降低测量噪声的五个技巧

        确保测量精度通常意味着需要超越产品说明书的基本指标。理解其在电气环境背景中的应用对于确保在噪声环境或是工业环境中的成功应用是尤为重要的。接地回路、高共模电压以及电磁辐射都是将会负面影响信号的普遍实例。

       降低测量系统中的噪声有许多方法，其中包括适当的屏蔽、接线和中止。除了这些常见方法之外，还有许多可以提高噪声**的方法。以下的五个方法是达到更**测量结���的指导方法。

抑制直流共模电压

要进行高精度的测量首先从差分读数开始。理想差分测量设备能够读取仪器放大器正极端子和负极端子之间的电势差。然而，实际的设备在共模电压的抑制能力上是受到限制的。共模电压是仪器放大器的正极端子和负极端子之间的共同电压。在图1中，5V电压对于AI+和AI-端子而言是公共电压，理想的设备能够读取两个端子之间5V的差。

图1：理想的仪器放大器完全抑制共模电压。

数据采集(DAQ)设备的*大工作电压是指信号电压加上共模电压，并且指定了存在于输入和地之间的*大电势差。对于大多数数据采集设备而言，*大工作电压与仪器放大器的输入范围是相同的。例如，例如NI6220设备等低成本M系列数据采集设备的*大工作电压是11V；超过11 V的输入信号将对放大器造成破坏。

隔离可以大大提高数据采集设备的*大工作电压。在测量系统的环境中，“隔离”意味着在物理上和电气上将电路的两部分隔开。隔离器将数据从电路的一个部分传送到另一个部分，而无需电学的导通。由于电流无法流过隔离器屏障，您可以将数据采集设备的参考地和实际地隔离。这样就将*大工作电压的指标与放大器输入范围进行了解耦。举例而言，在图2中，仪器放大器的参考地与实际地是电学隔离的。

图2：隔离将仪器放大器的参考地和实际地进行了电气分离。

尽管输入范围与图1中相同，工作电压已经被扩展到60V，能够抑制55V共模电压。这时，*大工作电压是由隔离电路定义的，而不是由放大器输入范围定义的。

 燃料电池测试是需要高直流共模电压抑制的范例应用。每个独立的电池能够产生大约1V的电压，而一组电池能够产生几千伏特，甚至更高。要**测量一个1V电池的电压，测量设备必须能够抑制由组内其他电池所产生的高共模电压。

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被耦合到被测信号中。这对于通过数据采集设备仪器放大器的低电平模拟信号而言是特别麻烦的。

交流噪声源可以根据其耦合机制大致进行分类：电容型、电感型或辐射型。电容型耦合来自于时变电场，例如由周围继电器或是其他测量信号产生的电场。电感型或磁耦合噪声来自于时变磁场，例如由周围机器或电机产生的磁场。如果电磁场源距离测量电路较远，例如荧光灯等，电气和磁场的耦合被认为是电磁或是辐射耦合。在所有情况下，时变共模电压被耦合到有用的信号中，通常它在50-60Hz的频率范围中(电源频率)。

理想的测量电路，其通向仪器放大器正极和负极端子的路径是完全平衡的。这样的系统能够完全抑制任何交流耦合噪声。但是，实际仪器通过共模抑制比(CMRR)指定了它能够抑制共模电压的程度。CMRR是被测信号增益相对于放大器施加的共模增益之间的比值，可以使用下式表示：

选择在更宽频率范围内具有更好CMRR的数据采集设备能够大大提高系统的整体抗噪声性能。举例而言，图3显示了将低成本M系列设备与工业M系列设备的CMRR相比较的结果。

图3：NI 6230能够比NI 6220提供更高的CMRR(相对于物理地)。

在60 Hz下，NI 6230工业M系列设备相对于NI6220低成本M系列设备，其CMRR高出了20dB。这等效于对于60 Hz噪声具有高于10倍以上的衰减。

任何应用都能够从60Hz噪声抑制中获益。然而，对于包含大型转动机械或电机的系统需要更高频率下的噪声抑制。在1 kHz下，NI6230设备相比NI6220设备能够抑制100倍以上的噪声，从而使它们成为工业应用的理想选择。

切断接地回路

接地回路通常被认为是数据采集系统中噪声*常见的来源。合适的接地对于**测量而言是十分重要的，但它也是一个常常被误解的概念。如果电路中两个连接的端子处于不同地电势，就形成了接地回路。这个差别将会导致电流流入交叉连接点，将会导致偏置误差的出现。将问题变得更为复杂的是，在信号源的地和数据采集设备的地之间的电势差通常不是直流电平。这就导致了在读数中会出现电源频率分量的信号。考虑图4中的简单热电偶应用。

图4：使用接地信号源的差分热电偶测量将会导致接地回路出现。

在这里，原来十分直观的温度测量由于被测设备(DUT)与数据采集设备出现了不同的地电势而被复杂化了。尽管两个设备都共享相同的地，如果电源分布电路没有正确连接，就会导致地电势差达到200mV甚至更多。这个差在*后得到的测量中，以带有交流分量的共模电压出现。

回忆一下隔离是将信号源的地与仪器放大器的参考地进行电气隔离的一种方法(见图5)。

图5：隔离通过将物理地与放大器参考地进行分离消除了接地回路。

由于电流无法流过隔离屏障，放大器参考地可以比物理地具有更高或更低的电势。您不会在无意中将接地回路引入到电路中。使用隔离的测量设备去除了测量系统适当接地的模糊性，确保能够得到更加**的结果。

使用4-20 mA电流回路

 较长的导线长度和在工业或恶劣电气环境的噪声使得**测量电压变得十分困难。因此，测量压力、流量、位置等等的工业传感器通常发送电流信号，而不是电压信号。4-20mA电流回路是在许多过程监视应用中，通过远距离发送传感器信息的常见方法，如图6所示。

图6：仪器放大器使用并联电阻将过程的电流信号转化为电压信号。

每个电流回路包含三个组成部分——传感器、电源、一个或多个数据采集设备。来自传感器的电流信号通常在4至20mA之间，其中4mA表示*低的信号值，20 mA表示*大的信号值。这种传送方式的优点是使用0mA表示开路或是连接断路。电源通常在24至30VDC的范围内，根据在电路上整个电压降进行确定。*后，数据采集设备使用位于仪器放大器两端的高精度并联电阻，将电流信号转化为电压测量。由于所有从电源一端流出的电流必须流回另一端，电流回路信号通常能够不受大多数电气噪声源和沿着长导线的电压(IR)降的影响。此外，为传感器提供电源的端子还传送测量信号，大大简化了现场布线。

如图6所示的隔离屏障在电流回路应用中提供了两个主要优点。首先，由于电源电压通常超过大部分仪器放大器输入范围的*大值，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，电流回路的工作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。例如NI6238和NI6239工业M系列数据采集设备等设备提供了内置并联电阻和与物理地之间高达60 VDC隔离用于4-20mA电流回路应用。

使用24 V数字逻辑

测量噪声并不局限于模拟信号。数字逻辑同样也可能受到噪声电气环境的影响，可能导致错误的开/关值或是意外触发。有许多与数字I/O相关的电压电平和逻辑系列，其中有些具有更高的噪声抑制能力。晶体管-晶体管逻辑(TTL)是至今为止*为常见的逻辑系列，它驱动从微处理器直至LED的所有器件。尽管它的用途十分广泛，TTL可能并不总是所有数字应用的*佳选择。

对于工业应用而言，TTL具有小噪声边界值的内在缺点。高逻辑电平和低逻辑电平分别是2.0V和0.8V，因而误差的空间很小。例如，TTL输入的低电平噪声边界值是0.3V(它是*大低电平TTL输入值0.8V和*大低电平TTL输出值0.5 V之间的差)。任何与数字信号耦合的超过0.3V的数字信号都会将电压平移至0.8 V至2.0V之间的未定义区域。这时，数字输入的行为是不确定的，并且会产生不正确的数值(见图7)。

但是，24V逻辑提供了更宽的噪声裕度，具有更好的综合噪声抑制。由于大多数工业传感器、执行器和控制逻辑已经使用24V电源进行工作，使用对应的数字逻辑电平更为方便。由于低电平输入为4V，高电平输入为11 V，数字信号对噪声的更为不敏感。

大多数带有24V数字I/O功能的测量仪器提供了其他噪声抑制特性。例如，NI工业M系列和数字I/O设备具有可编程输入滤波器，用于平缓继电器的输入。当机械继电器闭合的时候，在较短的一段时间(以毫秒为数量级)内，接触表面互相之间会发生弹跳。如果没有滤波器，逻辑输入可能会它读成瞬时开/关信号。这些设备还提供了隔离，如果整个系统的各个部件是由不同电源供电的话，这是一个需要考虑的重要因素。

结论

在设法降低测量系统噪声时，有许多因素需要考虑。除了适当的屏蔽、接线和中止之外，认真考虑共模电压、接地和周边的噪声源对于**的测量结果而言是必要的。然而，理解系统的电气环境并不是那么简单的。隔离是我们增强对测量结果信心的一个简单方法，无论是对信号而言还是对整个应用而言。

– Charles Stiernberg

CharlesStiernberg是NI数据采集的产品工程师。他获得了德克萨斯大学奥斯汀分校电子工程学士学位，专攻嵌入式系统与VLSI设计。