连接模拟电压信号至DAQ设备

模拟测量基础

测量模拟信号前，必须先确定信号源为接地还是浮地，测量系统为差分、参考单端(RSE)还是非参考单端(NRSE)。

• 浮地信号源—浮地信号源的电压信号未连接至任何绝对参考地或公共参考地，如大地或建筑物地面。浮地信号源也称作非参考信号源。常见的浮地信号源有：电池、热电偶、变压器和隔离放大器。
• 接地信号源—接地信号源的电压信号参考的是系统地（如，大地或建筑物地面）。由于信号源连接的是系统地，因此与测量设备使用的是同一公共地。最常见的接地信号源是连接至建筑物墙体中电源插座的设备（如，信号发生器或电源）。
• 差分模式—差分测量系统的两个输入不连接固定的参考端（例如，大地或建筑物地面）。与浮地信号源相似的是，差分测量系统的测量是相对于浮地而非测量系统地。差分模式可能需要两个模拟输入引脚来连接一路信号，因此会减少可连至DAQ设备的总信号数。
• 参考单端模式—RSE系统测量相对于地的电压，“地”是指图中直接连接至测量系统地的AI GND。与差分模式相比，该模式可连接更多信号（至多2倍）至设备。
• 非参考单端模式—在NRSE测量系统中，所有的测量都相对于单端模拟输入采样端(AISENSE)，但是该端的电压可根据测量系统地改变。与差分模式相比，该模式可连接更多信号（至多2倍）至设备。
• 伪差分模式—与差分输入通道类似，伪差分测量系统的通道包含正极和负极，正极和负极分别连接至待测单元对应的输出。负极输入通过相对较小的阻抗与系统地相连，输入通道的正极和负极间存在较大的阻抗。

下表为一般模拟输入连接图。

表1. 模拟输入接线图

连接浮地信号源

浮地号源未连接至建筑物地，但是拥有一个隔离地参考点。

何时应使用差分模式连接浮地信号源

通道满足下列条件时，可使用差分模式连接输入：

• 输入信号为低电平（小于1 V）。
• 连接信号至设备的导线超过3米(10 ft)。
• 输入信号需要一个单独的接地参考点或返回信号。
• 信号导线所处环境有明显噪声。
• 有两个模拟输入通道AI+和AI–。

图1. 使用差分模式连接浮地信号源

差分信号连接模式可降低噪声干扰，增加共模噪音抑制。差分信号连接还允许信号在仪器放大器的共模电压范围内浮动。

何时应使用NRSE模式连接浮地信号源

仅当输入信号满足下列条件时，使用NRSE模式连接输入：

• 输入信号为高电平（大于1 V）。
• 连接信号至设备的导线小于3米(10 ft)。

图2. 使用NRSE模式连接浮地信号源

如信号不符合上述条件，请使用差分模式连接输入，以保证更好的信号完整度。需注意的是，差分输入连接模式会减少可连至DAQ设备的总信号数。

该连接模式下，仪器放大器既能抑制信号中的共模噪声，又能减少信号源和设备地之间的电势差。

何时应使用RSE模式连接浮地信号源

仅当输入信号满足下列条件时，使用RSE模式连接输入：

• 输入信号与其他使用RSE的信号可共享一个公共的参考点(AI GND)。
• 输入信号为高电平（大于1 V）。
• 连接信号至设备的导线小于3米(10 ft)。

图3. 使用RSE模式连接浮地信号源

如信号不符合上述条件，请使用差分模式连接输入，以保证更好的信号完整度。需注意的是，差分输入连接模式会减少可连至DAQ设备的总信号数。

该连接模式下，仪器放大器既能抑制信号中的共模噪声，又能减少信号源和设备地之间的电势差。

连接接地信号源

接地信号源是连接至建筑物地的信号源。连接至同一建筑物供电系统的仪器之间的电势差通常是1 mV至100 mV，但如配电线路连接不合理，电势差可能更大。如测量方式不当，该电势差可能会导致测量误差。请阅读接地信号源连接须知，减少测量信号的电势差。

使用差分模式连接接地信号源的情形

通道满足下列条件时，可使用差分模式连接输入：

• 输入信号为低电平（小于1 V）。
• 连接信号至设备的导线超过3米(10 ft)。
• 输入信号需要一个单独的接地参考点或返回信号。
• 信号导线所处环境有明显噪声。
• 有两个模拟输入通道AI+和AI–。

图4. 使用差分模式连接接地信号源

差分信号连接模式可降低噪声干扰，增加共模噪音抑制。差分信号连接还允许信号在仪器放大器的共模电压范围内浮动。

何时应使用NRSE模式连接接地信号源

仅当输入信号满足下列条件时，使用NRSE模式连接输入：

• 输入信号为高电平（大于1 V）。
• 连接信号至设备的导线小于3米(10 ft)。
• 输入信号可共享一个公共的参考点。

图5. 使用NRSE模式连接接地信号源

如信号不符合上述条件，请使用差分模式连接输入，以保证更好的信号完整度。需注意的是，差分输入连接模式会减少可连至DAQ设备的总信号数。

该连接模式下，仪器放大器既能抑制信号中的共模噪声，又能减少信号源和设备地之间的电势差。

何时应使用RSE模式连接接地信号源

请勿使用RSE模式连接接地信号源。请使用NRSE或差分连接模式。

如表一右下角的单元格所示，AI GND和传感器地之间可能存在电势差，在RSE模式下，该接地回路会造成测量误差。

现场连线注意事项

如未对信号源和设备之间走线采取必要的措施，环境噪声会显著影响设备的测量精度。

与差分模式相比，单端模式下信号耦合的静电噪声和电磁噪声较大。耦合是由信号路径的差别引起的。磁耦合与两个信号导体之间的面积成正比。电耦合是两个导体之间电场差的函数。该连接模式下，仪器放大器既能抑制信号中的共模噪声，又能减少信号源和设备地之间的电势差。

下列建议主要适用于连接模拟输入信号至设备（也适用于一般的信号连线）。请通过以下方法减少噪声耦合，提高测量精度：

• 使用差分模式连接模拟输入，抑制共模噪声。
• 使用独立式屏蔽双绞线连接模拟输入信号至设备。这类线缆中，连接至正负输入的信号成对绞和，并有屏蔽层保护。然后再将线缆屏蔽层在某一点连接至信号源地。如信号经过区域有较强的磁场或高电磁干扰，必须使用上述连接方法。

详细信息，请参考技术白皮书：Field Wiring and Noise Considerations for Analog Signals。