【正文】 對(duì)于大多數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備而言，最大工作電壓與儀器放大器的輸入范圍是相同的。例如，例如NI 6220設(shè)備等低成本M系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備的最大工作電壓是11V；超過11V的輸入信號(hào)將對(duì)放大器造成破壞。隔離可以大大提高數(shù)據(jù)采集設(shè)備的最大工作電壓。在測(cè)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(gè)部分傳送到另一個(gè)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(shí)際地隔離。這樣就將最大工作電壓的指標(biāo)與放大器輸入范圍進(jìn)行了解耦。舉例而言，在圖2中，儀器放大器的參考地與實(shí)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(shí)際地進(jìn)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(kuò)展到60V，能夠抑制55V共模電壓。這時(shí)，最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(cè)試是需要高直流共模電壓抑制的范例應(yīng)用。每個(gè)獨(dú)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。要精確測(cè)量一個(gè)1V電池的電壓，測(cè)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。B. 抑制交流共模電壓通常共模電壓不會(huì)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(cè)信號(hào)中。這對(duì)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(hào)而言是特別麻煩的。交流噪聲源可以根據(jù)其耦合機(jī)制大致進(jìn)行分類：電容型、電感型或輻射型。電容型耦合來自于時(shí)變電場(chǎng)，例如由周圍繼電器或是其他測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生的電場(chǎng)。電感型或磁耦合噪聲來自于時(shí)變磁場(chǎng)，例如由周圍機(jī)器或電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。如果電磁場(chǎng)源距離測(cè)量電路較遠(yuǎn)，例如熒光燈等，電氣和磁場(chǎng)的耦合被認(rèn)為是電磁或是輻射耦合。在所有情況下，時(shí)變共模電壓被耦合到有用的信號(hào)中，通常它在5060Hz的頻率范圍中(電源頻率)。理想的測(cè)量電路，其通向儀器放大器正極和負(fù)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(shí)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(cè)信號(hào)增益相對(duì)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(duì)于物理地)在60Hz下，NI 6230工業(yè)M系列設(shè)備相對(duì)于NI 6220低成本M系列設(shè)備，其CMRR高出了20dB。這等效于對(duì)于60Hz噪聲具有高于10倍以上的衰減。任何應(yīng)用都能夠從60 Hz噪聲抑制中獲益。然而，對(duì)于包含大型轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械或電機(jī)的系統(tǒng)需要更高頻率下的噪聲抑制。在1kHz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。C. 切斷接地回路接地回路通常被認(rèn)為是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中噪聲最常見的來源。合適的接地對(duì)于精確測(cè)量而言是十分重要的，但它也是一個(gè)常常被誤解的概念。如果電路中兩個(gè)連接的端子處于不同地電勢(shì)，就形成了接地回路。這個(gè)差別將會(huì)導(dǎo)致電流流入交叉連接點(diǎn)，將會(huì)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(hào)源的地和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的地之間的電勢(shì)差通常不是直流電平。這就導(dǎo)致了在讀數(shù)中會(huì)出現(xiàn)電源頻率分量的信號(hào)?？紤]圖4中的簡(jiǎn)單熱電偶應(yīng)用。圖4 使用接地信號(hào)源的差分熱電偶測(cè)量將會(huì)導(dǎo)致接地回路出現(xiàn)在這里，原來十分直觀的溫度測(cè)量由于被測(cè)設(shè)備(DUT)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備出現(xiàn)了不同的地電勢(shì)而被復(fù)雜化了。盡管兩個(gè)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(huì)導(dǎo)致地電勢(shì)差達(dá)到200 mV甚至更多。這個(gè)差在最后得到的測(cè)量中，以帶有交流分量的共模電壓出現(xiàn)?；貞浺幌赂綦x是將信號(hào)源的地與儀器放大器的參考地進(jìn)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(jìn)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(shì)。您不會(huì)在無意中將接地回路引入到電路中。使用隔離的測(cè)量設(shè)備去除了測(cè)量系統(tǒng)適當(dāng)接地的模糊性，確保能夠得到更加精確的結(jié)果。D. 使用420 mA電流回路較長(zhǎng)的導(dǎo)線長(zhǎng)度和在工業(yè)或惡劣電氣環(huán)境的噪聲使得精確測(cè)量電壓變得十分困難。因此，測(cè)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(hào)，而不是電壓信號(hào)。420 mA電流回路是在許多過程監(jiān)視應(yīng)用中，通過遠(yuǎn)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(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)每個(gè)電流回路包含三個(gè)組成部分——傳感器、電源、一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備。來自傳感器的電流信號(hào)通常在4至20mA之間，其中4mA表示最低的信號(hào)值，20 mA表示最大的信號(hào)值。這種傳送方式的優(yōu)點(diǎn)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(gè)電壓降進(jìn)行確定。最后，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(hào)轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)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(hào)通常能夠不受大多數(shù)電氣噪聲源和沿著長(zhǎng)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(cè)量信號(hào)，大大簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。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最大值，隔離對(duì)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(huì)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(hào)的衰減。例如NI 6238和NI 6239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(dá)60VDC隔離用于420mA電流回路應(yīng)用。E. 使用24V數(shù)字邏輯測(cè)量噪聲并不局限于模擬信號(hào)。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(cuò)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)是至今為止最為常見的邏輯系列，它驅(qū)動(dòng)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)用的最佳選擇。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用而言，TTL具有小噪聲邊界值的內(nèi)在缺點(diǎn)。，因而誤差的空間很小。例如，()。這時(shí)，數(shù)字輸入的行為是不確定的，并且會(huì)產(chǎn)生不正確的數(shù)值(見圖7)。圖7 24V邏輯相比TTL而言具有更好的噪聲裕度但是，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(jìn)行工作，使用對(duì)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11V，數(shù)字信號(hào)對(duì)噪聲的更為不敏感。大多數(shù)帶有24V數(shù)字I/O功能的測(cè)量?jī)x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(jī)械繼電器閉合的時(shí)候，在較短的一段時(shí)間(以毫秒為數(shù)量級(jí))內(nèi)，接觸表面互相之間會(huì)發(fā)生彈跳。如果沒有濾波器，邏輯輸入可能會(huì)它讀成瞬時(shí)開/關(guān)信號(hào)。這些設(shè)備還提供了隔離，如果整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部件是由不同電源供電的話，這是一個(gè)需要考慮的重要因素。F. 結(jié)論在設(shè)法降低測(cè)量系統(tǒng)噪聲時(shí)，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(rèn)真考慮共模電壓、接地和周邊的噪聲源對(duì)于精確的測(cè)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(jiǎn)單的。隔離是我們?cè)鰪?qiáng)對(duì)測(cè)量結(jié)果信心的一個(gè)簡(jiǎn)單方法，無論是對(duì)信號(hào)而言還是對(duì)整個(gè)應(yīng)用而言。Charles StiernbergCharles Stiernberg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(jì)。