當(dāng)您將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室的受控環(huán)境轉(zhuǎn)移到車間時(shí)，許多因素可能會(huì)共同破壞您的測(cè)量精度，最壞的情況是破壞您的設(shè)備。因此，了解這些因素對(duì)于衡量成功至關(guān)重要。通過(guò)我們?cè)贒ATAQ Instruments的應(yīng)用支持計(jì)劃，我們已經(jīng)確定了在工業(yè)環(huán)境中成功測(cè)量的五個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的障礙，我將在這里按最常見(jiàn)到最不常見(jiàn)的順序進(jìn)行討論，并結(jié)合一些現(xiàn)實(shí)生活中的例子來(lái)增強(qiáng)您對(duì)所涉及的概念的理解。到我們完成時(shí)，我希望您能對(duì)工業(yè)測(cè)量的嚴(yán)格性有更深入的了解，并更好地選擇適合任何給定工業(yè)應(yīng)用的儀器。

串音

到目前為止，我們遇到的最常見(jiàn)的問(wèn)題涉及一種現(xiàn)象，即一個(gè)數(shù)據(jù)采集通道的內(nèi)容疊加在另一個(gè)數(shù)據(jù)采集通道上。這種情況稱為串?dāng)_，可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)微的測(cè)量誤差，可能需要一段時(shí)間才能檢測(cè)到。然而，在其最粗略的形式中，一個(gè)通道的幾乎完全相同的副本出現(xiàn)在一個(gè)沒(méi)有連接到的相鄰?fù)ǖ郎稀?/p>

基于PC的儀器革命催生了一種稱為多路復(fù)用器的電子設(shè)備的積極使用，其驅(qū)動(dòng)力是每通道成本在30美元到40美元之間。但在此過(guò)程中，許多產(chǎn)品已經(jīng)放棄了傳統(tǒng)儀器儀表的標(biāo)志：每個(gè)通道一個(gè)放大器。缺少此功能的產(chǎn)品將多路復(fù)用器的輸入直接連接到被測(cè)系統(tǒng)。與隨后的許多其他測(cè)量情況一樣，這樣做的問(wèn)題在于多路復(fù)用器不是理想的設(shè)備。其輸入具有電容，可以并且確實(shí)以與采樣率和信號(hào)源阻抗成正比的大小存儲(chǔ)電荷。正是這種特性導(dǎo)致了串?dāng)_。

考慮多路復(fù)用器的輸入直接連接到放大器輸出的應(yīng)用。在這種情況下，多路復(fù)用器看到的阻抗穩(wěn)定且低，約為 10 歐姆。串?dāng)_被大大減小或完全消除，因?yàn)樵吹淖杩棺銐虻?，可以?a href="http://m.brongaenegriffin.com/tags/adc/" target="_blank">ADC轉(zhuǎn)換并報(bào)告值之前將電荷排放到多路復(fù)用器的輸入電容上。然而，即使在這種近乎理想的阻抗情況下，高采樣速率也會(huì)通過(guò)最小化多路復(fù)用器通道上的停留時(shí)間來(lái)增加串?dāng)_。實(shí)際上，在進(jìn)行A-D轉(zhuǎn)換之前，電容有更少的時(shí)間釋放其電荷，從而導(dǎo)致以前不存在的串?dāng)_。

從前面的討論中可以看出，隨著源阻抗和采樣速率的增加，串?dāng)_的概率也會(huì)增加。為避免此陷阱，請(qǐng)記住以下幾點(diǎn)。

最小化信號(hào)源的源阻抗。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，盡量將其保持在 100 歐姆以下，盡管在非常高的采樣率下，即使這個(gè)值也可能太高。

如果無(wú)法將源阻抗控制到最低水平，請(qǐng)考慮在信號(hào)源和基于 PC 的儀器之間放置一個(gè)放大器。更好的是，選擇每個(gè)通道上都有內(nèi)置放大器的儀器。

盡可能降低儀器的采樣率?？紤]一種允許您控制產(chǎn)品突發(fā)采樣率以增加靈活性的儀器。

共模電壓 （CMV）

盡管串?dāng)_在應(yīng)用程序查詢量方面處于領(lǐng)先地位，但CMV在混淆能力方面處于領(lǐng)先地位。更傳統(tǒng)的測(cè)量方法，如電池供電的手持式DVM，幾乎完全不受CMV問(wèn)題的影響。當(dāng)然，客戶認(rèn)為他們可以簡(jiǎn)單地將這種成功擴(kuò)展到基于PC的測(cè)量方法。然而，在許多情況下，他們這樣做的結(jié)果很差，甚至是災(zāi)難性的。他們遇到的問(wèn)題可能與制造商數(shù)據(jù)表上的兩個(gè)規(guī)格有關(guān)。它們是：滿量程范圍和最大輸入電壓而不會(huì)損壞。前者告訴您可以成功測(cè)量?jī)x器輸入端連接多少電壓（所謂的正常模式電壓）。顧名思義，后者表示儀器在損壞之前可以承受多少正常模式電壓。

共模電壓，即儀器的每個(gè)輸入相對(duì)于電源接地同時(shí)同相出現(xiàn)的電壓，將與正常模式電壓相結(jié)合，以測(cè)試儀器的極限。大多數(shù)PC數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品允許在共模和普通模式電壓的組合存在時(shí)進(jìn)行測(cè)量，前提是它們的總和等于或小于儀器的滿量程范圍。但是，只有在數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的輸入配置為差分操作時(shí)，才能在這些條件下進(jìn)行測(cè)量，如圖1所示。

圖 1 — 差分放大器的作用抵消了其每個(gè)輸入上同時(shí)同相出現(xiàn)的共模電壓 （CMV）。目標(biāo)信號(hào)，即所謂的普通模式電壓（NMV）通過(guò)。

建立差分測(cè)量的基本規(guī)則后，現(xiàn)在應(yīng)該按從最好到最差的順序詳細(xì)說(shuō)明此類測(cè)量的三種可能結(jié)果：

（CMV + NMV） ≤滿量程范圍：良好的測(cè)量，取決于儀器的共模抑制規(guī)格（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。

滿量程范圍≤（CMV + NMV） ≤ 無(wú)損壞的最大輸入電壓：您的測(cè)量以正負(fù)滿量程鎖定。您沒(méi)有可用的結(jié)果，但也沒(méi)有損壞。

（CMV + NMV） 》 無(wú)損壞的最大輸入電壓：聞到空氣中臭氧的香氣？你剛剛炸了你的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，如果您的計(jì)算機(jī)仍然工作，你躲過(guò)了一顆子彈。

對(duì)于大多數(shù)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，到達(dá)第三步的終端階段并不需要很長(zhǎng)時(shí)間。大多數(shù)器件可承受最大輸入電壓，而不會(huì)損壞僅為 ±30VDC 或峰值交流電。在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，使用 120-440VAC 電機(jī)電源，甚至 50VDC 過(guò)程電流電源，您可以非?？焖偾也豢赡孓D(zhuǎn)地超過(guò)此限制。如何將相對(duì)昂貴的數(shù)據(jù)采集儀器應(yīng)用于使用手持式DVM輕松安全地進(jìn)行的相同測(cè)量？您選擇提供隔離的產(chǎn)品。

隔離就是它的名字所暗示的。與電池供電的 DVM 一樣，與儀器前端輸入端子相關(guān)的公共電源與與儀器后端和計(jì)算機(jī)相關(guān)的電源公共電源之間沒(méi)有電氣連接。因此，儀器的前端可以自由浮動(dòng)在由CMV大小定義的水平上，而不會(huì)損壞并具有完整的測(cè)量精度。在這里，可以容忍的最大CMV不是由其最大輸入電壓規(guī)格決定的，甚至不是由其滿量程范圍決定的，而是由隔離柵擊穿的電壓決定的。例如，對(duì)于DATAQ Instruments的DI-730數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，擊穿發(fā)生在1000VDC或峰值交流電，完全在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的預(yù)期CMV范圍內(nèi)。圖2描述了一個(gè)典型應(yīng)用，其中隔離允許在高CMV存在的情況下進(jìn)行測(cè)量。

圖2 — 隔離柵允許在存在高電平的情況下進(jìn)行測(cè)量 共模電壓。差分放大器能夠消除高CMV 對(duì)目標(biāo)信號(hào)的青睞是通過(guò)其共模抑制來(lái)衡量的。

但是，在“買方當(dāng)心”標(biāo)題下，可以以多種形式提供隔離：輸入到輸出;渠道到渠道;以及兩者的結(jié)合。對(duì)于絕大多數(shù)多通道工業(yè)應(yīng)用，您需要輸入到輸出和通道間隔離。這種安排允許每個(gè)通道相對(duì)于其他通道浮動(dòng)。例如，通道一上的CMV不會(huì)中斷其他通道上的測(cè)量，即使它們以電源通用或完全不同的CMV為參考。相比之下，僅設(shè)計(jì)有輸入至輸出隔離的系統(tǒng)基本上將所有通道的公共部分聯(lián)系在一起。一個(gè)通道上的CMV以相同的電位浮動(dòng)，如果另一個(gè)通道連接到接地參考信號(hào)或不同的CMV，則可能會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的結(jié)果。購(gòu)買僅提供輸入到輸出隔離的產(chǎn)品只有一個(gè)原因。成本。在八通道產(chǎn)品中構(gòu)建一個(gè)隔離柵比為每個(gè)通道構(gòu)建一個(gè)隔離柵的成本更低。這種成本節(jié)約通常反映在較低的系統(tǒng)價(jià)格上。但是在這種儀器的實(shí)際應(yīng)用中，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)您只是購(gòu)買了昂貴的保險(xiǎn)絲。

在離開(kāi)隔離話題之前，我想堅(jiān)定而明確地指出一點(diǎn)：您不能也不應(yīng)該將提供差分測(cè)量功能的產(chǎn)品等同于提供隔離的產(chǎn)品。這是兩個(gè)完全不同的、不相關(guān)的功能。盡管如此，有些人仍然誤以為具有差分測(cè)量功能的產(chǎn)品使他們能夠在高CMV條件下應(yīng)用儀器。正如我們所看到的，差分但非隔離的產(chǎn)品只能承受中等的CMV而不會(huì)損壞，甚至更低的CMV具有良好的測(cè)量結(jié)果。

直流共模抑制 （CMR）

每當(dāng)測(cè)量時(shí)存在CMV，準(zhǔn)確性都會(huì)受到不利影響。剩下的唯一問(wèn)題是不準(zhǔn)確的程度，您可以通過(guò)在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中查找共模抑制規(guī)格來(lái)確定這一點(diǎn)。任何提供差分輸入的儀器，無(wú)論是否隔離，都能夠抑制共模電壓，其程度由其CMR決定。CMR 通常定義為輸入與輸出 CMV 的對(duì)數(shù)比（以分貝為單位）。大多數(shù)PC通用模數(shù)產(chǎn)品的共模抑制比（CMRR）約為80db。這個(gè)數(shù)字如何應(yīng)用于測(cè)量？讓我們看一個(gè)謙虛的例子，然后進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。假設(shè)您要在存在 6VDC 共模電壓的情況下測(cè)量 3VDC 正常模式信號(hào)：

第一次嘗試還不錯(cuò)。我們從CMV開(kāi)始，其幅度是目標(biāo)信號(hào)的兩倍，但是我們的差分放大器具有出色的80db CMRR規(guī)格，將其對(duì)放大器輸出的影響降低到僅幾分之一毫伏，對(duì)精度的影響可以忽略不計(jì)。根據(jù)這些證據(jù)，您可能會(huì)得出結(jié)論，80db 抑制適用于所有應(yīng)用程序。讓我們?cè)趫D 2 描述的實(shí)際應(yīng)用程序中測(cè)試此假設(shè)。這是數(shù)學(xué)，省略了多余的前三個(gè)步驟：

當(dāng)CMV和NMV電位之間的擴(kuò)散很窄（第一個(gè)示例中僅為2：1）時(shí)，儀器運(yùn)行良好，當(dāng)擴(kuò)散呈指數(shù)增長(zhǎng)時(shí)，實(shí)際上會(huì)崩潰 - 這是許多工業(yè)測(cè)量中的常見(jiàn)情況，例如圖2中典型分流測(cè)量的4，000：1擴(kuò)散。由于在這些情況下您無(wú)法降低CMV，因此唯一的解決方案是使用具有更好CMR的儀器。從 DATAQ 儀器的型號(hào) DI-730 中竊取另一個(gè)規(guī)格，以下是使用該儀器的 120db CMRR 為同一應(yīng)用堆疊數(shù)學(xué)的方法：

如您所見(jiàn)，了解CMV將如何影響測(cè)量精度至少與了解它的存在一樣重要。為了幫助您評(píng)估您可能已經(jīng)擁有或可能購(gòu)買的儀器，我準(zhǔn)備了表 1 的快速查看指南。

CMRR（db）反日志等效

將計(jì)算出的3.2mV誤差與目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比較，以確定整體精度。

表 1 — 使用此方便的指南估算誤差 由共模電壓引起的函數(shù) 儀器的共模抑制比。

要使用它，只需確定應(yīng)用的 CMV，并在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查找儀器的 CMRR 規(guī)格。表 1 提供了一系列以分貝為單位的 CMRR 及其等效的反對(duì)數(shù)比率，因此您不必像我上面所做的那樣使用對(duì)數(shù)數(shù)學(xué)。將您的CMV和適當(dāng)?shù)目箤?duì)數(shù)比率代入所示的公式中。結(jié)果是以伏特為單位的預(yù)期測(cè)量誤差。將此圖與您需要測(cè)量的NMV進(jìn)行比較，以確定儀器是否適合該應(yīng)用。

交流共模抑制

前面的討論集中在純直流共模電壓上，僅傳遞對(duì)交流的參考。但交流CMV至少與直流電一樣普遍，當(dāng)您包括不可預(yù)測(cè)的噪聲源（例如電機(jī)電刷和電感式EMF）時(shí)，甚至更是如此，包括傳導(dǎo)和輻射。因此，我對(duì)純直流CMV的假設(shè)在實(shí)際實(shí)踐中可能得不到支持。因此，值得探討交流CMV如何對(duì)放大器的CMRR產(chǎn)生不利影響，從而影響測(cè)量精度。

差分放大器抑制CMV的能力與其兩個(gè)輸入的平衡程度直接相關(guān)?；赝说揭粋€(gè)理想的例子，如果我們將1VDC連接到一個(gè)輸入，1VDC連接到另一個(gè)輸入，我們希望放大器的輸出為0V。但我們知道放大器不是，也永遠(yuǎn)不會(huì)是理想的。換句話說(shuō)，它的CMRR永遠(yuǎn)不會(huì)是無(wú)限的。放大器內(nèi)部甚至被測(cè)系統(tǒng)中的微小容差變化都會(huì)迫使放大器失去平衡，無(wú)論多么輕微，都會(huì)產(chǎn)生有限的CMRR值及其隨之而來(lái)的不準(zhǔn)確性。當(dāng)應(yīng)用AC CMV時(shí)，會(huì)引入一組全新的加法誤差。罪魁禍?zhǔn)子只氐搅吮疚牡拈_(kāi)頭：電容。

在純直流CMV條件下，信號(hào)源、信號(hào)電纜和連接器以及放大器本身中的任何電容都是無(wú)關(guān)緊要的。引入交流元件時(shí)，這些電容會(huì)形成復(fù)雜且不可預(yù)測(cè)的阻抗，從而迫使放大器失去平衡。這種不平衡可以而且將會(huì)隨著頻率的變化而改變。為了解決這個(gè)問(wèn)題，大多數(shù)制造商指定CMRR不是在理想的直流條件下，而是在50或60Hz下，放大器輸入之間的不平衡通常為1，000歐姆。這樣做是為了在最可能的交流干擾源（交流電源線的頻率）下為您提供 CMRR 的最壞情況估計(jì)值。除此之外，制造商無(wú)法預(yù)測(cè)您的特定應(yīng)用可能會(huì)遇到哪些特定頻率。您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，在存在較高頻率噪聲的情況下，規(guī)格為 100db CMR 的儀器產(chǎn)生的抑制效果不會(huì)優(yōu)于 80db。然而，該產(chǎn)品仍在制造商定義的規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行。

如何確定儀器在存在電源線以外的噪聲時(shí)的適用性？不幸的是，這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有簡(jiǎn)單的答案。但請(qǐng)記住，成功解決此類應(yīng)用的產(chǎn)品并非偶然。寬頻譜交流抑制必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的早期就內(nèi)置到產(chǎn)品中。請(qǐng)與制造商聯(lián)系并描述您的具體情況。如果他們向您保證儀器的適用性，請(qǐng)測(cè)試他們的信心并要求試用期。在極端情況下，如直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或其他高速高壓開(kāi)關(guān)應(yīng)用，只有眼見(jiàn)為實(shí)。

測(cè)量范圍和輸入保護(hù)

到目前為止，我已經(jīng)研究了在將儀器應(yīng)用于要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用時(shí)必須考慮的一些更深?yuàn)W但高度相關(guān)的問(wèn)題。其他更明顯的問(wèn)題涉及儀器的測(cè)量范圍和輸入保護(hù)。

大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用將在測(cè)量頻譜的兩端測(cè)試儀器的勇氣 - 從幾百伏范圍內(nèi)的大源電壓到數(shù)十毫伏范圍內(nèi)的小分流電壓。您 為 這些 應(yīng)用 選擇 的 儀器 應(yīng) 能夠 在 各種 測(cè)量 范圍 中 輕松 選擇 ， 并且 逐 通道 地 進(jìn)行 選擇， 因?yàn)?同時(shí) 測(cè)量 電壓 和 電流 是 很 常見(jiàn) 的。

但是，這些高度可變和寬動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量的本質(zhì)隱含著對(duì)輸入保護(hù)的需求。我們中有多少人沒(méi)有因?yàn)樵?jīng)試圖在毫伏范圍內(nèi)測(cè)量幾百伏特而感到內(nèi)疚？它一直在發(fā)生。實(shí)用的輸入保護(hù)應(yīng)允許無(wú)限期連接其最大無(wú)損壞范圍內(nèi)的任何電壓，無(wú)論選擇何種測(cè)量范圍。

最后，當(dāng)您真正失誤并超過(guò)儀器的最大無(wú)損范圍時(shí)，后果是什么？如果它變成燃燒的煤渣可以嗎？你應(yīng)該期待更多嗎？我認(rèn)為，為我們?cè)谶@里討論的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的儀器應(yīng)該更寬容。輸入保護(hù)方案比比皆是，沒(méi)有一種方案可以絕對(duì)保護(hù)儀器免受災(zāi)難性事件的影響。但損害可以最小化。最成功的技術(shù)應(yīng)用了快速響應(yīng)熱敏電阻布置，該配置在高壓存在下打開(kāi)

結(jié)論

數(shù)據(jù)采集應(yīng)用領(lǐng)域充滿了測(cè)量挑戰(zhàn)。但是，在堅(jiān)韌不拔的工業(yè)世界中，沒(méi)有比日常電壓和電流測(cè)量要求更高的了。即使是相對(duì)良性的4-20mA過(guò)程電流信號(hào)，表面上看起來(lái)很簡(jiǎn)單，實(shí)際上也可能攜帶隱藏的CMV，這可能會(huì)混淆您的最佳測(cè)量嘗試。通過(guò)研究應(yīng)用和候選儀器的數(shù)據(jù)表進(jìn)行仔細(xì)規(guī)劃將幫助您避免大多數(shù)陷阱。即便如此，最終的證據(jù)還是布丁。向儀器供應(yīng)商表達(dá)您的疑慮和問(wèn)題。將他們的意見(jiàn)與您的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。通過(guò)堅(jiān)持在您的設(shè)施中按照您想要的測(cè)量方式進(jìn)行與信號(hào)相連的評(píng)估，消除任何揮之不去的疑慮。

審核編輯：郭婷