数据采集技巧和技术

热电偶信号是否需要隔离？应变计放大器的输出应作为单端输入还是差分输入连接？差分输入总是比单端配置更好的选择吗？如果您不熟悉数据采集领域，这些基本的仪器问题可能不容易回答。必须了解输入配置和隔离问题，以优化数据采集系统性能并防止设备损坏或可能的操作员伤害。本文旨在加深对正确输入配置实践的理解，并作为几种日常数据采集应用的参考。

表1包含14种典型的数据采集系统应用和三种输入配置选项（单端、差分和隔离），任何数据采集系统测量都必须解决这些问题。如果输入配置选项对于测量是必需的或足够的，则“选中”。在某些情况下，所有三个选项都适用。我的目标是传授一定程度的仪器专业知识，使您能够有效地评估任何测量应用。提高仪器技能的关键是培养确定测量最低要求的能力，并识别特定测量条件是否需要更复杂的技术。

所有这些关注输入配置的原因是共模电压（CMV）的存在。CMV是一种同相信号，同时出现在数据采集系统通道的两个输入端子上。您需要注意两个级别的巨细胞病毒。CMV 可能会将您尝试测量的信号偏移到数据采集系统测量范围之外，或者 CMV 可能会超过 DAS 前端的最大过压额定值，这可能会使您和您的硬件面临风险。

数据采集系统输入的最大CMV是您尝试测量的信号与输入的满量程测量之间的差值。换句话说，如果您有一个 5 伏满量程输入，并且您正在测量 1 伏信号，则输入可以容忍任何低于 4 伏的 CMV 并且仍然可以进行测量。CMV的存在及其幅度将决定测量是单端还是差分输入应用，以及是否需要隔离。

单端输入

单端 （SE） 输入最容易理解和连接。它由一个信号引线和一个公共接地组成。此配置足以在没有 CMV 的情况下进行测量。当您连接到放大器的输出时，您会发现这种情况最常见。所有放大器都具有单端输出，在这种情况下，CMV存在的唯一方法是放大器和数据采集系统之间存在接地差异 - 如果两者都在本地供电，这种情况很少见。如果将 SE 输入连接到带有 CMV 的信号，会发生什么情况？有两种可能性：

假设CMV的幅度低于数据采集系统的最大输入电压规格，您会遇到噪声信号。噪声程度与CMV的大小成正比。

如果CMV的幅度超过数据采集系统的最大过压规格，请注意！您能期望的最好的结果是失去 DAS 的前端。最坏的情况通常伴随着电子烟花，会带走整个 DAS、计算机，甚至可能带走您。总而言之，表 1 中的 SE 配置仅在不存在 CMV 的情况下才可接受。

差分输入

在进行平衡信号源测量时或在存在CMV的情况下，需要差分输入（DI）。

平衡信号源的一个例子是惠斯通电桥，它是应变计和压力传感器测量的基础。电桥输出是电桥的两个非励磁角上的差分电压（见表1）。如果激励电源和仪器之间的接地相同，则此测量需要DI。相反，SE输入会使电桥的一个元件短路，使测量变得不可能。另一个需要DI的例子是接地热电偶。热电偶结本身接地，使用SE会使热电偶短路接地并破坏测量。

DI测量输入信号的幅度作为两个输入之间的差值。由于一个输入仅承载CMV和目标信号，而另一个仅携带CMV，因此两者之间的差异仅产生目标信号。在目标信号位于CMV上的应用中，例如在离地的分流测量中，可以利用这一事实（见表1）。

因此，只要存在 CMV 或平衡信号源，就应该使用 DI 配置。但是，请确保您知道CMV的大小：

如果CMV加上目标信号小于数据采集系统的满量程范围（FSR），您将能够进行测量。

如果CMV加上目标信号大于数据采集系统的FSR，但小于其最大过压规格，则无法进行测量，但不会损坏DAS。

如果CMV超过数据采集系统的最大过压规格，DI输入将遭受与SE输入相同的命运 - 电烟花，并可能造成重大损坏。

与SE输入相比，DI的优势在于它能够测量平衡输入和抑制CMV。一个 DI 消耗两个 SE 通道（一个用于正输入，一个用于负输入），但 SE 输入更易于连接。此外，需要测量的SE和DI信号的混合情况并不少见。DATAQ仪器的数据采集硬件通过允许每个输入通道编程为差分或单端来适应这种情况。这种方法通过确保仅需要DI的测量分配额外的通道来节省通道数。例如 DI-720 系列仪器（32SE/16DI 通道）;允许差分和单端输入的任意组合。

隔离

到目前为止，我们已经能够处理具有DI或SE输入配置的任何类型的信号，但CMV超过数据采集系统输入满量程分辨率的信号除外。处理这种信号类型是隔离域。隔离是任何仪器仪表应用的一种选择，但在这些条件下是绝对必要的。

隔离的存在确保计算机接地与信号接地之间绝对不存在连接。因此，信号的CMV可能会浮动到由隔离栅定义的电平（通常为1000 V）。如表1所示，支持隔离的仪器几乎可以应用于任何测量情况，而不会损坏数据采集系统、计算机或您。

如果您的仪器仪表应用经常需要隔离，理想的解决方案是内置隔离的数据采集系统。DATAQ 仪器的 DI-718B、DI-718Bx 和 DI-788数据采集系统将数据采集与 1000 伏输入输出隔离信号调理相结合。即使这些产品连接到任何工业信号（例如热电偶、RTD、应变、RPM等），这种灵活性也会在不隔离的情况下受到影响。隔离可确保为工业数据采集提供无噪声和安全的环境。

关于隔离需求的最后一点是围绕生命科学应用中的患者连接测量。任何涉及仪器与人体连接的测量都需要医疗级隔离，以确保受试者的安全。

审核编辑：郭婷