改善量測結果的接地考量

由於訊號源也能有不同的接地配置，因此，量測系統可以使用不同的接地配置。這項功能相當重要，能確保做到最準確的量測；不過，選擇量測系統的接地配置時，這樣的彈性會使得難度略增。

圖 1 是量測元件方塊圖。右邊的量測系統由儀器與訊號處理功能構成。請注意，訊號處理可以是儀器內建功能，也可以是外接功能。左側是訊號源，可能是一個會根據物理現象產生電壓的傳感器，也可能是受測裝置。本文探討訊號源接地、量測系統接地，最後探討如何選擇量測系統配置才能將量測雜訊和誤差降到最低。

圖1：將訊號源傳入由儀器和訊號處理功能構成的量測系統。

討論接地時，應考量兩大類訊號源；如圖 2 的示意表所示。

圖 2：請務必了解您所用的是接地訊號還是浮動訊號。

接地或參考接地訊號源

接地訊號源是指電壓訊號參考系統接地，例如地面或建築物地板。上方圖 2 左側的簡圖說明這一點，因為電壓訊號有直接接地的電通路。最常見的接地源範例，就是將插頭插在三插插座，以此方式與建築物接地的裝置，例如訊號產生器和電源供應器。請務必注意，兩組獨立的接地訊號源，其地電位通常不會相同。兩個與同一個建築物接地的不同系統，其地電位可能相差 10 mV、200 mV 或更大。

未接地訊號源或浮動訊號源

未接地訊號源或浮動訊號源是指電壓訊號不參考系統接地，例如地面或建築物地板。如圖 2 右側的所示。請注意，正極端子和負極端子都沒有直接接地的電通路。電池、熱電偶和轉換器等，都是常見的浮動訊號源。

您可以將儀器設為下列三種模式中的其中一種：差動 (Diff)、參考單一端點 (RSE)，或是不參考單一端點 (NRSE)。

差動量測系統

差動儀器必須要有兩個輸入端，兩個輸入端的儀器放大器輸入均不參考系統接地。如圖 3 所示，CH0+ 與 CH0- 分別連在儀器放大器的正負極端子，但並未連接至量測系統接地 (AI GND)。

圖 3：理想的差動擷取系統只會回應其兩個端子之間的電壓差。

理想的差動擷取系統只會回應其正極 (+) 和負極 (-) 輸入這兩個端子之間的電壓差。成對電路之間的差動電壓是所需訊號，而成對差動電路兩端，可能會出現共同的多餘訊號。這個電壓就稱為共模電壓。理想的差動量測系統會完全拒斥而不量測共模電壓，這是為了提高量測準確度。不過，實際裝置還是受限於規格，例如共模電壓範圍與共模拒斥比 (CMRR)。

共模電壓範圍是每個輸入之間的最大容許電壓，以儀器接地為準。如違反這項限制，不但會發生量測錯誤，也有可能損壞儀器元件。共模電壓的計算公式如下：

^{方程式 1：共模電壓計算方式}

其中：

若嘗試在一條引線接 110 V 而另一條引線接 100 V 的情況下進行差動量測，就是違反共模電壓範圍規格。雖然差動量測電壓是 10 V，符合裝置規格範圍，但若共模電壓是 105 V，就未必能符合儀器規格。

CMRR (共模拒斥比) 說明量測系統拒斥共模電壓的能力。CMRR 較高的放大器較能有效拒斥共模電壓，因此更適合用於準確量測。CMRR 可以用差動增益與共模增益的比表示，如方程式 2 所示。CMRR 也可以用 dB 表示，如方程式 3 所示。

^{方程式 3：CMRR 以 dB 表示}

舉例來說，如果儀器的 CMRR 是 100000:1 (或 100 dB)，且共模電壓是 5 V，您就能區分超過 50 μV 的差動引線電壓差。共模拒斥相當重要，因為兩條差動量測線路都有環境雜訊源。但是，若兩條線路都有雜訊，就會被差動量測消除。因此，差動配置量測會比單端點量測更準確，但差動量測所需通道數會比單端點量測多一倍。

單端點量測系統

單端點配置通常是儀器的預設配置。這類配置只需要一個類比輸入通道就能進行量測，因此不同於差動配置。儀器的通道全數以參考儀器放大器的負極輸入為共同參考，如圖 4 所示。單端點配置只使用一個輸入，因此能進行的量測是差動配置系統 (實體通道數相同) 的兩倍。另一方面，單端點量測會因此而容易受接地迴路影響，有可能因此降低量測準確度。

以下是兩種不同類型的單端點量測系統：

• 接地 RSE (GRSE) 或 RSE 系統的共同參考通道會接在儀器接地。以圖 4 中的 RSE 系統範例來說，儀器接地通道的標註是 AI GND。

圖4：GRSE 或 RSE 系統的共同參考通道接在儀器接地。

• NRSE 儀器會參考一個共同點；不過，這個共同點是儀器放大器負極端子提供的電壓。以圖 5 所示的 NRSE 範例來說，通用參考是 AI SENSE 線路；因此，測得電壓就是通道 X 與 AI SENSE 通道電壓之間的電位差。

圖 5：NRSE 儀器的共同點是儀器放大器負極端子提供的電壓。

分析兩種訊號源接地類型和儀器配置之後，接下來討論哪一種訊號源和儀器配置組合能夠測得最準確的結果。

量測接地訊號源

以差動或 NRSE 儀器配置量測接地訊號源的結果最準確，因為這樣不需要讓整個系統再多一個接地。系統再多一個接地可能會形成接地迴路，這是量測方面常見的雜訊源。

電路中兩個相接端子的接地電位若是不同，就會形成接地迴路，也會在兩點之間出現電流。訊號源接地端可能會比儀器接地端高或低幾伏特。這多出來的電壓可能會導致量測錯誤，而電流流動也可能會感測到鄰近接線的電壓，導致額外的量測錯誤。這類錯誤可能會是測得訊號多出來的純量或週期訊號。舉例來說，60 Hz 是美國和其他部分國家/地區的標準電源線頻率，若有一條 60Hz 的 AC 電源線形成了接地迴路，則多餘的 60 Hz AC 訊號可能會在量測時以週期電壓錯誤的形式呈現。

要計算測得電壓 V_m，請使用下方的方程式 4：

方程式 4：有接地迴路的電壓量測值。

其中：

使用上方的數學方程式 4 就能計算出有接地迴路時的測得電壓。若繼續以 60 Hz 的電力線為例，ΔV_g 是會隨著時間而改變的值，並非純量偏移。因此，測得訊號看似會呈現週期規律，而不會像是測得電壓的簡單偏移錯誤。

圖 6 是有接地迴路的系統簡圖。若以使用 RSE 配置的儀器量測電壓源 V_s，您可以將圖 6 方程式左邊的示意圖簡化成方程式右邊的示意圖，這樣就與方程式 4 的計算方式一致。

圖 6：使用接地參考系統量測的接地訊號源會造成接地迴路和量測錯誤。

為避免圖 6 所示的接地迴路，請務必使用差動或 NRSE 儀器配置，或者使用「儀器基本概念系列」隔離類型與考量說明文件中討論的量測硬體，確保訊號源和量測系統中只有一個接地參考。

量測浮動訊號源

您可以使用我們討論過的任何一種量測配置量測浮動訊號源：差動、GRSE/RSE 或 NRSE。請注意，使用有浮動訊號源的差動或 NRSE 量測配置時，必須在儀器接地中加入正極 (+) 和負極 (-) 引線的偏壓電阻器 (如圖 7)。

^{圖 7：使用差動或 NRSE 儀器配置量測浮動訊號源時，需要用到偏壓電阻器。}

偏壓電阻器提供從儀器放大器輸入到儀器放大器接地的 DC 通路。偏壓電阻器的電阻要夠高，不應承載訊號源，而且要讓訊號源能夠成為儀器參考的浮動訊號源。不過，偏壓電阻器要夠小，才能將電壓保持在儀器範圍內。因此，偏壓電阻器的範圍通常要在 10 kΩ 到 100 kΩ 之間，才能符合條件。您一定要仔細檢查裝置的規格指南，務必確認您使用的偏壓電阻器值確實符合適當範圍。

量測浮動訊號源時，若差動或 NRSE 配置未使用電阻器，測得訊號可能會不穩定，或者在儀器的完整正極或負極範圍中。

如果使用 GRSE/RSE 配置量測浮動訊號源，就不必使用偏壓電阻器。使用單端點儀器配置時，為達到最佳量測結果，建議注意以下事項：

• 輸入訊號要等於或大於 1 V。
• 訊號接線相對較短，而且會在無雜訊環境中傳輸 (或者會有適當的防護)。
• 所有輸入訊號均可共用同一個穩定的已知參考訊號，通常會是系統中的一個點 (電壓是 0 V)。

若需建議的訊號源與儀器配置組合，請參閱圖 8。接地與量測

^{圖 8：儀器配置與訊號源類型摘要。}

• 量測系統包含儀器與訊號處理功能。視儀器而定，訊號處理可以是儀器內建功能，也可以是外接功能。
• 訊號源的兩種主要類別：
  • 接地訊號源：訊號有直接接地的電通路。
  • 浮動訊號源：訊號沒有直接接地的電通路。
• 儀器可以進行的配置主要分為三類：
  • 差動：這種量測方式要有兩個輸入通道，是最準確的配置，因為會消除共模電壓。
  • 參考接地單端點 (GRSE) 或參考單端點 (RSE)：只使用一個通道與儀器接地的量測方式；不過，這種單端點量測方式容易受雜訊的影響。
  • 非參考單端點 (NRSE)：只使用一個通道與非接地共同參考點的量測方式；不過，相較於差動量測，這個系統更容易受雜訊影響。
• 建議使用差動或 NRSE 儀器配置量測接地訊號源。
• 建議使用差動、GRSE/RSE 或 NRSE 儀器配置量測浮動訊號源。
  • 若使用差動或 NRSE 儀器配置，必須使用偏壓電阻器才能量測浮動訊號源。

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