差分信号与单端信号接线时要注意什么？

本文想要说明单端和差分信号的接线方法。当然我们先要介绍一下单端和差分信号，然后在说明其接线方法。

一、单端及差分信号

单端信号是指输入信号由一个参考端和一个信号端构成，这个参考端一般就是地端。信号是通过计算信号端和地端的差值得到的。

差分信号则是指将单端信号进行差分变换，一路信号与原信号相位相同，另一路信号与原信号相位相反。从另一个角度讲，差分信号就相当于两个单端信号，一个相对于参考地来说是正的，另一个相对于参考地来说是负的。

所以差分信号的计算方法是先计算两根信号线上的差值，然后再除以二。对比这两种信号，差分信号的抗干扰能力较强，因为差分的两条导线距离很近，而且信号反相，所以产生的干扰信号会同时耦合到这两路信号上，当差分信号做差时，干扰信号就相互抵消了。

当然在实际测试中，最终得到的是差分信号做差后的结果波形。

二、单端及差分信号的接线方法

从上述介绍中我们可以发现单端和差分信号的一个共同点：两种信号都要做差，也就是说信号的产生需要一个参考值（被减数）。

在模拟输入的采集中，我们可以将接线方法中分为接地参考单端输入（RSE），它计算的是AI和AI GND之间的电位差。

非接地参考单端（NRSE）测量的是AI和AI SENSE之间的电位差。

差分输入（DIFF）测量的是AI+和AI-之间的电位差。

它们具体的线路连接我们就不展开介绍了。这里着重说明的是接线方法的选择。需要注意的有三点：第一，采集卡与电脑连接，可以看作一个整体，是采集端。传感器则是信号源，是发生端。第二，下文提到的浮空源是相对的，是说此设备相对于另一端没有参考地，而接地源则与之相反。第三，采集端和发生端是否共地与它们是否与物理上的大地连接并没有必然的关系。下面我们将讨论不同情况下的设备接线方法。

第一种情况：传感器和电脑均是接地源，这时我们就要使用单端信号的NRSE模式或差分信号的差分接法。

这里要注意的是单端信号在采用NRSE接法时，不能将Ai Sense与AGND短接，因为要避免接地环路的出现。一般我们认为大地是0电势的，但在真正应用中，由于电流大小、布局结构等因素的影响，参考地会产生一定的电压波动，简单来说就是两个接地端的电压并不相同。这样在信号源和采集卡之间就会产生电势差，如果将它们的参考地连接起来（Ai Sense与AGND短接），这个电势差就会进入测量系统中，从而导致误差。

第二种情况：当传感器是电池供电，这样的信号基本是浮空信号源。这时无论采集端是浮空源还是接地源，测量单端信号应使用RSE模式。

测量差分信号时，应注意使差分输入保持共地。

但是对于内阻较大的浮地信号源，这样的连接会导致差分信号失衡，所以我们要使用大约100倍信号源内阻的偏置电阻来连接AGND端口。这种连接方法可被归类至伪差分输入模式，对单端信号也同样适用，下文我们就不在说明。

第三种情况：当传感器是由开关电源供电，而开关电源通常是隔离的，所以我们认为它是浮空源。这就与上述的电池供电传感器的情况一致。还有一些无源的传感器设备，如热电偶等，它们同样是浮空源。

第四种情况：电脑不接地，这里一般指笔记本，因为它的适配器是隔离，所以我们认为它是浮空的。同理，无论发生端是什么样的信号源，我们都应该使用RSE或差分接法。

最后一种情况较为特殊：发生端和采集端都是浮空源，但他们却是共地的。造成这种情况的原因是一些额外的设备提供了参考地。

当然，如果这些额外设备之间又是隔离的，那么就只能使用浮空源的接法了。

从上述的几种情况中可以发现，差分模式其实是默认共地的，这在接线中需要我们注意。其中的共地是指有没有共同的参考端。如果有，那么就要使用NRSE或差分模式，防止出现接地环路。如果没有，那么单端信号就要使用RSE模式。

在RSE和NRSE方面，我们要注意的是采集端设备是否支持这两种模式。例如在接下来的实验中，我们使用的USB－３１１３采集卡不支持RSE模式，这样传感器的信号负便不能直接接到采集卡的AGND端口上。

三、实验验证

本次实验使用的设备有：USB-3113采集卡，信号发生器、差分输出的加速度计、电脑及电源。

首先验证单端信号，实验使用的是笔记本，它是浮空源，而信号发生器使用的是三线电源，是接地源，使其输出1mV的直流信号。

根据上述介绍，在测量中应使用RSE接线方法，但采集卡不支持这种模式。所以将信号正与AI 0连接，信号负与AI SENCE连接，并将AI SENCE与AGND短接。其实这就相当于RSE的接法。

在软件中可以看到波形显示。

然后换一台接地的电脑，使用NRSE模式接线，其波形与笔记本显示的波形是一致的。

然后使用RSE模式，我们可以看到接地回路带来的测量误差。

接下来验证差分信号，我们先介绍一下传感器，这是一种差分输出的加速度传感器，输出电压是±3.6V，量程是±2g，需要5V的直流电源。

我们将它的差分输出接到采集卡的Ai 0和Ai 1端口上，电源输入与直流电源的正负极相连，因为使用笔记本电脑作为采集端，在接线时，我们要将电源负极和传感器负极连接到采集卡的AGND上，达到共地的目的。

在软件中，把采集模式调整为差分模式，选择AI 0，根据传感器参数设置其它内容。可以看到传感器采集的手机振动信息。

当电脑接地，我们可以直接把传感器的差分输出端接到采集卡的Ai 0和Ai 1端口上，而不用额外共地，因为供电电源及电脑都是接地源。

如果我们将它们地端连接，在软件中就能明显看到接地回路带来的测量误差。

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审核编辑 黄宇