信号与量程转换

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软件编程
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发布时间：2024年01月15日

模拟量信号类型、精度与量程转换

模拟量模块、信号板

信号类型

模板型号	订货号	分辨率	负载信号类型	量程范围
模拟量输入
CPU 集成模拟量输入		10 位	0 ~ 10 V	0 ~ 27648
SM 1231 4 x 模拟量输入	6ES7 231-4HD32-0XB0	12 位 + 符号位	±10 V ,±5 V,±2.5 V	-27648 ~ 27648
SM 1231 4 x 模拟量输入	6ES7 231-4HD32-0XB0	12 位 + 符号位	0~20 mA，4~20 mA	0 ~ 27648
SM 1231 4 x 模拟量输入	6ES7 231-5ND32-0XB0	15 位 + 符号位	±10 V ,±5 V,±2.5 V，±1.25 V	-27648 ~ 27648
SM 1231 4 x 模拟量输入	6ES7 231-5ND32-0XB0	15 位 + 符号位	0~20 mA，4~20 mA	0 ~ 27648
SM 1231 8 x 模拟量输入	6ES7 231-4HF32-0XB0	12 位 + 符号位	±10 V ,±5 V,±2.5 V	-27648 ~ 27648
SM 1231 8 x 模拟量输入	6ES7 231-4HF32-0XB0	12 位 + 符号位	0~20 mA，4~20 mA	0 ~ 27648
SM 1234 4 x 模拟量输入 /2 x 模拟量输出	6ES7 234-4HE32-0XB0	12 位 + 符号位	±10 V ,±5 V,±2.5 V	-27648 ~ 27648
SM 1234 4 x 模拟量输入 /2 x 模拟量输出	6ES7 234-4HE32-0XB0	12 位 + 符号位	0~20 mA，4~20 mA	0 ~ 27648
SB 1231 1 x 模拟量输入	6ES7 231-4HA30-0XB0	11 位 + 符号位	±10 V ,±5 V,±2.5 V	-27648 ~ 27648
SB 1231 1 x 模拟量输入	6ES7 231-4HA30-0XB0	11 位 + 符号位	0~20 mA	0 ~ 27648
模拟量输出
CPU 集成模拟量输出		10 位	0~20 mA	0 ~ 27648
SM 1232 2 x 模拟量输出	6ES7 232-4HB32-0XB0	14 位	±10 V	-27648 ~ 27648
SM 1232 2 x 模拟量输出	6ES7 232-4HB32-0XB0	13 位	0~20 mA，4~20 mA	0 ~ 27648
SM 1232 4 x 模拟量输出	6ES7 232-4HD32-0XB0	14 位	±10 V	-27648 ~ 27648
SM 1232 4 x 模拟量输出	6ES7 232-4HD32-0XB0	13 位	0~20 mA，4~20 mA	0 ~ 27648
SM 1234 4 x 模拟量输入 /2 x 模拟量输出	6ES7 234-4HE32-0XB0	14 位	±10 V	-27648 ~ 27648
SM 1234 4 x 模拟量输入 /2 x 模拟量输出	6ES7 234-4HE32-0XB0	13 位	0~20 mA，4~20 mA	0 ~ 27648
SB 1232 1 x 模拟量输出	6ES7 232-4HA30-0XB0	12 位	±10 V	-27648 ~ 27648
SB 1232 1 x 模拟量输出	6ES7 232-4HA30-0XB0	11 位	0~20 mA	0 ~ 27648

输入信号精度计算

先明确两个模拟量输入模块参数：

模拟量转换的分辨率
模拟量转换的精度（误差）

分辨率是 A/D 模拟量转换芯片的转换精度，即用多少位的数值来表示模拟量。S7-1200 模拟量模块的转换分辨率是12位，能够反映模拟量变化的最小单位是满量程的 1/4096。

数字化模拟值的表示方法及示例：

分辨率	模拟值
位	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
位值	2¹⁵	2¹⁴	2¹³	2¹²	2¹¹	2¹⁰	2⁹	2⁸	2⁷	2⁶	2⁵	2⁴	2³	2²	2¹	2⁰
16位	0	1	0	0	0	1	1	0	0	1	0	1	1	1	1	1
12位	0	1	0	0	0	1	1	0	0	1	0	1	1	0	0	0

如上表所示，当转换精度小于 16 位时，相应的位左侧对齐，最小变化位为 16 - 该模板分辨率，未使用的最低位补“ 0 ”。如表中 12 位分辨率的模板则是从 16 - 12 = 4，即低字节的第四位 bit 3 开始变化，为其最小变化单位 2³ = 8（红色背景所示），bit 0~bit 2 则补“ 0 ”（黄色背景所示）。则 12 位模板 A/D 模拟量转换芯片的转换精度为2³ /2¹⁵ = 1/4096。

模拟量转换的精度除了取决于A/D转换的分辨率，还受到转换芯片的外围电路的影响。在实际应用中，输入的模拟量信号会有波动、噪声和干扰，内部模拟电路也会产生噪声、漂移，这些都会对转换的最后精度造成影响。这些因素造成的误差要大于 A/D 芯片的转换误差。

模拟量量程计算

可以使用 TIA Portal 指令列表 "转换指令" 中的“ NORM_X ”和 SCALE_X ”来转换电压、电流信号的模拟量值。

计算公式：

一、测量值转换为工程量

如下图1 程序所示，为标准 4~20 mA 模拟量输入信号，对应 0 ~ 80 MPa 压力的量程换算示例

图 1.测量值转换为工程量示例

其中参数含义如下表 1 所示：

表 1.

参数名称	数据类型	参数含义	取值范围
参数名称	数据类型	参数含义	CPU 集成模拟量输入	电压信号	电流信号
NORM_X_VALUE	Int	模拟量通道输入范围	0 ~ 27648	-27648 ~ 27648	0 ~ 27648
NORM_X_MIN	Int	测量值下限	0	-27648	0
NORM_X_MAX	Int	测量值上限	27648	27648	27648
NORM_X_OUT	Real	测量值规格化	0.0 ~ 1.0	0.0 ~ 1.0	0.0 ~ 1.0
SCALE_X_MIN	Real	工程量下限	---	---	---
SCALE_X_MAX	Real	工程量上限	---	---	---
SCALE_X_OUT	Real	工程量值	---	---	---

设置 0-20mA 或者 4-20mA 对应不同的量程范围和 NORM_X 通道测量值下限。如表 2 所示：

表 2.

实际电流输入	设置电流范围	量程范围	NORM_X_MIN
0-20 mA	0-20 mA	0 -27648	0
4-20 mA	0-20 mA	5530- 27648	5530
4-20 mA	4-20 mA	0 - 27648	0

二、工程量转换为测量值

如下图 2 程序所示，为标准 4~20 mA 模拟量输出信号，对应 0 ~ 50Hz的变频器频率的量程换算示例

图 2. 工程量转换为测量值

其中参数含义如下表 3 所示：

表 3.

参数名称	数据类型	参数含义	取值范围
参数名称	数据类型	参数含义	电压信号	电流信号
NORM_X_VALUE	Real	工程量给定值	---	---
NORM_X_MIN	Real	工程量下限值	---	---
NORM_X_MAX	Real	工程量上限值	---	---
NORM_X_OUT	Real	工程量给定值规格化	0.0 ~ 1.0	0.0 ~ 1.0
SCALE_X_MIN	Int	测量输出值下限	-27648	0
SCALE_X_MAX	Int	测量输出值上限	27648	27648
SCALE_X_OUT	Int	测量输出值范围	-27648 ~ 27648	0 ~ 27648