诊断和减少测量噪声

在尝试确定信号中噪声的来源时，请从两个快速的诊断步骤开始： 

1. 创建FFT图——这有助于可视化信号的频率成分，并识别任何突出的频率峰值。  
2. 检查您的设置和环境——附近的设备、信号源，甚至您使用的电缆类型都可能引入噪声。 

通过将FFT分析与对设置的物理检查相结合，您可更全面地了解信号行为和潜在的噪声源。 继续阅读下文，您将获得关于解释频率峰值和解决常见干扰源的指导,以及对环境因素的更多见解。 

电气交流信号及其产生的磁场，可以通过电缆、仪器甚至建筑物的基础设施耦合到信号线上。  

共模噪声是一种交流干扰，在差分信号对的两个导体上均等地出现。它通常由外部电磁场或接地电势差引起，并且经常通过电力线、附近设备或不正确的接地引入。 尽管它以相同的方式影响两条线路,但如果系统未能妥善抑制,它仍会影响测量精度。 

常模噪声指的是在信号对两根导体之间以电压差形式存在的无用交流信号，这类噪声本质上仅影响信号本身,而非同时作用于两条线路。此类噪声通常由外部电磁干扰或附近电源和设备的耦合引入。与共模噪声不同，常模噪声会直接使测量信号失真，并在差分电压中显现。 

让我们根据其频率将这些信号分为三类。 

低频（50或60 Hz）

如果信号的FFT图在50或60 Hz（甚至100或120 Hz）处显示尖峰，这可能表明来自电力线的电场或磁场正耦合到您的信号上。这可能来自电力线本身、同步旋转设备,甚至是荧光灯照明。 

接地回路也可能导致低频尖峰。当信号源和数据采集(DAQ)设备之间存在多个接地路径时，就会产生接地回路。 这是信号源和DAQ由不同插座或接地方案供电的系统中的常见问题。 

根据噪声来源，以下电缆布线和设置技术可能有效降低低频噪声和接地回路的影响：

• 屏蔽EPM电缆通过分离模拟和数字信号并阻挡外部电磁干扰来提高抗噪性。当屏蔽层接地时，它可以防止不必要的电流流过信号路径，有助于保持测量结果的纯净和准确。 

• 双绞线电缆通过确保两条导体受到的外部噪声影响相同，来减少电磁干扰。当与差分输入配合使用时，这种共模噪声会被抵消，从而提高信号完整性并最大限度地减少磁场拾取。
• 使用隔离DAQ硬件或差分输入以消除接地之间的电气连接。断开连接可能导致循环断开。此外，尽可能确保所有设备共享单点接地，并避免在系统中连接多个接地点。

中高频（1 kHz至数百kHz）

中高频噪声（通常在1 kHz到数百kHz范围内）可能难以诊断，因为它经常以混叠的形式出现。在这些情况下，观察到的频率可能无法反映噪声的实际来源，这使得调试更具挑战性。如果您注意到噪声在更改采样率时发生偏移,这是存在混叠的有力迹象。为了更好地了解真实的频率成分，请尝试以尽可能大的带宽捕获信号。

此类噪声通常由开关电源(SMPS)等高速电子设备发射。即使这些设备未直接连接到系统，它们仍可通过空中辐射能量干扰信号。 它们在您的设置附近存在就足以引入不必要的噪声。

为减少此类干扰的影响，请考虑采取以下措施，即使附近未连接的设备也会影响信号：

• 屏蔽对发射噪声的设备进行屏蔽，以限制其电磁输出。
• 采用屏蔽电缆阻隔外部噪声耦合至信号线。
• 检查系统是否存在不必要的电流路径，因为噪声可能通过地线感应传播，需重点排查接地环路与接地不良问题。
• 调整采样率或施加滤波器也有助于分离和辨识真实噪声源。

甚高频噪声（MHz至GHz）

MHz至GHZ频段的甚高频噪声的处理尤为困难，这在广播或电视发射塔邻近的实验环境中更为突出。这类射频噪声干扰常表现为宽谱噪声，会显著抬升测量系统的整体噪声基底。

屏蔽措施可能有效，但与低频噪声源相比，其对这类高频噪声的抑制效果往往较弱。可考虑以下技术来降低射频干扰： 

• 使用双绞屏蔽电缆并正确接地，以阻隔射频拾取。
• 保持电缆短距离敷设与合理布线，远离电力线和噪声电子设备。
• 尝试采用模拟滤波将带宽限制在信号所需范围。

若噪声水平仍高于设备规格书标称值，可尝试逐个断开组件或将DAQ设备输入端与设备地短接以建立基准。该技术可帮助隔离干扰源，避免过早采用更复杂的技术手段。

直流耦合噪声表现为预期值与测量值之间的偏移量。若应用程序采用平均值处理，可能无意中掩盖交流噪声源，因此需通过单点测量或绘制未处理的原始波形数据来确认偏移量，这一点很重要。将偏移量与设备精度及分辨率产品规范进行比对。若偏移量在产品规范的范围内，可能是硬件的固有局限而非外部干扰所致。

需注意直流耦合噪声也可能以共模或常模噪声形式出现。 

对于直流耦合噪声，虽可能存在线缆问题等环境因素，但更应排查可能导致非预期信号耦合至测量系统的直接路径：

• 信号源属于接地型还是浮接型？匹配正确的DAQ设备输入模式可降低噪声并提高精度。
  • 浮接信号源适用差分模式
  • 接地信号源适用参考单端或非参考单端模式

• 若传感器安装在导电表面（如固定于金属机箱的加速度计），需确保受监视设备具备可靠的接地路径。接地不良可能引入不必要的直流偏移。同时应确保传感器与DAQ设备共享单点接地参考，避免形成接地回路。

• 若电缆存在裸露的引线或连接器（如BNC电缆插头），需检查有无导电物体接触。即使是偶然接触也可能引入直流偏置。 

• 验证DAQ设备或测量仪器是否正确接地。浮接或接地不良的仪器会因设备与信号源间电势差而产生直流偏移。

• 在测量前通过设备预热来减少热漂移，尤其是在精密测量应用中。温度变化会引起电压电平的微小漂移，随时间累积表现为直流偏移。

• 按频率分类噪声－识别噪声属于低频(50/60Hz)、中高频(kHz)、甚高频(MHz–GHz)还是直流耦合类型，各类噪声源特性及抑制策略不同。

• 采用规范线缆与接地—使用双绞屏蔽电缆、单点接地及避免接地回路是降低交流/直流噪声的关键。 

• 配置DAQ设备以匹配信号源。－浮接信号源使用差分输入，接地信号源使用单端输入，可防止偏移与干扰。

• 应用滤波—使用模拟/数字滤波器抑制无关频率。隔离DAQ设备有助于消除接地回路和共模噪声。 PXIe-6381带有40 kHz可选滤波器，可去除测量信号的噪声。
  
  
  
• 使用隔离测量－隔离DAQ设备有助于消除接地回路与共模噪声。NI CompactDAQ和NI CompactRIO的若干模块是隔离的，包括NI-9239（24位10V输入）、NI-9219（通用模拟输入）和NI-9212（热电偶）。
   

• 系统化检查与故障分析—检查裸露导体、接地不良、EMI源及热漂移问题。运用FFT与原始数据进行噪声问题的隔离与诊断。