连接模拟电压信号与数据采集(DAQ)设备

模拟测量基础

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测量模拟信号前，需要了解信号源——接地方式或浮地方式。您还必须考虑测量系统——差分方式、参考单端方式，或非参考单端方式。

• 浮地信号源 – 在浮地信号中，电压信号没有连接到任何绝对参考或任何共地，如：大地或建筑物地面。浮地信号源，也被称为：非参考信号源。一些常见的浮地信号源有：电池、热电偶、变压器或隔离放大器。
• 接地信号源 – 接地源是帮助电压信号引用至系统接地（如：地面或建筑物地面）的一类方式。由于这些信号源都采用系统接地，所以它们和测量设备使用同一个接地电压。最常见的接地信号源是那些通过壁装电源插座插入建筑物地面的设备，如信号发生器和电源。
• 差分模式 – 差分测量系统的两路输入均不与固定参考相接，如：大地或建筑物地面。差分测量系统近似浮地信号源，因为测量根据不同于测量系统接地的浮动接地进行。差分连接会须要两个模拟输入端来进行信号连接，减少能够附于DAQ设备的信号总数。
• 参考单端模式 – 一个参考单端(RSE)测量系统测量电压时以图中的AIGND接地为基准，AIGND直接与测量系统接地相连。该选项通常能让每款设备具有多过（最多2倍于）非差分模式的信号连接。
• 非参考单端模式 – 在一个NRSE测量系统中，所有的测量仍使用单节点模拟输入检测（AISENSE），但该节点上的电势会随着测量系统接地而改变。该选项通常能让每款设备具有多过（最多2倍于）非差分模式的信号连接。
• 伪差分模式 –就像差分输入通道，伪差分测量系统同时引出通道的正极和负极。可将正输入和负输入，连接至被测部件各自的输出。负输入通过相对较小的阻抗，与系统接地相接。输入通道的的正极和负极被更大阻抗分隔开。

下表提供：模拟输入连接的应用独立型总结。

表1. 模拟输入配置

连接浮地信号源

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浮地信号源没有连接至建筑物地面系统，却有一个隔离地参考点。

何时通过浮地信号源, 使用差分连接

满足下列各项条件的通道，均可使用差分输入连接：

• 输入信号为低电平（小于1 V）。
• 将信号连接至设备的导线，大于3 m (10 ft)。
• 输入信号须要一个单独的接地点或返回信号。
• 信号导线所处环境有明显噪声。
• 有两路模拟输入通道，AI+和AI–，适用于信号。

图1. 浮地信号源的差分连接

差分信号连接降低了噪声拾取，增加了共模噪音抑制。差分信号连接还允许输入信号在位于DAQ设备上的仪器放大器的共模电压范围内浮动。

何时搭配使用非参考单端(NRSE)连接与浮地信号源

只使用NRSE输入连接，需输入信号满足下列条件：

• 输入信号为高电平（大于1 V）。
• 将信号连接至设备的导线，小于3 m (10 ft)。

图2. 浮地信号源的NRSE连接

如有任意输入信号不符合上述条件，则推荐使用差分输入连接，以保证更好的信号完整度。然而，差分输入连接会减少附于DAQ设备的信号总数。

借助这类单端连接，仪器放大器既排斥信号中的共模噪声，也排斥信号源和设备接地之间的接地电势差。

何时搭配使用参考单端(RSE)连接与浮地信号源

只使用RSE输入连接，需输入信号满足下列条件：

• 输入信号可与其他使用RSE的信号，共享一个公共参考点——AI GND。
• 输入信号为高电平（大于1 V）。
• 将信号连接至设备的导线，小于3 m (10 ft)。

图3. 浮地信号源的RSE连接

如有任意输入信号不符合上述条件，则推荐使用差分输入连接，以保证更好的信号完整度。然而，差分输入连接会减少附于DAQ设备的信号总数。

借助这类单端连接，仪器放大器既排斥信号中的共模噪声，也排斥信号源和设备接地之间的接地电势差。

连接接地参考信号源

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接地参考信号源是：连接至建筑系统接地的信号源。两种仪器之间的接地电势差，连接至通常处于1 mV和100 mV间的建筑电力系统，但如果配电电路连接得不合理，差分会高许多。如测量接地信号源的方式不当，该电势差呈现为测量错误。遵照接地信号源的连接说明，减少这类可能源自被测信号的接地电势差。

何时通过接地参考信号源, 使用差分连接

满足下列各项条件的通道，均可使用差分输入连接：

• 输入信号为低电平（小于1 V）。
• 将信号连接至设备的导线，大于3 m (10 ft)。
• 输入信号须要一个单独的接地点或返回信号。
• 信号导线所处环境有明显噪声。
• 有两路模拟输入通道，AI+和AI–。

图4. 接地参考信号源的差分连接

差分信号连接降低了噪声拾取，增加了共模噪音抑制。差分信号连接还允许输入信号在位于DAQ设备上的仪器放大器的共模电压范围内浮动。

何时搭配使用非参考单端(NRSE)连接与接地参考信号源

只使用NRSE输入连接，需输入信号满足下列条件：

• 输入信号为高电平（大于1 V）。
• 将信号连接至设备的导线，小于3 m (10 ft)。
• 输入信号可与其他信号，共享一个公共参考点。

图5. 单端连接, 针对接地参考信号源 (NRSE配置)

如有任意输入信号不符合上述条件，则推荐使用差分输入连接，以保证更好的信号完整度。然而，差分输入连接会减少附于DAQ设备的信号总数。

借助这类单端连接，仪器放大器既排斥信号中的共模噪声，也排斥信号源和设备接地之间的接地电势差。

何时搭配使用参考单端(RSE)连接与接地参考信号源

勿搭配使用RSE连接和接地参考信号源。 转而使用NRSE或差分连接。

如表1中底部最右侧的单元所示，AI GND和传感器的参考地之间可能存在电势差。在RSE模式里，该接地回路引起测量误差。

现场连线考虑

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如果在测量过程中不注意信号源和设备之间导线的连接，环境噪音会严重影响设备的测量精度。

在单端模式中，有比差分配置中更多的静电噪声和磁噪声耦合到信号连接里。出现耦合，是因为信号路径有差别。磁耦合与两个信号导体之间的面积存在比例关系。电耦合是代表两个导体之间电场差大小的函数。借助这类连接，仪器放大器既排斥信号中的共模噪声，也排斥信号源和设备接地之间的接地电势差。

下列推荐主要应用于针对设备的模拟输入信号路由，尽管它们也应用于通常的信号路由。请采取以下预防措施，最小化噪声拾取并且最大化测量精度：

• 使用差分模拟输入连接，抑制共模噪声。
• 使用独立屏蔽双绞线，将模拟输入(AI)信号连接至设备。借助这类连线，附在正、负输入通道上的信号被绞在一起，后又被覆盖一层屏蔽。你可以把屏蔽层与信号源的地连接。当信号穿越带有大型磁场或高电磁干扰的区域时，有必要进行这类连接。

请查阅“NI开发者园地”文档——模拟信号的现场连线和噪声考虑，了解更多详情。