技术指南:模拟输入信号连接基础(第一部分)

目的
提供以下模拟输入信号连接的基础概念和原理

  • 单端输入
  • 差分输入
  • 共模电压
  • 共模范围
  • 系统接地和隔离

适用人群
DAQ设备用户负责连接模拟输入信号以进行精确测量。如果您已经熟悉这些概念,可以直接查看:模拟输入信号连接基础 (第二部分)

原理
单端和差分输入信号配置
典型的DAQ设备提供单端和差分模拟输入通道。

单端输入
单端输入测量输入信号与模拟地(AGND)之间的电压(见图1)。由于每个输入只需连接一根导线,因此在使用相同连接器与板载多路复用器时,单端输入配置可以检测两倍于双通道差分配置的输入信号。

Single-ended input


图1.基本单端输入配置


差分输入
差分输入测量两个不同输入信号之间的电压差(见图2)。与单端输入方式相比,差分输入抵抗电磁传导干扰(EMI)能力更强。一根引线上产生的绝大多数EMI干扰也会在另一根引线中产生。DAQ输入端仅测量这两根引线的电压差,而两者共有的EMI干扰则被忽略。这也是双绞线的主要优点,导线之间相互缠绕确保它们受到几乎相同的外界干扰。

Differential input


图2.基本差分输入配置


共模电压和共模范围
单端输入和差分输入的主要区别在于模拟输入的共模连接,或共模电压。

单端多通道测量要求所有电压参考相同的公共节点,以避免出现某种测量误差。绝大多数单端DAQ系统的公共参考点必须是计算机的接地端,这样可以避免信号源受传导干扰和地端噪声的影响。

图3显示了一个带有共模电压的单端输入配置。地端G1和G2之间的任意电压差都会在输入放大器端产生信号误差。如果单端输入无法获取一个理想的公共地端,则需要使用差分输入配置。

Single-ended input configuration with common mode voltage


图3.具有共模电压的单端输入连接


差分输入配置比单端输入配置能更有效地抵抗传导干扰,这是由于差分输入能消除或忽略共模电压的影响,测量两个连接点之间的电压差。被消除的共模电压可能是稳定的直流电平或噪声毛刺。

Differential input configuration with common mode voltage


图4.具有共模电压的差分输入连接


Vcm在差分输入配置中被消除,但它必须在一定范围内,这个范围被称为共模范围。通常来讲,差分模式中的设备放大器共模范围为±10V。

共模电压与信号电压的和,Vcm + Vs 必须在这个范围内。

±10V的共模电压范围如图5所示:

Common mode voltage


图5.共模电压=±4V


如果输入信号与设备地端的电势差大于10V,那么即使是在差分输入中,也无法测量该信号。例如,受±10 V的共模范围限制,设备无法测量13V与14V之间仅为1V的差分电压。

系统接地与隔离
当决定如何连接信号至DAQ设备时,需考虑3种接地情况:

  • 如果设备和信号源使用公共地,信号源可以直接连接至设备。
  • 如果设备和信号源的地端间存在偏移电压(交流与/或直流),这个偏移电压就是共模电压。根据此电压的大小,您可以将设备直接连接至信号源(这种情况在具有共模(接地偏移)电压的系统一节中作出了解释)。
  • 如果设备和信号源已经带有接地隔离,那么您可以直接连接信号源与设备。

带有公共地的系统
最简单的情况是,信号源与设备接地端电势相同。这种情况通常见于DAQ设备直接为信号源提供电源或激励。若系统存在公共地端,那么任何在设备地端和信号地端之间的电压都是潜在的电压误差。

如果信号源或传感器并不是直接连接到您设备的AGND端口,即使电压表测量结果为0.0V,您也需要假设公共地并不存在。按照信号源与设备之间存在地端偏移电压的情况来配置您的系统---尤其在您使用高增益时。毫伏级别以下的地端误差足以造成测量误差,但并不会被手持式电压表检测到。

具有共模电压(接地偏移)的系统
更可能的情况是地端以某种方式连接,但信号源和设备地端之间存在偏移电压。这些偏移电压可能是交流,直流或交直流混合。许多因素会产生偏移电压,如电磁传导干扰或地线和连接器之间阻抗造成的电势差。接地偏移电压是一种描述这类系统的通俗说法,但更频繁使用的术语是共模电压。

低共模电压情况
如果信号源地端和设备地端的电势差比较小,地端电压与输入信号没有超出被允许的±10 V共模范围。具体而言,当您将地端的电压加上最大输入电压后,结果仍在±10 V以内。这种输入是设备允许的。您可以用差分输入配置连接系统,而无需借助额外的信号调理。幸运的是,绝大多数系统都属于这种情况,且地端电势差较小。

高共模电压情况
如果信号源地端和设备地端之间的电势差比较大,该电势差与输入信号的和已经超过允许的±10 V共模输入范围。这种情况下,请不要将设备与信号源直接相连,应改变系统接地方式或增加隔离的信号调理方式。

欢迎联系我们的技术支持团队以获取信号调理的相关帮助。(参考文末的更多消息)

注意:避免使用交流电源插座的地端进行信号接地操作。不同接地插头可能存在较大的且有潜在危险的电势差。房间不同地方的220V交流电源插座的接地端可能只是连接到了保险丝。这使得接地端可能存在明显的电势差---尤其当2个220V交流电源插座恰好在不同的线路相位上时。

设备与信号源已有隔离地端
一些信号源早已与设备之间电气隔离。图6展示了典型的隔离地端系统。这些信号源通常都由电池供电或者是较为复杂的设备。隔离地端系统的工作性能极佳,但需要操作人员细心使用以保证其最佳性能。获取更多细节,请参考模拟输入信号连接基础 (第二部分)

Signal source and AI DAQ device


图6.信号源与模拟输入DAQ设备公用地的单端输入连接

 

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