测量系统的分类与应用场景

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测量系统地的输入电压的波动范围。图3-6描绘了一个16通道的RSE测量系统。测量接地信号最好采用DEF或NRSE测量系统。在差分测量系统中，应该保证相对于测量地信号的共模电压在测量系统设备允许的范围之内。

测量系统可以分为差分（Differential，DEF）、参考地单端（Referenced single-ended，RSE）、无参考地单端（Nonreferenced single-ended，NRSE）三种类型。

1.差分测量系统（DEF）

差分测量系统中，信号输入端分别与一个模入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。图3-5描述了一个8通道的DEF测量系统，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。标有AIGND（模拟输入地）的引脚就是测量系统的地。

一个理想的差分测量系统仅能测出（+）和（-）输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测量系统地的输入电压的波动范围。共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误。

2.参考地单端测量系统（RSE）

一个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地AIGND。图3-6描绘了一个16通道的RSE测量系统。

3.无参考地单端测量系统（NRSE）

在NRSE测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。图3-7描绘了一个NRSE测量系统，其中AISENSE是测量的公共参考端，AIGND是系统的地。

图3-5 8通道DEF测量系统

图3-6 16通道RSE测量系统

图3-7 NRSE测量系统

4.选择合适的测量系统

按照信号连接方式（接地信号和浮动信号），两种信号源和三种测量系统一共可以组成六种连接方式，见表3-3。

表3-3 连接方式选择参考

其中，不带*号的方式不推荐使用。一般说来，浮动信号和差动连接方式可能较好。但实际测量时还要看情况而定。

测量接地信号最好采用DEF或NRSE测量系统。如果采用RSE测量系统时，将会给测量结果带来较大的误差。如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用RSE系统，因为此时接地回路电压相对于信号电压来说很小，信号源电压的测量值受接地回路的影响可以忽略。

浮动信号可以用DEF、RSE、NRSE方式测量。在差分测量系统中，应该保证相对于测量地信号的共模电压在测量系统设备允许的范围之内。如果采用差分或NRSE测量系统，放大器输入偏置电流会导致浮动信号电压偏离数据采集卡的有效范围。为了稳住信号电压，需要在每个测量端与测量地之间连接偏置电阻。这样就为放大器输入到放大器的地提供了一个直流通路。这些偏置电阻的阻值应该足够大，这样使得信号源可以相对于测量地浮动。对低阻抗信号源来说，10～100kΩ的电阻比较合适。

如果输入信号是直流，就只需要用一个电阻将（-）端与测量系统的地连接起来。然而如果信号源的阻抗相对较高，从免除干扰的角度而言，这种连接方式会导致系统不平衡。在信号源的阻抗足够高的时候，应该选取两个等值电阻，一个连接信号高电平（+）到地，一个连接信号低电平（-）到地。如果输入信号是交流，就需要两个偏置电阻，以达到放大器的直流偏置通路的要求。

总的来说，不论测接地还是浮动信号，差分测量系统是很好的选择，因为它不但避免了接地回路干扰，还避免了环境干扰。相反的，RSE系统却允许两种干扰的存在，在所有输入信号都满足以下指标时，可以采用RSE测量方式：输入信号是高电平（一般要超过1V）；连线比较短（一般小于5m）并且环境干扰很小或屏蔽良好；所有输入信号都与信号源共地。当有一项不满足要求时，就要考虑使用差分测量方式。

另外需要明确信号源的阻抗。电池、RTD、应变片、热电偶等信号源的阻抗很小，可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出错。为了更好的测量，输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗应相匹配。

测量系统的分类与应用场景

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