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模拟I/O设备的转换精度决定价值

模拟I/O设备的转换精度决定价值

来源:controldesign Designing or specifying a device for A/D conversion consists of a series of tradeoffs. More resolution means more accurate conversion but more expensive hardware. 为A/D转换设计或选择实现装置的过程中要对相关的参数指标进行一系列的权衡。更高的分辨率意味着更高的转换精度,但同时也意味着更高昂的硬件开销。 基于数字化微处理器的设备在除了最简单的数据获取领域外的其他应用场合中已经全面超越了采用模拟记录和显示技术的装备。然而,Omega工程公司在其系列“刊物”中提醒我们模拟I/O设备的应用范围也在扩展,毕竟很多生产过程与自然现象仍然是模拟的。下面是论文中所举的一个例子。 实时监控系统 — 自动化领域中的关键步骤 视觉系统收集有关自动化过程运行状况的数据,它们能够在分析和呈现数据方面提供帮助。一个全面的视觉系统对监控生产和检查质量的工作至关重要。您可以下载我们的免费视觉系统工具箱,了解其组成部分,图像获取的本质,各种工具以及图像处理技术。 文章中指出,要用计算机进行有意义的的记录或操作,模拟数据的测量比如压力、温度、流量、位置等都必须转化为数字格式。原有的数字化事件比如电机的跳闸也必须转化为电压TTL(晶体管 — 晶体管逻辑)上的变化。 大多数用于测量温度、压力和其它连续变量的传感器提供连续变化的电气输出值以表示变量的幅度。为了让微处理器能够使用这类信号,它必须被转化为离散的、数字化的数值。 这种模数(A/D)转换过程对我们提出了两个主要挑战:及时的完成量化与取样。量化中的挑战是指在将模拟的电压值转换成数字值的过程中取值的不确定性。测量传感器或发送器往往提供的是连续变化的信号,范围是0-10VDC,±5VDC,0-100mVDC,或者4-20mADC。热电偶和电阻温度传感器(RTDs)是其它常用的低电压输入设备。
从连续量到离散量的转换从连续量到离散量的转换
但是,当这个模拟量被转换成数字量以后,原本是连续的分辨率被限制为离散值。A/D转换的分辨率经常用位来表示 — 位数越多,分辨率越好。位数也决定着分割的数量,全幅的输入量经过分割来近似模拟输入电压值。比如,一个0-10V输入信号的8位分辨率意味着其输入幅度被分为28或256级。这就使一级(或一个间隔)的大小为10V/256 = 0.039V。一个10V的输入等价于数字化的数字255,而0V输入对应着数字0。输入每变化0.039V就会导致数字化的值比原来增加或减少1,因此9.961V数字化后的表示值为254。 论文提醒我们数字数据获取系统也会将时间分割成离散的间隔。这种方法实在是无法提供在取样时间点之间变量的变化信息。这就需要特殊的预防措施以防止丢失有用的数据,因此在取样点之间进行插值不失为一种有效的假设。 Nyquist法则定义了信号内最高频率与所需最小采样速度的必然联系。该法则指出,采样率必须至少是输入信号内部包含的最高频率的两倍。要对频率为1Hz的正弦波进行采样,采样率应该至少为两赫兹。但如果采用8-16赫兹采样率的话无疑将会更好的反应出波形的本来形状。 忽略Nyquist法则的主要后果是丢失高频信息和造成失真。如果采样率不够大,可能会出现原本不存在的频率。失真会造成影片中的直升机旋翼或车轮看起来像是在缓慢的向反方向转动。使用低通或者防失真滤波器可以限制被测波形的频率谱,以使得不存在任何可检测频率等于或超出采样频率的一半。 为A/D转换设计或选择实现装置的过程中要对相关的参数指标进行一系列的权衡。更高的分辨率意味着更高的转换精度,但同时也意味着更高昂的硬件开销。类似的,低采样率意味着可以选择比较便宜的转换设备,但是Nyquist法则必须要满足。
失真只会带来麻烦失真只会带来麻烦
在模拟I/O设备生产的前沿领域,研华科技(Advantech)的eAutomation事业群(eAutomation Group)推出了带有DB – 37接口适配器和12路模拟输出的PCI – 1727U模拟输出PCI卡。该卡可以输出±10 V和0~20 mA并达到14位的分辨率。它带有16路 TTL DI通道和16路TTL DO通道,适用于工业控制的场合,此外还有兼容3.3V和5V信号的通用PCI总线。 这块兼容ISA模式的板卡使用与ISA卡相同的软件API(应用程序接口),因此无需重新编写程序就可以升级。PCI – 1727U带有同步模拟输出功能,可以同时驱动多个设备而没有任何同步滞后。 Opto 22公司的新产品有Snap AIMA和AIV 32路模拟电流电压输入模块。这些新的高密度模块被设计与Opto 22的Snap PAC系统共同使用,是该公司被广泛使用的Snap I/O模块家族的一部分,这个系列的产品被用于工业场合中与模拟传感器及其它相关设备进行连接与通信。 增加了密度的模块——比标准四通道Snap模块密度大八倍——据说可以有效的降低其所在应用场合的单位成本,降幅达400%,而且高I/O点数同时可以减少应用场合中所需的面板。
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