改善测量结果的接地考量
改善测量结果的接地考量
在测量系统中，正确的接地配置对于获得准确的测量结果至关重要。本文将详细介绍不同类型信号源的接地方式，以及如何选择合适的测量系统配置，以最大限度地减少测量误差和噪声干扰。
综览
了解如何通过接地判断测量系统连接方式，才能做到最准确的测量。文章主题包括接地信号源、浮动信号源、差动测量、单端点测量，以及其他适当的信号与测量配置。此教学文件属于“仪器基本原理”系列的一部分。
内容
接地与测量
由于信号源也能有不同的接地配置，因此，测量系统可以使用不同的接地配置。这项功能相当重要，能确保做到最准确的测量；不过，选择测量系统的接地配置时，这样的弹性会使得难度略增。
图 1 是测量元件方块图。右边的测量系统由仪器与信号处理功能构成。请注意，信号处理可以是仪器内建功能，也可以是外接功能。左侧是信号源，可能是一个会根据物理现象产生电压的传感器，也可能是受测装置。本文探讨信号源接地、测量系统接地，最后探讨如何选择测量系统配置才能将测量噪声和误差降到最低。
图1：将信号源传入由仪器和信号处理功能构成的测量系统。
信号源
讨论接地时，应考量两大类信号源；如图 2 的示意表所示。
图 2：请务必了解您所用的是接地信号还是浮动信号。
接地或参考接地信号源
接地信号源是指电压信号参考系统接地，例如地面或建筑物地板。上方图 2 左侧的简图说明这一点，因为电压信号有直接接地的电通路。最常见的接地源范例，就是将插头插在三插插座，以此方式与建筑物接地的装置，例如信号发生器和电源供应器。请务必注意，两组独立的接地信号源，其地电位通常不会相同。两个与同一座建筑物接地的不同系统，其地电位可能相差 10 mV、200 mV 或更大。
未接地信号源或浮动信号源
未接地信号源或浮动信号源是指电压信号不参考系统接地，例如地面或建筑物地板。如图 2 右侧的所示。请注意，正极端子和负极端子都没有直接接地的电通路。电池、热电偶和转换器等，都是常见的浮动信号源。
测量系统
您可以将仪器设为下列三种模式中的其中一种：差动 (Diff)、参考单端点 (RSE)，或是不参考单端点 (NRSE)。
差动测量系统
差动仪器必须要有两个输入端，两个输入端的仪器放大器输入均不参考系统接地。如图 3 所示，CH0+ 与 CH0- 分别连在仪器放大器的正负极端子，但并未连接至测量系统接地 (AI GND)。
图 3：理想的差动采集系统只会回应其两个端子之间的电压差。
理想的差动采集系统只会回应其正极 (+) 和负极 (-) 输入这两个端子之间的电压差。成对电路之间的差动电压是所需信号，而成对差动电路两端，可能会出现共同的多余信号。这个电压就称为共模电压。理想的差动测量系统会完全拒斥而不测量共模电压，这是为了提高测量准确度。不过，实际装置还是受限于规格，例如共模电压范围与共模拒斥比 (CMRR)。
共模电压范围是每个输入之间最大的容许电压，以仪器接地为准。如违反这项限制，不但会发生测量错误，也有可能损坏仪器元件。共模电压的计算公式如下：
方程式 1：共模电压计算方式
其中：
若尝试在一条引线接 110 V 而另一条引线接 100 V 的情况下进行差动测量，就是违反共模电压范围规格。虽然差动测量电压是 10 V，符合装置规格范围，但若共模电压是 105 V，就未必能符合仪器规格。
CMRR (共模拒斥比) 说明测量系统拒斥共模电压的能力。CMRR 较高的放大器较能有效拒斥共模电压，因此更适合用于准确测量。CMRR 可以用差动增益与共模增益的比表示，如方程式 2 所示。CMRR 也可以用 dB 表示，如方程式 3 所示。
方程式 3：CMRR 以 dB 表示
举例来说，如果仪器的 CMRR 是 100000:1 (或 100 dB)，且共模电压是 5 V，您就能区分超过 50 μV 的差动引线电压差。共模拒斥相当重要，因为两条差动测量线路都有环境噪声源。但是，若两条线路都有噪声，就会被差动测量消除。因此，差动配置测量会比单端点测量更准确，但差动测量所需通道数会比单端点测量多一倍。
单端点测量系统
单端点配置通常是仪器的预设配置。这类配置只需要一个模拟输入通道就能进行测量，因此不同於差动配置。仪器的通道全数以参考仪器放大器的负极端子为共同参考，如图 4 所示。单端点配置只使用一个输入，因此能进行的测量是差动配置系统 (实体通道数相同) 的两倍。另一方面，单端点测量会因此而容易受接地回路影响，有可能因此降低测量准确度。
以下是两种不同类型的单端点测量系统：
接地 RSE (GRSE) 或 RSE 系统的共同参考通道会接在仪器接地。以图 4 中的 RSE 系统范例来说，仪器接地通道的标註是 AI GND。
图4：GRSE 或 RSE 系统的共同参考通道接在仪器接地。NRSE仪器会参考一个共同点；不过，这个共同点是仪器放大器负极端子提供的电压。以图 5 所示的 NRSE 范例来说，通用参考是 AI SENSE 线路；因此，测得电压就是通道 X 与 AI SENSE 通道电压之间的电位差。
图 5：NRSE 仪器的共同点是仪器放大器负极端子提供的电压。
信号源-测量系统配置
分析两种信号源接地类型和仪器配置之后，接下来讨论哪一种信号源和仪器配置组合能够测得最准确的结果。
测量接地信号源
以差动或 NRSE 仪器配置测量接地信号源的结果最准确，因为这样不需要让整个系统再多一个接地。系统再多一个接地可能会形成接地回路，这是测量方面常见的噪声源。
电路中两个相接端子的接地电位若是不同，就会形成接地回路，也会在两点之间出现电流。信号源接地端可能会比仪器接地端高或低几伏特。这多出来的电压可能会导致测量错误，而电流流动也可能会影响邻近接线的电压，导致额外的测量错误。这类错误可能会是测得信号多出来的纯量或周期信号。举例来说，60 Hz 是美国和其他部分国家/地区的标准电源线频率，若有一条 60Hz 的 AC 电源线形成了接地回路，那么多余的 60 Hz AC 信号可能会在测量时以周期电压错误的形式呈现。
要计算测得电压 V_m，请使用下方的方程式 4：
方程式 4：有接地回路的电压测量值。
其中：
使用上方的数学方程式 4 就能计算出有接地回路时的测得电压。若继续以 60 Hz 的电力线为例，ΔV_g 是会随着时间而改变的值，並非纯量偏移。因此，测得信号看似会呈现周期规律，而不像是测得电压的简单偏移错误。
图 6 是有接地回路的系统简图。若以使用 RSE 配置的仪器测量电压源 V_s，您可以将图 6 方程式左边的示意图简化成方程式右边的示意图，这样就与方程式 4 的计算方式一致。
图 6：使用接地参考系统测量的接地信号源会造成接地回路和测量错误。
为了避免图 6 所示的接地回路，务必使用差动或 NRSE 仪器配置，或者使用「仪器基本概念系列」隔离类型与考量说明文件中讨论的测量硬件，确保信号源和测量系统中只有一个接地参考。
测量浮动信号源
您可以使用我们讨论过的任何一种测量配置测量浮动信号源：差动、GRSE/RSE 或 NRSE。请注意，使用有浮动信号源的差动或 NRSE 测量配置时，必须在仪器接地中加入正极 (+) 和负极 (-) 引线的偏压电阻器 (如图 7)。
图 7：使用差动或 NRSE 仪器配置测量浮动信号源时，需要用到偏压电阻器。
偏压电阻器提供从仪器放大器输入到仪器放大器接地的 DC 通路。偏压电阻器的电阻要够高，不应承载信号源，而且要让信号源能够成为仪器参考的浮动信号源。不过，偏压电阻器要够小，才能将电压保持在仪器范围内。因此，偏压电阻器的范围通常要在 10 kΩ 到 100 kΩ 之间，才能符合条件。您一定要仔细检查装置的规格指南，务必确认您使用的偏压电阻器值确实符合适当范围。
测量浮动信号源时，若差动或 NRSE 配置未使用电阻器，测得信号可能会不稳定，或者在仪器的完整正极或负极范围内。
如果使用 GRSE/RSE 配置测量浮动信号源，就不必使用偏压电阻器。使用单端点仪器配置时，为达到最佳测量结果，建议注意以下事项：
- 输入信号要等于或大于 1 V。
- 信号接线相对较短，而且会在无噪声环境中传输 (或者会有适当的防护)。
- 所有输入信号均可共用同一座稳定已知参考信号，通常会是系统中的一点 (电压是 0 V)。
若需建议的信号源与仪器配置组合，请参阅图 8。接地与测量
图 8：仪器配置与信号源类型摘要。
摘要
- 测量系统包含仪器与信号处理功能。视仪器而定，信号处理可以是仪器内建功能，也可以是外接功能。
- 信号源的两种主要类别：
- 接地信号源：信号有直接接地的电通路。
- 浮动信号源：信号没有直接接地的电通路。
- 仪器可以进行的配置主要分为三类：
- 差动：这种测量方式要有两个输入通道，是最准确的配置，因为会消除共模电压。
- 参考接地单端点 (GRSE)或参考单端点 (RSE)：只使用一个通道与仪器接地的测量方式；不过，这种单端点测量方式容易受噪声的影响。
- 非参考单端点 (NRSE)：只使用一个通道与非接地共同参考点的测量方式；不过，相比较于差动测量，这个系统更容易受噪声影响。
- 建议使用差动或 NRSE 仪器配置测量接地信号源。
- 建议使用差动、GRSE/RSE 或 NRSE 仪器配置测量浮动信号源。
- 若使用差动或 NRSE 仪器配置，必须使用偏压电阻器才能量测浮动信号源。
后续步骤
- 深入了解模拟信号的厂房接线与噪声考量
- 下载所有仪器基本原理内容