новости компании о Руководство по освоению аналогового ввода/вывода для сбора данных

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, как компьютеры воспринимают температуру, давление или другие аналоговые сигналы реального мира? Или как они управляют двигателями, клапанами и другими исполнительными механизмами? Ответ кроется в технологии аналогового ввода/вывода (I/O). Эта статья развенчает основные концепции, технические принципы и области применения аналогового ввода/вывода, предлагая ценную информацию как для начинающих, так и для опытных инженеров.

В природе физические величины, такие как температура, давление и скорость потока, существуют в виде непрерывно изменяющихся аналоговых сигналов. Однако компьютеры обрабатывают только дискретные цифровые сигналы. Интерфейсы аналогового ввода/вывода служат переводчиками, преобразуя аналоговые сигналы в цифровые (A/D преобразование) и наоборот (D/A преобразование).

• Устройства аналогового ввода (A/D преобразователи): Преобразуют внешние аналоговые сигналы в цифровые данные для обработки компьютером.
• Устройства аналогового вывода (D/A преобразователи): Преобразуют цифровые выходы с компьютеров в аналоговые сигналы для управления внешними устройствами.
• Комбинированные устройства аналогового ввода/вывода: Объединяют возможности A/D и D/A преобразования.

A/D преобразование включает в себя преобразование непрерывных аналоговых сигналов в дискретные цифровые значения посредством двух ключевых процессов:

• Квантование: Делит аналоговый сигнал на конечное количество уровней. Больше уровней дает более высокую точность.
• Дискретизация: Фиксирует аналоговый сигнал через регулярные интервалы. Более высокие частоты дискретизации улучшают точность сигнала.

Этот процесс обратен A/D преобразованию, восстанавливая цифровые значения в аналоговые напряжения или токи для управления внешними устройствами.

Для повышения помехоустойчивости и безопасности устройства аналогового ввода/вывода используют изоляцию:

• Изоляция шины: Использует оптроны для разделения компьютерных схем от внешнего ввода/вывода, предотвращая электрические помехи.
• Изоляция канал-к-каналу: Добавляет изоляцию между отдельными каналами ввода/вывода, что имеет решающее значение для устройств с разными потенциалами заземления.

Выбор подходящего устройства аналогового ввода/вывода требует оценки следующих параметров:

• Несимметричные входы: Измеряют напряжение относительно земли, используя одну сигнальную линию. Просто, но подвержено шумам.
• Дифференциальные входы: Измеряют напряжение между двумя сигнальными линиями, подавляя синфазные помехи. Более сложно, но выше точность.

Определяет детализацию цифрового представления. Например:

• 16-битное разрешение делит сигналы на 65 536 уровней.
• 12-битное разрешение предлагает 4096 уровней.

Должен соответствовать спецификациям датчика/исполнительного механизма:

• Однополярный: Обрабатывает только положительные сигналы (например, 0–10 В).
• Биполярный: Принимает положительные/отрицательные сигналы (например, ±10 В).

Критична для точности сигнала:

• Теорема Найквиста требует дискретизации при частоте ≥2× частоты сигнала.
• Практические приложения часто используют 10× передискретизацию для предотвращения наложения спектров.

• Источники тактирования: Внутренние (точные), внешние (синхронизированные) или программные (менее точные).
• Режимы запуска: Команды программного обеспечения, внешние сигналы или активация на основе порогового значения.

Повышает эффективность обработки данных:

• FIFO: Последовательность «первым пришел — первым вышел».
• Кольцевой буфер: Циклическое хранение для захвата данных, запускаемого событиями.

Включает прямой доступ к памяти (DMA) для высокоскоростной передачи данных без нагрузки на ЦП.

Технология аналогового ввода/вывода является основой современной автоматизации, соединяя физические явления с цифровым управлением. Освоение этих принципов открывает возможности в промышленной автоматизации, научных приборах и за ее пределами.

• LSB: Младший значащий бит
• MSB: Старший значащий бит
• FSR: Полный диапазон шкалы