如何采集模拟量和数字量

在工业自动化控制中，我们经常会遇到开关量，数字量，模拟量，脉冲量等各种概念，对于这些概念应该如何理解、我们又是如何采集他们呢？

很多人会将数字量与开关量混淆，也将其与模拟量混淆。数字量在时间和数量上都是离散的物理量，其表示的信号则为数字信号。数字量是由0和1组成的信号，经过编码形成有规律的信号，量化后的模拟量就是数字量。

图1 数字信号

模拟量的概念与数字量相对应，但是经过量化之后又可以转化为数字量。模拟量是在时间和数量上都是连续的物理量，其表示的信号则为模拟信号。模拟量在连续的变化过程中任何一个取值都是一个具体有意义的物理量，如温度，电压，电流等。

图2 模拟信号

一般指的是触点的“开”与“关”的状态，一般在计算机设备中也会用“0”或“1”来表示开关量的状态。开关量分为有源开关量信号和无源开关量信号，有源开关量信号指的是“开”与“关”的状态是带电源的信号，专业叫法为跃阶信号，可以理解为脉冲量，一般的都有220VAC, 110VAC,24VDC,12VDC等信号，无源开关量信号指的是“开”和“关”的状态时不带电源的信号，一般又称之为干接点。电阻测试法为电阻0或无穷大。

图3 开关量

脉冲量就是瞬间电压或电流由某一值跃变到另一值的信号量。在量化后，其变化持续有规律就是数字量，如果其由0变成某一固定值并保持不变，其就是开关量。

图4 脉冲量信号

致远电子DM100、 DP100数据采集记录仪是一种通用的数据采集设备，通过模块化的设计构架，为用户提供多样化的数据采集模块， 全面采集直流电压、直流电流、数字量、温度、湿度等多种传感器信号数据，可实时操作并显示多种测量结果。用户可对采集到的数据进行自 定义运算处理，并实现高可靠性的数据存储记录功能。

图5 DM100数据采集记录仪

同时采用智能化的架构设计，由DM100 主机、DM90PS 电源模块和高精度数据采集模块组成，单台DM100 主机可连接1-10 个数据采集模块，多台级联最多可扩展至200 个采集通道， 扩展性强，适合多通道数据采集记录。

图6 DM信号测量

DM100数据采集记录仪，从数据采集、测量运算到存储记录，发挥数据采集记录仪整体最优的性能。

图7 DM100性能优势

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一般模拟量是指现场的水井水位、水塔水位、泵出口压力和出口流量等模拟量,需要通过多路复用芯片完成多路数据的采集和模数转换器完成模拟量和数字量的转换,再将采集的数据给CPU处理。

模拟电子技术

模拟电子技术研究的是连续信号称为模拟量.数字电子技术研究的是断续信号称为数字量.根据这一点提出问题：大家非常熟悉也都会用的算盘它的数据是连续的还是断续的。

AD转换器

AD转换器(模数转换器)的作用是从信号加工放大器输入的0~5V的直流电信号通常称为模拟量,可用无限长的数字来表示,如4.8213.…(V),计算机处理这些模拟量,只能处理有限长度的量,我们称之为数字量。

量测压

量测值电压值、有功功率、无功功率、温度和变压器抽头位置等均用量测值表示与状态量（也称逻辑量）对照也称为模拟量。因日立仪器吸取试剂时并不是按参数设置的体积吸取,而是要多吸一部分(此部分称为模拟量),此种设计的目的是为了防止试剂被稀释。工作模式比较人们把连续变化的物理量称为模拟量.指针式万用表的指针偏转可随时间作连续变化,并与输入量保持一种对应关系,故称之为模拟式万用表(VOM)。

遥测

遥测——反映电力系统及设备的运行状态如有功功率、无功功率、电压、电流及频率等也称为模拟量.电量——这是功率对时间的积分量主要用于统计与记帐。

与数字量区别

数字量

在时间上和数量上都是离散的物理量称为数字量。把表示数字量的信号叫数字信号。把工作在数字信号下的电子电路叫数字电路。

例如：

用电子电路记录从自动生产线上输出的零件数目时，每送出一个零件便给电子电路一个信号，使之记1，而平时没有零件送出时加给电子电路的信号是0，所在为记数。可见，零件数目这个信号无论在时间上还是在数量上都是不连续的，因此他是一个数字信号。最小的数量单位就是1个。

模拟量

在时间上或数值上都是连续的物理量称为模拟量。把表示模拟量的信号叫模拟信号。把工作在模拟信号下的电子电路叫模拟电路。

例如：

热电偶在工作时输出的电压信号就属于模拟信号，因为在任何情况下被测温度都不可能发生突跳，所以测得的电压信号无论在时间上还是在数量上都是连续的。而且，这个电压信号在连续变化过程中的任何一个取值都是具体的物理意义，即表示一个相应的温度。

转换原理

1. 数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统，一般用低通滤波即可以实现。数字信号先进行解码，即把数字码转换成与之对应的电平，形成阶梯状信号，然后进行低通滤波。

根据信号与系统的理论，数字阶梯状信号可以看作理想冲激采样信号和矩形脉冲信号的卷积，那么由卷积定理，数字信号的频谱就是冲激采样信号的频谱与矩形脉冲频谱（即Sa函数）的乘积。这样，用Sa函数的倒数作为频谱特性补偿，由数字信号便可恢复为采样信号。由采样定理，采样信号的频谱经理想低通滤波便得到原来模拟信号的频谱[1] 。

一般实现时，不是直接依据这些原理，因为尖锐的采样信号很难获得，因此，这两次滤波（Sa函数和理想低通）可以合并（级联），并且由于这各系统的滤波特性是物理不可实现的，所以在真实的系统中只能近似完成。

2.模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统，是一个滤波、采样保持和编码的过程。 模拟信号经带限滤波，采样保持电路，变为阶梯形状信号，然后通过编码器， 使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。

概述

模拟量采集模块采用RS485通讯网路，将分散的现场数据点的模拟量经AD变换传输到主机或由PC控制远程主站点。 具有独特的双看门狗安全设计。模拟量采集模块具有计量数据采集、测量数据采集、设备开关状态采集和对外逻辑控制等多项功能，主要用作各种测控终端的数据采集、控制和显示设备，适用于各行业的自动化、信息化系统。

模拟量采集模块分为输入模块与输出模块。

模拟量采集模块，采用业界通用协议，美国ADI公司高性能模数转换芯片，日本NEC光电隔离器件，为用户提供多量程、高耐压隔离、远距离、低漂移、宽泛工作温度环境、高性价比、远超同类的智能测控解决方案。

模拟量输入模块主要是指将4-20mA电流环信号转换成RS-485信号，支持Modbus RTU协议，也能兼容。

功能

采集功能：采集压力、温度、位移等变送器的标准信号；采集流量计、脉冲表的流量数据；采集水泵或阀门运行状态、设备供电状态和箱门开关状态。

控制功能：支持自动控制、远程控制水泵、阀门等控制设备。

显示功能：数码管显示、液晶显示可选；支持外接显示屏幕。

远程管理功能：支持通过GPRS传输设备进行远程参数设置、程序升级。

报警功能：监测数据越限，立即上报告警信息。

存储功能：本机循环存储监测数据，掉电不丢失。

特点

可根据用户要求进行逻辑编程。

支持有线、GPRS无线等多种通讯方式。

多个控制器可联机使用，一主多从，可扩充AI、DI、DO和串口。

技术参数

硬件配置：9路DI/PI、8路AI、5路DO、3路串口。

存储容量：4M。

通讯协议：标准MODBUS-RTU协议；

可嵌入其它通讯协议。

供电电源：10V～30V DC。

工作环境：温度：-40～+85℃；湿度：≤95%。

安装方式：盘装式。

外形尺寸：120x120x95mm。

典型应用：

医疗、工矿产品开发

工控教学应用远程通讯

移动数据采集站

智能楼宇控制数据、安防工程等应用系统

RS-232/485总线工业自动化控制系统