當您將數據采集系統從實驗室的受控環境轉移到車間時，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備。因此，了解這些因素對于衡量成功至關重要。通過我們在DATAQ Instruments的應用支持計劃，我們已經確定了在工業環境中成功測量的五個反復出現的障礙，我將在這里按最常見到最不常見的順序進行討論，并結合一些現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，我希望您能對工業測量的嚴格性有更深入的了解，并更好地選擇適合任何給定工業應用的儀器。

串音

到目前為止，我們遇到的最常見的問題涉及一種現象，即一個數據采集通道的內容疊加在另一個數據采集通道上。這種情況稱為串擾，可能會導致細微的測量誤差，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在一個沒有連接到的相鄰通道上。

基于PC的儀器革命催生了一種稱為多路復用器的電子設備的積極使用，其驅動力是每通道成本在30美元到40美元之間。但在此過程中，許多產品已經放棄了傳統儀器儀表的標志：每個通道一個放大器。缺少此功能的產品將多路復用器的輸入直接連接到被測系統。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用器不是理想的設備。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。正是這種特性導致了串擾。

考慮多路復用器的輸入直接連接到放大器輸出的應用。在這種情況下，多路復用器看到的阻抗穩定且低，約為 10 歐姆。串擾被大大減小或完全消除，因為源的阻抗足夠低，可以在ADC轉換并報告值之前將電荷排放到多路復用器的輸入電容上。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用器通道上的停留時間來增加串擾。實際上，在進行A-D轉換之前，電容有更少的時間釋放其電荷，從而導致以前不存在的串擾。

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

最小化信號源的源阻抗。根據經驗，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品突發采樣率以增加靈活性的儀器。

共模電壓 （CMV）

盡管串擾在應用程序查詢量方面處于領先地位，但CMV在混淆能力方面處于領先地位。更傳統的測量方法，如電池供電的手持式DVM，幾乎完全不受CMV問題的影響。當然，客戶認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，他們這樣做的結果很差，甚至是災難性的。他們遇到的問題可能與制造商數據表上的兩個規格有關。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的電壓，將與正常模式電壓相結合，以測試儀器的極限。大多數PC數據采集產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，只有在數據采集產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的共模電壓 （CMV）。目標信號，即所謂的普通模式電壓（NMV）通過。

建立差分測量的基本規則后，現在應該按從最好到最差的順序詳細說明此類測量的三種可能結果：

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

滿量程范圍≤（CMV + NMV） ≤ 無損壞的最大輸入電壓：您的測量以正負滿量程鎖定。您沒有可用的結果，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？你剛剛炸了你的數據采集產品，如果您的計算機仍然工作，你躲過了一顆子彈。

對于大多數數據采集產品來說，到達第三步的終端階段并不需要很長時間。大多數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。在工業測量領域，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地超過此限制。如何將相對昂貴的數據采集儀器應用于使用手持式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的公共電源與與儀器后端和計算機相關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數據采集產品，擊穿發生在1000VDC或峰值交流電，完全在大多數工業應用的預期CMV范圍內。圖2描述了一個典型應用，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 對目標信號的青睞是通過其共模抑制來衡量的。

但是，在“買方當心”標題下，可以以多種形式提供隔離：輸入到輸出;渠道到渠道;以及兩者的結合。對于絕大多數多通道工業應用，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，僅設計有輸入至輸出隔離的系統基本上將所有通道的公共部分聯系在一起。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，則可能會產生災難性的結果。購買僅提供輸入到輸出隔離的產品只有一個原因。成本。在八通道產品中構建一個隔離柵比為每個通道構建一個隔離柵的成本更低。這種成本節約通常反映在較低的系統價格上。但是在這種儀器的實際應用中，您可能會發現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：您不能也不應該將提供差分測量功能的產品等同于提供隔離的產品。這是兩個完全不同的、不相關的功能。盡管如此，有些人仍然誤以為具有差分測量功能的產品使他們能夠在高CMV條件下應用儀器。正如我們所看到的，差分但非隔離的產品只能承受中等的CMV而不會損壞，甚至更低的CMV具有良好的測量結果。

直流共模抑制 （CMR）

每當測量時存在CMV，準確性都會受到不利影響。剩下的唯一問題是不準確的程度，您可以通過在產品數據手冊中查找共模抑制規格來確定這一點。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 的對數比（以分貝為單位）。大多數PC通用模數產品的共模抑制比（CMRR）約為80db。這個數字如何應用于測量？讓我們看一個謙虛的例子，然后進行數學計算。假設您要在存在 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，其幅度是目標信號的兩倍，但是我們的差分放大器具有出色的80db CMRR規格，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。根據這些證據，您可能會得出結論，80db 抑制適用于所有應用程序。讓我們在圖 2 描述的實際應用程序中測試此假設。這是數學，省略了多余的前三個步驟：

當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，當擴散呈指數增長時，實際上會崩潰 - 這是許多工業測量中的常見情況，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 中竊取另一個規格，以下是使用該儀器的 120db CMRR 為同一應用堆疊數學的方法：

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擁有或可能購買的儀器，我準備了表 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 儀器的共模抑制比。

要使用它，只需確定應用的 CMV，并在數據手冊中查找儀器的 CMRR 規格。表 1 提供了一系列以分貝為單位的 CMRR 及其等效的反對數比率，因此您不必像我上面所做的那樣使用對數數學。將您的CMV和適當的抗對數比率代入所示的公式中。結果是以伏特為單位的預期測量誤差。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，當您包括不可預測的噪聲源（例如電機電刷和電感式EMF）時，甚至更是如此，包括傳導和輻射。因此，我對純直流CMV的假設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。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，也永遠不會是理想的。換句話說，它的CMRR永遠不會是無限的。放大器內部甚至被測系統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，都會產生有限的CMRR值及其隨之而來的不準確性。當應用AC CMV時，會引入一組全新的加法誤差。罪魁禍首又回到了本文的開頭：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緊要的。引入交流元件時，這些電容會形成復雜且不可預測的阻抗，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，制造商無法預測您的特定應用可能會遇到哪些特定頻率。您可能會發現，在存在較高頻率噪聲的情況下，規格為 100db CMR 的儀器產生的抑制效果不會優于 80db。然而，該產品仍在制造商定義的規格范圍內運行。

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，成功解決此類應用的產品并非偶然。寬頻譜交流抑制必須在產品設計周期的早期就內置到產品中。請與制造商聯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，如直流驅動系統或其他高速高壓開關應用，只有眼見為實。

測量范圍和輸入保護

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

大多數工業應用將在測量頻譜的兩端測試儀器的勇氣 - 從幾百伏范圍內的大源電壓到數十毫伏范圍內的小分流電壓。您 為 這些 應用 選擇 的 儀器 應 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范圍測量的本質隱含著對輸入保護的需求。我們中有多少人沒有因為曾經試圖在毫伏范圍內測量幾百伏特而感到內疚？它一直在發生。實用的輸入保護應允許無限期連接其最大無損壞范圍內的任何電壓，無論選擇何種測量范圍。

最后，當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？你應該期待更多嗎？我認為，為我們在這里討論的應用而設計的儀器應該更寬容。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難性事件的影響。但損害可以最小化。最成功的技術應用了快速響應熱敏電阻布置，該配置在高壓存在下打開

結論

數據采集應用領域充滿了測量挑戰。但是，在堅韌不拔的工業世界中，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。通過研究應用和候選儀器的數據表進行仔細規劃將幫助您避免大多數陷阱。即便如此，最終的證據還是布丁。向儀器供應商表達您的疑慮和問題。將他們的意見與您的經驗相結合。通過堅持在您的設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