直流(DC)电压测量

电压测量 

电压是电气或电子电路两点之间的电势差，单位为伏特。它测量的是使电导体产生电流的电场的势能。 

要测量电压，需要先了解测量所参考的电压电平以及信号源。测量电压的两种方法是接地参考法和差分法。常见的信号源类型有浮接信号源和接地信号源。

两种信号源基于每种测量方法都有其最优的连接图。请注意，根据信号的类型，采用特定电压测量方法获得的结果可能会比采用其他方法的结果更好。  详细了解模拟信号的现场连线和噪声考量因素。

测量参考点方法

测量电压主要有两种方法：接地参考法和差分法。

接地参考电压测量（RSE或NRSE）

 

一种电压测量方法是测量相对于公共点或“接地”点的电压。通常，“接地”的电压是稳定不变的，通常在0 V左右。过去，“接地”这个术语起源于将信号直接连接到大地以确保电压电位为0 V的常见应用。接地参考输入连接特别适合满足以下条件的通道：

 

• 输入信号为高电平（大于1 V）
• 连接信号至设备的线缆长度不超过3米（10英尺）
• 输入信号可与其他信号共享一个公共参考点

接地参考由进行测量的设备或被测量的外部信号提供。由设备提供地时，这种设置称为接地单端参考模式(RSE)；由信号提供地时，这种设置称为单端非参考模式(NRSE)。

差分电压测量(DIFF)

测量电压的另一种方法是确定电路中两个独立点之间的“差分”电压。例如，要测量单个电阻器上的电压，需要测量电阻器两端的电压。电阻器两端之间的电压差值即为电阻器的电压。通常，差分电压测量可用于确定电路中各个元件的电压，也可以在信号源有噪声时使用此方法。

差分输入连接特别适合满足以下任一条件的通道：

• 输入信号为低电平（小于1 V）
• 连接信号至设备的线缆长度超过3米（10英尺）
• 输入信号需要一个单独的接地参考点或返回信号
• 信号线缆所处环境存在噪声

在差分模式下，负信号连接到模拟引脚，正对着连接到正信号的模拟通道。差分模式的缺点是它本质上使模拟输入测量通道的数量减少了一半。

信号源类型

在配置输入通道和连接信号之前，必须先确定信号源为浮接信号源还是接地参考信号源。

 

浮接信号源

浮接信号源未连接至建筑物地面，但具有隔离的接地参考点。常见的浮接信号源有变压器输出、热电偶、电池供电设备、光学隔离器和隔离放大器等。具有输出隔离的仪器或设备是浮接信号源。浮接信号的接地参考必须连接到设备的地，以便为信号建立本地或板载参考。否则，测量的输入信号会随着信号源浮出共模输入范围而发生变化。

对于浮接信号，输入配置可以有几个选项： 差分(DIFF)、 单端接地参考(RSE)或单端非参考(NRSE)。

图1.浮接信号源及其推荐的输入配置

接地参考信号源

接地参考信号源已连接至建筑物地面，因此，如果测量设备连接到与信号源相同的供电系统，则信号源实际已连接至相对于设备的一个公共接地点。连接建筑物供电系统的仪器和设备的非隔离输出即属于此类信号源。连接至同一建筑物供电系统的两个仪器之间的接地电势差通常是1至100 mV，但如配电线路连接不合理，该差值可能更大。如测量接地信号源的方式不当，该电势差可能实际上是测量误差。请遵循接地信号源的连接指南进行连接，以减少测量信号的接地电势差。

接地信号的输入配置有两个选择： 差分(DIFF)或单端非参考(NRSE)。对于接地信号源，NI不建议使用单端接地参考输入配置。

图2.接地参考信号源及其输入配置

接地信号源输入配置

接地信号的输入配置有两种选择。注意：对于接地信号源，NI不建议使用单端接地参考输入配置。

电压测量考量因素 

在测量电压时，应该考虑高压测量、接地回路、共模电压和隔离拓扑等问题。

高电压测量和隔离

测量较高电压时需要考虑许多问题。在指定数据采集系统时，首先应该关注的问题是系统是否安全。进行高电压测量可能会对设备、待测单元甚至对操作人及同事造成危害。为确保系统安全，应使用隔离的测量设备在用户和危险电压之间提供绝缘保护。

隔离是一种将测量设备的两个部分进行物理和电气隔离的方法，可分为电气隔离和安全隔离。电气隔离是指避免两个电气系统之间存在接地路径。电气隔离可以断开接地回路，提升数据采集系统的共模范围，并将信号接地参考电平转换为单个系统接地电压。安全隔离是指按照相关标准的具体要求，将人员与危险电压隔离开。它还可表征电气系统能够防止高电压和瞬态电压通过其边缘传输到用户可能触碰的其他电气系统的能力。

在数据采集系统中加入隔离有三个主要功能：防止接地回路、抑制共模电压和提供安全性。

详细了解高电压测量和隔离。

接地回路

接地回路是数据采集应用中最常见的噪声源。当电路中两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。系统的本地接地可能比最近建筑物的接地高或低几伏，如果附近有雷击，则会导致该差值上升到数百或数千伏。这个额外的电压本身可能会导致测量产生重大误差，但产生该电压的电流也会与附近电线中的电压耦合。这些误差可能表现为瞬态或周期性信号。例如，如果接地回路由60 Hz交流电源线构成，则测量中不需要的交流信号将表现为周期性电压误差。

当存在接地回路时，测得的电压ΔV_m是信号电压Vs和电势差ΔV_g的总和，后者等于信号源接地和测量系统接地之间的电势差（如图6所示）。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60 Hz电源线的频率分量。

图3.使用接地参考系统测量的接地信号源会引入接地回路

为避免产生接地回路，请确保测量系统中只有一个接地参考，或使用隔离的测量硬件。使用隔离硬件消除信号源接地与测量设备之间的路径，从而防止在多个接地点之间发生任何电流流动。

共模电压

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）之间的电势差。电路对两端的差分电压是需要的信号，但其中可能存在不需要的信号，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会彻底抑制共模电压，而不测量该电压。然而，实际设备会具有一些局限性，具体表现为共模电压范围和共模抑制比(CMRR)等参数，这些会限制设备抑制共模电压的能力。

共模电压范围是指每个输入端相对于测量系统接地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，还可能损坏设备上的元件。

共模抑制比表示测量系统抑制共模电压的能力。具有较高共模抑制比的放大器在抑制共模电压方面更有效。

在非隔离差分测量系统中，输入和输出之间的电路中仍然存在电气路径。因此，放大器的电气特性限制了可以应用到输入的共模信号电平范围。通过使用隔离放大器，可消除导电路径，并显著提高共模抑制比。

隔离拓扑

在配置测量系统时，了解设备的隔离拓扑非常重要。不同的拓扑有几个相关的成本和速度考量因素。两种常见的隔离拓扑是通道间隔离和组隔离。

通道间隔离

最稳健的隔离拓扑是通道间隔离。在这种拓扑结构中，每个通道都与其他通道以及其他非隔离系统组件隔离开来。此外，每个通道都有自己的隔离电源。

在速度方面，有多种架构可供选择。第一种架构采用每个通道都具有一个模数转换器(ADC)的隔离放大器，其速度通常更快，因为在该架构中可以并行访问所有通道。第二种架构涉及对每个隔离输入通道进行多路复用，将其分配到单个模数转换器中，这种架构更具成本效益，但速度较慢。

另一种提供通道间隔离的方法是，为所有通道使用公共隔离电源。在这种情况下，放大器的共模范围仅限于该电源的供电导轨，除非使用前端衰减器。

组隔离

另一种隔离拓扑涉及将多个通道组合或分组在一起，以共享单个隔离放大器。在这种拓扑中，通道之间的共模电压差是有限的，但通道组和测量系统的非隔离部分之间的共模电压可能很大。单个通道不进行隔离，但通道组与其他组和地隔离。由于此拓扑共享单个隔离放大器和电源，因此是一种成本较低的隔离解决方案。

使用NI硬件测量电压

采集硬件的质量决定了所采集电压数据的质量。NI提供了一系列电压测量硬件，可以在较宽的值范围内精准测量电压，并且可以生成控制和通信应用所需的电压信号。NI电压产品针对工业或危险场所进行了优化，可为高压应用提供内置隔离和过流保护。