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模拟信号测量技术分享

供稿:CONTEC康泰克(上海)信息科技有限公司

  • 关键词:康泰克,模拟信号,多路切换器
  • 摘要:在模拟信号测量中重要的是根据测量信号的频率选择模拟输入设备及其外围附件。为准确获取信号也应慎重考虑电缆及缓冲放大器等附件。

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在模拟信号测量中重要的是根据测量信号的频率选择模拟输入设备及其外围附件。为准确获取信号也应慎重考虑电缆及缓冲放大器等附件。


采样速度是测量对象频率的10倍以上

如何决定模拟信号测量时的采样速度(周期)。采样速度越快,越能准确地将原信号波形转换为数字信号。但是,采样速度越快,数据也变大,模拟输入设备上搭载的A/D转换器也更昂贵。


在考虑现实指标的基础上,首先该考虑的是采样定理。采样定理是表示在“将连续的模拟信号作为离散的数字信号采样时的采样间隔的定理。为了准确地采样原信号中包含的所有频率成分,需要原信号频率的2倍以上的采样速度”。


例如,为了准确地采样1kHz模拟信号,需要至少2kHz以上的采样周期,否则无法准确地采样原信号中包含的频率成分。以低速采样高速信号时,将被作为折叠信号观测,并视为低于原测量对象波形频率的低频率信号波形,即发生混叠。


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采样定理的示意图


混叠在日常生活中也可见到。快速旋转的螺旋桨看似缓慢旋转的原因就是人的眼睛和大脑的采样速度无法跟上旋转的螺旋桨频率。发生混叠时,采样结果看起来会与实际的信号大相径庭。


基于采样定理,能够准确地获取频率成分,但实际上仅凭2倍于原信号,波形会看起来参差不齐,无法获得准确的振幅。能够准确捕捉信号特性的实用采样速度是原信号的10倍以上。康泰克为不同频率的信号准备了多种模拟输入设备。


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获取同一时间的数据

通过模拟输入设备测量多个信号时,已测量的所有通道信号是否会被作为同一时间采样的信号。如果模拟输入设备搭载了通道数同等数量的A/D转换器,将同步所有通道的模拟信号,实现同一时间采样。


通过多路切换器切换通道从而以1台A/D转换器进行采样的多路切换型,随着通道数增加每条通道的采样周期变长,同时通道间的采样时间也会发生偏差。


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同步采样功能增设附件可对多路切换器方式的模拟输入设备消除时间偏差。ATSS-16A在模拟E系列发出控制信号的时间点,16个通道同时保持模拟输入信号,即可获取无时间偏差的同一时间的数据。


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同步采样功能增设附件ATSS-16A


防止干扰

干扰大致分为以下两类。与电气实验不同,现场存在各种干扰,经常发生不同于理论的情况。此时,破坏精度的原因多数为干扰。


外部干扰

    *来自空间的辐射干扰

    *通过电源和信号线引入的传导干扰


内部干扰

    *信号线间的串扰

    *多路切换器切换引起串扰

    *地线回路(接地回路)的影响



硬件防干扰对策

防干扰对策除平均化处理等软件对策以外,还有电缆或附件等硬件对策。


防止辐射干扰

要防止飞来干扰,有效的是在模拟输入设备与测量对象间连接屏蔽电缆。屏蔽通过接地发挥效果。屏蔽电缆经由PC机箱进行接地,因此PC电源接地即可生效。


防止信号线间的串扰

信号线相互干扰而成为干扰源的现象称为串扰。对策有使用双绞线电缆。康泰克的屏蔽电缆PCB37PS中信号线和GND是双绞线,PCB96PS中差动对间是双绞线。还有各信号线采用同轴电缆的PCC16PS、PCD8PS。


》屏蔽电缆 PCB37PS

》屏蔽电缆 PCB96PS

》同轴电缆 PCC16PS

》同轴电缆 PCD8PS


防止多路切换器切换引起的串扰

通过模拟输入设备内的多路切换器切换,对信号源波形产生影响。这是通过信号源输出电阻对多路切换器寄生电容进行充放电的附带现象。信号源的输出电阻大时,信号源输出电压返回原本要测量的电压需要时间(称为稳定时间)。


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模拟输入设备的输入电路示意图


稳定时间因信号源的输出电阻不同而有差异。以下表示输出电阻小的信号源A与输出电阻大的信号源B的2个通道采样示例。


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多路切换器切换影响的对策是降低信号源的输出电阻。具体方法是尽量缩短信号线。无法缩短信号线或测量输出电阻大的对象时,可通过连接采用高速高精度运算放大器的高输入电阻缓冲放大器,消除影响。


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模拟输入板用缓冲放大器功能增设盒

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


防止地线回路(接地回路)的误差

地线回路(接地回路)是指接地配线成环状。连接多个设备时若信号的各地线(GND)存在电位差,电流将通过地线或接地成环状流动。地线回路通电后,因线路电阻而产生电压,表现为测量误差(干扰)。


单端输入(公共模式)在多通道时有用,存在地线回路时会受到影响。一方面,差动输入(差分模式)中通道数为单端输入的一半,但可消除地线回路的误差。


地线回路误差的发生示例

单端输入

AI_00的测量电压 = Va + ΔV

AI_01的测量电压 = Vb - ΔV

单端输入中因地线回路内的电流产生ΔV相应的测量误差。


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差动输入

AI_00的测量电压 = (Va + ΔV) – ΔV = Va

AI_01的测量电压 = (Vb – ΔV) – (-ΔV) = Vb

差动输入可测量正极(AI_00[+])端子与负极(AI_00[-])端子间的电压,防止地线回路的误差。


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地线回路误差的对策有差动输入。怀疑接地导致地线回路时,可尝试总线绝缘型,以切断接地导致的地线回路。

发布时间:2021年9月23日 9:39  人气:   审核编辑(王静 )
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