降低测量噪声的5大技巧，帮你确保测量精度
确保测量精度通常意味着不能只局限于技术规范中的参数值。理解应用的电气环境背景对于确保成功完成任务至关重要，尤其是对于噪声环境或是工业环境。接地回路、高共模电压和电磁辐射均是影响信号质量的常见噪声源。
测试系统通常会采用多种技术来降低噪声，包括适当的屏蔽、接线和端接。但是除了这些常见的做法，还有其他很多技巧可以实现更好的抗噪性能。以下五个技巧即可帮助您获得更精确的测量结果。
1. 抑制直流共模电压
高度精确的测量通常从差分读数开始。理想的差分测量设备仅读取仪表放大器正负两端之间的电位差。但是，实际的设备在抑制共模电压的能力上是有限的。
共模电压是指仪表放大器正负两端的共同电压。在图1中，5V是AI 和AI-两个接线端的公共电压，理想的设备可读取两个端子之间的5V电压差。
图1 理想的仪表放大器可完全抑制共模电压
数据采集(DAQ)设备的最大工作电压是信号电压和共模电压的和，该值规定了输入端和接地端之间可允许的最大电位差。对于大部分DAQ设备而言，最大工作电压就是仪表放大器的输入电压范围。例如，低成本M系列DAQ设备(比如NI 6220设备)的最大工作电压是11V；如果输入信号的电压超过11V，就会损坏放大器。
隔离可大幅提高数据采集设备的最大工作电压。在测量系统中，“隔离”意味着在物理和电气上将电路的两部分隔开。隔离器可将数据从电路的一个部分传输到另一个部分而不发生导电。由于电流无法通过这个隔离屏障，因此我们可以将数据采集设备的参考地与实际地隔离。这样就可将设备的最大工作电压与放大器的输入范围独立开来。例如在图2中，仪表放大器的参考地与实际地是存在电隔离的。
图2 电气隔离可将仪表放大器的参考地与实际地分开
虽然放大器的输入范围与图1是相同的，但是数采设备的工作电压已经提高到60伏，能够抑制55V的共模电压。这时的最大工作电压由隔离电路来决定，而不受放大器的输入范围限定。
燃料电池测试是需要抑制高直流共模电压的一个应用案例。每个电池可产生大约1 V的电压，但是电池堆可能会产生几千伏甚至更大的电压。如果要精确测量一个1V电池的电压，测量设备必须能够抑制电池堆内其他电池产生的高共模电压。
2. 抑制交流共模电压
通常共模电压不会只由直流电平组成。大多数共模电压源除了直流偏置之外，还包含了交流成分。来自周围电磁环境的噪声不可避免地会耦合到测量信号中。这个问题对于DAQ设备仪表放大器的低电平模拟信号来说尤其麻烦。
交流噪声源可以根据其耦合机制分为三大类：容性、感性和辐射性。容性耦合来自于时变电场，例如由周围继电器或其他测量信号产生的电场。感性或磁性耦合噪声的来源是时变磁场，比如由周围机器或电机产生的磁场。如果电磁场源远离测量电路，比如使用荧光灯照明，那么电场和磁场耦合就被认为是电磁或辐射耦合。在所有情况下，时变共模电压都会耦合到有用信号中，有用信号的频率通常在50-60Hz(电源频率)范围内。
在理想的测量电路中，通向仪表放大器正极和负极的路径是完全平衡。这样的系统能够完全抑制任何交流耦合噪声。但是，实际的设备会通过共模抑制比(CMRR)来指示其抑制共模电压的能力。CMRR是指测量信号的增益与放大器所施加的共模增益之间的比值，计算公式如下：
选择在较宽频率范围内具有更好CMRR的DAQ设备可显著提高系统的整体抗噪性能。例如，图3显示的是低成本M系列系列与工业M系列设备的CMRR比较结果。
图3 NI 6230提供了比NI 6220更高的CMRR(相对于物理地)
在60Hz下，NI6230工业M系列设备的CMRR比NI 6220低成本M系列设备高20dB。这相当于对60Hz噪声的抑制能力提高了10倍。任何应用都有可能会受益于60Hz噪声抑制。但是，那些需要大型旋转机械或电机的应用需要在更高的频率下抑制噪声。在1kHz时，NI6230设备的抗噪性比NI6220设备高100倍，这使其非常适用于工业应用。
3. 切断接地回路
接地回路可以说是数据采集系统中最常见的噪声来源。正确的接地对于精确测量至关重要，但这个概念却经常被误解。当电路中两个连接端子具有不同的地电位时便形成了接地回路。这个电位差会导致电流流入交叉连接点，从而产生偏置误差。更复杂的是信号源的地和数据采集设备的地之间的电势通常不是直流电平。这导致在读数中会出现电源频率分量的信号。如图4中的简单热电偶应用。
图4 采用接地信号源的差分热电偶测量会形成一个接地回路
这里，一个其实很直接的温度测量却由于待测设备(DUT)与数据采集装置的地电位不同而变得很复杂。虽然两个设备共享同一个接地端，但如果配电电路连接不正确，则地电位差可能达到200 mV甚至更多。电位差在测量结果中就会表现为具有交流分量的共模电压。回想一下，刚才我们说隔离是将信号源的地与仪表放大器的参考地进行电气隔离的一种方法(见图5)。
图5 隔离可通过将物理地与放大器参考地进行分离来消除接地回路
由于电流无法流过隔离屏障，因此放大器参考地的电位可以比物理地更高或更低。这样就可以避免在不经意间产生接地回路。使用隔离测量设备可避免测量系统适当接地的模糊性，从而确保更准确的结果。
4. 使用4-20 mA电流回路
长电缆和工业或恶劣电气环境中的噪声会导致进行精确测量电压变得非常困难。因此，用于测量压力、流量、位置等的工业传感器经常会发射出电流信号而不是电压信号。使用4-20mA电流回路是许多过程监测应用中距离发送传感器信息时所采用的方法，如图6所示。
图6 仪表放大器使用一个分流电阻器来将过程电流信号转换成电压信号
每个电流回路包含三个组成部分 – 一个传感器、一个电源以及一个或多个数据采集设备。来自传感器的电流信号通常介于4~20mA之间，4mA代表最低信号值和20mA代表最高信号值。这种传输方式的优点是可以通过0mA来判断电路开路或连接不良。电源的电压范围通常在24~30VDC范围内，取决于电路的总压降。
最后，数据采集设备在仪表放大器的引线之间使用一个高精度分流电阻器来将电流信号转换成电压测量信号。由于从电源一端流出的所有电流必须返回到电源另一端，因此电流回路信号不受大多数电噪声和沿长电缆流动时产生的压降所影响。此外，为传感器供电的端子也会传输测量信号，从而大大简化了现场接线。
图6显示的隔离屏障为电流回路应用提供两个主要好处。首先，由于电源电压通常超过大部分仪表放大器的最大输入电压，因此隔离对于隔离放大器地极与物理地到可接受的电压而言是十分必要的。其次，电流回路的运行原理是电流从不会从电路中流出。因此，隔离任何通往地的电流回路都可以防止信号的衰减。NI 6238和NI 6239工业M系列数据设备等设备为4-20mA电流回路应用提供了一个内置分流电阻器和高达60VDC的对地隔离电压。
5. 使用24 V数字逻辑
测量噪声并不局限于模拟信号。数字逻辑也可能会受到嘈杂电气环境的影响，导致错误的开/关值指示或意外触发。许多电压电平和逻辑系列与数字I/O相关，其中有一些具有更高的抗噪性能。晶体管 – 晶体管逻辑(TTL)是目前最常见的逻辑系列，应用于从微处理器到LED等各种组件。虽然受到广泛应用，TTL并不一定是所有数字应用的最佳选择。
对于工业应用，TTL的固有缺点是噪声容限小。TTL的高低逻辑电平分别是2.0 V和0.8 V，可允许的误差范围非常小。例如，假设TTL输入信号的低电平噪声余量是0.3V(最大低电平TTL输入电压0.8V与最大低电平TTL输出电压0.5V之间的差)。任何耦合到数字信号中的噪声如果超过0.3伏，就会使电压移位到未定义的0.8 V~2.0V区域之间。这时数字输入的行为是不确定的，从而产生不正确的值(见图7)。
图7 24V逻辑具有比TTL更好的噪声容限
但是，24V逻辑提供了更高的噪声容限和更好的整体抗噪性能。由于大多数工业传感器、执行器和控制逻辑通过24V电源供电，因此使用对应的数字逻辑电平非常方便。24V逻辑数字信号的低电平输入是4V，高电平输入是11V，因此对噪声较不敏感。
大多数具有24 V数字I/O功能的测量设备提供了额外的降噪功能。例如，NI工业M系列和数字I/O设备配有可编程输入滤波器，可去除继电器输入的抖动。当机械继电器闭合时，在很短的时间内(几毫秒)两个接触点之间会发生弹跳。如果没有经过滤波，逻辑输入可能将此读作为一个突发的开/关信号。这些设备还提供了隔离功能，如果整个系统的组件由不同电源供电，这是一个重要的考量因素。
6. 结论
在尝试降低测量系统的噪声时需要考虑许多因素。除了适当的屏蔽、布线和端接外，仔细考虑共模电压、接地和周边噪声源也是获得正确结果的关键。然而，要理解系统所处的电气环境并不总是很容易。无论是什么信号或应用，隔离都是一种增加您对测量系统准确性的信心的一种简单方法。
本文来源于National Instruments网站（ni.com）技术白皮书栏目，作者：Charles Stiernberg，他是一名NI数据采集产品工程师。他拥有得克萨斯大学奥斯汀分校的电子工程学位，主要研究嵌入式系统与VLSI设计。
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