許多環境監測、檢測設備,如水質自動採樣器、多參數水質分析儀、都離不開模擬量信號採集,什麼是模擬信號,它又是如何被採集轉換的呢?
模擬量是指變量在一定範圍連續變化的量;模擬量信號採集主要是將各種模擬量信號(如溫度、壓力等)轉換成對應的電壓信號,然後跟一個基準電壓進行逐次逼近式的比較,直至得到比較的結果。模擬信號有分為電壓信號(0~1v、0~5v等)與電流信號(4~20ma、0~20ma等)等,其實電流信號最終在設備裡也是轉換成電壓信號在進行轉換的,數採儀裡一般會有一個取樣電阻,根據公式:電壓 = 電流 *電阻(U = IR),用於將電流轉換成電壓。
例:當取樣電阻是250歐姆,輸入信號電流是12ma時,則U = IR = 12ma * 250 = 3000mv = 3v,這樣就將12ma的電流信號通過一個250歐姆的電阻轉換成了3v的電壓信號。 模擬信號的兩個關鍵參量是量程和精度。
量程,是指能測量的數據範圍(一般是指電壓),如量程1v、5v、10v等,例如:量程是5v表示他能測量的最高電壓就是5v,再高了他就測不出來了,甚至有可能燒毀。比如,長度是一米的鋼板尺的測量範圍是一米以內,而5米的捲尺的測量範圍可以達到5米。
精度:即解析度,分為8位、10位12位、16位等,位數越多精度越高,比如捲尺的解析度一般為1毫米,而遊標卡尺的精度為0.01mm;
8位精度,表示把量程分為2的8次方,即256份,每一份的大小就是它的解析度,同理:
8位精度 = 2∧8 = 256
10位精度 = 2∧10 = 1024
12位精度 = 2∧12 = 4096
16位精度 = 2∧16 = 65536
例:量程是5v,精度是10位,它的解析度是
5 ÷ 210 = 5 ÷ 1024 = 0.00488v
而當精度是12位時,它能分辨的最小電壓是:
5 ÷ 212 = 5 ÷ 4096 = 0.00122v
可見,精度越高,能分辨的電壓就越小,測量的就越準確。
模擬信號採集是將模擬信號轉換成數字量的過程,轉換結果的計算公式為:
其中:
VIN:待檢測電壓;
VREF:基準電壓(量程);
1024:表示10位的轉換精度,如果是12位的精度,則此值為212即4096;
ADC:轉換結果;
舉例:量程是5v,精度是12位,待檢測的模擬信號電壓是2.5v,則轉換結果為:
ADC = 2.5 × 212 ÷ 5 = 2.5 × 4096 ÷ 5 = 2048
2048就是模數轉換的結果,設備再根據需要對這個值進行相應的處理,比如存儲、計算、傳輸等。