模拟量输入

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使用模拟量输入的情况通常涉及需要对连续变量进行测量或监控的场景，例如电压、电流、温度、压力等物理量。这些信号具有无限的可能取值（在一定范围内），与数字量的开关式（0或1）不同。

以下是需要使用模拟量输入的几种典型情况：


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1. 测量物理量（连续变化的信号）

适用场景：

测量温度（如通过热电偶或热电阻）。

测量压力（如通过压力传感器）。

测量液位（如通过超声波传感器或浮子传感器）。

测量流量（如通过电磁流量计或涡轮流量计）。


原因：这些物理量是连续变化的，无法用简单的开关信号表示，因此需要模拟量输入模块采集并转换成可用的数字信号。



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2. 精确控制过程

适用场景：

工业自动化中的精确调节，例如锅炉中的温度或压力控制。

过程工业中需要对液体、气体等流体的流量进行比例控制。


原因：模拟量输入能够提供精细的数据，便于实现PID控制等精确控制策略。



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3. 监测变化趋势

适用场景：

实时监测环境条件，例如环境温湿度监控。

分析震动、声波、光强等信号趋势。


原因：模拟量信号提供动态和连续的变化数据，便于记录、分析和趋势预测。



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4. 涉及传感器输出为模拟信号的设备

适用场景：

使用输出为 4-20mA、0-10V 的传感器或设备。

使用位移传感器、电位计等设备。


原因：这些设备本身输出的信号为模拟量，必须通过模拟量输入模块采集后进行处理。



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5. 集中监控与数据采集

适用场景：

数据采集系统（SCADA）需要从多个模拟设备采集信号。

能源管理系统监测电压、电流、功率等。


原因：模拟量输入提供精确的数据采集能力，支持集中管理和后续分析。



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总结

如果测量的信号是连续的且需要精确处理（如温度、压力、液位等），或者传感器的输出是模拟信号，就需要使用模拟量输入。相反，如果信号是简单的开关量（如开/关、到位/不到位），可以使用数字量输入模块。

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将模拟信号转换为数字信号的过程称为模数转换（ADC，Analog-to-Digital Conversion），主要通过以下步骤实现：


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1. 模拟信号采集

传感器或设备输出的模拟信号通常为 电压（如 0-10V） 或 电流（如 4-20mA）。

模拟输入模块读取这些连续变化的信号。



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2. 信号调理

目的：将信号调整到模数转换器（ADC）的输入范围。

操作：

滤波：去除模拟信号中的噪声。

放大或衰减：将信号调整到ADC支持的电压或电流范围。

隔离：在需要时，确保信号与设备之间的电气隔离，避免干扰。




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3. 采样（Sampling）

将模拟信号在固定时间间隔（采样周期）内读取其值，形成一组离散的样本。

采样率：

采样频率需要满足奈奎斯特定理，即采样频率至少是信号最高频率的2倍。

常用采样率范围：几百 Hz 到几十 kHz，视应用而定。




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4. 量化（Quantization）

定义：将采样得到的模拟值映射到离散的数字值。

模数转换器根据其分辨率将模拟值分成有限的数字范围。

例如：10位ADC将模拟信号分成  个离散级别。




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5. 数字编码

将量化后的数值编码成数字信号（通常为二进制格式）并存储在内存中供PLC程序读取。

数字信号的值与模拟信号范围成比例。例如：

输入信号范围为 0-10V。

分辨率为 12位（）。

输入5V时，数字信号为：



数字值 = \frac{输入值}{信号范围} \times (2^{分辨率} - 1) = \frac{5}{10} \times 4095 = 2047.5


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示例流程

假设使用一个4-20mA传感器连接到PLC：

1. 传感器输出4mA时，对应的测量值为0；输出20mA时，对应最大值。


2. 模拟输入模块通过电阻转换将电流信号转化为电压信号。


3. PLC的模拟量模块通过ADC将电压信号转换为数字信号。


4. 在PLC程序中使用比例计算公式，将数字值还原为实际物理量。




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注意事项

1. 分辨率影响精度：分辨率越高，转换后的数字信号越接近真实值。


2. 噪声抑制：使用滤波器减少高频噪声对信号的干扰。


3. 校准设备：确保输入范围与实际传感器输出匹配，避免误差。

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