单端输入与差分输入：原理、对比及应用
单端输入与差分输入：原理、对比及应用
在电子测量领域，单端输入和差分输入是两种常见的信号传输方式。它们在抗干扰能力和信号质量方面有着显著的差异。本文将通过理论分析和实际案例，详细对比这两种输入方式的特点，帮助读者理解它们的工作原理和应用场景。
单端输入
单端输入测量的是导线与地之间的电压差，然后将这个差值放大以提供输出。然而，这种输入方式容易受到噪声的影响，因为承载信号的导线会吸收电背景噪声。此外，单端输入上的信号还可能受到地环路的影响。
例如，如果一个传感器导线靠近电源线（承载110V、60Hz的电流），它可能会受到来自该电源线的电磁场（EMF）噪声的影响。这种噪声可能会干扰信号的准确性，降低数据质量。
左侧：灰色框代表将传感器连接到Simcenter SCADAS前端的导线。紫色是所需信号，红色是电磁场（EMF）。右侧：输出（在Simcenter SCADAS数据采集系统上显示）系统由所需信号和噪声的叠加组成。右下角：输出的快速傅里叶变换（FFT）：它由信号和噪声（60Hz）分量组成。因此，单端输入容易受到噪声的影响。
请记住，噪声是相对于信号水平的。当使用具有高输出电压的传感器（如加速度计）时，EMF噪声可能不会影响输出。但是，如果传感器的输出电压相对较低（如应变片），则噪声将对输出产生很大影响。
差分输入
差分输入没有参考地。相反，差分输入在两根导线上承载信号，一根是（+）信号线，另一根是（-）信号线。请看下图。（+）和（-）信号线沿着电缆传输，而EMF则从电缆的一侧引入。
左侧的灰色框代表带有（+）和（-）信号线的导线。左侧的紫色波形是导线上的所需信号。红色波形是电磁场（EMF）噪声。红色箭头代表来自电源线的EMF。右侧的紫色波形是两根导线上信号相互抵消后的结果。
输出值是两根导线上信号之间的差异（共模抑制）。请注意，输出消除了噪声，并且所需信号加倍。这是因为（+）导线上的信号与（-）导线上的信号相反（因为（-）导线上的信号被乘以-1）。因此，通过从（+）信号线中减去（-）信号线，所需信号会加倍。每根导线上的感应EMF噪声是相同的（因为它从一侧进入）。通过取两根信号线之间的差异，可以消除大部分EMF噪声。
实验验证
两个应变片被固定在同一根杆上，并连接到Simcenter SCADAS Mobile前端。一个应变片是全桥应变片（差分输入），另一个是四分之一桥应变片（单端输入）。
问题1：在时间域中，哪种应变片读数会包含更多噪声？是全桥应变片还是四分之一桥应变片？
问题2：当电源砖（110V，60Hz）靠近应变片导线时，哪种信号会更多地受到来自电源砖的电磁场（EMF）的影响？是全桥应变片信号还是四分之一桥应变片信号？
视频显示，四分之一桥应变片（单端）在时间域中的读数噪声要大得多。
四分之一桥应变片（单端）受电磁场（EMF）的影响也更大，而差分输入应变片则可以抑制噪声。
下面的图表显示了两个应变读数的快速傅里叶变换（FFT）。
60Hz的EMF及其谐波正在影响两个应变片信号的FFT。
仔细观察，我们可以发现全桥应变片上60Hz电源砖噪声的幅度远低于四分之一桥应变片。
单端输入受电源砖噪声的影响远大于差分输入。
使用差分输入是减少EMF噪声的好方法！
通道设置提示
想知道您的传感器是单端还是差分的吗？在通道设置中，添加耦合列（工具 --> 通道设置可见性）。根据您设置的InputMode，耦合将自动应用。全桥应变片是差分的，而半桥应变片、四分之一桥应变片和ICP传感器是单端的。
channel setup.png
如果您将InputMode设置为电压交流（AC）、电压直流（DC）或主动传感器，耦合将自动设置为单端。如果您使用的是差分传感器，则必须将耦合更改为差分。