模拟​信号​的​现场​连​线​和​噪声​考量

概览

很多​人​都​希望​使用​数据​采集​设备​测量​模拟​信号​能够​像​将​信号​源​连接​到​数据​采集​设备​那么​简单,​可​现实​并不​总是​如此。​您​可能​需要​了解​信号​源​的​性质、​数据​采集​设备​的​适当​配置​以及​合适​的​布线​方案,​才能​获得​准确​且​无​噪声​的​测量​结果。​采集​的​数据​是否​完整,​取决​于​整个​模拟​信号​通路。​为了​涵​盖​多种​应用,​大部分​数据​采集​设备​的​模拟​输入​级​均​可以​在​一定​程度​上​灵活​配置。​然而,​这种​灵活​性​会​给​用户​带来​一定​的​混淆,​不知道​如何​正确​应用​不同​输入​配置​以及​充分利用​每​种​配置​的​优势。​本文​旨​在​阐明​数据​采集​设备​可用​的​输入​配置​类型,​说明​用户​应​如何​为​应用​选择​和​使用​最​适合​的​配置,​并​讨论​干扰​噪声​拾取​机制​以及​如何​通过​正确​的​布线​和​屏蔽​来​尽可能​减少​干扰​噪声。​要​想​应用​良好​的​测量​技术,​必须​先​了解​信号​源​和​测量​系统​的​类型,​因此​我们​将​首先​讨论​这​一​问题。

内容

信号​源​和​测量​系统​的​类型

在​信号​调理​电路​产生​的​物理​量​中,​与​传感器​相关​的​最​常见​形式​是​电压。​有​时候​信号​要​在​恶劣​环境​中​通过​长​线​缆​远​距离​传输,​可能​会​转换​为​电流​和​频率​等​其他​电​现象。​在​几乎​所有​情况​下,​转换​的​信号​在​测量​之前​最终​都会​转换​回​电压​信号,​因此​了解​电压​信号​源​非常​重要。

请​记住,​电压​信号​通过​两​点​间​的​电势差​进行​测量。​请​见​图​1​中的​描述。



图​1. 电压​信号​源​与​测量​系统​模型

 

电压​源​可以​分为​两​类​——​接地​或​不​接地​(浮​地)。​同样,​测量​系统​也可以​分为​两​类​——​接地​或​接地​参考,​以及​不​接地​(浮​地)。

 

接地​或​接地​参考​信号源

接地​源​是​指​电压​信号​以​建筑​物​地面​为​参考​源。​最​常见​的​接地​源​是​未​明确浮接其​输出​信号​的​常见​插入​式​仪器。​图​2​显示​了​一个​接地​信号​源。




图​2. 接地​信号源

 

两​个​接地​信号​源​的​接地​通常​具有​不同​的​电​势。​连接​至​同一​建筑​物​供电​系统​的​两​台​仪器​之间​的​接地​电势差​通常​大约是​10 mV​至​200 mV,​但​如果​配​电​线路​连接​不​正确,​该​值​可能​更大。

 

未​接地​或​无​参考​(浮​地)​信号源

浮​地​源​中的​电压​信号​不是​以​大地​或​建筑​物​地面​为​绝对​参照​物。​浮​地​信号​源​的​常见​示例​包括​电池、​电池​供电​的​信号​源、​热电​偶、​变压器、​隔离​放大器​以及​任何​明确浮接其​输出​信号​的​仪器。​图​3​中​描述​了​无​参考​或​浮​地​信号​源。




图​3. 浮​地​或​无​参考​信号源

 

请​注意,​信号​源​的​两​个​接​线​端​都不​参考​电源​插座​的​接地​端。​因此,​每​个​接​线​端​独立​于​大地。

 

差分​或​无​参考​测量​系统

差分​(或​无​参考)​测量​系统​的​输入​端​都​未​连接​至​固定​的​参考​端​(例如,​大地​或​建筑​物​地面)。​手持​式​电池​供电​仪器​和​带有​仪表​放大器​的​数据​采集​设备​属于​差分​或​无​参考​测量​系统。​图​4​描述​了​NI​某​个​典型​设备​中​所​使用​的​8​通道​差分​测量​系统​的​原理​图。​信号​路径​中​使用​模拟​多​路​复​用​器​来​增加​测量​通道​的​数量,​同时​仅​使用​一个​仪表​放大器。​对于​此​设备​来说,​标​有​AI GND(模拟​输入​接地)​的​引​脚​就是​测量​系统​的​接地​引​脚。




图​4. 8​通道​差分​测量​系统

 

理想​的​差分​测量​系统​只​测量​两​个​接​线​端,​即​正极​(+)​和​负极​(–)​输入​之间​的​电势。​相​对于​仪表​放大器​公共​接地​端​在​两​个​放大器​输入​端​之间​测量​得到​的​电压​称为​共​模​电压。​理想​的​差分​测量​系统​会​彻底​抑制​(不​测量)​共​模​电压。​这种​能力​对于​抑制​噪声​非常​重要,​因为​在​线​缆​系统​中,​电路​中​经常​会​以​共​模​电压​的​形式​引入​不必要​的​噪声。​然而,​实际​设备​会​存在​一些​局限性,​具体​表现​为​共​模​电压​范围​和​共​模​抑制​比​(CMRR)​等​参数,​这些​会​限制​电路​抑制​共​模​电压​的​能力。

共​模​电压Vcm定义​如下:

 

V cm = (V + + V )/​2

 

其中V+ =​测量​系统​的​非​反​相接​线​端​相​对于​测量​系统​接地​的​电压,V- =​测量​系统​的​反相​接地​端​相​对于​测量​系统​接地​的​电压,​而以​dB​为​单位​的​CMRR​定义​如下:

 

CMRR (dB) = 20 log(差分​增益/​共​模​增益)。

 

图​5​是​一个​简单​的​电路,​描述​了​CMRR。​在​该​电路​中,​以​dB​为​单位​的​CMRR​的​测量​结果​为​20 log Vcm/Vout,​其中V+ = V = Vcm



图​5. CMRR​测量​电路

 

共​模​电压​范围​限制​了​每​个​输入​端​相​对于​测量​系统​接地​允许​的​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​设备​上​的​元件。​顾名思义,​CMRR​测量​的是​差分​测量​系统​抑制​共​模​电压​信号​的​能力。​CMRR​是​频率​的​函数,​通常​随​频率​的​增加​而​降低。​CMRR​可以​使用​平衡​电路​进行​优​化。​本​应用​指南​中,​稍​后​将​详细​讨论​此​问题。​大部分​数据​采集​设备​会​将​CMRR​指定​为​最高​60 Hz,​即​输电​线路​频率。

 

接地​或​接地​参考​测量​系统

接地​或​接地​参考​测量​系统​类似​于​接地​源,​因为​测量​是​相​对于​接地​进行​的。​图​6​显示​了​一个​8​通道​接地​测量​系统。​此类​系统​也​称为单​端​测量​系统




图​6. 8​通道​接地​参考​单​端​(RSE)​测量​系统

 

单​端​测量​的​其中​一种​技术​称为​无​参考​单​端​(NRSE),​常见​于​数据​采集​设备​中。​NRSE​测量​系统​如​图​7​所​示。



图​7. 8​通道​NRSE​测量​系统

 

在​NRSE​测量​系统​中,​所有​测量​都是​相​对于​单​节点​Analog Input Sense (AI SENSE)​进行​的,​但​该​节点​的​电​势​可​随着​测量​系统​接地​端​(AI GND)​而​变化。​图​7​显示​了​单​通道​NRSE​测量​系统​与​单​通道​差分​测量​系统​是​相同​的。

现在​我们​已经​确定​了​不同​的​信号​源​类型​和​测量​系统,​接​下来​我们​开始​讨论​适合​每​种​信号​源​的​测量​系统。

 

测量​接地​信号源

接地​信号​源​最好​用​差分​或​无​参考​测量​系统​进行​测量。​图​8​显示​了​使用​接地​参考​的​测量​系统​来​测量​接地​信号​源​的​缺陷。​在​这种​情况​下,​测​得​的​电压Vm是​信号​电压Vs和​电势差​DVg的​总和,​后者​为​信号​源​接地​和​测量​系统​接地​之间​的​电势差。​这种​电势差​通常​不是​直流​电​平,​因此​会​导致​测量​系统​出现​噪声,​经常​在读​数​中​显示​电力​线路​频率​(60 Hz)​分量。​接地​回路​引入​的​噪声​可能​同时​具有​交流​和​直流​分量,​导致​测量​结果​存在​偏移​误差​和​噪声。​两​个​接地​之间​的​电势差​导致​相互​连接​的​电路​间​产生​电流。​该​电流​称为​接地​回路​电流。




图​8. 使用​接地​参考​系统​测量​的​接地​信号​源​会​引入​接地​回路

 

如果​信号​电压​为​高​电​平​并且​源​和​测量​设备​之间​的​互​连​线路​阻抗​较​低,​则​仍然​可以​使用​接地​参考​系统。​在​这种​情况​下,​接地​回路​会​引起​信号​电压​测量​精度​降低,​但​仍在​可​接受​的​范围​内。​在​将​接地​信号​源​连接​到​接地​参考​测量​系统​之前,​必须​仔细​观察​接地​信号​源​的​极性,​因为​信号​源​可能​对​地​短路,​从而​可能​受到​损坏。​本​应用​指南​稍​后​将​详细​讨论​连​线​注意​事项。

在​典型​的​数据​采集​设备​上,​差分​(DIFF)​和​NRSE​输入​配置​都​提供​无​参考​测量。​在​这​两​种​配置​中,​源​和​测量​设备​的​参考​物​之间​的​任何​电势差​都​将​显示​为​测量​系统​的​共​模​电压,​并从​测量​信号​中​扣除。​图​9​中​对​此​进行​了​说明。




图​9. 用于​测量​接地​信号​源​的​差分​测量​系统

 

测量​浮​地​(无​参考)​信号源

浮​地​信号​源​可​通过​差分​和​单​端​测量​系统​进行​测量。​然而,​在​差分​测量​系统​中,​应​注意​确保​测量​系统​接地​信号​的​共​模​电压​电​平​保持​在​测量​设备​的​共​模​输入​范围​内。

有​多种​因素​可能​会​导致​浮​地​信号​源​的​电压​电​平​超出​数据​采集​设备​输入​级​的​有效​范围,​比如​仪器​放大器​输入​偏​置​电流。​如果​将​该​电压​电​平​绑​定​某​个​参考​电压,​则​可​按照​图​10​所​示​连接​电阻。​这些​电阻​称为​偏​置​电阻,​提供​从​仪表​放大器​输入​到​仪表​放大器​接地​的​直流​通路。​这些​电阻​的​值​应​足够​大,​以​允许​源​相​对于​测量​参考​(前述​测量​系统​中的​AI GND)​浮​地,​而不​增加​信号​源​的​负载,​但​也​应​足够​小,​以便​将​电压​保持​在​设备​的​输入​范围​内。​通常,​10-100 kΩ​之间​的​值​适用​于​低​阻抗​源,​如​热电​偶​和​信号​调理​模​块​输出。​这些​偏​置​电阻​连接​在​每​根​引线​和​测量​系统​接地​之间。

警告: 如果​没有​使用​这些​电阻,​将​导致​(正向​全​量程​或​负向​全​量程)​读​数​不​稳定​或​饱和。

如果​输入​信号​为​直流​耦合​信号,​则​只需要​在​(–)​输入​端​和​测量​系统​接地​端​之间​连接​一个​电阻,​即可​满足​偏​置​电流​通路​要求,​但​如果​信号​源​的​源​阻抗​相对​较​高,​则会​导致​系统​失​衡。​为了​保证​抗​噪​性能,​应​采用​平衡​系统。​因此,​如果​信号​源​的​源​阻抗​很高,​则​应​使用​两​个​等值​电阻​——​一个​放置​于​信号​高​(+)​输入​和​接地​之间,​另​一个​放置​于​信号​低​(–)​输入​和​接地​之间。​如果​是​低​阻抗​直流​耦合​源​(如​热电​偶),​只需​一个​偏​置​电阻​即可。​本​应用​指南​稍​后​将​进一步​讨论​平衡​电路。

如果​输入​信号​为​交流​耦合​信号,​则​需要​两​个​偏​置​电阻​来​满足​仪表​放大器​的​偏​置​电流​通路​要求。

这​两​个​电阻​(10 kΩ < R < 100 kΩ)​为​仪表​放大器​输入​偏​置​电流​提供​流​回​接地​端的​路径,​如​图​10​所​示。​直流​耦合​信号​源​只需要​R2。​对于​交流​耦合​源,​R1 = R2。



图​10. 浮​地​源​和​差分​输入​配置

 

如果​要​使用​单​端​输入​模式,​RSE​输入​系统​(图​11a)​可​用于​浮​地​信号​源。​在​这种​情况​下,​不会​形成​接地​回路。​也可以​使用​NRSE​输入​系统​(图​11b),​而且​从​噪声​拾取​的​角度​来看​这种​配置​更​为​可​取。​浮​地​源​确实​需要​在​NRSE​输入​配置​中的​AI SENSE​输入​和​测量​系统​接地​(AI GND)​之间​使用​偏​置​电阻。




图​11. 浮​地​信号​源​和​单​端​配置

 

表​1​总结​了​上面​介绍​的​不同​配置。


表​1. 模拟​输入​连接

注意:使用​接地​信号​源​时,​不​推荐​使用​单​端​接地​参考​(Single-​Ended-​Ground Referenced,​RSE)! 

警告: 采用​DIFF​和​NRSE​配置​测量​浮​地​信号​源​时,​必须​提供​偏​置​电阻。​如果​不​使用​这些​电阻,​将​导致​(正向​全​量程​或​负向​全​量程)​读​数​不​稳定​或​饱和。

通常​更​倾向​于​采用​差分​测量​系统,​因为​差分​测量​系统​不仅​能​抑制​接地​回路​引起​的​误差,​还​能​在​一定​程度​上​抑制​在​环境​中​引入​的​噪声。​另一方面,​单​端​配置​提供​两​倍​的​测量​通道,​但​仅​在​引入​的​误差​幅度​小​于​数据​所需​的​精度​时​才可以​采用。​如果​所有​输入​信号​都​满足​以下​标准,​就​可以​使用​单​端​输入​连接。

 

  • 输入​信号​为​高​电​平​(大于​1 V)
  • 信号​线​缆​很短,​并且​在​无​噪声​环境​中​传播,​或者​进行​了​适当的​屏蔽
  • 所有​输入​信号​可以​在​源​处​共享​同一​参考​信号

 

如果​上述​标准​有​任何​一条​无法​满足,​则​应​使用​差分​连接。

 

最大限度​地​减少​互​连​中的​噪声​耦合

即使​测量​设置​遵循​上述​指南,​避免​了​接地​回路​或​模拟​输入​级​达到​饱和​状态,​测量​信号​也​几乎​不可避免​地​包含​一些​噪声​或​从​环境“拾取”的​无用​信号。​许多​数据​采集​设备​提供​了​板​载​放大器,​对于​使用​这些​放大器​来​放大​的​低​电​平​模拟​信号​来说,​情况​尤其​如此。​另外,​PC​数据​采集​板​的​I/​O​连接​器​通常​会​有​一部分​数字​输入/​输出​信号,​这​会​进一步​增加​噪声。​因此,​如果​进​出​数据​采集​板​的​数字​信号​在​靠近​互​连​电缆​的​低​电​平​模拟​信号​的​位置​传送​了​一定​的​距离,​对​这些​信号​进行​任何​操作​都​可能​给​放大​信号​引入​噪声。​为了​最大限度​地​减少​来自​该​外部​源​和​其他​外部​源​的​噪声​耦合,​可能​需要​采用​正确​的​布线​和​屏蔽​方案。

在​继续​讨论​正确​的​布线​和​屏蔽​之前,​需要​了解​干扰​噪声​耦合​问题​的​本质。​噪声​耦合​问题​并​没有​单一​的​解决​方案。​而且,​不​恰当​的​解决​方案​可能​会​使​问题​变得​更加​严重。

图​12​显示​了​一个​干扰​或​噪声​耦合​问题。



图​12. 噪声​耦合​问题​程序​框​图

 

如​图​12​所​示,​噪声“拾取”或​耦合​机制​主要​有​四​种​——​电导​性​耦合、​电容​性​耦合、​电​感性​耦合​和​辐射​性​耦合。​当​两​个​不同​电路​的​电流​流​过​公共​阻抗​时,​就​会​出现​电导​性​耦合。​电容​性​耦合​是​由​信号​通路​附近​的​时​变电​场​产生​的。​电​感性​或​磁​耦合​噪声​是​由​信号​电路​所​包围​区域​中的​时​变​磁场​产生​的。​如果​电磁​场​源​远离​信号​电路,​那么​电场​和​磁场​耦合​则​可​视为​组合​电磁​或​辐射​耦合。

 

电导​性​耦合​噪声

电导​性​耦合​噪声​存在​的​原因​是​连接​线路​的​导体​具有​一定​的​阻抗。​在​设计​连​线​方案​时​必须​考虑​这些​阻抗​的​影响。​通过​中断​接地​回路​(如果有​的话),​并​为​低​电​平和​高​电​平​高​功率​信号​提供​分离​的​接地​回路,​可以​消除​或​最大限度​减小​电导​耦合。​图​13a​显示​了​一个​会​引起​电导​性​耦合​的​串联​接地​电路。

如果​从​A​到​B​的​公共​回路​导线​的​电阻​为​0.1 Ω,​则​温度​传感器​测​得​的​电压​将​变化​0.1 Ω * 1 A = 100 mV,​具体​取决​于​开关​是​闭合​还是​断开。​这​意味​着​温度​测量​结果​会​有​10°​误差。​图​13b​的​电路​提供​单独​的​接地​回路;​因此,​测​得​的​温度​传感器​输出​不会​随着​重​负载​电路​中​电流​的​接通​和​断开​而​发生​变化。




图​13. 电导​性​耦合​噪声

 

电容​性​和​电​感性​耦合

在​数学​上,​用于​描述​噪声​和​信号​电路​的​电磁​场​之间​的​相互作用​的​主要​分析​工具​是​麦克​斯​韦​方程。​然而,​为了​直观​和​定性​地​理解​这些​耦合​通道,​可以​使用​集​总​参数​等效​电路。​图​14​和​15​显示​电场​和​磁场​耦合​的​集​总​参数​等效​电路。




图​14. 噪声​源​和​信号​电路​之间​的​电容​性​耦合,​使用​等效​电路中的​电​容器​C ef进行​建​模



图​15. 噪声​源​和​信号​电路​之间​的​电​感性​耦合,​使用​等效​电路中的​互感​M​进行​建​模

 

通过​在​噪声​等效​电路​中​引入​集​总​电路​等效​模型,​就​可以​处理​与​电路​分析​的​两​个​基本​假设​相​悖​的​情况,​即​所有​电场​都​被​限制​在​电​容器​的​内部,​且​所有​磁场​都​被​限制​在​电感​器​的​内部。

 

电容​性​耦合

现在​我们​已经​了解​耦合​通道​的​等效​集​总​电路​的​效用。​我们​通过​在​两​个​电路​之间​放置​一个​等效​电容​来​建立​电场​耦合​的​模型。​等效​电容Cef与​重叠​面积​成​正比,​与​两​个​电路​之间​的​距离​成反比。​因此,​增大​距离​或​最大限度​减小​化​重叠,​可​最大限度​降低Cef,​进而​最大限度​减小​从​噪声​电路​到​信号​电路​的​电容​耦合。​电容​性​耦合​的​其他​特性​也可以​从​模型​中​推导​出。​例如,​电容​性​耦合​度​与​噪声​源​的​频率​和​幅度​成​正比,​与​接收​器​电路​的​阻抗​成​正比。​因此,​可以​通过​降低​噪声​源​电压​或​频率​或者​减小​信号​电路​阻抗​来​减小​电容​耦合。​也​可​通过​采用​电容​屏蔽​来​降低​等效​电容Cef。​电容​屏蔽​通过​旁通​感应​电流​或​为​感应​电流​提供​另一​条​通路​来​发挥​作用,​因此​不​包含​在​信号​电路​中。​要​获得​适当的​电容​屏蔽,​需要​注意​屏蔽​位置​和​屏蔽​连接。​屏蔽​必须​放置​在​电容​耦合​导体​之间,​并且​仅​在​源​端​接地。​如果​在​两​端​接地,​屏蔽​将​承载​大量​接地​电流。​例如,​如果​两​端​接地​之间​的​电势差​为​1 V,​则会​在​屏蔽​中​施加​2 A​的​接地​电流​(假设​电阻​为​0.5 Ω)。​两​个​接地​端​之间​可能​存在​1 V​量​级​的​电势差。​我们​在​讨论​电​感性​耦合​噪声​时,​将​进一步​探讨​这种​可能​出现​的​较大​接地​电流​的​影响。​一般​来说,​信号​通路​附近​的​导​电​金属​或​导​电​材料​也不​应​进行​浮​地​连接,​因为​这​可能​会​增加​电容​耦合​噪声。



图​16. 不​正确​的​屏蔽​端​接​——​屏蔽​承载​接地​电流



图​17. 正确​的​屏蔽​端​接​——​没有​接地​电流​或​信号​电流​流​过​屏蔽

 

电​感性​耦合

如​前​所述,​电​感性​耦合​是​由​信号​电路​回路​所​包围​区域​中的​时​变​磁场​产生​的。​而​这些​磁场​则​由​附近​噪声​电路​中的​电流​生成。​根据​以下​公式​得出​信号​电路​中的​感应​电压Vn

 

V n = 2p fBACosÆ (1)

 

其中​f​是​呈​正弦​变化​的​磁​通​密度​的​频率,​B​是​磁​通​密度​的​均​方根值,​A​是​信号​电路​回路​的​面积,​Æ​是​磁​通​密度​B​和​区域​A​之间​的​角度。

电​感性​耦合​的​集​总​电路​等效​模型​是​互感​M,​如​图​15(b)​所​示。​在​互感​M​中,​依据​以下​公式​得出Vn

 

V n = 2p fMI n (2)

 

其中In是​噪声​电路​中​正弦​电流​的​均​方根值,​f​是​其​频率。

因为​M​与​接收​器​电路​回路​的​面积​成​正比,​与​噪声​源​电路​和​信号​电路​之间​的​距离​成反比,​所以​无论​是​增大​距离​还是​最大限度​减小​信号​回路​面积,​都可以​最大限度​减小​两​个​电路​之间​的​电​感性​耦合。​通过​减小​噪声​电路​中的​电流In或​降低​其​频率,​也可以​减小​电感​耦合。​也可以​通过​绞​合​噪声​源​导线​减小​来自​噪声​电路​的​磁​通​密度​B。​最后,​可以​对​噪声​源​或​信号​电路​应用​磁​屏蔽,​以​最大限度​减小​耦合。

低​频​磁场​屏蔽​的​难度​要​高于​电场​屏蔽。​磁​屏蔽​的​有效性​取决​于​材料​的​类型,​具体​涉及​其​磁​导​率、​厚度​和​相关​频率。​由于​具有​比较​高​的​相对​磁​导​率,​在​屏蔽​低​频​(大约​低于​100 kHz)​磁场​时,​钢​的​效果​远​优于​铝​和​铜。​但是,​在​较​高​的​频率​下,​也可以​使用​铝​和​铜。​两​种​厚度​的​铜​和​钢​的​吸收​损耗​如​图​18​所​示。​这些​金属​的​磁​屏蔽​特性​在​低​频率​下​效果​很​差,​比如​电力​线路​的​50-60 Hz,​而​这​是​大​多数​环境​中​低​频​磁​耦合​噪声​的​主要​来源。​可以​使用​更好​的​磁​屏蔽​材料​进行​低​频​磁​屏蔽,​例如​高​导​磁​合金。​但是​高​导​磁​合金​非常​脆弱,​其​磁​导​率​受到​机械​冲击​时​可能​会​严重​下降,​进而​引起​磁​屏蔽​效果​降低。




图​18. 吸收​损耗​作为​频率​的​函数​(摘自​参考文献​1)

 

由于​我们​无法​控制​噪声​电路​的​参数,​并且​实现​磁​屏蔽​也​相对​困难,​因此​减小​信号​电路​回路​面积​是​最大限度​减小​电​感性​耦合​的​有效​方法。​双​绞​线​可在​一定​程度​减小​电​感性​耦合,​因为​它​减少​了​信号​电路​中的​环​路​面积​并​消除​了​引起​的​误差。

公式 (2) 可​用于​计算​图​16​中​电路​屏蔽​承载​的​接地​回路​电流​的​影响。​假设​有​一根​10 ft​的​电缆,In = 2 A,​f = 60 Hz,​M = 1 µH/​ft,​则​结果​如下:

 

V n = (2)​(3.142)​(60)​(1 ´ 10 –6 ´ 10)​(2) = 7.5 mV

 

对于​10 V​范围​的​12​位​数据​采集​系统,​此​噪声​级别​相当​于​3.1 LSB。​因此,​数据​采集​系统​的​性能​大致​降低​到​10​位​采集​系统​的​水平。

在​差分​模式​下​使用​带​屏蔽​电缆​的​E​系列​设备​时,​会​最大限度​减小​信号​电路​回路​面积,​因为​每​对​信号​线​都​配置​为​双​绞​线。​对于​单​端​模式​下​的​相同​设备​和​电缆​而言,​情况​并非​如此,​因为​不同​大小​的​环​路​区域​可能​形成​不同​的​通道。

电流​信号​源​比​电压​信号​源​更能​抵抗​此类​噪声,​这​是​因为​磁感应​电压​与​信号​源​串联,​如​图​19​所​示。V21和V22是​电​感性​耦合​噪声​源,​而VC是​电容​性​耦合​噪声​源。



图​19. 电感​和​电容​性​噪声​电压​耦合​的​电路​模型
(H. W.Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, Wiley, 1976.)

 

电​感性​和​电容​性​耦合​度​取决​于​噪声​幅度​以及​噪声​源​和​信号​电路​的​靠近​程度。​因此,​增大​与​干扰​电路​的​距离​并​降低​噪声​源​幅度​有助​于​减少​电​感性​和​电容​性​耦合。​电导​性​耦合​由于​是​直接​接触​产生​的;​因此,​增大​与​噪声​电路​的​物理​距离​是​没有​用​的。

 

辐射​性​耦合

对于​低​频​(低于​100 kHz)​带​宽​测量​系统,​来自​辐射​源​(如​无线​电​和​电视​广播​站)​和​通信​信道​的​辐射​性​耦合​通常​不​视​作​干扰​源。​但是​高​频​噪声​经过​整流,​会​通过​一个​叫做音​频​整流的​过程​引入​到​低​频​电路。​在​这个​过程​中,​IC​作为​整流器,​IC​上​的​非线性​结点​会​引发​音​频​整流。​如果​要​减少​音​频​整流,​可以​在​长​线​缆​接收​器​端​放置​简单​的​无​源​R-​C​低​通​滤波​器。

无处​不在​的​计算​机​终端​也​会对​附近​敏感​电路​造成​电场​和​磁场​干扰。​图​20​中​对​此​进行​了​说明,​其中​显示​了​通过​数据​采集​设备​获得​的​数据​的​图表,​该​设备​采用​了​板​载​可​编​程​增益​放大器,​增益​高达​500。​输入​信号​在​接​线​盒​处的​一个​短路​电路。​在​接​线​盒​和​设备​I/​O​连接​器​之间​使用​0.5 m​长​非​屏蔽​互​连​电缆。​对于​差分​信号​连接,​通道​高​输入​和​通道​低​输入​连在一起,​然后​连接​到​模拟​系统​接地。​对于​单​端​连接,​通道​输入​连接​到​模拟​系统​接地。



图​20. 差分​输入​配置​与​RSE​配置​的​抗​噪​性​对比​(DAQ​板​卡​增益:​500;​电缆:​0.5​米 非​屏蔽;​噪声​来源:​计算​机​显示​器)

 

其他​噪声​来源

如果​涉及​到​连接​线​发生​移动​的​情况​(例如​在​振动​环境​中),​就​必须​注意​摩擦​电​效应,​以及​由于​信号​电路​回路​中的​磁通量​变化​引起​的​感应​电压。​如果​电缆​内的​电​介质​不​与​电缆​导体​保持​接触,​电​介质​上​产生​的​电荷​即可​引起​摩擦​电​效应。

磁通量​变化​可能是​由于​一个​或​两​个​导体​的​移动​引起​信号​电路​回路​面积​发生​变化​导致​的,​这​只是​电​感性​耦合​的​另​一种​表现​形式。​解决​方法​是​避免​电线​悬挂,​并​用​夹子​固定​线​缆。

在​针对​极​低​电​平​电路​的​测量​电路​中,​还​必须​注意​另​一个​测量​误差​源:​在​不同​金属​的​连接​处​无意​间​形成​的​热电​偶。​由​热电​偶​效应​引起​的​误差​不​属于​干扰​型​误差,​但​值得一提,​因为​它们​可能是​低​电​平​信号​测量​过程​中​通道​之间​发生​不明​原因​偏移​的​根源。

 

平衡​系统

在​描述​差分​测量​系统​时,​曾经​提到​平衡​电路​中​有助​于​优​化​CMRR。​平衡​电路​需​符合​以下​三​个​标准:

 

  • 源​平衡:​源​的​两​个​接​线​端​(高​电​平​信号​端​和​公共​信号​端)​具有​相等​的​接地​阻抗。
  • 电缆​平衡:​两​个​导体​具有​相等​的​接地​阻抗。
  • 接收​器​平衡:​测量​端的​两​个​接​线​端​具有​相等​的​接地​阻抗。

 

在​平衡​电路​中,​电​容器​耦合​将​降至​最低,​因为​两​个​导体​上​出现​的​噪声​电压​相同,​而​这​是​由于​它们​的​接地​阻抗​和​对​噪声​源​的​阻抗​相等。



图​21. 电容​噪声​耦合​电路​模型
(H.W.Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, Wiley, 1976.)

 

如果​图​21​中的​电路​模型​代表​平衡​系统,​则​可​应用​以下​条件:

 

Z 1 = Z 2和​Z c1 = Z c2

 

通过​简单​的​电路​分析,​可以​知道​在​平衡​系统​中,V+ = V,​电容​耦合​电压Vc显示​为​共​模​信号。​对于​不平衡​系统,​即Z1<> Z2或Zc1<>Zc2,​电容​性​耦合​电压Vc显示​为​差分​电压,​即V+<>V,​仪表​放大器​无法​对​其​进行​抑制。​系统​中的​不平衡​度​越高,​或者​接地​阻抗​和​对​电容​性​耦合​噪声​源​的​阻抗​不​匹配​度​越高,​电容​性​耦合​噪声​的​差分​分量​就​越高。

线​缆​的​数据​采集​设备​侧​如果​采用​差分​连接,​则​代表​一个​平衡​接收​端,​但​如果​源​或​电线​阻抗​不平衡,​那么​电路​也​不平衡。​图​22​中​对​此​进行​了​说明。​数据​采集​设备​可​配置​为​差分​输入​模式,​增益​为​500。​源​阻抗Rs在​两​种​设置​中​数值​相同​(1 kΩ)。​图​22b​的​电路​中​使用​的​偏​置​电阻​均​为​100 kΩ。​与​图​22a​中的​电路​相比,​图​22b​中的​电路​具有​更高​的​共​模​抑制​能力。​图​22c​和​22d​分别​是​从​配置​22a​和​22b​获得​的​数据​的​时​域​图。​请​注意,​在​平衡​的​源​配置​中,​噪声​频率​分量​是​不存在​的。​此​电路​的​噪声​源​是​计算​机​显示​器。​平衡​电路​还​会​增加​信号​源​的​负载,​其中

 

R = R g1 + R g2

 

不​应​忽略​此​负载​的​影响。​不平衡​电路​不会​给​信号​源​增加​负载。

在​类似​图​22a​所​示​的​电路​中,​系统​中的​不平衡​度​(信号​高​电​平​导线​和​信号​低​电​平​导线​的​接地​阻抗​不​匹配)​与​源​阻抗Rs成​正比。​对于Rs = 0 Ω​的​极端​情况,​图​22a​中的​电路​也是​平衡​的,​因此​对​噪声​不太​敏感。




图​22. 源​电路​和​采集​的​数据

 

双​绞​线​或​屏蔽​双​绞​线​都​属于​平衡​电缆。​另一方面,​同​轴线​缆​是​不平衡​的,​因为​两​个​导体​具有​不同​的​接地​电容。

 

源​阻抗​特性

由于​源​阻抗​对于​确定​从​源​到​数据​采集​系统​的​线​缆​的​电容​噪声​抗​扰​度​非常​重要,​因此​表​2​列出​了​一些​最​常见​的​传感器​的​阻抗​特性。

传感器
阻抗​特性
热电​偶
低​(<20 ohm)
热​敏​电阻
高​(>1 kohm)
电阻​式​温度​检测​器
低​(<1 kohm)
固态​压力​传感器
高​(>1 kohm)
应变​计
低​(<1 kohm)
玻璃​pH​电极
很高​(1 GΩ)
电位​计​(线性​位移)
高​(500-100 kΩ)
表​2. 传感器​阻抗​特性

 

高​阻抗、​低​电​平​传感器​输出​应​由​位于​传感器​附近​的​信号​调理​级​处理。

 

解决​测量​系统​中的​噪声​问题

要​想​解决​测量​系统​中的​噪声​问题,​就​必须​先​找到​干扰​问题​的​来源。 噪声​问题​可能​由​从​传感器​到​数据​采集​设备​本身​的​任何​问题​引起​的。​可以​使用​试验-​排除​方法​来​发现​问题​的​源头。

首先​需要​验证​数据​采集​设备​本身,​方法​是​使用​一个​无线​缆​的​低​阻抗​源,​然后​观察​测量​噪声​水平。​步骤​很简单:​使用​尽可能​短​的​导线​将​高​电​平​信号​和​低​电​平​信号​短路​连接​到​模拟​输入​接地,​最好是​在​数据​采集​设备​的​I/​O​连接​器​处。​在此​试验​中​观察​到​的​噪声​水平​将​有助​于​了解​给​定​数据​采集​设备​可能​达到​的​最佳​情况。​如果​测​得​的​噪声​与​在​完整​配置​(数据​采集​设备​加​线​缆​加​信号​源)​下​观察​到​的​噪声​差不多,​则​说明​是​测量​系统​本身​引入​了​噪声。​如果​在​数据​采集​设备​中​观察​到​的​噪声​不​符合​其​规格,​则​噪声​可能​源自​计算​机​系统​中的​某​个​其他​设备。

尝试​将​系统​中的​其他​板​卡​拆掉,​观察​测量​的​噪声​是否​降低。​另​一种​方法​是​更改​板​卡​的​位置,​也就是​更改​数据​采集​板​卡​插入​的​插​槽。

问题​也​可能​出​在​计算​机​显示​器​放置​的​位置。​对于​低​电​平​信号​测量,​最好​让​显示​器​尽可能​远离​信号​线​缆​和​计算​机。​在​采集​或​生成​低​电​平​信号​时,​最好​不要​将​显示​器​放在​计算​机​顶​部。

如果​已​确定​采集​设备​不是​问题​的​根源,​则​下一步​可以​检查​信号​调理​的​连​线​以及​连接​到​采集​设备​的​线​缆​所​处的​环境。​应​使用​低​阻抗​源​代替​信号​调理​单元​或​信号​源,​并​观察​数字​化​数据​中的​噪声​情况。​低​阻抗​源​可以​是​高​电​平和​低​电​平​信号​直接​短路​连接​到​模拟​输入​接地。​但是,​此次​短路​应​位于​电缆​远端​(远离​数据​采集​设备​的​那​一端)。​如果​观察​到​的​噪声​与​实际​信号​源​的​噪声​大致​相同​(而​非​有​短路​信号​源),​则​问题​应​出​在​线​缆​和/​或​线​缆​所​处的​环境。​可能​的​解决​方案​包括​重新​排​布线​缆​和​增大​与​噪声​源​之间​的​距离。​如果​噪声​源​未知,​则​可以​通过​噪声​的​频​谱​分析​识别​干扰​频率,​这​反过来​可以​帮助​定位​噪声​源。​但是,​如果​观察​到​的​噪声​小​于​实际​信号​源​的​噪声,​则​下一步​应​尝试​大约​等于​电源​输出​电阻​的​电阻,​而不是​在​电缆​远端​进行​短路​连接。​这样​有助​于​分析​问题​是否​是​由​电缆​中高​电源​阻抗​导致​的​电容​耦合​引起​的。​如果​这​一次​观察​到​噪声​小​于​实际​信号​的​噪声,​则​可以​确认​线​缆​和​环境​不是​问题​所在。​在​这种​情况​下,​问题​在于​信号​源​本身​或​数据​采集​设备​的​配置​并不​适合​所​采用​的​信号​源​类型。

 

用于​降​噪​的​信号​处理​技术

尽管​信号​处理​技术​不能​替代​正确​的​系统​连​线,​但​也有​助​于​降低​一部分​噪声。​所有​降​噪​信号​处理​技术​都​依赖​于​牺牲​信号​带​宽​来​改善​信​噪​比。​从​广义​上​讲,​它们​可以​归​类​为​采集​前​或​采集​后​措施。​采集​前​的​信号​处理​技术​包括​各种​类型​的​滤波​(低​通、​高​通​或​带​通),​主要是​减少​信号​中的​带​外​噪声。​测量​带​宽​不必​超过​传感器​的​电气​特性​或​频率​范围。​采集​后​的​信号​处理​技术​可以​描述​为​数字​滤波。​对​采集​后​的​信号​进行​滤波​的​最​简单​技术​是​平均​法。​平均​法​会对​所​采集​的​数据​应用​梳​状​滤波,​这​对于​抑制​50-60 Hz​等​特定​干扰​频率​特别​有用。​刚才​我们​提过,​来自​50-60 Hz​电力​线路​这类​低​频​源​的​电​感性​耦合​更​难以​屏蔽。​如果​要​采用​平均​法​获得​最佳​干扰​抑制​性能,​则​采集​数据​时间​间隔Tacq必须​是Trej = 1/ Frej的​整数​倍,​其中Frej是​最佳​抑制​频率。

 

T acq = N cycles ´ T rej (3)

 

其中Ncycles是​取​平均​的​干扰​频率​周期​数。​因为Tacq = Ns ´ Ts,​其中Ns是​用于​平均​法​的​样本​数,Ts是​采样​间隔,​公式​(1)​可​写作​如下​形式:

 

N s ´ T s = N cycles ´ T rej

N s ´ T s = N cycles / F rej (4)

 

公式​(4)​决定​了​采取​平均​法​来​抑制​特定​干扰​频率​所需​的​样本​数量​和​采样​时间​间隔。​例如,​如果​要​抑制​60 Hz​抑制​的​噪声,​当Ncycles = 3,Ns = 40​时,​我们​就​可以​计算​出​最佳​采样​率:

 

T s = 3 / (60 ´ 40) = 1.25 ms

 

因此,​对​以​1.25 ms(或​每秒​800​个​样本)​的​采样​间隔​采集​的​40​个​样本​应用​平均​法,​将​从​所​采集​的​数据​中​抑制​60 Hz​的​噪声。​因此,​以​1.25 ms(或​每秒​800​个​样本)​的​采样​间隔​采集​40​个​样本,​然后​应用​平均​法,​即可​抑制​所​采集​的​数据​中的​60 Hz​噪声。​当​使用​低​通​数字​滤波​技术​(例如​平均​法)​时,​仍​需要​考虑​结果​数据​中的​直流​误差,​比如​接地​回路​引起​的​偏移。​换句话说,​如果​通过​平均​法​来​解决​测量​系统​中的​噪声​问题,​则​系统​可能​仍然​有​直流​偏移​误差。​因此,​如果​测量​需要​很高​的​绝对​精度​对,​则​必须​验证​系统。

 

参考文献

  • Ott, Henry W., Noise Reduction Techniques in Electronic Systems.New York:John Wiley & Sons,​1976。
  • Barnes, John R., Electronic System Design:Interference and Noise Control Techniques, New Jersey:Prentice-​Hall, Inc.,​1987。