確保測量精度通常意味著需要超越產(chǎn)品說明書的基本指標(biāo)。理解其在電氣環(huán)境背景中的應(yīng)用對于確保在噪聲環(huán)境或是工業(yè)環(huán)境中的成功應(yīng)用是尤為重要的。接地回路、高共模電壓以及電磁輻射都是將會負面影響信號的普遍實例。

       降低測量系統(tǒng)中的噪聲有許多方法，其中包括適當(dāng)?shù)钠帘巍⒔泳€和中止。除了這些常見方法之外，還有許多可以提高噪聲**的方法。以下的五個方法是達到更**測量結(jié)果???指導(dǎo)方法。

抑制直流共模電壓

要進行高精度的測量首先從差分讀數(shù)開始。理想差分測量設(shè)備能夠讀取儀器放大器正極端子和負極端子之間的電勢差。然而，實際的設(shè)備在共模電壓的抑制能力上是受到限制的。共模電壓是儀器放大器的正極端子和負極端子之間的共同電壓。在圖1中，5V電壓對于AI+和AI-端子而言是公共電壓，理想的設(shè)備能夠讀取兩個端子之間5V的差。

圖1：理想的儀器放大器完全抑制共模電壓。

數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備的*大工作電壓是指信號電壓加上共模電壓，并且指定了存在于輸入和地之間的*大電勢差。對于大多數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備而言，*大工作電壓與儀器放大器的輸入范圍是相同的。例如，例如NI6220設(shè)備等低成本M系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備的*大工作電壓是11V；超過11 V的輸入信號將對放大器造成破壞。

隔離可以大大提高數(shù)據(jù)采集設(shè)備的*大工作電壓。在測量系統(tǒng)的環(huán)境中，“隔離”意味著在物理上和電氣上將電路的兩部分隔開。隔離器將數(shù)據(jù)從電路的一個部分傳送到另一個部分，而無需電學(xué)的導(dǎo)通。由于電流無法流過隔離器屏障，您可以將數(shù)據(jù)采集設(shè)備的參考地和實際地隔離。這樣就將*大工作電壓的指標(biāo)與放大器輸入范圍進行了解耦。舉例而言，在圖2中，儀器放大器的參考地與實際地是電學(xué)隔離的。

圖2：隔離將儀器放大器的參考地和實際地進行了電氣分離。

盡管輸入范圍與圖1中相同，工作電壓已經(jīng)被擴展到60V，能夠抑制55V共模電壓。這時，*大工作電壓是由隔離電路定義的，而不是由放大器輸入范圍定義的。

 燃料電池測試是需要高直流共模電壓抑制的范例應(yīng)用。每個獨立的電池能夠產(chǎn)生大約1V的電壓，而一組電池能夠產(chǎn)生幾千伏特，甚至更高。要**測量一個1V電池的電壓，測量設(shè)備必須能夠抑制由組內(nèi)其他電池所產(chǎn)生的高共模電壓。

抑制交流共模電壓

通常共模電壓不會只由直流電平組成。大多數(shù)共模電壓源除了直流偏置之外，還包含了交流成分。來自周圍電磁環(huán)境的噪聲不可避免地被耦合到被測信號中。這對于通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備儀器放大器的低電平模擬信號而言是特別麻煩的。

交流噪聲源可以根據(jù)其耦合機制大致進行分類：電容型、電感型或輻射型。電容型耦合來自于時變電場，例如由周圍繼電器或是其他測量信號產(chǎn)生的電場。電感型或磁耦合噪聲來自于時變磁場，例如由周圍機器或電機產(chǎn)生的磁場。如果電磁場源距離測量電路較遠，例如熒光燈等，電氣和磁場的耦合被認為是電磁或是輻射耦合。在所有情況下，時變共模電壓被耦合到有用的信號中，通常它在50-60Hz的頻率范圍中(電源頻率)。

理想的測量電路，其通向儀器放大器正極和負極端子的路徑是完全平衡的。這樣的系統(tǒng)能夠完全抑制任何交流耦合噪聲。但是，實際儀器通過共模抑制比(CMRR)指定了它能夠抑制共模電壓的程度。CMRR是被測信號增益相對于放大器施加的共模增益之間的比值，可以使用下式表示：

選擇在更寬頻率范圍內(nèi)具有更好CMRR的數(shù)據(jù)采集設(shè)備能夠大大提高系統(tǒng)的整體抗噪聲性能。舉例而言，圖3顯示了將低成本M系列設(shè)備與工業(yè)M系列設(shè)備的CMRR相比較的結(jié)果。

圖3：NI 6230能夠比NI 6220提供更高的CMRR(相對于物理地)。

在60 Hz下，NI 6230工業(yè)M系列設(shè)備相對于NI6220低成本M系列設(shè)備，其CMRR高出了20dB。這等效于對于60 Hz噪聲具有高于10倍以上的衰減。

任何應(yīng)用都能夠從60Hz噪聲抑制中獲益。然而，對于包含大型轉(zhuǎn)動機械或電機的系統(tǒng)需要更高頻率下的噪聲抑制。在1 kHz下，NI6230設(shè)備相比NI6220設(shè)備能夠抑制100倍以上的噪聲，從而使它們成為工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。

切斷接地回路

接地回路通常被認為是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中噪聲*常見的來源。合適的接地對于**測量而言是十分重要的，但它也是一個常常被誤解的概念。如果電路中兩個連接的端子處于不同地電勢，就形成了接地回路。這個差別將會導(dǎo)致電流流入交叉連接點，將會導(dǎo)致偏置誤差的出現(xiàn)。將問題變得更為復(fù)雜的是，在信號源的地和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的地之間的電勢差通常不是直流電平。這就導(dǎo)致了在讀數(shù)中會出現(xiàn)電源頻率分量的信號。考慮圖4中的簡單熱電偶應(yīng)用。

圖4：使用接地信號源的差分熱電偶測量將會導(dǎo)致接地回路出現(xiàn)。

在這里，原來十分直觀的溫度測量由于被測設(shè)備(DUT)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備出現(xiàn)了不同的地電勢而被復(fù)雜化了。盡管兩個設(shè)備都共享相同的地，如果電源分布電路沒有正確連接，就會導(dǎo)致地電勢差達到200mV甚至更多。這個差在*后得到的測量中，以帶有交流分量的共模電壓出現(xiàn)。

回憶一下隔離是將信號源的地與儀器放大器的參考地進行電氣隔離的一種方法(見圖5)。

圖5：隔離通過將物理地與放大器參考地進行分離消除了接地回路。

由于電流無法流過隔離屏障，放大器參考地可以比物理地具有更高或更低的電勢。您不會在無意中將接地回路引入到電路中。使用隔離的測量設(shè)備去除了測量系統(tǒng)適當(dāng)接地的模糊性，確保能夠得到更加**的結(jié)果。

使用4-20 mA電流回路

 較長的導(dǎo)線長度和在工業(yè)或惡劣電氣環(huán)境的噪聲使得**測量電壓變得十分困難。因此，測量壓力、流量、位置等等的工業(yè)傳感器通常發(fā)送電流信號，而不是電壓信號。4-20mA電流回路是在許多過程監(jiān)視應(yīng)用中，通過遠距離發(fā)送傳感器信息的常見方法，如圖6所示。

圖6：儀器放大器使用并聯(lián)電阻將過程的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。

每個電流回路包含三個組成部分——傳感器、電源、一個或多個數(shù)據(jù)采集設(shè)備。來自傳感器的電流信號通常在4至20mA之間，其中4mA表示*低的信號值，20 mA表示*大的信號值。這種傳送方式的優(yōu)點是使用0mA表示開路或是連接斷路。電源通常在24至30VDC的范圍內(nèi)，根據(jù)在電路上整個電壓降進行確定。*后，數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用位于儀器放大器兩端的高精度并聯(lián)電阻，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓測量。由于所有從電源一端流出的電流必須流回另一端，電流回路信號通常能夠不受大多數(shù)電氣噪聲源和沿著長導(dǎo)線的電壓(IR)降的影響。此外，為傳感器提供電源的端子還傳送測量信號，大大簡化了現(xiàn)場布線。

如圖6所示的隔離屏障在電流回路應(yīng)用中提供了兩個主要優(yōu)點。首先，由于電源電壓通常超過大部分儀器放大器輸入范圍的*大值，隔離對于隔離放大器地極與物理地到可接受的電壓而言是十分必要的。其次，電流回路的工作原理是電流從不會從電路中流出。因此，隔離任何通往地的電流回路都可以防止信號的衰減。例如NI6238和NI6239工業(yè)M系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備等設(shè)備提供了內(nèi)置并聯(lián)電阻和與物理地之間高達60 VDC隔離用于4-20mA電流回路應(yīng)用。

使用24 V數(shù)字邏輯

測量噪聲并不局限于模擬信號。數(shù)字邏輯同樣也可能受到噪聲電氣環(huán)境的影響，可能導(dǎo)致錯誤的開/關(guān)值或是意外觸發(fā)。有許多與數(shù)字I/O相關(guān)的電壓電平和邏輯系列，其中有些具有更高的噪聲抑制能力。晶體管-晶體管邏輯(TTL)是至今為止*為常見的邏輯系列，它驅(qū)動從微處理器直至LED的所有器件。盡管它的用途十分廣泛，TTL可能并不總是所有數(shù)字應(yīng)用的*佳選擇。

對于工業(yè)應(yīng)用而言，TTL具有小噪聲邊界值的內(nèi)在缺點。高邏輯電平和低邏輯電平分別是2.0V和0.8V，因而誤差的空間很小。例如，TTL輸入的低電平噪聲邊界值是0.3V(它是*大低電平TTL輸入值0.8V和*大低電平TTL輸出值0.5 V之間的差)。任何與數(shù)字信號耦合的超過0.3V的數(shù)字信號都會將電壓平移至0.8 V至2.0V之間的未定義區(qū)域。這時，數(shù)字輸入的行為是不確定的，并且會產(chǎn)生不正確的數(shù)值(見圖7)。

但是，24V邏輯提供了更寬的噪聲裕度，具有更好的綜合噪聲抑制。由于大多數(shù)工業(yè)傳感器、執(zhí)行器和控制邏輯已經(jīng)使用24V電源進行工作，使用對應(yīng)的數(shù)字邏輯電平更為方便。由于低電平輸入為4V，高電平輸入為11 V，數(shù)字信號對噪聲的更為不敏感。

大多數(shù)帶有24V數(shù)字I/O功能的測量儀器提供了其他噪聲抑制特性。例如，NI工業(yè)M系列和數(shù)字I/O設(shè)備具有可編程輸入濾波器，用于平緩繼電器的輸入。當(dāng)機械繼電器閉合的時候，在較短的一段時間(以毫秒為數(shù)量級)內(nèi)，接觸表面互相之間會發(fā)生彈跳。如果沒有濾波器，邏輯輸入可能會它讀成瞬時開/關(guān)信號。這些設(shè)備還提供了隔離，如果整個系統(tǒng)的各個部件是由不同電源供電的話，這是一個需要考慮的重要因素。

結(jié)論

在設(shè)法降低測量系統(tǒng)噪聲時，有許多因素需要考慮。除了適當(dāng)?shù)钠帘?、接線和中止之外，認真考慮共模電壓、接地和周邊的噪聲源對于**的測量結(jié)果而言是必要的。然而，理解系統(tǒng)的電氣環(huán)境并不是那么簡單的。隔離是我們增強對測量結(jié)果信心的一個簡單方法，無論是對信號而言還是對整個應(yīng)用而言。

– Charles Stiernberg

CharlesStiernberg是NI數(shù)據(jù)采集的產(chǎn)品工程師。他獲得了德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校電子工程學(xué)士學(xué)位，專攻嵌入式系統(tǒng)與VLSI設(shè)計。