量測直流 (DC) 電壓

量測電壓 

電壓為電路中兩點之間的電位差，會以伏特 (Volts) 為單位。電壓可量測於導電體中產生電流的電場位能。 

若要量測電壓，您需要先行了解量測作業所參考的電壓等級，以及訊號源。電壓的量測方法有兩種：接地參考與差動，常見的訊號源類型則包括：浮動訊號源與接地訊號源。

兩個訊號源都有適用於個別量測方法的最佳連線圖。請注意，視訊號類型而定，特定電壓量測方法可能會有更出色的效果。  深入了解類比訊號的廠房接線與雜訊考量。

量測參考點方法

電壓的量測方法有兩種：接地參考與差動。

接地參考電壓量測 (RSE 或 NRSE)

 

量測電壓的其中一個方法，就是透過共點或「接地」點進行量測。這些「接地」往往極為穩定，且通常接近 0 V。從過去的經驗來看，訊號必須直接連至接地，才能夠確保應用的電壓電位為 0 V。凡是符合下列條件的通道，都相當適合使用接地參考輸入連線：

 

• 輸入訊號為高準位 (大於 1 V)
• 將訊號連接至裝置的導線長度不到 10 英呎 (3 公尺)
• 輸入訊號可與其他訊號共用相同的參考點

進行量測的裝置或接受量測的外部訊號，都可做為接地參考。由裝置提供接地時，就是所謂的接地參考單端點模式 (RSE)，由訊號提供接地時，則稱為非參考單端點模式(NRSE)。

差動電壓量測 (DIFF)

另一個量測電壓的方法，就是判斷單一電路中兩個相異點之間的「差動」電壓。舉例來說，若要跨單電阻器量測電壓，則必須量測電阻器兩個端點的電壓。此電壓差異即為整個電阻器的電壓。針對跨越不同電路元件存在的電壓，或具有雜訊的訊號源，您通常可以使用差動電壓量測來判斷其電壓。

凡是符合下列條件的通道，都相當適合使用差動輸入連線：

• 輸入訊號為低準位 (低於 1 V)
• 傳輸訊號的導線長度超過 3 公尺 (10 英呎)
• 輸入訊號需要個別的接地參考點，或回傳訊號
• 訊號導線必須穿過高雜訊環境

在差動模式中，負極訊號會連至類比針腳，並直接對應已連接正極訊號的類比通道。差動模式的缺點，在於類比輸入量測通道的數量會大幅減半。

訊號源類型

在設定輸入通道並連接訊號之前，您必須先判斷訊號源為浮動式或接地參考。

 

浮動訊號源

浮動訊號源並不會連接建築物的接地系統，但具有隔離的接地參考點。浮動訊號源的範例包括轉換器、熱電偶、電池供電裝置、光學隔離器與隔離放大器。凡是具有隔離式輸出的儀器或裝置，皆屬浮動訊號源。浮動訊號的接地參考，必須先連接裝置的接地，以針對訊號建立本地或機板參考。否則，所量測的輸入訊號，就會因共模輸入範圍之外的浮動源而有所不同。

在浮動訊號方面，您可以使用多種輸入設定，包括：差動 (DIFF)、單一端點接地參考 (RSE) 或單一端點非參考 (NRSE)。

圖 1.採用建議輸入設定的浮動訊號源

接地參考訊號源

接地參考訊號源會連至建築物的系統接地，因此，如果量測裝置與訊號原使用相同的供電系統，則該訊號源已連至裝置的共同接地點。若儀器與裝置的非隔離式輸出已連上供電系統，即屬於此一類型的訊號源。連接至相同建築物供電系統的兩組儀器，其接地電位之間的差異往往落於 1 mV 至 100 mV 之間，但若電力分配電路連接不當，即有可能產生更大的差異值。若未以正確的方式量測接地訊號源，則此差異值將代表量測錯誤。依循接地訊號源的連接說明操作，可將量測訊號的接地電位差異降至最低。

在接地訊號方面，您可以使用兩種輸入設定，也就是差動 (DIFF) 或單一端點非參考 (NRSE)。NI 不建議以單一端點接地參考輸入設定做為接地訊號源。

圖 2.搭配不同輸入設定的接地參考訊號源

接地訊號源輸入設定

在接地訊號方面，您可以使用兩種輸入設定選項。請注意：NI 不建議以單一端點接地參考輸入設定做為接地訊號源。

電壓量測考量 

在量測電壓時，請務必將多項因素納入考量，例如高電壓量測、接地迴路、共模電壓，以及隔離拓撲。

高電壓量測與隔離

在量測較高電壓時，必須考慮多個問題。若要指定資料擷取系統，首要之務，就是確認系統是否安全無虞。高電壓量測可能對設備、受測裝置，甚至操作人員造成傷害。為了確保系統安全，請務必使用隔離式量測裝置，在操作人員與高電壓之間形成隔離屏障。

隔離為使用物理或電子方式隔開兩組量測裝置的做法，可進一步劃分為電子隔離與安全性隔離兩種類別。電子隔離的目的，在於消除兩個電子系統之間的接地路徑。透過電子隔離，即可中斷接地迴路、提升資料擷取系統的共模範圍，並將準位從訊號參考接地移動至單一系統接地。安全性隔離則會參考特定標準需求，將操作人員與高電壓隔離開來。這項做法也顯示出電子系統防堵高電壓與暫態電壓的能力，避免這類電壓通過邊界傳輸到使用者可能接觸的其他電子系統。

將隔離功能整合至資料擷取系統內，可發揮三種主要功能：避免產生接地迴路、消除共模電壓，以及提高安全性。

深入了解高電壓量測作業與隔離。

接地迴路

接地迴路為資料擷取應用中最常見的雜訊來源。當電路中的兩個相連終端具有不同的接地電位時，就會產生接地迴路，並在兩點之間產生電流。系統的本地接地可能比最鄰近的建築物高或低數伏特，若於附近產生雷擊，差異即可能提高至數百或數千個伏特之多。這種額外的電壓不僅會造成嚴重的量測錯誤，也會讓附近的接線產生相應的電流。這些錯誤會以暫態或週期性訊號的方式顯示。舉例來說，若以 60 Hz AC 電源線形成接地迴路，在量測作業中，不必要的 AC 電壓訊號就會以定期的電壓錯誤方式呈現。

當接地迴路存在時，所測得的電壓 ( ΔV_m) 為訊號電壓 ( V) 的總和，且電位差 (ΔV_g) 將存在於訊號源接地與量測系統接地之間 (如圖 3 所示)。通常，此電位通常並不是 DC 準位；因此，具有雜訊的量測系統往往會於讀數中顯示 60 Hz 電源線頻率。

圖 3.使用接地參考系統量測的接地訊號源會形成接地迴路

若要避免接地迴路，請確定量測系統中僅有一組接地參考，或使用隔離的量測硬體。隔離的硬體可縮短訊號源與量測裝置之間的接地路徑，並避免多組接地點之間的電流流動。

共模電壓

理想的差動量測系統，只會對位於 (+) 與 (-) 這兩個輸入端子間的電位差動做出回應。跨電路對的差動電壓，即為所需的訊號，而多餘的訊號可能存在於差動電路對的兩端。此電壓即為共模電壓。理想的差動量測系統不僅要進行量測，更應完全阻絕共模電壓。然而，實際的裝置卻有著諸多限制，舉例來說，共模電壓範圍與共模拒斥比 (CMRR) 等參數，將對抑制共模電壓的功能產生限制。

共模電壓範圍為根據量測系統的接地，於每個輸入取得的最大電壓擺幅。違反此一限制不僅會造成量測錯誤，也可能損害裝置上的元件。

共模拒斥比則為量測系統阻絕共模電壓的能力。具有較高共模拒斥比的放大器，可更有效地阻絕共模電壓。

在非隔離的差動量測系統中，輸出與輸入電路之間仍存在著電子路徑。因此，放大器的電子特性，將對套用至輸入的共模訊號強度造成限制。使用隔離放大器，即可縮短導通的電子路徑，並大幅提升共模拒斥比。

隔離拓撲

當設定量測系統時，必須先了解裝置的隔離拓撲。不同的拓撲具有多種相關的成本與速度考量。常見的兩大拓撲，分別為通道對通道拓撲，以及組間拓撲。

通道對通道

通道對通道隔離為最具成效的隔離拓撲。此拓撲中的每個通道，都會與其他通道以及其他非隔離性系統元件相互隔離。此外，每個通道都有專屬的隔離電源供應。

若有速度方面的考量，也有多種架構可供選用。若在每個通道搭配類比至數位轉換器 (ADC) 使用隔離放大器，由於可平行存取所有通道，速度將有所提升。將每個隔離的輸入通道多工至單一 ADC 的架構，雖然較具經濟效益，但速度也較慢。

提供通道對通道隔離的另一種方法，就是讓所有通道使用相同的隔離電源供應。如此一來，除非使用前端衰減器，否則放大器的共模範圍將受電源供應的電源軌所限制。

組間

另一個隔離拓撲則涉及組間 (又稱為分組)，也就是由數個通道共用單一隔離放大器。在此一拓撲中，通道間的共模電壓差會受到限制，但通道組間與量測系統內非隔離部分的共模電壓卻有可能相當高。雖然個別通道並未受到隔離，但通道組間均隔絕於其他組間與接地之外。由於此設計會共用單一隔離放大器與電源供應，因此，該拓撲可做為較平價隔離解決方案。

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