仪表信号包括电压、电流、频率、功率。功率因数等等，一般要求精确测量的，可以读出等特征，仪表信号是用来测量的。本文主要讲解什么是仪表信号，仪表信号的类型，仪表信号变换的原理，以及如何采集信号，帮助仪表人了解最熟悉的仪表信号！
仪表信号包括电压、电流、频率、功率。功率因数等等，一般要求精确测量的，可以读出等特征，仪表信号是用来测量的。
AI：模拟量输入（电流、电压信号）
AO：模拟量输出（电流、电压信号）
DI：数字量输入（开关量）
DO：数字量输出（开关量）
PI：脉冲量输入（频率信号）
PO：脉冲量输出（频率信号）
1、AI量（模拟量输入）
AI（Analogy Input）模拟量输入，模拟量输入的物理量有温度、压力、流量等，这些物理量由相应的传感器感应测得，往往经过变送器转变为电信号送入控制器的模拟输入口。
与物理量值对应，如压力、液位、流量、温度等。
①电流信号 4~20mA/0~20mA DC（直流信号）
②电压信号 1~5V/0~5V DC（直流信号）
③热电阻信号 RTD PT100等（相应标准、电阻变化）
④热电偶信号 TC J、K、S、B等 （相应标准、电动势）
⑤电桥信号 压力传感器、负荷传感器、电位器等
2、AO量（模拟量输出）
用于信号输出、驱动、PID调节等
①电流信号 4~20mA/0~20mA DC（直流信号）
②电压信号 1~5V/0~5V DC（直流信号）
电流信号 负载电阻越大负载越重 ﹤1K
电压信号 负载电阻越小负载越重
3、DI/DO量（数字量输入/输出）
与物理状态及控制状态对应。
DI：如启停状态、开关状态、三通状态等。
DO：如开关信号、报警信号、指示信号等。
①触点信号 继电器
②电平信号 +24V、+12V、+5V等
③集电极开路输出，FET
4、PI/PO量（脉冲量输入/输出）
与物理量的瞬时值或累积值对应，信号类型与DI/DO类似。
脉冲信号---与累积值对应。
频率信号---与瞬时值对应。
脉冲信号：
脉冲当量---单位脉冲对应的累积值。如流量：/脉冲、 m3/8000脉冲
累积值=脉冲数×脉冲当量 （m3）
瞬时值=脉冲数×脉冲当量 / 测量时间（s）×3600 （m3/h）
此类信号测量累积值方便，测量瞬时值困难。
若脉冲频率较小时，应通过测量脉冲周期测量瞬时值。若脉冲频率较大时，可通过测量单位时间脉冲数测量瞬时值。
频率信号：
瞬时值与频率值成正比，如：0~30 m3 /h 对应 0~5000Hz
此类信号测量瞬时值方便，测量累积值困难。测量累积值要有精确定时。
5、累积测量时的一般问题
精确定时问题，始动量问题，余量累积问题。
精确定时问题：
当通过瞬时值计算累积值时，存在精确定时问题。
Q=∑△Q 逐次累加
△Q=V× △T
Q总累积 △Q时间分段累积 V瞬时值 △T分段时间
△T 需精确定时，否则将产生较大误差。在编程时需考虑此问题。
始动量量问题：
当通过瞬时值计算累积值时，存在始动量问题。
由于瞬时量有波动（干扰），造成无流量时仍有累积，因此需要有一始动量，当瞬时值小于此值时不累积。
余量累积问题：
每次进行累积计算时，由于累积精度问题，可能使较小的部分累积不上，造成累积误差。
每次应把上次余量累加到本次△Q上，再累加有效部分。
6、仪表接线
二线制、三线制、四线制。
1、电流信号→电压信号
F1 100mA 可恢复保险（过流保护）
D1 瞬变管（过压保护）
R1 250Ω （变换电阻）
R2 10KΩ （滤波电阻）
C1 1µf/50V （滤波电容）
2、热电偶信号→4~20mA ：
两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点温度不同时，则会在其回路内产生热电流（热电动势）。
与热电阻比较，热电偶测量范围宽，但线性差，需冷端补偿。
冷端补偿方法：电路补偿，软件补偿。
线性化：线性化电路，通过查分度表软件线性化。
3、mV信号（电桥信号）→ 4~20mA：
激励方法：
电压激励 恒呀压源，负荷传感器（10V）
电流激励 恒流源
差动输出：差动输出，高阻输入，一般为mV信号
5根接线：2激励，2信号，1屏蔽。
4、mV信号（电位器信号）→4~20mA ：
AI不带冗余的来自现场的模拟信号，在DCS或PLC中仅用于显示；
AI-E不带冗余的来自电气的模拟信号，在DCS或PLC中仅用于显示；
AI(R)带冗余的来自现场的模拟信号，在DCS或PLC中用于控制或联锁；
AI-E(R)带冗余的来自现场的模拟信号，在DCS或PLC中用于控制或联锁；
TC不带冗余的来自现场的热偶信号，在DCS或PLC中仅用于显示；
TC(R)带冗余的来自现场的热偶信号，在DCS或PLC中用于控制或联锁；
RTD不带冗余的来自现场的热电阻信号，在DCS或PLC中仅用于显示；
RTD(R)带冗余的来自现场的热电阻信号，在DCS或PLC中用于控制或联锁；
AO(R)带冗余的控制现场调节机构信号，AO输出通常都是冗余的；
AO-E(R)带冗余的控制电气信号，如控制变频器的频率，AO输出通常都是冗余的；
PL应为PI，不带冗余的脉冲信号，不具备冗余功能，主要采集流量计的脉冲信号，脉冲数通常从100~1000，最好采用1000，保证测量准确；
还有DI、DI-E、DO、DO-E不带冗余的来自现场的离散(开关阀的限位开关、各种流量、液位、压力开关)信号；
DI-E、DO、DO-E不带冗余的来自电气的离散(电机的运行、停止、故障)信号；
DO、DO-E不带冗余的控制现场电磁阀(打开、关闭)或其他机构信号；
DO-E不带冗余的控制电气的离散(电机的启动、停止)信号；
通常DI、DI-E、DO、DO-E均不带冗余，也可以根据工艺要求带冗余功能，但有些系统DI、DO是不支持冗余功能的。
这里的模拟信号是指电压和电流信号，对模拟信号的处理技术主要包括模拟量的选通、模拟量的放大、信号滤波、电流电压的转换、V/F转换、A/D转换等。
1．模拟通道选通
单片机测控系统有时需要进行多路和多参数的采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、滤波、采样/保持，A/D等环节，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难；并且对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采用一个回路几乎是不可能的。因此，除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D外，通常采用公共的采样／保持及A／D转换电路(有时甚至可将某些放大电路共用)，利用多路模拟开关，可以方便实现共用。
在选择多路模拟开关时，需要考虑以下几点：
（1）通道数量
通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大。平常使用的模拟开关，在选通其中一路时，其它各路并没有真正断开，只是处于高阻状态，仍存在漏电流，对导通的信号产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。
（2）泄漏电流
在设计电路时，泄漏电流越小越好。采集过程中，信号本身就非常微弱，如果信号源内阻很大，泄漏电流对精度的影响会非常大。
（3）切换速度
在选择模拟开关时，要综合考虑每路信号的采样速率、A/D的转换速率，因为它们决定了对模拟开关的切换速度的要求。
（4）开关电阻
理想状态的多路开关其导通电阻为零，而断开电阻为无穷大，而实际的模拟开关无法到这个要求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。
（5）参数的漂移性及每路电阻的一致性
（6）器件的封装
常用的模拟开关有DIP和SO两种封装，可以根据实际需要选择。
2．信号滤波
从传感器或其它接收设备获得的电信号，由于传输过程中的各种噪声干扰，工作现场的电磁干扰，前段电路本身的影响，往往会有多种频率成分的噪声信号，严重情况下，这种噪声信号甚至会淹没有效输入信号，致使测试无法正常进行。为了减少噪声信号对测控过程的影响，需采取滤波措施，滤除干扰噪声，提高系统的信噪比(S／N)。
过去常用模拟滤波电路实现滤波，模拟滤波的技术较为成熟。模拟滤波可分为有源滤波和无源滤波。设计有源滤波器，首先根据所要求的幅频特性，寻找可实现的有理函数进行逼近设计。常用的逼近函数有：波待瓦兹（Butterworth)函数、切比雪夫(Chebyshev)函数，贝塞尔(Besel)函数等，然后计算电路参数，完成设计。
但是模拟滤波电路复杂，不仅增加了设计成本，而且还增加系统的功耗，降低了系统可靠性。随着电子技术的发展，现在很多的场合都应用数字滤波技术。数字滤波技术发展非常迅速，现在的手机、PDA等智能设备，大多采用数字滤波技术。它作为软件无线电的一个处理单元，有非常广阔的发展前景。但是，单片机的处理能力有限，只能完成比较简单的数字滤波。
在单片机系统中，首先在设计硬件是对信号采取抗干扰措施，然后在设计软件时，对采集到的数据进行消除干扰的处理，以进一步消除附加在数据中的各式各样的干扰，使采集到的数据能够真实的反映现场的情况。下面介绍的几种工控中常用的数字滤波技术。
（1）死区处理
从工业现场采集到的信号往往会在一定的范围内不断的波动，或者说有频率较高、能量不大的干扰叠加在信号上，这种情况往往出现在应用工控板卡的场合，此时采集到的数据有效值的最后一位不停的波动，难以稳定。这种情况可以采取死区处理，把波动的值进行死区处理，只有当变化超出某值时才认为该值发生了变化。比如编程时可以先对数据除以10，然后取整，去掉波动项。
（2）算术平均值法
公式为YK =(XK1+XK2+XK3+…+XKN)/N，在一个周期内的不同时间点取样，然后求其平均值，这种方法可以有效的消除周期性的干扰。同样，这种方法还可以推广成为连续几个周期进行平均。
（3）中值滤波法
这种方法的原理是将采集到的若干个周期的变量值进行排序，然后取排好顺序的值得中间的值，这种方法可以有效的防止受到突发性脉冲干扰的数据进入。在实际使用时，排序的周期的数量要选择适当，如果选择过小，可能起不到去除干扰的作用，选择的数量过大，会造成采样数据的时延过大，造成系统性能变差。
（4）低通滤波法
公式为YK =Q*XK+(1-Q)*YK-1 截止频率为f=K/2πT。这种滤波方式相当于使采集到的数据通过一次低通滤波器。来自现场的信号往往是4~20mA信号，它的变化一般比较缓慢，而干扰一般带有突发性的特点，变化频率较高，而低通滤波器就可以滤除这种干扰，这就是低通滤波的原理。实际使用时，根据信号的带宽，合理选择Q值。
（5）滑动滤波法
滑动滤波法是由一阶低通滤波法推广而来的。现场信号一般都是平滑的，不会出现突变，如果接收到的信号有突变，那么很可能就是干扰。滑动滤波法就是基于这个原理，把所有的突变都视为干扰，并且通过平滑去掉干扰。应用这种方法，只能处理平滑信号，并且不同的场合，数据处理过程也要做相应调整。滑动滤波法的公式是：Yn=Q1Xn+Q2Xn-1+Q3Xn-2，其中Q1 + Q2+ Q3 =1且Q1 >Q2> Q3。
在实际使用时，常常需要结合多种方法，以其它滤波的效果。比如在中值滤波法中，加入平均值滤波，借以提高滤波的性能。
3．电流电压的转换
电压信号可以经由A/D转换器件转换成数字信号然后采集，但是电流不能直接由Ａ/Ｄ 转换器转换。在应用中，先将电流转变成电压信号，然后进行转换。电流／电压转换在工业控制中应用非常广泛。
电流／电压转换最简单的方法是在被测电路中串入精密电阻，通过直接采集电阻两端的电压来获得电流。A/D器件只能转换一定范围的电压信号，所以在电流／电压转换过程中，需要选择合适阻值的精密电阻。如果电流的动态范围较多，还必须在后端加入放大器进行二次处理。经过多次处理，会损失测量的精度。
现在有很多电流／电压转换芯片，其响应时间、线性度、漂移等指标均很理想，且能适应大范围大电流的测量。
4．电压频率的转换
频率接口有以下特点：
(1)接口简单、占用硬件资源少。频率信号通过任一根I／O口线或作为中断源及计数时钟输入系统。
(2)抗干扰性能好。V／F转换本身是一个积分过程，且用V／F转换器实现A／D转换，就是频率计数过程，相当于在计数时间内对频率信号进行积分，因而有较强的抗干扰能力。另外可采用光电耦合连接V／F转换器与单片机之间的通道，实现隔离。
(3)便于远距离传输。可通过调制进行无线传输或光传输。
由于以上这些特点，V／F转换器适用于一些非快速而需进行远距离信号传输的A／D转换过程。利用V／F变换，还可以减化电路、降低成本、提高性价比。
5．A/D转换
A/D转换是指将模拟输入信号转换成N位二进制数字输出信号的过程。伴随半导体技术、数字信号处理技术及通信技术的飞速发展，A/D转换器近年也呈现高速发展的趋势。人类数字化的浪潮推动了A/D转换器不断变革，现在，在通信产品、消费类产品、工业医疗仪器乃至军工产品中无一不显现A/D转换器的身影，可以说，A/D转换器已经成为人类实现数字化的先锋。自1973年第一只集成A/D转换器问世至今，A/D、D/A转换器在加工工艺、精度、采样速率上都有长足发展，现在的A/D转换器的精度可达26位，采样速度可达1GSPS，今后的A/D转换器将向超高速、超高精度、集成化、单片化发展。不管怎么发展，A/D转换的原理和作用都是不变的。
