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模擬信號測量技術分享

模擬信號測量技術分享

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在模擬信號測量中重要的是根據測量信號的頻率選擇模擬輸入設備及其外圍附件。為準確獲取信號也應慎重考慮電纜及緩衝放大器等附件。

採樣速度是測量對象頻率的10倍以上

如何決定模擬信號測量時的採樣速度(週期)。採樣速度越快,越能準確地將原信號波形轉換為數字信號。但是,採樣速度越快,數據也變大,模擬輸入設備上搭載的A/D轉換器也更昂貴。

在考慮現實指標的基礎上,首先該考慮的是採樣定理。採樣定理是表示在“將連續的模擬信號作為離散的數字信號採樣時的採樣間隔的定理。為了準確地採樣原信號中包含的所有頻率成分,需要原信號頻率的2倍以上的採樣速度”。

例如,為了準確地採樣1kHz模擬信號,需要至少2kHz以上的採樣週期,否則無法準確地採樣原信號中包含的頻率成分。以低速採樣高速信號時,將被作為摺疊信號觀測,並視為低於原測量對象波形頻率的低頻率信號波形,即發生混疊。

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採樣定理的示意圖

混疊在日常生活中也可見到。快速旋轉的螺旋槳看似緩慢旋轉的原因就是人的眼睛和大腦的採樣速度無法跟上旋轉的螺旋槳頻率。發生混疊時,採樣結果看起來會與實際的信號大相徑庭。

基於採樣定理,能夠準確地獲取頻率成分,但實際上僅憑2倍於原信號,波形會看起來參差不齊,無法獲得準確的振幅。能夠準確捕捉信號特性的實用採樣速度是原信號的10倍以上。康泰克為不同頻率的信號準備了多種模擬輸入設備。

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獲取同一時間的數據

通過模擬輸入設備測量多個信號時,已測量的所有通道信號是否會被作為同一時間採樣的信號。如果模擬輸入設備搭載了通道數同等數量的A/D轉換器,將同步所有通道的模擬信號,實現同一時間採樣。

通過多路切換器切換通道從而以1台A/D轉換器進行採樣的多路切換型,隨着通道數增加每條通道的採樣週期變長,同時通道間的採樣時間也會發生偏差。

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同步採樣功能增設附件可對多路切換器方式的模擬輸入設備消除時間偏差。ATSS-16A在模擬E系列發出控制信號的時間點,16個通道同時保持模擬輸入信號,即可獲取無時間偏差的同一時間的數據。

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同步採樣功能增設附件ATSS-16A

防止干擾

干擾大致分為以下兩類。與電氣實驗不同,現場存在各種干擾,經常發生不同於理論的情況。此時,破壞精度的原因多數為干擾。

外部干擾

    *來自空間的輻射干擾

    *通過電源和信號線引入的傳導干擾

內部干擾

    *信號線間的串擾

    *多路切換器切換引起串擾

    *地線迴路(接地迴路)的影響

硬件防干擾對策

防干擾對策除平均化處理等軟件對策以外,還有電纜或附件等硬件對策。

防止輻射干擾

要防止飛來干擾,有效的是在模擬輸入設備與測量對象間連接屏蔽電纜。屏蔽通過接地發揮效果。屏蔽電纜經由PC機箱進行接地,因此PC電源接地即可生效。

防止信號線間的串擾

信號線相互干擾而成為干擾源的現象稱為串擾。對策有使用雙絞線電纜。康泰克的屏蔽電纜PCB37PS中信號線和GND是雙絞線,PCB96PS中差動對間是雙絞線。還有各信號線採用同軸電纜的PCC16PS、PCD8PS。

》屏蔽電纜 PCB37PS

》屏蔽電纜 PCB96PS

》同軸電纜 PCC16PS

》同軸電纜 PCD8PS

防止多路切換器切換引起的串擾

通過模擬輸入設備內的多路切換器切換,對信號源波形產生影響。這是通過信號源輸出電阻對多路切換器寄生電容進行充放電的附帶現象。信號源的輸出電阻大時,信號源輸出電壓返回原本要測量的電壓需要時間(稱為穩定時間)。

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模擬輸入設備的輸入電路示意圖

穩定時間因信號源的輸出電阻不同而有差異。以下表示輸出電阻小的信號源A與輸出電阻大的信號源B的2個通道採樣示例。

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多路切換器切換影響的對策是降低信號源的輸出電阻。具體方法是儘量縮短信號線。無法縮短信號線或測量輸出電阻大的對象時,可通過連接採用高速高精度運算放大器的高輸入電阻緩衝放大器,消除影響。

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模擬輸入板用緩衝放大器功能增設盒

ATBA-8F/ATBA-16L/ATBA-32F/ATBA-8L/ATBA-16E

防止地線迴路(接地迴路)的誤差

地線迴路(接地迴路)是指接地配線成環狀。連接多個設備時若信號的各地線(GND)存在電位差,電流將通過地線或接地成環狀流動。地線迴路通電後,因線路電阻而產生電壓,表現為測量誤差(干擾)。

單端輸入(公共模式)在多通道時有用,存在地線迴路時會受到影響。一方面,差動輸入(差分模式)中通道數為單端輸入的一半,但可消除地線迴路的誤差。

地線迴路誤差的發生示例

單端輸入

AI_00的測量電壓 = Va + ΔV

AI_01的測量電壓 = Vb - ΔV

單端輸入中因地線迴路內的電流產生ΔV相應的測量誤差。

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差動輸入

AI_00的測量電壓 = (Va + ΔV) – ΔV = Va

AI_01的測量電壓 = (Vb – ΔV) – (-ΔV) = Vb

差動輸入可測量正極(AI_00[+])端子與負極(AI_00[-])端子間的電壓,防止地線迴路的誤差。

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地線迴路誤差的對策有差動輸入。懷疑接地導致地線迴路時,可嘗試總線絕緣型,以切斷接地導致的地線迴路。

審核編輯(
王靜
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