五个基于PC的数据采集陷阱及如何避免它们

当您将数据采集系统从实验室的受控环境转移到车间时，许多因素可能会共同破坏您的测量精度，最坏的情况是破坏您的设备。因此，了解这些因素对于衡量成功至关重要。通过我们在DATAQ Instruments的应用支持计划，我们已经确定了在工业环境中成功测量的五个反复出现的障碍，我将在这里按最常见到最不常见的顺序进行讨论，并结合一些现实生活中的例子来增强您对所涉及的概念的理解。到我们完成时，我希望您能对工业测量的严格性有更深入的了解，并更好地选择适合任何给定工业应用的仪器。

串音

到目前为止，我们遇到的最常见的问题涉及一种现象，即一个数据采集通道的内容叠加在另一个数据采集通道上。这种情况称为串扰，可能会导致细微的测量误差，可能需要一段时间才能检测到。然而，在其最粗略的形式中，一个通道的几乎完全相同的副本出现在一个没有连接到的相邻通道上。

基于PC的仪器革命催生了一种称为多路复用器的电子设备的积极使用，其驱动力是每通道成本在30美元到40美元之间。但在此过程中，许多产品已经放弃了传统仪器仪表的标志：每个通道一个放大器。缺少此功能的产品将多路复用器的输入直接连接到被测系统。与随后的许多其他测量情况一样，这样做的问题在于多路复用器不是理想的设备。其输入具有电容，可以并且确实以与采样率和信号源阻抗成正比的大小存储电荷。正是这种特性导致了串扰。

考虑多路复用器的输入直接连接到放大器输出的应用。在这种情况下，多路复用器看到的阻抗稳定且低，约为 10 欧姆。串扰被大大减小或完全消除，因为源的阻抗足够低，可以在ADC转换并报告值之前将电荷排放到多路复用器的输入电容上。然而，即使在这种近乎理想的阻抗情况下，高采样速率也会通过最小化多路复用器通道上的停留时间来增加串扰。实际上，在进行A-D转换之前，电容有更少的时间释放其电荷，从而导致以前不存在的串扰。

从前面的讨论中可以看出，随着源阻抗和采样速率的增加，串扰的概率也会增加。为避免此陷阱，请记住以下几点。

最小化信号源的源阻抗。根据经验，尽量将其保持在 100 欧姆以下，尽管在非常高的采样率下，即使这个值也可能太高。

如果无法将源阻抗控制到最低水平，请考虑在信号源和基于 PC 的仪器之间放置一个放大器。更好的是，选择每个通道上都有内置放大器的仪器。

尽可能降低仪器的采样率。考虑一种允许您控制产品突发采样率以增加灵活性的仪器。

共模电压 （CMV）

尽管串扰在应用程序查询量方面处于领先地位，但CMV在混淆能力方面处于领先地位。更传统的测量方法，如电池供电的手持式DVM，几乎完全不受CMV问题的影响。当然，客户认为他们可以简单地将这种成功扩展到基于PC的测量方法。然而，在许多情况下，他们这样做的结果很差，甚至是灾难性的。他们遇到的问题可能与制造商数据表上的两个规格有关。它们是：满量程范围和最大输入电压而不会损坏。前者告诉您可以成功测量仪器输入端连接多少电压（所谓的正常模式电压）。顾名思义，后者表示仪器在损坏之前可以承受多少正常模式电压。

共模电压，即仪器的每个输入相对于电源接地同时同相出现的电压，将与正常模式电压相结合，以测试仪器的极限。大多数PC数据采集产品允许在共模和普通模式电压的组合存在时进行测量，前提是它们的总和等于或小于仪器的满量程范围。但是，只有在数据采集产品的输入配置为差分操作时，才能在这些条件下进行测量，如图1所示。

图 1 — 差分放大器的作用抵消了其每个输入上同时同相出现的共模电压 （CMV）。目标信号，即所谓的普通模式电压（NMV）通过。

建立差分测量的基本规则后，现在应该按从最好到最差的顺序详细说明此类测量的三种可能结果：

（CMV + NMV） ≤满量程范围：良好的测量，取决于仪器的共模抑制规格（稍后会详细介绍）。

满量程范围≤（CMV + NMV） ≤ 无损坏的最大输入电压：您的测量以正负满量程锁定。您没有可用的结果，但也没有损坏。

（CMV + NMV） 》 无损坏的最大输入电压：闻到空气中臭氧的香气？你刚刚炸了你的数据采集产品，如果您的计算机仍然工作，你躲过了一颗子弹。

对于大多数数据采集产品来说，到达第三步的终端阶段并不需要很长时间。大多数器件可承受最大输入电压，而不会损坏仅为 ±30VDC 或峰值交流电。在工业测量领域，使用 120-440VAC 电机电源，甚至 50VDC 过程电流电源，您可以非常快速且不可逆转地超过此限制。如何将相对昂贵的数据采集仪器应用于使用手持式DVM轻松安全地进行的相同测量？您选择提供隔离的产品。

隔离就是它的名字所暗示的。与电池供电的 DVM 一样，与仪器前端输入端子相关的公共电源与与仪器后端和计算机相关的电源公共电源之间没有电气连接。因此，仪器的前端可以自由浮动在由CMV大小定义的水平上，而不会损坏并具有完整的测量精度。在这里，可以容忍的最大CMV不是由其最大输入电压规格决定的，甚至不是由其满量程范围决定的，而是由隔离栅击穿的电压决定的。例如，对于DATAQ Instruments的DI-730数据采集产品，击穿发生在1000VDC或峰值交流电，完全在大多数工业应用的预期CMV范围内。图2描述了一个典型应用，其中隔离允许在高CMV存在的情况下进行测量。

图2 — 隔离栅允许在存在高电平的情况下进行测量 共模电压。差分放大器能够消除高CMV 对目标信号的青睐是通过其共模抑制来衡量的。

但是，在“买方当心”标题下，可以以多种形式提供隔离：输入到输出;渠道到渠道;以及两者的结合。对于绝大多数多通道工业应用，您需要输入到输出和通道间隔离。这种安排允许每个通道相对于其他通道浮动。例如，通道一上的CMV不会中断其他通道上的测量，即使它们以电源通用或完全不同的CMV为参考。相比之下，仅设计有输入至输出隔离的系统基本上将所有通道的公共部分联系在一起。一个通道上的CMV以相同的电位浮动，如果另一个通道连接到接地参考信号或不同的CMV，则可能会产生灾难性的结果。购买仅提供输入到输出隔离的产品只有一个原因。成本。在八通道产品中构建一个隔离栅比为每个通道构建一个隔离栅的成本更低。这种成本节约通常反映在较低的系统价格上。但是在这种仪器的实际应用中，您可能会发现您只是购买了昂贵的保险丝。

在离开隔离话题之前，我想坚定而明确地指出一点：您不能也不应该将提供差分测量功能的产品等同于提供隔离的产品。这是两个完全不同的、不相关的功能。尽管如此，有些人仍然误以为具有差分测量功能的产品使他们能够在高CMV条件下应用仪器。正如我们所看到的，差分但非隔离的产品只能承受中等的CMV而不会损坏，甚至更低的CMV具有良好的测量结果。

直流共模抑制 （CMR）

每当测量时存在CMV，准确性都会受到不利影响。剩下的唯一问题是不准确的程度，您可以通过在产品数据手册中查找共模抑制规格来确定这一点。任何提供差分输入的仪器，无论是否隔离，都能够抑制共模电压，其程度由其CMR决定。CMR 通常定义为输入与输出 CMV 的对数比（以分贝为单位）。大多数PC通用模数产品的共模抑制比（CMRR）约为80db。这个数字如何应用于测量？让我们看一个谦虚的例子，然后进行数学计算。假设您要在存在 6VDC 共模电压的情况下测量 3VDC 正常模式信号：

第一次尝试还不错。我们从CMV开始，其幅度是目标信号的两倍，但是我们的差分放大器具有出色的80db CMRR规格，将其对放大器输出的影响降低到仅几分之一毫伏，对精度的影响可以忽略不计。根据这些证据，您可能会得出结论，80db 抑制适用于所有应用程序。让我们在图 2 描述的实际应用程序中测试此假设。这是数学，省略了多余的前三个步骤：

当CMV和NMV电位之间的扩散很窄（第一个示例中仅为2：1）时，仪器运行良好，当扩散呈指数增长时，实际上会崩溃 - 这是许多工业测量中的常见情况，例如图2中典型分流测量的4，000：1扩散。由于在这些情况下您无法降低CMV，因此唯一的解决方案是使用具有更好CMR的仪器。从 DATAQ 仪器的型号 DI-730 中窃取另一个规格，以下是使用该仪器的 120db CMRR 为同一应用堆叠数学的方法：

如您所见，了解CMV将如何影响测量精度至少与了解它的存在一样重要。为了帮助您评估您可能已经拥有或可能购买的仪器，我准备了表 1 的快速查看指南。

CMRR（db）反日志等效

将计算出的3.2mV误差与目标信号进行比较，以确定整体精度。

表 1 — 使用此方便的指南估算误差 由共模电压引起的函数 仪器的共模抑制比。

要使用它，只需确定应用的 CMV，并在数据手册中查找仪器的 CMRR 规格。表 1 提供了一系列以分贝为单位的 CMRR 及其等效的反对数比率，因此您不必像我上面所做的那样使用对数数学。将您的CMV和适当的抗对数比率代入所示的公式中。结果是以伏特为单位的预期测量误差。将此图与您需要测量的NMV进行比较，以确定仪器是否适合该应用。

交流共模抑制

前面的讨论集中在纯直流共模电压上，仅传递对交流的参考。但交流CMV至少与直流电一样普遍，当您包括不可预测的噪声源（例如电机电刷和电感式EMF）时，甚至更是如此，包括传导和辐射。因此，我对纯直流CMV的假设在实际实践中可能得不到支持。因此，值得探讨交流CMV如何对放大器的CMRR产生不利影响，从而影响测量精度。

差分放大器抑制CMV的能力与其两个输入的平衡程度直接相关。回退到一个理想的例子，如果我们将1VDC连接到一个输入，1VDC连接到另一个输入，我们希望放大器的输出为0V。但我们知道放大器不是，也永远不会是理想的。换句话说，它的CMRR永远不会是无限的。放大器内部甚至被测系统中的微小容差变化都会迫使放大器失去平衡，无论多么轻微，都会产生有限的CMRR值及其随之而来的不准确性。当应用AC CMV时，会引入一组全新的加法误差。罪魁祸首又回到了本文的开头：电容。

在纯直流CMV条件下，信号源、信号电缆和连接器以及放大器本身中的任何电容都是无关紧要的。引入交流元件时，这些电容会形成复杂且不可预测的阻抗，从而迫使放大器失去平衡。这种不平衡可以而且将会随着频率的变化而改变。为了解决这个问题，大多数制造商指定CMRR不是在理想的直流条件下，而是在50或60Hz下，放大器输入之间的不平衡通常为1，000欧姆。这样做是为了在最可能的交流干扰源（交流电源线的频率）下为您提供 CMRR 的最坏情况估计值。除此之外，制造商无法预测您的特定应用可能会遇到哪些特定频率。您可能会发现，在存在较高频率噪声的情况下，规格为 100db CMR 的仪器产生的抑制效果不会优于 80db。然而，该产品仍在制造商定义的规格范围内运行。

如何确定仪器在存在电源线以外的噪声时的适用性？不幸的是，这个问题没有简单的答案。但请记住，成功解决此类应用的产品并非偶然。宽频谱交流抑制必须在产品设计周期的早期就内置到产品中。请与制造商联系并描述您的具体情况。如果他们向您保证仪器的适用性，请测试他们的信心并要求试用期。在极端情况下，如直流驱动系统或其他高速高压开关应用，只有眼见为实。

测量范围和输入保护

到目前为止，我已经研究了在将仪器应用于要求苛刻的工业应用时必须考虑的一些更深奥但高度相关的问题。其他更明显的问题涉及仪器的测量范围和输入保护。

大多数工业应用将在测量频谱的两端测试仪器的勇气 - 从几百伏范围内的大源电压到数十毫伏范围内的小分流电压。您 为 这些 应用 选择 的 仪器 应 能够 在 各种 测量 范围 中 轻松 选择 ， 并且 逐 通道 地 进行 选择， 因为 同时 测量 电压 和 电流 是 很 常见 的。

但是，这些高度可变和宽动态范围测量的本质隐含着对输入保护的需求。我们中有多少人没有因为曾经试图在毫伏范围内测量几百伏特而感到内疚？它一直在发生。实用的输入保护应允许无限期连接其最大无损坏范围内的任何电压，无论选择何种测量范围。

最后，当您真正失误并超过仪器的最大无损范围时，后果是什么？如果它变成燃烧的煤渣可以吗？你应该期待更多吗？我认为，为我们在这里讨论的应用而设计的仪器应该更宽容。输入保护方案比比皆是，没有一种方案可以绝对保护仪器免受灾难性事件的影响。但损害可以最小化。最成功的技术应用了快速响应热敏电阻布置，该配置在高压存在下打开

结论

数据采集应用领域充满了测量挑战。但是，在坚韧不拔的工业世界中，没有比日常电压和电流测量要求更高的了。即使是相对良性的4-20mA过程电流信号，表面上看起来很简单，实际上也可能携带隐藏的CMV，这可能会混淆您的最佳测量尝试。通过研究应用和候选仪器的数据表进行仔细规划将帮助您避免大多数陷阱。即便如此，最终的证据还是布丁。向仪器供应商表达您的疑虑和问题。将他们的意见与您的经验相结合。通过坚持在您的设施中按照您想要的测量方式进行与信号相连的评估，消除任何挥之不去的疑虑。

审核编辑：郭婷