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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免疫的方法。以下的五个方法是达到更精确测量结果的指导方法。 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，5 V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5 V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)设备的最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最大电势差。对于大多数数据采集设备而言，最大工作电压与仪器放大器的输入范围是相同的。例如，例如NI 6220设备等低成本M系列数据采集设备的最大工作电压是11 V；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最大工作电压。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。这样就将最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60 V，能够抑制55 V共模电压。这时，最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1 V的电压，而一组电池能够产生几千伏特，甚至更高。要精确测量一个1 V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50-60 Hz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NI 6220低成本M系列设备，其CMRR高出了20 dB。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60 Hz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，NI 6230设备相比NI 6220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最常见的来源。合适的接地对于精确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