%测量的合法读数，也可能意味着系统发生了故障（空气压缩机停止，管道破裂，变送器故障，等等）。由于0%的点用0PSI表示，所以没有简单的方法来区分这两种情况。
然而，如果我们将仪器（发射器和指示器）的刻度改为3到15PSI，3PSI代表0%，15PSI代表100%，那么，任何导致指示器空气压力为零的故障都会产生-25%（0PSI）的读数，这显然是一个错误的数值。观察指示器的人将能够立即知道出了问题。
并非所有的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，而且有很好的理由。
# 4. 总结
- _信号_是用于传递信息的任何类型的可检测量。
- 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。
- _实时零_是指使用非零量表示实际测量的 0% 的模拟信号标度，因此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.