アナログおよびデジタル信号

計装は、物理プロセスの測定と制御を中心とした研究と作業の分野です。これらの物理的プロセスには、圧力、温度、流量、および化学的一貫性が含まれます。計測器は、あらゆる種類の物理的プロセスを測定および/または制御するように機能するデバイスです。電圧と電流の電気量は、長距離での測定、操作、送信が簡単であるため、このような物理的変数を表し、情報を遠隔地に送信するために広く使用されています。

シグナル 情報を伝達するあらゆる種類の物理量です。可聴スピーチは、音の物理的媒体を介してある人の考え（情報）を別の人に伝えるため、確かに一種の信号です。手のジェスチャーも信号であり、光によって情報を伝えます。

このテキストは別の種類の信号であり、英語の訓練を受けた心によって電気回路に関する情報として解釈されます。この章では、信号という単語 主に、表すために使用される電圧または電流の電気量に関連して使用されます。 または意味 その他の物理量。

アナログとデジタル

アナログ 信号は、その範囲に沿って限られた数のステップを持つのとは対照的に、連続的に可変である一種の信号です（デジタルと呼ばれます）。 ）。アナログとデジタルのよく知られた例は、時計の例です。アナログは、ポインターが円形の目盛りの周りをゆっくりと回転するタイプであり、デジタルは、10進数の表示またはスムーズではなくぎくしゃくする「秒針」を備えたタイプです。回転します。

アナログ時計は、その「手」がスムーズで一時停止のない方法で動くため、時間をどれだけ細かく表示できるかについて物理的な制限はありません。一方、デジタル時計は、ディスプレイで許容される時間よりも小さい単位を伝達することはできません。 1秒間隔でピクピクする「秒針」を備えた時計のタイプは、最小の解像度のデジタルデバイスです。 1秒の。

アナログ信号とデジタル信号の両方が現代の電子機器に適用されており、これら2つの基本的な情報形式の違いについては、この本の後半でさらに詳しく説明します。今のところ、アナログ信号を使用するシステムはより単純な設計である傾向があるため、この議論の範囲をアナログ信号に限定します。

この主題の最も基本的な概要については、アナログおよびデジタル電子機器に関するこのビデオチュートリアルを参照してください。

多くの物理量、特に電気的な量では、アナログの変動は簡単に発生します。このような物理量を信号媒体として使用すると、ほぼ無制限の解像度で情報のバリエーションを表現できるようになります。

産業用計装システム

産業用計装の初期には、圧縮空気が信号媒体として使用され、測定器から遠隔地にある表示および制御装置に情報を伝達していました。気圧の量は、測定された変数の大きさに対応していました。約20ポンド/平方インチ（PSI）の清潔で乾燥した空気が、空気圧縮機からチューブを介して測定機器に供給され、測定される量に応じてその機器によって調整され、対応する出力信号が生成されました。

たとえば、貯蔵タンク内の水の高さ（「プロセス変数」）を測定するように設定された空気圧（空気信号）レベルの「送信機」デバイスは、タンクが空の場合は低気圧、タンクが空の場合は中圧を出力します。部分的に満杯で、タンクが完全に満杯になると高圧になりました。

「水位計」（LI）は、空気圧信号ラインの気圧を測定する圧力計にすぎません。この気圧は信号です は、タンク内の水位を表します。タンク内のレベルの変動は、空気圧信号の圧力の適切な変動によって表すことができます。

気圧装置の仕組みによって課せられる特定の実際的な制限を除けば、この空気圧信号は無限に可変であり、水位のあらゆる程度の変化を表すことができるため、アナログ 本当の意味で。

見た目は粗雑ですが、この種の空気圧信号システムは、世界中の多くの産業用測定および制御システムのバックボーンを形成し、そのシンプルさ、安全性、および信頼性により、今日でも使用されています。空気圧信号は、安価なチューブを介して簡単に送信され、（機械的圧力計を使用して）簡単に測定され、ベローズ、ダイヤフラム、バルブ、およびその他の空気圧デバイスを使用する機械的デバイスによって簡単に操作されます。気圧信号は、測定に役立つだけではありません。 物理的なプロセスですが、制御 それらも。

ピストンまたはダイヤフラムが十分に大きい場合、小さな空気圧信号を使用して大きな機械力を生成できます。これを使用して、バルブまたはその他の制御デバイスを動かすことができます。信号媒体として空気圧を使用して、完全な自動制御システムが作成されました。それらはシンプルで信頼性が高く、比較的理解しやすいものです。ただし、空気圧信号の精度の実際的な制限は、場合によっては制限が厳しすぎる可能性があります。特に、圧縮空気が清潔で乾燥していない場合や、チューブの漏れの可能性がある場合はそうです。

ソリッドステート電子増幅器の出現およびその他の技術的進歩により、電気量の電圧および電流が、アナログ計測器の信号媒体として使用できるようになりました。空気圧信号を使用して貯水タンクの満杯に関する情報を中継する代わりに、電気信号は同じ情報を（チューブではなく）細いワイヤーで中継でき、動作するために空気圧縮機などの高価な機器のサポートを必要としません。

アナログ電子信号は、今日（2001年1月）の計装の世界で使用される主要な種類の信号ですが、多くのアプリケーションでデジタル通信モードに取って代わられています（このテーマについては後で詳しく説明します）。テクノロジーの変化にもかかわらず、基本的な原則を完全に理解することは常に良いことです。そのため、以下の情報が実際に時代遅れになることはありません。

ライブゼロ

多くのアナログ計装信号システムに適用される重要な概念の1つは、「ライブゼロ」の概念です。これは、信号をスケーリングする標準的な方法であり、0％の表示を「デッド」システムのステータスと区別できます。空気圧信号システムを例にとると、トランスミッタとインジケータの信号圧力範囲が0〜12 PSIに設計されており、0 PSIがプロセス測定の0％を表し、12 PSIが100％を表す場合、0％の受信信号は0パーセントの測定値の正当な読み取り値であるまたは システムが誤動作している可能性があります（空気圧縮機が停止している、チューブが壊れている、送信機が誤動作しているなど）。 0パーセントポイントが0PSIで表されるため、一方を他方から区別する簡単な方法はありません。

ただし、3〜15 PSIのスケールを使用するように機器（送信機とインジケーター）をスケーリングする場合、3 PSIは0パーセントを表し、15 PSIは100パーセントを表します。あらゆる種類の誤動作により、空気圧がゼロになります。インジケーターは-25パーセント（0 PSI）の読み取り値を生成しますが、これは明らかに誤った値です。インジケーターを見ている人は、何かがおかしいとすぐにわかるでしょう。

すべての信号標準がライブゼロベースラインで設定されているわけではありませんが、より堅牢な信号標準（3〜15 PSI、4〜20 mA）が設定されており、正当な理由があります。

レビュー：

• シグナル 情報を伝達するために使用されるあらゆる種類の検出可能な量です。
• アナログ 信号は、わずかな変化を表すために連続的または無限に変化する可能性のある信号です。
• 空気圧 、または気圧の信号は、かつては産業用計装信号システムで一般的でした。これらは、電圧や電流などのアナログ電気信号に大きく取って代わられています。
• ライブゼロ ゼロ以外の量を使用して実際の測定値の0％を表すアナログ信号スケールを指します。これにより、信号の圧力、電圧、または電流がゼロの自然な「休止」状態をもたらすシステムの誤動作を即座に認識できます。