模拟信号连接基础教程-数据采集知识

提供以下模拟输入信号连接的基础概念和原理：

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

希望精确采集模拟输入信号的数据采集卡用户。如果对这些概念已经比较熟悉，你可以直接进入第二部分：模拟信

号连接基础教程（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单独和差分模拟输入配置选项

单端输入

单端输入采集输入信号与参考信号系统地端之间的电压（AGND）（见图1）。这种连接的方式使得我们在测量时，

对于每个信号只需要使用一个模拟输入通道，所以，一个16通道的数据采集设备在使用RSE 模式时，可以测量16路信号。

图 1. 基本单端输入配置

差分输入

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

能力更强。绝大多数的EMI干扰会同时传导到所有信号线上，差分输入通过测量根导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在于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的输入电压对应相同的公共参考点以避免固定的测量误差。对于绝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，这样可以避免输入信号收到传导干扰和地端噪声的影响。

图3显示了一个带有共模电压的单端输入连接。地端G1和G2之间的电压差对于数据采集卡的输入放大器来说将造成信号误差。对于单独输入，如果找不到一个理想的公共地端，就必须使用差分输入模式。

图 3: 带有共模电压的单独输入连接

差分输入连接相比单端输入能够更有效的抑制传导干扰，这是由于差分输入通过测量两个连接点之间的电势差来消除或者忽略共模电压的影响，被消除的共模电压可能是稳定的直流电平或噪声毛刺。

图 4. 带有共模电压的差分输入连接

Vcm是被通过差分输入连接消除的共模误差，它必须在一定的范围内，这个范围称之为共模电压范围。通常来讲，差分连接模式下仪器放大器带有±10 V的共模电压范围，Vcm+Vs必须在这个范围内。

±10 V的共模电压范围如图5所以：

 

由于共模电压的限制，即使使用了差分输入模拟。我们也无法测量从AGND到信号输入端的电势差大于10V的模拟信号。例如，由于必须满足±10 V的共模电势差限制，设备无法采集13V和14V之间的差分电压，虽然这个电压只有1V。

系统接地与隔离

当决定如何连接你的信号到数据采集装置时，需要考虑3种接地情况：

如果设备和信号源使用公共地，那么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置（无论是交流还是直流），这个偏置电压就是共模电压。那么就由这个偏置电压的幅值来决定你是否可以将信号直接连接到设备（这种情况将在以下 “带有共模电压（接地电势差）的系统” 部分做解释）。

如果设备和信号源已经带有接地隔离，那么你可以直接链接信号源到你的设备。

带有公共地的系统

最简单的情况是，信号源与采集系统有相同的接地电势。这种典型的例子是由数据采集卡提供电源或者激励的信号

源。如果你使用公共地作为数据采集系统的参考地端，任何在设备地端和信号源地端之间的电压都会造成潜在的误差。

如果信号源或者传感器并不是直接连接到你设备上的AGND端口，即使你连接到了一个0V电势的端口，并配置采集系

统为单端模式，那么如果地端存在的哪怕是毫伏级别的电势差，也足以造成测量误差。（尤其是使用高增益的情况下）

带有共模电压（接地电势差）的系统

更多的情况是用户不清楚是如何接地的，并且信号源和设备之间存在偏执电压。这些偏置电压可能是交流，直流或

者混合这两种情况。偏执电压的产生有很多原因，例如电磁传导干扰或地线线和连接器之间的阻抗造成的电势差。接地电势差是一种通俗的说法，实际上更专业的叫法是共模电压。

小共模电压情况

如果信号源地端和设备地端的电势差比较小，这个电势差加上输入信号之后并没有超过允许的±10 V的共模输入范

围。特别是当你将地端的电压加上最大输入电压后小于±10 V。这种输入范围是被数据采集可允许的，你可以连接直接将这些信号通过差分输入的形式送入数据采集系统而无需额外的信号调理。幸运的是，绝大多数的系统都是运行在这种情况下。

大共模电压情况

如果信号源地端和设备地端的电势差比较大，这个电势差加上输入信号之后已经超过允许的±10 V的共模输入范围。在这种情况下，请不要将设备直接链接信号源。改变你的信号接地方式或者增加信号调理系统。

欢迎联系我们的技术支持团队以获取信号调理的相关帮助。

注意

避免使用交流电源插座的地端来进行信号接地操作。不同的电源插座可能会有不同的潜在电势差。房间不同地方的120V电源插座的接地端可能只是链接到了保险丝。这使得接地端可能存在明显的电势差——尤其是2个120V电源插座在三项交流的不同相线上。

 

图 6. 信号源与模拟输入采集卡公用地的单端输入连接

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