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改进测量接地考量因素

概览

了解如何通过接地确定测量系统的连接方式,以获得最精确的测量结果。本文主题包括接地信号源、浮接信号源、差分测量、单端测量以及合适的信号和测量配置。本教程是仪器基础教程系列的一部分。

内容

接地测量

因为信号源的接地配置各不相同,因此测量系统可以使用不同的接地配置。这一点对于确保获得最精确的测量结果至关重要;但是,这种灵活性会提高选择测量系统接地配置的难度。

图1所示为测量所用组件的程序框图。右侧的测量系统由仪器和信号调理组成。请注意信号调理可以集成在仪器中,也可与仪器外接。左侧是信号源,它可以是利用物理现象生成电压的单台换能器,也可以是一台待测设备。本文中我们将讨论信号源接地、测量系统接地以及如何选择测量系统配置以尽可能减少测量噪声和误差。

信号源将信号输入到由仪器和信号调理组成的测量系统

图1:信号源将信号输入到由仪器和信号调理组成的测量系统。

信号源

在讨论接地问题时,需考虑2种主要的信号源类型;如图2所示。

了解信号是接地信号还是浮接信号极其重要

图2:了解信号是接地信号还是浮接信号极其重要。

接地接地参考信号源

接地信号源是指电压信号连接至系统接地端(如地面或建筑物地面)。如上图2左侧的示意图所示,因为电压信号通过直接的电气通路连接至系统接地端。最常见的接地信号源为通过3相墙壁插座接入建筑物地面的设备(例如,信号发生器或电源)。值得注意的是,2个独立接地信号源的接地端具有不同的电势差。连至同一建筑物地面的2个系统之间的接地电势差可能为10 mV、200 mV或更大。

接地信号信号源

不接地或浮接信号源是指其电压信号未连接至系统接地端(如地面或建筑物地面)。如图2右侧所示。请注意,正极和负极接线端都没有直接接地的电通路。一些常见的浮接信号源包括电池、热电偶和变压器。

测量系统

仪器配置模式有3种:差分(DIFF)、参考单端(RSE)或非参考单端(NRSE)。

差分测量系统

差分仪器有2个输入端,其中仪器放大器的2个输入信号均未连接至系统接地端。如图3所示,CH0+和CH0-分别连接至仪器放大器的正负接线端,但未连接至测量系统的接地端(AI GND)。

理想差分采集系统仅测量其2个接线端之间的电压差

图3:理想差分采集系统仅测量其2个接线端之间的电压差。

理想的差分测量系统仅测量其正极(+)和负极(–) 2个输入接线端之间的电压差。电路对两端的差分电压是需要的信号,但其中存在不需要的信号,这在差分电路对两端很常见。该电压称为共模电压。理想的差分测量系统不会测量共模电压,而会彻底抑制该电压以实现更精准的测量。然而,实际设备具有共模电压范围和共模抑制比(CMRR)等技术指标所述的局限性。

共模电压范围是指每个输入端相对于仪器接地端允许的最大电压变化。如果电压超出该范围,不仅会导致测量误差,还可能损坏仪器元件。以下是计算共模电压的公式:

共模电压计算

公式1:共模电压计算

其中:

超出共模电压范围规范的示例是,尝试使用2根分别为110 V和100 V的引线进行差分测量。虽然此时10 V的差分测量值可能处于设备规范内,但105 V的共模电压可能就超出规范了。

CMRR用于表示测量系统抑制共模电压的能力。具有较高CMRR的放大器可以更有效地抑制共模电压,因此更适合用于精确测量。CMRR可表示为差分增益与共模增益之比,如公式2所示。CMRR也可以dB为单位,如公式3所示。

CMRR以dB为单位

公式3:CMRR以dB为单位

例如,如果仪器的CMRR为100,000:1(或100 dB)且共模电压为5 V,则可以区分差分引线上大于50 μV的电压差。共模抑制至关重要,因为差分测量的2条线路上都存在环境噪声源。但如果2条线路上都存在噪声,则差分测量会将其抵消。因此,与单端测量相比,差分配置可实现更精准的测量,但差分测量所需的通道数将增加一倍。

测量系统

单端配置通常是仪器的默认配置。与差分配置的区别在于测量仅需一个模拟输入通道。如图4所示,仪器上所有通道均采用负极输入端与仪器放大器相连,并以此为公共参考。由于单端配置仅采用一个输入,因此与物理通道数相同的差分配置系统相比,单端配置的测量次数可以翻倍。另一方面,这会使单端测量容易受到接地回路的影响,从而降低测量的精度。

以下是单端测量系统的2种不同类型:

  • 接地RSE (GRSE)或RSE系统具有连接到仪器接地端的公共参考通道。在图4的示例RSE系统中,仪器接地通道标记为AI GND。

GRSE或RSE系统具有连接到仪器接地端的公共参考通道

图4:GRSE或RSE系统具有连接到仪器接地端的公共参考通道。

  • NRSE仪器连接至公共点;但公共点的电压为仪器放大器的负极接线端电压。在图5所示的NRSE示例中,公共参考为AI SENSE线路;因此,测量电压为CH X与AI SENSE通道电压之间的电位差。

NRSE仪器公共点的电压为仪器放大器的负极接线端电压

图5:NRSE仪器公共点的电压为仪器放大器的负极接线端电压。

信号测量系统配置

在对信号源接地类型和仪器配置进行了特征分析之后,我们现在来讨论可以获得最准确结果的信号源和仪器配置组合。

测量接地信号源

由于整个系统中并未额外接地,所以用差分或NRSE仪器配置来测量接地信号源是最准确的。向系统添加额外接地端可能会导致出现接地回路,而接地回路是测量应用程序的常见噪声源。

当电路中2个连接的接线端处于不同的接地电位时,就会产生接地回路,导致两点之间有电流流动。信号源的接地电压可高于或低于仪器接地电压几伏特。这种额外的电压可能会导致测量本身出现误差,并且流动电流还会在附近的导线上感应出电压,从而额外产生测量误差。这些误差可能以标量信号或周期信号的形式加入测量信号中。例如,如果接地回路由60 Hz交流电源线构成(如美国和其他一些国家/地区的标准电源线频率),则不需要的60 Hz交流信号可能会在测量中显示为周期性电压误差。

使用公式4计算测量电压V_m:

存在接地回路的测量电压

公式4:存在接地回路的测量电压

其中:


使用上述公式4,可用数学方法获得接地回路存在时的测量电压。继续以60 Hz电源线为例,ΔV_g是随时间变化的值,而不是标量偏移量。因此,测量信号看起来是周期性的,并非是测量电压的简单偏移误差。

图6所示为带有接地回路的系统的电路图。如果使用基于RSE配置的仪器测量电压源V_s,可将图6中等式左侧的电路图简化为右侧的电路图,这与公式4中的计算结果一致。

使用接地参考系统测量的接地信号源会引入接地回路和测量误差

图6:使用接地参考系统测量的接地信号源会引入接地回路和测量误差。

为避免出现如图6所示的接地回路,请确保信号源和测量系统仅存在一个接地参考,方法是使用差分或NRSE仪器配置或使用隔离测量硬件,详情请见仪器基础系列白皮书隔离类型和测量注意事项

测量信号源

您可以使用本文所述的任意测量配置来测量浮接信号源:差分、GRSE/RSE或NRSE。需要注意的是,当使用具有浮接源的差分或NRSE测量配置时,必须在每根引线(正极(+)和负极(-)与仪器接地端之间连接偏置电阻)(见图7)。

使用差分或NRSE仪器配置测量浮接信号源时需使用偏置电阻

图7:使用差分或NRSE仪器配置测量浮接信号源时需使用偏置电阻。

偏置电阻提供从仪器放大器输入端到仪器放大器接地端的直流通路。偏置电阻应具有足够高的电阻以免信号源负载,并支持信号源与仪器参考进行浮接。但偏置电阻应足够小,以将电压保持在仪器的量程内。为满足上述条件,偏置电阻的量程通常在10 kΩ至100 kΩ之间。务必仔细检查设备的产品规范,以确保所使用的偏置电阻值在合适的范围内。

测量浮接信号源时,如未在差分或NRSE配置中使用偏置电阻,则测量信号可能不稳定,或信号处于仪器的正或负满量程内。

当采用GRSE/RSE配置测量浮接信号源时,无需使用偏置电阻。为了在使用单端仪器配置时获得最佳测量结果,建议采用以下配置:

  • 输入信号等于或大于1 V。
  • 信号连线相对较短,并且在无噪声环境中传播(或进行了适当的屏蔽)。
  • 所有输入信号均可共享一个公共、稳定且已知的参考信号,通常是系统中电压为0 V的点。

有关推荐的信号源与仪器配置组合的总结,请参见图8。接地和测量

仪器配置与信号源类型比较汇总

图8:仪器配置与信号源类型比较汇总。

总结

  • 测量系统包括仪器和信号调理。根据不同的仪器,信号调理可以内置在仪器中,也可以外接于仪器。
  • 信号源分为2种主要类型:
    • 接地信号源:信号具有直接接地的电通路。
    • 浮接信号源:信号不具有直接接地的电通路。
  • 仪器可有3种主要的测量配置:
    • 差分:采用2个输入通道配置,可以消除共模电压,因此测量结果最准确。
    • 接地参考单端(GRSE)参考单端(RSE):仅采用一个通道和仪器接地端的测量;但这种单端测量类型容易受到噪声的影响。
    • 非参考单端(NRSE):这是一种仅采用一个通道和一个公共参考点且不接地的测量;但是,该系统与差分测量相比更容易受到噪声的影响。
  • 建议使用差分或NRSE仪器配置来测量接地信号源。
  • 建议使用差分、GRSE/RSE或NRSE仪器配置来测量浮接信号源。
    • 在差分或NRSE仪器配置中,必须使用偏置电阻来测量浮接信号源。