了解如何透過接地判斷量測系統連接方式,才能做到最準確的量測。文章主題包括接地訊號源、浮動訊號源、差動量測、單端點量測,以及其他適當的訊號與量測配置。此教學文件屬於「儀器基本原理」系列的一部分。
由於訊號源也能有不同的接地配置,因此,量測系統可以使用不同的接地配置。這項功能相當重要,能確保做到最準確的量測;不過,選擇量測系統的接地配置時,這樣的彈性會使得難度略增。
圖 1 是量測元件方塊圖。右邊的量測系統由儀器與訊號處理功能構成。請注意,訊號處理可以是儀器內建功能,也可以是外接功能。左側是訊號源,可能是一個會根據物理現象產生電壓的傳感器,也可能是受測裝置。本文探討訊號源接地、量測系統接地,最後探討如何選擇量測系統配置才能將量測雜訊和誤差降到最低。
圖1:將訊號源傳入由儀器和訊號處理功能構成的量測系統。
討論接地時,應考量兩大類訊號源;如圖 2 的示意表所示。
圖 2:請務必了解您所用的是接地訊號還是浮動訊號。
接地訊號源是指電壓訊號參考系統接地,例如地面或建築物地板。上方圖 2 左側的簡圖說明這一點,因為電壓訊號有直接接地的電通路。最常見的接地源範例,就是將插頭插在三插插座,以此方式與建築物接地的裝置,例如訊號產生器和電源供應器。請務必注意,兩組獨立的接地訊號源,其地電位通常不會相同。兩個與同一個建築物接地的不同系統,其地電位可能相差 10 mV、200 mV 或更大。
未接地訊號源或浮動訊號源是指電壓訊號不參考系統接地,例如地面或建築物地板。如圖 2 右側的所示。請注意,正極端子和負極端子都沒有直接接地的電通路。電池、熱電偶和轉換器等,都是常見的浮動訊號源。
您可以將儀器設為下列三種模式中的其中一種:差動 (Diff)、參考單一端點 (RSE),或是不參考單一端點 (NRSE)。
差動儀器必須要有兩個輸入端,兩個輸入端的儀器放大器輸入均不參考系統接地。如圖 3 所示,CH0+ 與 CH0- 分別連在儀器放大器的正負極端子,但並未連接至量測系統接地 (AI GND)。
圖 3:理想的差動擷取系統只會回應其兩個端子之間的電壓差。
理想的差動擷取系統只會回應其正極 (+) 和負極 (-) 輸入這兩個端子之間的電壓差。成對電路之間的差動電壓是所需訊號,而成對差動電路兩端,可能會出現共同的多餘訊號。這個電壓就稱為共模電壓。理想的差動量測系統會完全拒斥而不量測共模電壓,這是為了提高量測準確度。不過,實際裝置還是受限於規格,例如共模電壓範圍與共模拒斥比 (CMRR)。
共模電壓範圍是每個輸入之間的最大容許電壓,以儀器接地為準。如違反這項限制,不但會發生量測錯誤,也有可能損壞儀器元件。共模電壓的計算公式如下:
方程式 1:共模電壓計算方式
其中:
若嘗試在一條引線接 110 V 而另一條引線接 100 V 的情況下進行差動量測,就是違反共模電壓範圍規格。雖然差動量測電壓是 10 V,符合裝置規格範圍,但若共模電壓是 105 V,就未必能符合儀器規格。
CMRR (共模拒斥比) 說明量測系統拒斥共模電壓的能力。CMRR 較高的放大器較能有效拒斥共模電壓,因此更適合用於準確量測。CMRR 可以用差動增益與共模增益的比表示,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
舉例來說,如果儀器的 CMRR 是 100000:1 (或 100 dB),且共模電壓是 5 V,您就能區分超過 50 μV 的差動引線電壓差。共模拒斥相當重要,因為兩條差動量測線路都有環境雜訊源。但是,若兩條線路都有雜訊,就會被差動量測消除。因此,差動配置量測會比單端點量測更準確,但差動量測所需通道數會比單端點量測多一倍。
單端點配置通常是儀器的預設配置。這類配置只需要一個類比輸入通道就能進行量測,因此不同於差動配置。儀器的通道全數以參考儀器放大器的負極輸入為共同參考,如圖 4 所示。單端點配置只使用一個輸入,因此能進行的量測是差動配置系統 (實體通道數相同) 的兩倍。另一方面,單端點量測會因此而容易受接地迴路影響,有可能因此降低量測準確度。
以下是兩種不同類型的單端點量測系統:
圖4:GRSE 或 RSE 系統的共同參考通道接在儀器接地。
圖 5:NRSE 儀器的共同點是儀器放大器負極端子提供的電壓。
分析兩種訊號源接地類型和儀器配置之後,接下來討論哪一種訊號源和儀器配置組合能夠測得最準確的結果。
以差動或 NRSE 儀器配置量測接地訊號源的結果最準確,因為這樣不需要讓整個系統再多一個接地。系統再多一個接地可能會形成接地迴路,這是量測方面常見的雜訊源。
電路中兩個相接端子的接地電位若是不同,就會形成接地迴路,也會在兩點之間出現電流。訊號源接地端可能會比儀器接地端高或低幾伏特。這多出來的電壓可能會導致量測錯誤,而電流流動也可能會感測到鄰近接線的電壓,導致額外的量測錯誤。這類錯誤可能會是測得訊號多出來的純量或週期訊號。舉例來說,60 Hz 是美國和其他部分國家/地區的標準電源線頻率,若有一條 60Hz 的 AC 電源線形成了接地迴路,則多餘的 60 Hz AC 訊號可能會在量測時以週期電壓錯誤的形式呈現。
要計算測得電壓 V_m,請使用下方的方程式 4:
方程式 4:有接地迴路的電壓量測值。
其中:
使用上方的數學方程式 4 就能計算出有接地迴路時的測得電壓。若繼續以 60 Hz 的電力線為例,ΔV_g 是會隨著時間而改變的值,並非純量偏移。因此,測得訊號看似會呈現週期規律,而不會像是測得電壓的簡單偏移錯誤。
圖 6 是有接地迴路的系統簡圖。若以使用 RSE 配置的儀器量測電壓源 V_s,您可以將圖 6 方程式左邊的示意圖簡化成方程式右邊的示意圖,這樣就與方程式 4 的計算方式一致。
圖 6:使用接地參考系統量測的接地訊號源會造成接地迴路和量測錯誤。
為避免圖 6 所示的接地迴路,請務必使用差動或 NRSE 儀器配置,或者使用「儀器基本概念系列」隔離類型與考量說明文件中討論的量測硬體,確保訊號源和量測系統中只有一個接地參考。
您可以使用我們討論過的任何一種量測配置量測浮動訊號源:差動、GRSE/RSE 或 NRSE。請注意,使用有浮動訊號源的差動或 NRSE 量測配置時,必須在儀器接地中加入正極 (+) 和負極 (-) 引線的偏壓電阻器 (如圖 7)。
圖 7:使用差動或 NRSE 儀器配置量測浮動訊號源時,需要用到偏壓電阻器。
偏壓電阻器提供從儀器放大器輸入到儀器放大器接地的 DC 通路。偏壓電阻器的電阻要夠高,不應承載訊號源,而且要讓訊號源能夠成為儀器參考的浮動訊號源。不過,偏壓電阻器要夠小,才能將電壓保持在儀器範圍內。因此,偏壓電阻器的範圍通常要在 10 kΩ 到 100 kΩ 之間,才能符合條件。您一定要仔細檢查裝置的規格指南,務必確認您使用的偏壓電阻器值確實符合適當範圍。
量測浮動訊號源時,若差動或 NRSE 配置未使用電阻器,測得訊號可能會不穩定,或者在儀器的完整正極或負極範圍中。
如果使用 GRSE/RSE 配置量測浮動訊號源,就不必使用偏壓電阻器。使用單端點儀器配置時,為達到最佳量測結果,建議注意以下事項:
若需建議的訊號源與儀器配置組合,請參閱圖 8。接地與量測
圖 8:儀器配置與訊號源類型摘要。