數(shù)據(jù)采集技巧和技術(shù)

熱電偶信號(hào)是否需要隔離？應(yīng)變計(jì)放大器的輸出應(yīng)作為單端輸入還是差分輸入連接？差分輸入總是比單端配置更好的選擇嗎？如果您不熟悉數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，這些基本的儀器問(wèn)題可能不容易回答。必須了解輸入配置和隔離問(wèn)題，以優(yōu)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能并防止設(shè)備損壞或可能的操作員傷害。本文旨在加深對(duì)正確輸入配置實(shí)踐的理解，并作為幾種日常數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的參考。

表1包含14種典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用和三種輸入配置選項(xiàng)（單端、差分和隔離），任何數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量都必須解決這些問(wèn)題。如果輸入配置選項(xiàng)對(duì)于測(cè)量是必需的或足夠的，則“選中”。在某些情況下，所有三個(gè)選項(xiàng)都適用。我的目標(biāo)是傳授一定程度的儀器專業(yè)知識(shí)，使您能夠有效地評(píng)估任何測(cè)量應(yīng)用。提高儀器技能的關(guān)鍵是培養(yǎng)確定測(cè)量最低要求的能力，并識(shí)別特定測(cè)量條件是否需要更復(fù)雜的技術(shù)。

所有這些關(guān)注輸入配置的原因是共模電壓（CMV）的存在。CMV是一種同相信號(hào)，同時(shí)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道的兩個(gè)輸入端子上。您需要注意兩個(gè)級(jí)別的巨細(xì)胞病毒。CMV 可能會(huì)將您嘗試測(cè)量的信號(hào)偏移到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量范圍之外，或者 CMV 可能會(huì)超過(guò) DAS 前端的最大過(guò)壓額定值，這可能會(huì)使您和您的硬件面臨風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入的最大CMV是您嘗試測(cè)量的信號(hào)與輸入的滿量程測(cè)量之間的差值。換句話說(shuō)，如果您有一個(gè) 5 伏滿量程輸入，并且您正在測(cè)量 1 伏信號(hào)，則輸入可以容忍任何低于 4 伏的 CMV 并且仍然可以進(jìn)行測(cè)量。CMV的存在及其幅度將決定測(cè)量是單端還是差分輸入應(yīng)用，以及是否需要隔離。

單端輸入

單端 （SE） 輸入最容易理解和連接。它由一個(gè)信號(hào)引線和一個(gè)公共接地組成。此配置足以在沒(méi)有 CMV 的情況下進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)您連接到放大器的輸出時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)這種情況最常見(jiàn)。所有放大器都具有單端輸出，在這種情況下，CMV存在的唯一方法是放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間存在接地差異 - 如果兩者都在本地供電，這種情況很少見(jiàn)。如果將 SE 輸入連接到帶有 CMV 的信號(hào)，會(huì)發(fā)生什么情況？有兩種可能性：

假設(shè)CMV的幅度低于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大輸入電壓規(guī)格，您會(huì)遇到噪聲信號(hào)。噪聲程度與CMV的大小成正比。

如果CMV的幅度超過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大過(guò)壓規(guī)格，請(qǐng)注意！您能期望的最好的結(jié)果是失去 DAS 的前端。最壞的情況通常伴隨著電子煙花，會(huì)帶走整個(gè) DAS、計(jì)算機(jī)，甚至可能帶走您?？偠灾?，表 1 中的 SE 配置僅在不存在 CMV 的情況下才可接受。

差分輸入

在進(jìn)行平衡信號(hào)源測(cè)量時(shí)或在存在CMV的情況下，需要差分輸入（DI）。

平衡信號(hào)源的一個(gè)例子是惠斯通電橋，它是應(yīng)變計(jì)和壓力傳感器測(cè)量的基礎(chǔ)。電橋輸出是電橋的兩個(gè)非勵(lì)磁角上的差分電壓（見(jiàn)表1）。如果激勵(lì)電源和儀器之間的接地相同，則此測(cè)量需要DI。相反，SE輸入會(huì)使電橋的一個(gè)元件短路，使測(cè)量變得不可能。另一個(gè)需要DI的例子是接地?zé)犭娕?。熱電偶結(jié)本身接地，使用SE會(huì)使熱電偶短路接地并破壞測(cè)量。

DI測(cè)量輸入信號(hào)的幅度作為兩個(gè)輸入之間的差值。由于一個(gè)輸入僅承載CMV和目標(biāo)信號(hào)，而另一個(gè)僅攜帶CMV，因此兩者之間的差異僅產(chǎn)生目標(biāo)信號(hào)。在目標(biāo)信號(hào)位于CMV上的應(yīng)用中，例如在離地的分流測(cè)量中，可以利用這一事實(shí)（見(jiàn)表1）。

因此，只要存在 CMV 或平衡信號(hào)源，就應(yīng)該使用 DI 配置。但是，請(qǐng)確保您知道CMV的大小：

如果CMV加上目標(biāo)信號(hào)小于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的滿量程范圍（FSR），您將能夠進(jìn)行測(cè)量。

如果CMV加上目標(biāo)信號(hào)大于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的FSR，但小于其最大過(guò)壓規(guī)格，則無(wú)法進(jìn)行測(cè)量，但不會(huì)損壞DAS。

如果CMV超過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大過(guò)壓規(guī)格，DI輸入將遭受與SE輸入相同的命運(yùn) - 電煙花，并可能造成重大損壞。

與SE輸入相比，DI的優(yōu)勢(shì)在于它能夠測(cè)量平衡輸入和抑制CMV。一個(gè) DI 消耗兩個(gè) SE 通道（一個(gè)用于正輸入，一個(gè)用于負(fù)輸入），但 SE 輸入更易于連接。此外，需要測(cè)量的SE和DI信號(hào)的混合情況并不少見(jiàn)。DATAQ儀器的數(shù)據(jù)采集硬件通過(guò)允許每個(gè)輸入通道編程為差分或單端來(lái)適應(yīng)這種情況。這種方法通過(guò)確保僅需要DI的測(cè)量分配額外的通道來(lái)節(jié)省通道數(shù)。例如 DI-720 系列儀器（32SE/16DI 通道）;允許差分和單端輸入的任意組合。

隔離

到目前為止，我們已經(jīng)能夠處理具有DI或SE輸入配置的任何類型的信號(hào)，但CMV超過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入滿量程分辨率的信號(hào)除外。處理這種信號(hào)類型是隔離域。隔離是任何儀器儀表應(yīng)用的一種選擇，但在這些條件下是絕對(duì)必要的。

隔離的存在確保計(jì)算機(jī)接地與信號(hào)接地之間絕對(duì)不存在連接。因此，信號(hào)的CMV可能會(huì)浮動(dòng)到由隔離柵定義的電平（通常為1000 V）。如表1所示，支持隔離的儀器幾乎可以應(yīng)用于任何測(cè)量情況，而不會(huì)損壞數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)或您。

如果您的儀器儀表應(yīng)用經(jīng)常需要隔離，理想的解決方案是內(nèi)置隔離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。DATAQ 儀器的 DI-718B、DI-718Bx 和 DI-788數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集與 1000 伏輸入輸出隔離信號(hào)調(diào)理相結(jié)合。即使這些產(chǎn)品連接到任何工業(yè)信號(hào)（例如熱電偶、RTD、應(yīng)變、RPM等），這種靈活性也會(huì)在不隔離的情況下受到影響。隔離可確保為工業(yè)數(shù)據(jù)采集提供無(wú)噪聲和安全的環(huán)境。

關(guān)于隔離需求的最后一點(diǎn)是圍繞生命科學(xué)應(yīng)用中的患者連接測(cè)量。任何涉及儀器與人體連接的測(cè)量都需要醫(yī)療級(jí)隔離，以確保受試者的安全。

審核編輯：郭婷