當(dāng)您將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從實驗室的受控環(huán)境轉(zhuǎn)移到車間時，許多因素可能會共同破壞您的測量精度，最壞的情況是破壞您的設(shè)備。因此，了解這些因素對于衡量成功至關(guān)重要。通過我們在DATAQ Instruments的應(yīng)用支持計劃，我們已經(jīng)確定了在工業(yè)環(huán)境中成功測量的五個反復(fù)出現(xiàn)的障礙，我將在這里按最常見到最不常見的順序進行討論，并結(jié)合一些現(xiàn)實生活中的例子來增強您對所涉及的概念的理解。到我們完成時，我希望您能對工業(yè)測量的嚴(yán)格性有更深入的了解，并更好地選擇適合任何給定工業(yè)應(yīng)用的儀器。

串音

到目前為止，我們遇到的最常見的問題涉及一種現(xiàn)象，即一個數(shù)據(jù)采集通道的內(nèi)容疊加在另一個數(shù)據(jù)采集通道上。這種情況稱為串?dāng)_，可能會導(dǎo)致細(xì)微的測量誤差，可能需要一段時間才能檢測到。然而，在其最粗略的形式中，一個通道的幾乎完全相同的副本出現(xiàn)在一個沒有連接到的相鄰?fù)ǖ郎稀?/p>

基于PC的儀器革命催生了一種稱為多路復(fù)用器的電子設(shè)備的積極使用，其驅(qū)動力是每通道成本在30美元到40美元之間。但在此過程中，許多產(chǎn)品已經(jīng)放棄了傳統(tǒng)儀器儀表的標(biāo)志：每個通道一個放大器。缺少此功能的產(chǎn)品將多路復(fù)用器的輸入直接連接到被測系統(tǒng)。與隨后的許多其他測量情況一樣，這樣做的問題在于多路復(fù)用器不是理想的設(shè)備。其輸入具有電容，可以并且確實以與采樣率和信號源阻抗成正比的大小存儲電荷。正是這種特性導(dǎo)致了串?dāng)_。

考慮多路復(fù)用器的輸入直接連接到放大器輸出的應(yīng)用。在這種情況下，多路復(fù)用器看到的阻抗穩(wěn)定且低，約為 10 歐姆。串?dāng)_被大大減小或完全消除，因為源的阻抗足夠低，可以在ADC轉(zhuǎn)換并報告值之前將電荷排放到多路復(fù)用器的輸入電容上。然而，即使在這種近乎理想的阻抗情況下，高采樣速率也會通過最小化多路復(fù)用器通道上的停留時間來增加串?dāng)_。實際上，在進行A-D轉(zhuǎn)換之前，電容有更少的時間釋放其電荷，從而導(dǎo)致以前不存在的串?dāng)_。

從前面的討論中可以看出，隨著源阻抗和采樣速率的增加，串?dāng)_的概率也會增加。為避免此陷阱，請記住以下幾點。

最小化信號源的源阻抗。根據(jù)經(jīng)驗，盡量將其保持在 100 歐姆以下，盡管在非常高的采樣率下，即使這個值也可能太高。

如果無法將源阻抗控制到最低水平，請考慮在信號源和基于 PC 的儀器之間放置一個放大器。更好的是，選擇每個通道上都有內(nèi)置放大器的儀器。

盡可能降低儀器的采樣率。考慮一種允許您控制產(chǎn)品突發(fā)采樣率以增加靈活性的儀器。

共模電壓 （CMV）

盡管串?dāng)_在應(yīng)用程序查詢量方面處于領(lǐng)先地位，但CMV在混淆能力方面處于領(lǐng)先地位。更傳統(tǒng)的測量方法，如電池供電的手持式DVM，幾乎完全不受CMV問題的影響。當(dāng)然，客戶認(rèn)為他們可以簡單地將這種成功擴展到基于PC的測量方法。然而，在許多情況下，他們這樣做的結(jié)果很差，甚至是災(zāi)難性的。他們遇到的問題可能與制造商數(shù)據(jù)表上的兩個規(guī)格有關(guān)。它們是：滿量程范圍和最大輸入電壓而不會損壞。前者告訴您可以成功測量儀器輸入端連接多少電壓（所謂的正常模式電壓）。顧名思義，后者表示儀器在損壞之前可以承受多少正常模式電壓。

共模電壓，即儀器的每個輸入相對于電源接地同時同相出現(xiàn)的電壓，將與正常模式電壓相結(jié)合，以測試儀器的極限。大多數(shù)PC數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品允許在共模和普通模式電壓的組合存在時進行測量，前提是它們的總和等于或小于儀器的滿量程范圍。但是，只有在數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的輸入配置為差分操作時，才能在這些條件下進行測量，如圖1所示。

圖 1 — 差分放大器的作用抵消了其每個輸入上同時同相出現(xiàn)的共模電壓 （CMV）。目標(biāo)信號，即所謂的普通模式電壓（NMV）通過。

建立差分測量的基本規(guī)則后，現(xiàn)在應(yīng)該按從最好到最差的順序詳細(xì)說明此類測量的三種可能結(jié)果：

（CMV + NMV） ≤滿量程范圍：良好的測量，取決于儀器的共模抑制規(guī)格（稍后會詳細(xì)介紹）。

滿量程范圍≤（CMV + NMV） ≤ 無損壞的最大輸入電壓：您的測量以正負(fù)滿量程鎖定。您沒有可用的結(jié)果，但也沒有損壞。

（CMV + NMV） 》 無損壞的最大輸入電壓：聞到空氣中臭氧的香氣？你剛剛炸了你的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，如果您的計算機仍然工作，你躲過了一顆子彈。

對于大多數(shù)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品來說，到達第三步的終端階段并不需要很長時間。大多數(shù)器件可承受最大輸入電壓，而不會損壞僅為 ±30VDC 或峰值交流電。在工業(yè)測量領(lǐng)域，使用 120-440VAC 電機電源，甚至 50VDC 過程電流電源，您可以非常快速且不可逆轉(zhuǎn)地超過此限制。如何將相對昂貴的數(shù)據(jù)采集儀器應(yīng)用于使用手持式DVM輕松安全地進行的相同測量？您選擇提供隔離的產(chǎn)品。

隔離就是它的名字所暗示的。與電池供電的 DVM 一樣，與儀器前端輸入端子相關(guān)的公共電源與與儀器后端和計算機相關(guān)的電源公共電源之間沒有電氣連接。因此，儀器的前端可以自由浮動在由CMV大小定義的水平上，而不會損壞并具有完整的測量精度。在這里，可以容忍的最大CMV不是由其最大輸入電壓規(guī)格決定的，甚至不是由其滿量程范圍決定的，而是由隔離柵擊穿的電壓決定的。例如，對于DATAQ Instruments的DI-730數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，擊穿發(fā)生在1000VDC或峰值交流電，完全在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的預(yù)期CMV范圍內(nèi)。圖2描述了一個典型應(yīng)用，其中隔離允許在高CMV存在的情況下進行測量。

圖2 — 隔離柵允許在存在高電平的情況下進行測量 共模電壓。差分放大器能夠消除高CMV 對目標(biāo)信號的青睞是通過其共模抑制來衡量的。

但是，在“買方當(dāng)心”標(biāo)題下，可以以多種形式提供隔離：輸入到輸出;渠道到渠道;以及兩者的結(jié)合。對于絕大多數(shù)多通道工業(yè)應(yīng)用，您需要輸入到輸出和通道間隔離。這種安排允許每個通道相對于其他通道浮動。例如，通道一上的CMV不會中斷其他通道上的測量，即使它們以電源通用或完全不同的CMV為參考。相比之下，僅設(shè)計有輸入至輸出隔離的系統(tǒng)基本上將所有通道的公共部分聯(lián)系在一起。一個通道上的CMV以相同的電位浮動，如果另一個通道連接到接地參考信號或不同的CMV，則可能會產(chǎn)生災(zāi)難性的結(jié)果。購買僅提供輸入到輸出隔離的產(chǎn)品只有一個原因。成本。在八通道產(chǎn)品中構(gòu)建一個隔離柵比為每個通道構(gòu)建一個隔離柵的成本更低。這種成本節(jié)約通常反映在較低的系統(tǒng)價格上。但是在這種儀器的實際應(yīng)用中，您可能會發(fā)現(xiàn)您只是購買了昂貴的保險絲。

在離開隔離話題之前，我想堅定而明確地指出一點：您不能也不應(yīng)該將提供差分測量功能的產(chǎn)品等同于提供隔離的產(chǎn)品。這是兩個完全不同的、不相關(guān)的功能。盡管如此，有些人仍然誤以為具有差分測量功能的產(chǎn)品使他們能夠在高CMV條件下應(yīng)用儀器。正如我們所看到的，差分但非隔離的產(chǎn)品只能承受中等的CMV而不會損壞，甚至更低的CMV具有良好的測量結(jié)果。

直流共模抑制 （CMR）

每當(dāng)測量時存在CMV，準(zhǔn)確性都會受到不利影響。剩下的唯一問題是不準(zhǔn)確的程度，您可以通過在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中查找共模抑制規(guī)格來確定這一點。任何提供差分輸入的儀器，無論是否隔離，都能夠抑制共模電壓，其程度由其CMR決定。CMR 通常定義為輸入與輸出 CMV 的對數(shù)比（以分貝為單位）。大多數(shù)PC通用模數(shù)產(chǎn)品的共模抑制比（CMRR）約為80db。這個數(shù)字如何應(yīng)用于測量？讓我們看一個謙虛的例子，然后進行數(shù)學(xué)計算。假設(shè)您要在存在 6VDC 共模電壓的情況下測量 3VDC 正常模式信號：

第一次嘗試還不錯。我們從CMV開始，其幅度是目標(biāo)信號的兩倍，但是我們的差分放大器具有出色的80db CMRR規(guī)格，將其對放大器輸出的影響降低到僅幾分之一毫伏，對精度的影響可以忽略不計。根據(jù)這些證據(jù)，您可能會得出結(jié)論，80db 抑制適用于所有應(yīng)用程序。讓我們在圖 2 描述的實際應(yīng)用程序中測試此假設(shè)。這是數(shù)學(xué)，省略了多余的前三個步驟：

當(dāng)CMV和NMV電位之間的擴散很窄（第一個示例中僅為2：1）時，儀器運行良好，當(dāng)擴散呈指數(shù)增長時，實際上會崩潰 - 這是許多工業(yè)測量中的常見情況，例如圖2中典型分流測量的4，000：1擴散。由于在這些情況下您無法降低CMV，因此唯一的解決方案是使用具有更好CMR的儀器。從 DATAQ 儀器的型號 DI-730 中竊取另一個規(guī)格，以下是使用該儀器的 120db CMRR 為同一應(yīng)用堆疊數(shù)學(xué)的方法：

如您所見，了解CMV將如何影響測量精度至少與了解它的存在一樣重要。為了幫助您評估您可能已經(jīng)擁有或可能購買的儀器，我準(zhǔn)備了表 1 的快速查看指南。

CMRR（db）反日志等效

將計算出的3.2mV誤差與目標(biāo)信號進行比較，以確定整體精度。

表 1 — 使用此方便的指南估算誤差 由共模電壓引起的函數(shù) 儀器的共模抑制比。

要使用它，只需確定應(yīng)用的 CMV，并在數(shù)據(jù)手冊中查找儀器的 CMRR 規(guī)格。表 1 提供了一系列以分貝為單位的 CMRR 及其等效的反對數(shù)比率，因此您不必像我上面所做的那樣使用對數(shù)數(shù)學(xué)。將您的CMV和適當(dāng)?shù)目箤?shù)比率代入所示的公式中。結(jié)果是以伏特為單位的預(yù)期測量誤差。將此圖與您需要測量的NMV進行比較，以確定儀器是否適合該應(yīng)用。

交流共模抑制

前面的討論集中在純直流共模電壓上，僅傳遞對交流的參考。但交流CMV至少與直流電一樣普遍，當(dāng)您包括不可預(yù)測的噪聲源（例如電機電刷和電感式EMF）時，甚至更是如此，包括傳導(dǎo)和輻射。因此，我對純直流CMV的假設(shè)在實際實踐中可能得不到支持。因此，值得探討交流CMV如何對放大器的CMRR產(chǎn)生不利影響，從而影響測量精度。

差分放大器抑制CMV的能力與其兩個輸入的平衡程度直接相關(guān)。回退到一個理想的例子，如果我們將1VDC連接到一個輸入，1VDC連接到另一個輸入，我們希望放大器的輸出為0V。但我們知道放大器不是，也永遠(yuǎn)不會是理想的。換句話說，它的CMRR永遠(yuǎn)不會是無限的。放大器內(nèi)部甚至被測系統(tǒng)中的微小容差變化都會迫使放大器失去平衡，無論多么輕微，都會產(chǎn)生有限的CMRR值及其隨之而來的不準(zhǔn)確性。當(dāng)應(yīng)用AC CMV時，會引入一組全新的加法誤差。罪魁禍?zhǔn)子只氐搅吮疚牡拈_頭：電容。

在純直流CMV條件下，信號源、信號電纜和連接器以及放大器本身中的任何電容都是無關(guān)緊要的。引入交流元件時，這些電容會形成復(fù)雜且不可預(yù)測的阻抗，從而迫使放大器失去平衡。這種不平衡可以而且將會隨著頻率的變化而改變。為了解決這個問題，大多數(shù)制造商指定CMRR不是在理想的直流條件下，而是在50或60Hz下，放大器輸入之間的不平衡通常為1，000歐姆。這樣做是為了在最可能的交流干擾源（交流電源線的頻率）下為您提供 CMRR 的最壞情況估計值。除此之外，制造商無法預(yù)測您的特定應(yīng)用可能會遇到哪些特定頻率。您可能會發(fā)現(xiàn)，在存在較高頻率噪聲的情況下，規(guī)格為 100db CMR 的儀器產(chǎn)生的抑制效果不會優(yōu)于 80db。然而，該產(chǎn)品仍在制造商定義的規(guī)格范圍內(nèi)運行。

如何確定儀器在存在電源線以外的噪聲時的適用性？不幸的是，這個問題沒有簡單的答案。但請記住，成功解決此類應(yīng)用的產(chǎn)品并非偶然。寬頻譜交流抑制必須在產(chǎn)品設(shè)計周期的早期就內(nèi)置到產(chǎn)品中。請與制造商聯(lián)系并描述您的具體情況。如果他們向您保證儀器的適用性，請測試他們的信心并要求試用期。在極端情況下，如直流驅(qū)動系統(tǒng)或其他高速高壓開關(guān)應(yīng)用，只有眼見為實。

測量范圍和輸入保護

到目前為止，我已經(jīng)研究了在將儀器應(yīng)用于要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用時必須考慮的一些更深奧但高度相關(guān)的問題。其他更明顯的問題涉及儀器的測量范圍和輸入保護。

大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用將在測量頻譜的兩端測試儀器的勇氣 - 從幾百伏范圍內(nèi)的大源電壓到數(shù)十毫伏范圍內(nèi)的小分流電壓。您 為 這些 應(yīng)用 選擇 的 儀器 應(yīng) 能夠 在 各種 測量 范圍 中 輕松 選擇 ， 并且 逐 通道 地 進行 選擇， 因為 同時 測量 電壓 和 電流 是 很 常見 的。

但是，這些高度可變和寬動態(tài)范圍測量的本質(zhì)隱含著對輸入保護的需求。我們中有多少人沒有因為曾經(jīng)試圖在毫伏范圍內(nèi)測量幾百伏特而感到內(nèi)疚？它一直在發(fā)生。實用的輸入保護應(yīng)允許無限期連接其最大無損壞范圍內(nèi)的任何電壓，無論選擇何種測量范圍。

最后，當(dāng)您真正失誤并超過儀器的最大無損范圍時，后果是什么？如果它變成燃燒的煤渣可以嗎？你應(yīng)該期待更多嗎？我認(rèn)為，為我們在這里討論的應(yīng)用而設(shè)計的儀器應(yīng)該更寬容。輸入保護方案比比皆是，沒有一種方案可以絕對保護儀器免受災(zāi)難性事件的影響。但損害可以最小化。最成功的技術(shù)應(yīng)用了快速響應(yīng)熱敏電阻布置，該配置在高壓存在下打開

結(jié)論

數(shù)據(jù)采集應(yīng)用領(lǐng)域充滿了測量挑戰(zhàn)。但是，在堅韌不拔的工業(yè)世界中，沒有比日常電壓和電流測量要求更高的了。即使是相對良性的4-20mA過程電流信號，表面上看起來很簡單，實際上也可能攜帶隱藏的CMV，這可能會混淆您的最佳測量嘗試。通過研究應(yīng)用和候選儀器的數(shù)據(jù)表進行仔細(xì)規(guī)劃將幫助您避免大多數(shù)陷阱。即便如此，最終的證據(jù)還是布丁。向儀器供應(yīng)商表達您的疑慮和問題。將他們的意見與您的經(jīng)驗相結(jié)合。通過堅持在您的設(shè)施中按照您想要的測量方式進行與信號相連的評估，消除任何揮之不去的疑慮。

審核編輯：郭婷