连接模拟电压信号至DAQ设备

本节内容包含

事前准备

本文档主要介绍连接和配置DAQ设备进行模拟电压测量的详细步骤。使用DAQ硬件设备前,请确保已安装应用程序开发环境和NI-DAQmx驱动程序。详细信息,请参阅安装LabVIEW和NI-DAQmx

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

找出DAQ设备的引脚分布

连接信号前,请先了解设备的引脚分布。

  1. 打开Measurement & Automation Explorer (MAX),展开“设备和接口”。
  2. 右键单击设备名称,选择“设备引脚”。

图6. 设备引脚帮助

下列引脚类型对应于模拟电压测量:

  1. AIx(+/-):模拟输入—后接数字表示通道号。举例来说,如DAQ板卡有16个模拟输入通道,则引脚分布图上连接器的正负引脚为AI 0至AI 15。+和–号表示差分输入通道对。
  2. AI GND:模拟输入地—该引脚在电气上与DAQ设备仪器放大器的地相连。
  3. AI SENSE—AI SENSE引脚是单端输入模式(NRSE和RSE)中的公共参考点。

配置模拟电压测量

通过MAX,您可快速验证测量系统的精度。使用NI-DAQmx的全局虚拟通道可在不编程的情况下配置电压测量任务。虚拟通道是NI-DAQmx驱动构架的一个概念,它表示包括名称、物理通道、输入端连接、信号测量或生成的类型以及换算信息在内的一组属性设置。请按照下列步骤进行操作:

  1. 打开MAX中,右键单击“数据邻居”并选择“新建”。
  2. 选择“NI-DAQmx全局虚拟通道”,并单击“下一步”。
  3. 选择“采集信号»模拟输入»电压”。

图7. 创建NI-DAQmx虚拟通道

  1. 选择电压测量连接的物理通道。物理通道指测量和产生模拟信号或数字信号的接线端或引脚。一个物理通道可能包括一个以上的接线端或引脚,例如差分输入通道就是如此。

图8. 设备物理通道

  1. 单击“下一步”,输入全局虚拟通道的名称或使用默认名称。
  2. 单击“完成”,即可在MAX中看到以下屏幕:

图9. 在MAX中设置电压通道

  1. 在设置选项卡中输入测量电压最大值和最小值(默认值为-10 V至10 V)。该设置可提高测量分辨率,因为模数转换器的数字代码是均匀分布在模拟输入量程内的。如量程较小,则两个连续数字代码间的电压输入差值较小。
  2. 根据接线端连线和上文说明选择接线端配置(差分、RSE、NRSE或伪差分)。

连接模拟电压信号至设备

接下来,请将电压信号实际连接至DAQ设备。

  1. 单击MAX中的“连线”选项卡。

图10. 模拟电压连线图

连线图显示了根据所选的物理通道应连接DAQ设备的哪些引脚。本例使用差分模式测量,连接引脚68和34,对应于ai0 (AI+)和ai8 (AI-)。连线图显示的是SCC-68接线盒,在“设备和接口”下右键单击设备名称并选择“属性”可更改附件。

测试信号

NI-DAQmx全局虚拟通道可预览测量结果。

  1. 在MAX中单击“NI-DAQmx全局通道”选项卡,然后单击“运行”按钮。测得电压值将在窗口顶部显示。

图11. 在MAX中预览电压测量

在“显示类型”下拉菜单中,您可选择以表格或图表形式预览。此外,您也可保存NI-DAQmx全局虚拟通道的配置以供未来参考。

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