作为一名硬件工程师,理解地的概念是至关重要的,这会影响到我们系统的稳定性、测试的精确性,本节从信号源、示波器、生理信号采集等角度解读地的概念,加深对地的理解。
信号源和示波器是我们常用的设备,一个最简单的操作是用信号源产生一个信号,用示波器来采集这个信号,这个简单的过程就可以帮助我们理解地的概念。下图是信号源、示波器与地的连接示意图,信号源和示波器的探头有两根线,一根是信号线、另一跟是地线,构成了单端信号的传输方式,信号源与示波器的电源插头都是3引脚的220V插头,有地线、零线和火线3个引脚,当他们插在3头插座时,3头插座有一个地线,将信号源的地、示波器的地与大地连接在了一起,此时信号源与示波器探头上的地线即使不连接,示波器也能够采集到信号源的信号。
在第二行的图中,使用了两引脚的插座,插座上虽然用3引脚的孔,但是地孔上并没有导线连接,因此即使信号源和示波器插到这种2孔插排上,他们的地也没有做的共地。这种情况下为了做到共地,就需要把信号源探头地线和示波器探头地线连接到一起,共地后才能正常采集信号。
接下来介绍人体生理电信号采集过程中涉及到的地概念,人体除了携带我们想要采集的生理信号外,人体也携带了我们不想要的共模信号,下图左边的图示意了这个流程,人体和采集系统的地之间存着着电位差,这个电位差Vcm沿着导联(信号采集电缆)传输到采集系统构成共模干扰。系统的共模抑制比是有限的,影响系统采集的信噪比。
下面例子是用采集卡采集功放的电流,电路连接错误导致电路烧毁。图(a)是采集卡测电流的示意图,大功率的功放驱动负载,用采集卡测量串联电阻的电压,进而测量功放的输出电流,采集卡是单端采集模式,有两个通道,当按照(a)连接电路后,图中的红色导线发热严重最终烧毁。这是因为采集卡和功放都是3头的插头,连接了接地插排,二者的地在插座处形成了共地,(a)中Ch1有信号线和地线,当地线连接到电阻一边时,是相当于把电阻的这一边接地了,把功放短路,短路电流路径见(a)中的虚线箭头。想要正确测量功放输出电流波形有多种方法。
(b)中是用两个通道,按照单端采集方式分别采集电阻两端的电压,然后用Ch1的电压减Ch2的电压就是电阻两端的电压。(c)是把电阻放在低边,电阻和负载是串联关系,用采集卡的一个通道测量经过电阻的电压就可以了。(d)是使用差分采集方式,这种方式的采集精度更高,如果把电阻放在靠近地的低边检测,实现起来更容易,手机电池电量计很多就是放在低边检测电流。
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审核编辑 黄宇
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