診斷與降低量測雜訊

嘗試判斷訊號中的雜訊來源時,請從以下 2 個快速診斷步驟開始: 

1. 建立 FFT 圖:此步驟可協助您呈現訊號的頻率內容,並找出可能會出色的頻率峰值。  
2. 調查您的設定與環境—附近的設備、訊號源,甚至是所使用的連接線類型,都有可能造成雜訊。 

結合 FFT 分析與設定實體檢驗之後,您就能夠完整了解訊號行為與潛在的雜訊來源。 繼續閱讀,了解如何解讀頻率激增、解決常見干擾來源的指引,以及深入了解環境因素。 

AC 電力訊號與所產生的磁場,可透過連接線、儀器或建築基礎架構,連接至訊號線。  

共模雜訊是一種 AC 干擾,在差動訊號對的兩個導體上均顯示。電磁波通常源自於外部電磁場或接地電位差異,而且通常是透過電源線、附近的設備或不適當的接地導入。 雖然兩條線路都會受到相同的影響,但如果系統無法妥善抑制,可能仍會影響量測準確度。 

常模雜訊是指訊號組中兩個導體之間的電壓差,顯示的非必要 AC 訊號,基本上會影響訊號本身,而非兩條線路。這類雜訊通常是由外部電磁干擾或鄰近電源與設備的偶合所造成。常模雜訊不同於共模雜訊,常模雜訊會直接失真量測訊號,並顯示在差動電壓中。 

接下來根據頻率將這些訊號分為三種類別。 

低頻率 (50 或 60 Hz)

訊號的 FFT 顯示 50 Hz 或 60 Hz (甚至是 100 Hz 或 120 Hz) 的尖波,表示電源線的電場或磁場正在偶合至訊號。這種偶合可能是電源線本身、同步旋轉設備,甚或是荧光照明。 

接地迴路也可能會造成低頻率突波。如果訊號源與資料採集 (DAQ) 裝置之間有多個接地路徑,就會發生接地迴路。 在訊號源與 DAQ 來自不同插座或接地機制的系統中,接地迴路是常見的問題。 

視訊號源而定,下列佈線與設定技術很可能有效降低低頻率雜訊與接地迴路所造成的影響:

• 包覆式 EPM 連接線可區隔類比與數位訊號,並阻絕外部電磁干擾,以提升抗雜訊能力。接地後,抗雜訊層會避免不必要的電流流過訊號路徑,有助於保持清潔且準確的量測作業。 

• 雙絞線可確保兩個導體均受外部雜訊影響,進而減少電磁干擾。若配對差動輸入,就會消除這種共模雜訊,進而提升訊號完整性並將磁場收發降至最低。
• 使用隔離的 DAQ 硬體或差動輸入,消除接地之間的電子連接。這種中斷可能會中斷迴圈。此外,也請盡可能確保所有設備皆共用單點接地,並避免將接地連接至系統中的多點。

中至高頻率 (1 kHz 至數百 kHz)

中頻到高頻雜訊的診斷範圍通常介於 1 kHz 到數百 kHz 之間,這類雜訊通常會顯示成失真,因此很難進行診斷。在這些情況下,您觀察到的頻率可能無法反映實際的雜訊來源,因此除錯更為困難。如果您在變更取樣率時注意到雜訊發生變化,這會顯示發生失真。為了進一步了解真正的頻率內容,請嘗試盡可能以更大的頻寬來量測訊號。

這類雜訊通常是由切換模式電源供應器 (SMPS) 等高速電子裝置所發出的。即使這些裝置未直接連接系統,也仍可透過輻射能量通過空中傳輸來干擾您的訊號。 這類裝置若位於您設定附近,可能已足以產生不必要的雜訊。

為降低這類干擾的影響,請考慮採取下列行動,同時記得即使附近未連接的裝置也會影響您的訊號:

• 屏蔽發出雜訊的裝置,以容納其電磁輸出。
• 使用抗雜訊式連接線,避免外部雜訊偶合至訊號接線。
• 檢查系統是否有不必要的電流路徑,因為接地線可能會產生雜訊,因此您可能需要檢查接地迴路或接地不當。
• 調整取樣率或套用濾波器也有助於隔離並辨別真正的雜訊來源。

極高頻率 (MHz 至 GHz)

管理極高頻率雜訊 (通常介於 MHz 到 GHZ 的範圍內) 可能會格外困難,如果實驗室位於靠近無線電或電視廣播天線的情況尤其如此。這類 RF 雜訊干擾可能會顯示為寬頻雜訊,進而提高量測作業的整體雜訊水平。

抗雜訊或許會有幫助,但相較於較低頻率的雜訊來源,在較高頻率下,抗雜訊的成效較低。反之,請考慮下列降低 RF 干擾的技巧: 

• 使用雙絞線抗雜訊式連接線並妥善接地,以阻擋 RF 選取。
• 將連接線保持短路,且路由完善,遠離電源線與高雜訊電子。
• 請嘗試類比濾波,將頻寬限制為符合您所需的訊號。

若仍發生高雜訊準位 (與裝置規格表比較),請嘗試一次中斷元件連接,或將 DAQ 裝置輸入短路至裝置接地,以建立基準。此技術可協助您隔離干擾來源,而不需立即進入更進階的技術。

DC 偶合雜訊將顯示為預期值與量測值之間的偏移。如果您的應用程式執行均分,您可能會在不慎的情況下遮蔽 AC 雜訊來源,因此請務必透過單點量測,或繪製原始波形資料,在不進行任何處理的情況下確認偏移。將偏移與裝置的準確度與解析度規格進行比較。如果偏移位於規格內,則可能會因為硬體限制而非外部干擾。

請記住,DC 偶合雜訊也可以是共模或常模雜訊。 

就 DC 偶合雜訊而言,雖然可能會有環境原因 (例如接線問題) 造成的問題,但也許更有幫助地尋找可能會導致意外訊號偶合至量測系統的直接路徑:

• 您的訊號源是接地訊號源還是浮動訊號源?使用正確的 DAQ 裝置輸入模式進行比對,以降低雜訊並提升準確度。
  • 浮動訊號源的差動模式
  • 接地訊號源的參考單端點或非參考單端點

• 如果您的 感測器安裝在導電表面上,例如螺絲固定在金屬機箱上的加速規,請確保受監控裝置有穩定的接地路徑。接地不佳可能會造成不必要的 DC 偏移。此外,您也可以確保感測器與 DAQ 裝置共用單一接地參考,以免產生接地迴路。

• 如果您的 連接線有外露的引線或接頭,例如 BNC 連接線的插頭,請檢查沒有任何導線接觸到該引線。即便偶發接觸,也有可能造成 DC 偏壓。 

• 確認 DAQ 裝置或量測裝置已正確接地。浮動或接地不佳的儀器可能會因為裝置與訊號源之間的潛在差異而造成 DC 偏移。

• 在進行量測前允許設備發熱,將熱漂移降到最低,在精確應用中尤其如此。溫度變化可能會造成電壓位準的微小變化,而這種變化會隨著時間推移而形成 DC 偏移。

• 根據頻率分類雜訊—辨別低 (50/60 Hz)、中/高儀器 (kHz)、非常高 (MHz 至 GHz) 或 DC 偶合雜訊,每種雜訊的源極和緩解策略各自不同。

• 使用合適的接線與接地—使用雙絞線抗雜訊式連接線與單點接地,同時避免接地迴路,以降低 AC 與 DC 雜訊。 

• 設定 DAQ 裝置以匹配訊號源—針對浮動訊號源使用差動輸入,並針對接地訊號源使用單端點輸入,以防止偏移與干擾。

• 套用濾波—使用類比/數位濾波器抑制不必要的頻率。隔離 DAQ 裝置有助於消除接地迴路與共模雜訊。 PXIe-6381 具有 40 kHz 的可選濾波器,可移除所量測訊號的雜訊。
  
  
  
• 使用隔離量測—隔離 DAQ 裝置有助於消除接地迴路與共模雜訊。為 NI CompactDAQ 與 NI CompactRIO 隔離了數種模組,包括 NI-9239 (24 位元 10V 輸入)、NI-9219 (通用類比輸入) 與 NI-9212 (熱電偶)。
   

• 系統檢查與除錯—檢查暴露的導體、接地不佳、EMI 來源與熱漂移。使用 FFT 與原始資料來隔離與診斷雜訊問題。