模拟信号 【技术技巧】 模拟信号连接基础教程（上）

目标

提供以下模拟输入信号连接的基本概念和原理:

单端输入

差分输入

共模电压

共模范围

系统接地和隔离

适用用户

希望准确采集模拟输入信号的数据采集卡用户。如果熟悉这些概念，可以直接进入第二部分:模拟信号连接基础课程(下)

原理

单端和差分输入信号配置

典型的数据采集硬件提供独立和差分模拟输入配置选项

单端输入

单端输入收集输入信号和参考信号系统接地端之间的电压(AGND)(见图1)。这种连接使得我们在测量时只需要对每个信号使用一个模拟输入通道，因此在使用RSE模式时，一个16通道数据采集设备可以测量16个信号。

图1。基本单端输入配置

差分输入

差分输入收集两个独立输入信号之间的电压差(见图2)。与单输入方式相比，差分输入对电磁传导干扰的抵抗力

能力更强。大部分的EMI干扰会同时传导到所有的信号线，差分输入可以通过测量根线的信号差来去除这些干扰。

图2。基本差分输入配置

共模电压和共模范围

单端输入和差分输入的主要区别是模拟输入的共模连接或共模电压。

单端多通道采集系统需要所有输入电压对应同一公共参考点，以避免固定的测量误差。对于大多数单端输入数据采集系统，公共参考点必须是计算机的接地端，以避免传导干扰和接地端噪声对输入信号的影响。

图3显示了共模电压下的单端输入连接。接地端子G1和G2之间的电压差将导致数据采集卡输入放大器的信号误差。对于单输入，如果找不到理想的公共接地，则必须使用差分输入模式。

图3:带共模电压的独立输入连接

与单端输入相比，差分输入连接可以更有效地抑制传导干扰，因为差分输入通过测量两个连接点之间的电势差来消除或忽略共模电压的影响，消除的共模电压可能是稳定的DC电平或噪声毛刺。

图4。共模电压下的差分输入连接

Vcm是差分输入连接消除的共模误差，必须在一定范围内，称为共模电压范围。一般来说，差分连接模式下的仪表放大器共模电压范围为10 V，Vcm+Vs必须在此范围内。

10 V的共模电压范围如图5所示，因此:

由于共模电压的限制，即使使用差分输入模拟。我们无法测量从AGND到信号输入的电位差大于10V的模拟信号。例如，因为必须满足10 V的共模电位差限制，所以设备无法收集13V和14V之间的差分电压，尽管该电压只有1 V。

系统接地和隔离

在决定如何将信号连接到数据采集设备时，需要考虑三种接地条件:

如果设备和信号源使用公共接地，信号源可以直接连接到设备。

如果设备和信号源公共地之间存在电压偏移(无论是交流还是DC)，该偏移电压就是共模电压。然后这个偏置电压的幅度决定了你是否可以将信号直接连接到设备(这种情况将在下面的“带共模电压的系统(地电位差)”一节中解释)。

如果设备和信号源已经通过接地隔离，您可以直接将信号源连接到您的设备。

有共同基础的系统

在最简单的情况下，信号源和采集系统具有相同的地电位。一个典型的例子是由数据采集卡供电或激励的信号源。如果使用公共接地作为数据采集系统的参考接地，设备接地和信号源接地之间的任何电压都会导致潜在的误差。

如果信号源或传感器没有直接连接到您设备上的AGND端口，即使您连接到0V电位的端口并将采集系统配置为单端模式，即使接地端的毫伏电位差也足以导致测量误差。(尤其是使用高增益时)

共模电压系统(地电位差)

用户往往不知道如何接地，信号源和设备之间存在偏执电压。这些偏置电压可以是交流、DC或混合电压。产生偏执电压的原因有很多，比如电磁传导干扰或者地线和连接器之间阻抗导致的电位差。接地电位差是流行的说法，但实际上更专业的说法是共模电压。

小共模电压条件

如果信号源地与设备地的电位差相对较小，则电位差加上输入信号不超过10 V的允许共模输入范围。

围。特别是当你把接地端的电压加到最大输入电压上，小于10 v，这个输入范围是数据采集允许的。您可以通过差分输入将这些信号连接并直接发送到数据采集系统，而无需额外的信号调理。幸运的是，绝大多数系统都是在这种情况下运行的。

大共模电压条件

如果信号源地与设备地之间的电位差比较大，则电位差加上输入信号已经超过了10 V的允许共模输入范围，这种情况下，请不要将设备直接连接到信号源。改变信号接地模式或增加信号调节系统。

欢迎联系我们的技术支持团队，寻求信号调理方面的帮助。

注意

避免使用交流电源插座的接地端子进行信号接地操作。不同的电源插座可能有不同的电位差。房间不同部分的120伏电源插座的接地端子只能连接到保险丝。这使得在接地端可能有明显的电位差——特别是，两个120伏电源插座在三个交流电的不同相位上。

图6。信号源与模拟输入采集卡公共地之间的单端输入连接

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