مبدل سیگنال یا سیگنال کانورتر (انواع مختلف، مشخصات عملکردی، طبقه بندی ها)

یک سیگنال کانورتر یا مبدل سیگنال، تجهیزی است که سیگنال‌های سنسور را به سیگنال‌های جریان صنعتی تبدیل می‌کند، سیگنال‌های ورودی آنالوگ را به سیگنال‌های خروجی آنالوگ تبدیل می‌کند، یا سیگنال‌ها را نرمالایز (نرمال‌سازی) کرده و یا ایزوله می‌کند.

یک سیگنال، یک جریان الکتریکی یا میدان الکترومغناطیسی است که برای انتقال اطلاعات از یک محل به محلی دیگر استفاده می‌شود. سیگنال‌های الکترونیکی که توسط دتکتور (آشکارساز) شناسایی می‌شوند ذاتا متفاوت هستند چون تفاوت‌هایی در داده‌های اندازه‌گیری شده وجود دارد (همچون دما، فشار و ولتاژ). این مساله باعث می‌شود که وارد کردن داده به شکل مستقیم به مدارات کنترل سخت شود. در نتیجه ضروری است که این داده‌ها را به یک فرم سیگنال تبدیل یا نرمالایز کنیم که استفاده از آن ساده باشد.

انواع مبدل‌ سیگنال

Isolators Sensor

input converters

Distributors

Alarms

Pulse I/O converters

Characteristic converters

Interface converters

مبدل‌های سیگنال براساس نوع کارکرد

• مبدل‌های سیگنال آنالوگ به دیجیتال (ADCها) سیگنال‌های آنالوگ را نمونه‌گیری کرده و به توالی مشخصی از مقادیر دیجیتال تبدیل می‌کنند.
• مبدل‌های سیگنال دیجیتال به آنالوگ (DACها) اعداد دیجیتال را به ولتاژ یا سطح جریان معادل با آن تبدیل می‌کنند.
• مبدل‌های سیگنال یا ترجمه‌گرهای فرکانس ، فرکانس‌های ورودی را به فرکانس‌های خروجی مشخصی، مقیاس یا تبدیل می‌کنند.
• مبدل‌های سیگنال ولتاژ، ورودی‌های ولتاژ را دریافت کرده و خروجی ولتاژ مقیاس‌بندی‌شده ارائه می‌کنند، با استفاده از انواع تبدیل همچون دوبله کردن ولتاژ یا معکوس‌سازی ولتاژ.
• مبدل‌های سیگنال فرکانس به ولتاژ، خروجی‌های ولتاژ آنالوگ ارائه می‌کنند که تابعی از فرکانس سیگنال ورودی است.
• مبدل‌های سیگنال ولتاژ به فرکانس، خروجی‌های موج سینوسی، قطار پالس (توالی پالس)، یا مدولاسیون پهنای پالس (PWM) ارائه می‌کنند که تابعی از ولتاژ سیگنال ورودی است.
• مبدل‌های سیگنال جریان به ولتاژ، ولتاژهای سیگنال را خروجی می‌کنند که تابعی از جریان ورودی است.
• مبدل‌های سیگنال حلقه جریان (لوپ جریان)، یک سیگنال آنالوگ یا دیجیتال را به شکل حلقه جریان خروجی می‌کنند، همچون 4-20mA یا 0-20mA.
• مبدل‌های سیگنال بار (شارژ)، دستگاه‌هایی هستند که خروجی بار از پیزوالکتریک یا دیگر سنسورهای تولیدکننده‌ی بار را به سیگنال‌هایی همچون ولتاژ آنالوگ یا جریان تبدیل می‌کنند.

کارکردهای اصلی مبدل سیگنال

• یک ورودی جریان/ولتاژ DC را به ولتاژ/جریان DC تبدیل کرده و نتیجه را به عنوان خروجی ارائه می‌کند.
• سیگنال ورودی را ایزوله کرده و سیگنال را به عنوان خروجی ارائه می‌کند.
• سیگنال ورودی از یک ترموکوپل را به جریان/ولتاژ تبدیل کرده و نتیجه را به عنوان خروجی ارائه می‌کند.
• سیگنال یک لودسل (مبدل وزن) را به ولتاژ/جریان تبدیل کرده و نتیجه را به عنوان خروجی ارائه می‌کند.
• نرخ پالس‌های ورودی را تبدیل کرده و نتیجه را به عنوان خروجی ارائه می‌کند.
• سیگنال پالس را به یک سیگنال آنالوگ تبدیل کرده و نتیجه را به عنوان خروجی ارائه می‌کند.
• سیگنال آنالوگ را به یک سیگنال پالس تبدیل کرده و نتیجه را به عنوان خروجی ارائه می‌کند.
• یک سیگنالی را که خصیصه‌های خروجی خطی را ندارد، خطی‌سازی کرده و نتیجه را به عنوان خروجی ارائه می‌کند.

مبدل‌های رابط (یا کانورتر های اینترفیس)

• بین سریال پروتکل های RS-232C/USB و RS-422/485 تبدیل می‌کند.

مشخصات عملکردی مبدل سیگنال

مشخصات عملکرد برای مبدل‌های سیگنال شامل مشخصات کانال (channel)، دقت، رزولوشن، مشخصات سیگنال، حالات نصب و رابط کاربری می‌شود.

کانال ورودی (input channel)

ورودی‌های کانورترهای سیگنال یا به شکل تک-انتها است یا تفاضلی. دستگاه مبدل سیگنال ممکن است چندین کانال برای این انواع ورودی‌ها داشته باشد.

سیگنال آنالوگ، یک سیگنال موج است یعنی مقادیر آن با گذر زمان، به شکل منظم تغییر می‌کنند و می‌تواند هر مقداری در یک بازه را داشته باشد.

مبدل‌های سیگنال با ورودی‌های آنالوگ، ممکن است چندین کانال داشته باشند. کانال‌ها یا تک-انتها هستند یا تفاضلی.

ورودی‌های تک-انتها تنها یک سیم پایین دارند که بین تمام ورودی‌ها مشترک است. به طور مثال، یک بورد ممکن است دو ورودی تک-انتها داشته باشد، در این حالت دو خط ورودی و یک خط زمین وجود دارد.

ورودی‌های تک-انتها قیمت کمتری دارند و در یک کانکتور سیم‌کشی با اندازه یکسان، دو براب تعداد بیشتری ورودی را ممکن می‌سازند چون تنها یک ورودی آنالوگ و یک ورودی زمین نیاز دارند که بین تمام ورودی‌ها مشترک است. جای کمتری می‌گیرند و نصب آن‌ها ساده‌تر است. وقتی که خروجی‌های تک-انتها موجود باشد، تامین‌کنندگان معمولا حداکثر تعداد خروجی‌های کانال آنالوگ را فراهم می‌کنند، تا دوبرابر تعداد خروجی‌های تفاضلی.

کانال‌های تفاضلی، دو ورودی دارند. ولتاژ، سیگنالی است که بین این دو نقطه پردازش می‌شود. بورد روی هر ورودی، یک پین سیگنال و یک پین زمین دارد تا امکان اندازه‌گیری تفاوت ولتاژ بین دو سیگنال متصل شده به یک زمین فراهم شود. کانال‌های تفاضلی، حذف نویز سمتِ مشترک فوق‌العاده‌ای را فراهم می‌کنند. وقتی که EMI یا RIF یا نویز وجود دارد، باید از این نوع ورودی استفاده شود.

سیگنال‌های دیجیتال مقادیر «میانی» ندارند. این سیگنال، سیگنال‌هایی خاموش یا روشن (صفر و یک) هستند که موج مربعی تولید می‌کند. سیگنال‌های دیجیتال اطلاعات را به کد باینری تبدیل می‌کنند. کد باینری، یک سری صفر و یک است. گیرنده‌ی داده، این کد را دوباره سر هم کرده و به اطلاعات مفید و قابل استفاده تبدیل می‌کند. سیگنال دیجیتال به کاربران این امکان را می‌دهد که اطلاعات بیشتری را با فضای کمتری، ارسال کنند.

درستی و دقت (Accuracy)

دقت (یا درستی) به عنوان تفاوت (خطای) بین مقدار حقیقی و مقدار نمایش داده شده تعریف شده است و به شکل درصدی از اسپن (span) بیان می‌شود. دقت، که به شکل درصدی از بازه اندازه‌گیری فول‌اسکیل نمایش داده می‌شود، به خطی بودن پردازش سیگنال، هیسترزیس و موارد مرتبط با دما بستگی دارد. دقت مشتمل بر ترکیبی از تاثیرات روش، ناظر، تجهیزات و محیط می‌شود.

دقت استاتیک، ترکیبی از تاثیرات خطی بودن، هیسترزیس و تکرارپذیری است. به عنوان ± درصدی از خروجی فول‌اسکیل بیان می‌شود. باند خطای استاتیک، مورد انتظار در دمایی ثابت، معیار خوبی برای دقت است.

میزان خطی بودن، انحراف منحنی کالیبراسیون از یک خط صاف تعیین‌شده است. یکی از روش‌های اندازه‌گیری خطی بودن، استفاده از روش حداقل مربع‌هاست که بهترین خط صاف متناسب (BFSL) را ارائه می‌دهد. بهترین خط صاف (یا BSL) یک خط بین دو خط موازی است که تمام مقادیر خروجی در برابر مقادیر فشار را روی منحنی کالیبراسیون محصور می‌کند.

تکرارپذیری توانایی یک ترانسمیتر دما برای بازتولید خوانش‌های خروجی در زمانی است که همان فشار یکسان به شکر مکرر به ترانسدوسر اعمال شود، در همان شرایط و در همان جهت.

هیسترزیس، حداکثر تفاوت در خروجی در هر فشاری در بازه تعیین شده است، وقتی که مقدار ابتدا با فشار رو به افزایش و سپس فشار رو به کاهش، محقق شود. هیسترزیس دماها، توانایی سنسور برای ارائه خروجی یکسان در یک دمای مشخص، قبل و بعد از یک چرخه دمایی است.

هیسترزیس توانایی سنسور برای ارائه خروجی یکسان در یک دمای مشخص، قبل و بعد از یک چرخه دمایی است.

رزولوشن (Resolution)

رزولوشن به درجه ظرافت کلمه دیجیتالی گفته می‌شود که مقدار آنالوگ را نشان می‌دهد. رزولوشن برای یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) تعداد بیت‌هایی است که برای بازنمایی سیگنال ورودی آنالوگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. هر چقدر رزولوشن بالاتر باشد، سیگنال آنالوگ با دقت بیشتری در دنیای دیجیتال بازتولید می‌شود. رزولوشن برای مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ هم به همین شکل اما معکوس آن است. یعنی کد به DAC با رزولوشن بالاتری ارائه می‌شود که در خروجی آنالوگ، ابعاد هر «پله»ی آن، کوچک‌تر خواهد بود.

مشخصات سیگنال

سیگنال ورودی که وارد مبدل می‌شود، ممکن است مجموعه‌ای متنوع از مشخصات داشته باشد. نوع مبدل انتخاب‌شده، تا حد زیادی به نوع سیگنال ورودی از سیستم و سیگنال خروجی مورد نظر بستگی دارد. سیگنال ورودی ممکن است چنین خصیصه‌هایی داشته باشد:

جریان و/یا ولتاژ نوع DC

جریان و/یا ولتاژ نوع AC

شکل‌موج‌های فرکانس برای فرکانس متغیر، پالس یا شکل‌موج‌های تخصصی ویژه.

بار (شارژ) که از یک دستگاه پیزوالکتریکی می‌آیند و معمولا نیازمند پردازش است.

حالات و آپشن‌های نصب

انواع مختلفی فرم‌فاکتورهای متنوع برای مبدل‌های سیگنال وجود دارد. این دستگاه‌ها می‌توانند روی موارد زیر نصب شوند:

• ریل‌های DIN (موسسه استاندارد آلمان) که استانداردی آلمانی است.
• بردهای مدار چاپی یا PCBها که به محفظه‌ها متصل می‌شوند یا به صفحه پشتی کامپیوتر وصل می‌شوند.
• دیواره‌ها، کابینت‌ها، محفظه‌ها یا پنل‌هایی با پیچ و مهره.
• رک‌ها که داخل رک استاندارد 19 اینچی مخابراتی جا می‌گیرند.
• رومیزی یا ایستاده که معمولا شامل کیس و پوشش کامل یا کابینت‌ها و رابط‌های داخلی می‌شوند.

رابط کاربری (UI)

مبدل‌های سیگنال دارای رابط‌های کاربری متنوعی هستند که به کاربر اجازه می‌دهد سیستم را تنظیم کند.

• یک پنل جلویی (front panel) که رابط محلی است و دارای کنترل‌های داخلی، یک صفحه شماره یا صفحه کلید (keypad) و/یا نمایشگر روی پنل واحد است.
• مبدل‌های برنامه‌پذیر توسط کامپیوتر، با یک کامپیوتر هاست (host) یا کامپیوتر ناظر جدا، در ارتباط هستند.
• صفحات لمسی (touch screens) یک نمایشگر بصری دارند که کاربر با لمس کردن آن می‌تواند با آن ارتباط برقرار کند. در این حالت، کاربر می‌تواند مستقیما از طریق صفحه‌ی حساس به لمس و تماس، اطلاعات را وارد کند.
• دستگاه‌های ریموت و دستی ممکن است سیار باشند و کاربر بتواند به این شکل پارامترهای برنامه را وارد کند.
• دستگاه‌هایی که هیچ نوع رابط کاربری برای ورود یا برنامه‌ریزی ندارند، برای ذخیره و انبار استفاده می‌شوند. دانلود و پردازش در محیطی دیگر انجام می‌شود.

طبقه‌بندی‌ها

مبدل‌های سیگنال طبق تصویر زیر طبقه‌بندی می‌شوند.

مثال‌های پیکربندی برای مبدل‌های اصلی

مبدل‌های سیگنال
ایزولاتور (جداکننده)

تاثیر مشکلات در محل را می‌توان با ایزوله کردن الکتریکیِ تجهیزات کنترل در اتاق کنترل از مشکلات ایجاد شده توسط محیط در محل، به حداقل رساند.

مبدل ترموکوپل

دما در کوره روشن شده با گاز، با یک ترموکوپل اندازه‌گیری می‌شود و با عبور آن از یک مبدل ترموکوپل، به یک سیگنال DC نرمال‌سازی‌شده تبدیل می‌شود و سپس این سیگنال وارد کنترلر می‌شود. کنترلر می‌تواند با مقایسه کردن دما با مقدار تنظیم شده (set value) و کنترل یک شیر (valve در تصویر)، دما را کنترل کند.

مبدل پالس

کنترل سرعت چرخشی را می‌توان با تبدیل یک سیگنال پالس چرخشی از یک سنسور مجاورت به سیگنال آنالوگ انجام داد.

مبدل لودسل

اندازه‌گیری حاصل از یک لودسل را می‌توان به شکل دیجیتال روی یک نشانگر پنل دیجیتال نمایش داد. با استفاده از قابلیت‌های نشانگر پنل دیجیتال، علاوه بر نمایش نتایج اندازه‌گیری، می‌توان برای یک آستانه‌ی تعریف شده (set threshold) یک هشدار یا آلارم خروجی کرد.

مبدل یا کانورتر هایی با محاسبه مقدار موثر (Effective Value Calculation) و کانورتر هایی با یکسوسازی مقدار متوسط (Average Value Rectification)

مبدل‌های یکسوسازی مقدار متوسط، ابتدا پردازش با مقداری متوسط را انجام می‌دهند و سپس نتیجه را به مقدار موثر سینوسی تبدیل کرده و خروجی می‌کنند. این یعنی اگر ورودی موج سینوسی باشد، تفاوتی در مقدار خروجی بین مبدل محاسبه مقدار موثر و مبدل مقدار متوسط وجود ندارد. هیچ یک بهتر از دیگری نیست.

یک سوء برداشت عمومی وجود دارد بر این اساس که مبدل محاسبه مقدار موثر بهتر است، چون قیمت آن بیشتر از مبدل یکسوسازی مقدار متوسط است. اما وقتی که شکل‌موج به شکل قابل توجهی دیستورت شده باشد (دچار اعوجاج باشد)، مثلا جریان باری که با یک تریستور کنترل می‌شود، مبدل یکسوسازی مقدار متوسط نمی‌تواند به شکل صحیح مقدار موثر را به دست آورد و بین مقدار آن و مقدار اندازه‌گیری‌شده توسط مبدل محاسبه مقدار موثر تفاوت وجود خواهد داشت. اگر شکل‌موج مقدار اندازه‌گیری شده فاقد اعوجاج باشد (دیستورشن نداشته باشد)، خروجی به دست‌آمده یکسان خواهد بود، و فرقی نمی‌کند کدام نوع مبدل انتخاب و استفاده شود. اما ما توصیه می‌کنیم که اگر احتمال ایجاد اعوجاج و دیستورشن در شکل‌موج وجود دارد، مبدل محاسبه مقدار موثر را انتخاب کنید.

اما این نوع مبدل را نمی‌توان همراه با یک اینورتر (inverter) استفاده کرد چون شکل‌موج ورودی کمتر از 15% از موج هارمونیک سوم خواهد بود.