【NI-DAQmx入门】处理数据采集和测试系统中噪声的几种主要方法

        在实际的测试系统中测量模拟信号并不总是像将信号源连接到测量设备那么简单。数据完整性取决于被控制和监视的电气设备发送和接收的干净的电信号。

        电噪声可能会掩盖电信号并使其无法识别，从而损害原本具备功能的 DAQ 系统。数据采集​​是关键任务应用测试系统的一部分，其噪声可能是计划安全着陆和灾难性坠机之间的区别。

        下面是处理噪声常用的几种方法：

        在探讨减轻噪声影响的方法之前，我们必须首先了解什么是电噪声。出于本博文的目的，我们将重点关注耦合噪声，这是来自外部源的噪声，可能会影响系统中的测量信号。噪声耦合有两种类型：共模和简正模。

        共模噪声是两条信号线上的电气干扰，导致两条信号线相对于地改变两个信号的电压。

        常模噪声是两条信号线之一上的电气干扰，会导致两个信号之间的参考电压发生变化。这与共模噪声类似，只不过只有一个信号受到影响。

        耦合噪声源

        耦合噪声可能来自几个不同的外部源。

        当导体暴露 于时变电场并感应电压时，就会产生静电噪声。这通常也称为电容耦合噪声。在测试系统中处理 DAQ 时，以下静电噪声源很常见：

• • 变频驱动 (VFD) 电机电缆

  • 开关电源导体

  • 荧光灯

  • 轴承发出尖叫声

        当导体暴露在时变磁场中并感应出电流时，就会产生电磁噪声。这通常称为电感耦合噪声。以下是常见的电磁噪声源：

• • 变频电机电缆

  • 交流电源线

  • 开关电源导体

  • 电磁电源接触器

  • 接地环路

1. 屏蔽电缆

        在数据采集系统中正确使用屏蔽电缆将有助于最大限度地减少共模静电噪声。当屏蔽包围信号线时，信号线将电容耦合到屏蔽，但不能电容耦合到屏蔽外部的任何导体。这可用于防止静电噪声进入屏蔽电缆内的导体，但也可用于将静电噪声限制在屏蔽内。

        根据经验，所有测量信号都应使用屏蔽电缆连接到系统。在系统中包含高频、时变信号的电源线上使用屏蔽电缆也很重要，以尽量减少它们对系统其他部分的影响。这通常包括由脉宽调制信号驱动的设备，例如将变频驱动器连接到各自电机的电缆、在数据采集期间切换的螺线管以及由 PWM 信号驱动的螺线管。使用屏蔽电缆时，必须确保屏蔽层正确端接。

        通常，对于屏蔽内包含的信号，仅屏蔽的零信号参考电位（公共）端被端接。特殊情况下，屏蔽层可以两端端接，但必须保证屏蔽层两端无电位差，以防止接地环路感应。

2. 使用双绞线

 

• 同轴电缆：它的外导体是“编织层”，信号是：信号地。信号和机箱地通过连接器自动接地。电流在外导体中流动的事实使得芯线能够最大限度地免受磁场影响。非常适合单端 (SE) 信号传输，可达到更远的距离和更高的带宽，因为外导体通过结构接触外壳，因此它会自动接地（当然，如果设备也接地）
• 屏蔽双绞线 (STP)：由于所谓的集肤效应，只需用网状网屏蔽，并且只有一个网状网，而不是用连续的箔屏蔽。它们通常更薄、更便宜，并且允许差分信号传输，因为电线的数量不限于同轴电缆。

        使用双绞线电缆将有助于消除简正模噪声，因为双绞线中的每个导体都同样暴露于任何静电和/或电磁噪声源。

        双绞线电缆还有助于最大限度地减少导体中电流产生的磁场。一对中的每个导体都承载相同的电流，但方向相反；因此导体的磁场相互抵消。

布线良好实践

在布线方面有一些良好实践：

• 短电缆
• 更大的横截面（更高的横截面积）和低阻抗电缆
• 相同性质的电缆应捆扎在一起
• 易受影响的束与噪声束保持分离，因此我们实现了可能且将会磁耦合的尽可能小的环路表面
• 垂直交叉（如果需要的话），这样来自一个的磁力线就不会“看到”其他的
• 相同尺寸和间距的平衡线
• 最小化弯曲
• 双绞线，信号线和电源线

3. 隔离信号

        由于系统的物理尺寸或为了将噪声设备与数据采集系统隔离，某些系统需要多个接地层。重要的是要确保信号布线不会在相对于接地电位不同的两个接地层之间形成返回路径，从而形成所谓的接地环路。

        需要为任何可能形成接地环路的设备提供隔离。可以购买具有板载隔离功能的数据采集模块，也可以使用外部设备。必须注意确保器件能够处理两个接地层之间的电位差，并且隔离器在隔离模拟信号时具有足够的带宽。

4. 使用差分测量

        最好尽可能使用差分测量来设计数据采集系统。差分测量有助于消除任何共模噪声并充分利用双绞线布线。

        理论上，差分测量将消除任何共模噪声干扰，但在实际应用中，情况并非总是如此。差分放大器的共模抑制比 (CMRR) 可用于确定共模电压引入的误差有多少，并且误差会根据频率而变化。理想的放大器应具有无限的 CMRR，但 CMRR 越高越好。典型仪表放大器在 60 Hz 时的 CMRR 为 70 dB 至 120 dB。

        当处理高速差分数字信号（即RS-485、以太网等）时，选择具有适当阻抗的电缆非常重要，以便信号以最大功率传输。阻抗不正确的电缆会导致方波肩部变圆，并增加传输错误的可能性。

5. 正确接地线

        在设计和安装阶段进行正确的接地和接地连接对于减少 DAQ 系统中不必要的噪声问题至关重要。建立接地层有助于降低噪声并确保系统内的所有电路具有相同的参考电位以比较不同的信号和电压。对于大多数信号来说，该接地平面表现为无限大的接地电势，其表面上的每个点对于所有频率都具有相同的电势。

        所有接地均旨在建立一条通往电源的低阻抗接地故障返回路径，这是启动过流保护装置所必需的。为了实现所有组件的接地，用于采集数据的电缆和附件有效地连接到接地平面，然后接地平面连接到系统接地，以便为任何接地故障提供返回路径。这还提供了零电位参考，以最大限度地减少高频射频源的电噪声。

功能接地 – 屏蔽（法拉第笼）

        保护所有电线、所有电缆以及所有互连设备（例如传感器和 DAQ）免受干扰。法拉第笼概念使金属导体外壳在接地时可充当屏蔽层。如果金属不接地，它将充当干扰放大器。 
 

 

模拟信号的现场连线和噪声考量 - NI

6. 策略性地布线

        必须考虑布线，以防止高压电源和电机接线噪声影响低压 I/O 和信号接线。将信号线与交流电源和“脏”电源（例如来自 VFD 或伺服驱动器的电源）隔离对于良好的信号完整性至关重要。您可以通过自由空气将低压电线与高压电线分开，使用单独的导管或托盘分隔器、钢制分隔板和专门为此目的设计的特殊管道来实现此目的。尽量减少混合类别布线的平行和重叠布线以及直角交叉电缆。

7. 使用抗混叠滤波器

        虽然严格来说，混叠不是噪声，但它会扭曲波形数据，从而对测量产生负面影响。当采样频率不够快，无法解释信号中的高频内容时，就会出现混叠。在确定数据采集系统的采样率时，根据奈奎斯特采样定理，采样率必须至少是感兴趣的最大频率的两倍。为了防止混叠，必须确保信号不包含任何高于采样率一半的频率。抗混叠滤波器可以在使用过采样的软件中实现，也可以在数据采集模块的前端实现。

        抗混叠滤波器不仅可以减少或消除混叠，而且与任何高通滤波器一样，它们还可以消除高于滤波器截止频率的频率的噪声。一旦解决了混叠问题，还可以在软件中添加额外的数字滤波器，以滤除低于奈奎斯特频率的噪声。有许多不同的滤波器类型，必须仔细考虑，以尽量减少对测量数据的影响。

8. 抑制直流共模电压

        进行高精度测量通常从差分读数开始。理想的差分测量设备仅读取其仪表放大器的正端子和负端子之间的电位差。然而，实际设备抑制共模电压的能力有限。共模电压是仪表放大器正负端子的公共电压。在图 1 中，AI+ 和 AI- 端子共用 5 V，理想器件读取两个端子之间产生的 5 V 差值。 

        数据采集​​ (DAQ) 设备的最大工作电压是指信号电压加上共模电压，指定输入和接地之间可能存在的最大电势。大多数DAQ设备的最大工作电压与仪表放大器的输入范围相同。例如，低成本的M系列DAQ设备，例如NI 6220设备，最大工作电压为11V；输入信号不能超过 11 V，否则会损坏放大器。

        隔离可以显着提高 DAQ 设备的最大工作电压。在测量系统中，“隔离”是指在物理上和电气上分离电路的两个部分。隔离器将数据从电路的一个部分传递到另一部分而不导电。由于电流无法流过此隔离栅，因此您可以将 DAQ 设备接地参考电平移离大地。这将最大工作电压规格与放大器的输入范围解耦。例如，在图 2 中，仪表放大器接地参考与大地电气隔离。

        虽然输入范围与图 1 中的相同，但工作电压已扩展至 60V，抑制 55V 共模电压。最大工作电压现在由隔离电路而不是放大器输入范围定义。

        燃料电池测试是需要高直流共模电压抑制的示例应用。每个单独的电池可产生大约 1V 的电压，但电池堆可产生数千伏或更高的电压。为了准确测量单个 1 V 电池的电压，测量设备必须能够抑制电池组其余部分产生的高共模电压。

9. 抑制交流共模电压

        共模电压很少只包含直流电平。大多数共模电压源除了直流偏移之外还包含交流分量。噪声不可避免地耦合到来自周围电磁环境的测量信号上。对于通过 DAQ 设备上的仪表放大器的低电平模拟信号来说，这尤其麻烦。

        交流噪声源可按其耦合机制大致分类——电容式、电感式或辐射式。电容耦合是由时变电场产生的，例如附近继电器或其他测量信号产生的电场。感应或磁耦合噪声是由时变磁场产生的，例如附近机械或电机产生的磁场。如果电磁场源远离测量电路，例如荧光灯，则电场和磁场耦合被视为组合电磁或辐射耦合。在所有情况下，时变共模电压都会耦合到感兴趣的信号上，最常见的范围是 50-60 Hz（电源线频率）。

        理想的测量电路具有通往仪表放大器的正极和负极端子的完美平衡路径。这样的系统将完全抑制任何交流耦合噪声。然而，实际设备会通过共模抑制比 (CMRR) 指定其抑制共模电压的程度。CMRR 是测得的信号增益与放大器施加的共模增益的比率，如下式所示：

        选择在更宽频率范围内具有更好 CMRR 的 DAQ 设备可以对系统的整体抗噪能力产生显着影响。例如，下图显示了低成本 M 系列设备与工业 M 系列设备的 CMRR 对比。

        在 60 Hz 频率下，NI 6230 工业 M 系列设备的 CMRR 比 NI 6220 低成本 M 系列设备高 20 dB。这相当于 60 Hz 噪声的衰减效果提高了 10 倍。

        任何应用都可以从抑制 60 Hz 噪声中受益。然而，那些拥有大型旋转机械或电机的设备需要更高频率下的抗噪声能力。在 1 kHz 频率下，NI 6230 设备的噪声抑制能力比 NI 6220 设备高 100 倍，非常适合工业应用。

10. 断开接地回路

        接地环路可以说是数据采集系统中最常见的噪声源。正确的接地对于准确测量至关重要，但它是一个经常被误解的概念。当电路中两个连接的端子处于不同的接地电位时，就会形成接地环路。这种差异会导致电流在互连中流动，从而产生偏移误差。更复杂的是，信号源地和 DAQ 设备地之间的电位通常不是直流电平。这产生的信号揭示了读数中的电力线频率分量。考虑下图中的简单热电偶应用。

        在这里，由于被测设备 (DUT) 的接地电位与 DAQ 设备的接地电位不同，原本简单的温度测量变得复杂。尽管两个设备共享相同的建筑物接地，但如果配电电路连接不正确，接地电位差可能会达到 200 mV 或更多。在测量结果中，差异表现为带有交流分量的共模电压。

        请记住，隔离是一种将信号源接地与仪表放大器接地参考电隔离的方法。

        由于电流无法流过隔离栅，因此放大器接地参考电位可能高于或低于大地电位。您不会无意中用此电路创建接地环路。使用隔离测量设备消除了测量系统正确接地的不确定性，确保了更准确的结果。

• 接地环路电耦合：不同的接地路径可能意味着不同的接地电位；它们可能会呈现不同的长度和/或与不同接地点的不同连接。如果环路中存在电位差，就会有电压和电路，因此就会有电流。另一种情况是：传感器看到的信号接地值与 DAQ 看到的信号接地值不同。原因可能是：
• 这些点之间的距离很远，就像传感器和我们的数据采集器之间可能发生的情况一样。顺便说一句，这个距离是根据地线中的电阻建模的
• 由于其他设备插入同一电源线，例如笔记本电脑、发动机、交流/直流适配器、大型机械等，电流可能已经在地线中流动。
• 接地环路磁耦合：实际上，所有带有电路或环路的东西都会磁耦合，我们确实希望避免在大范围内创建更多的接地环路（考虑到传感器和 DAQ 通常彼此距离相对较远）。 

11. 使用4-20mA电流环路

        较长的电缆长度以及工业或恶劣电气环境中存在的噪声可能会导致精确的电压测量变得困难。因此，感测压力、流量、接近度等的工业传感器通常发出电流信号而不是电压信号。4-20 mA 电流环路是许多过程监控应用中长距离发送传感器信息的常用方法。

        每个电流环路都包含三个组件 - 传感器、电源和一个或多个 DAQ 设备。来自传感器的电流信号通常在 4 至 20 mA 之间，其中 4 mA 代表最低信号值，20 mA 代表最大值。这种传输方案的优点是使用 0 mA 来指示开路或连接不良。电源通常在 24 至 30 VDC 范围内，具体取决于电路上压降的总量。最后，DAQ 设备使用仪表放大器引线之间的高精度分流电阻将电流信号转换为电压测量值。由于从电源一根引线流出的所有电流都必须返回另一根引线，因此电流环路信号不受大多数​​电噪声源和沿较长电缆长度的电压 (IR) 降的影响。此外，为传感器供电的引线还携带测量信号，大大简化了现场接线。

        如图  所示的隔离栅在电流环路应用中具有两个主要优点。首先，由于电源电压通常超过大多数仪表放大器的最大输入范围，因此隔离对于将放大器接地电平从大地移至可接受的电压至关重要。其次，电流环路的工作原理是电流永远不会离开电路。因此，将电流环路与任何接地路径隔离可以防止信号衰减。NI 6238 和 NI 6239 工业 M 系列 DAQ 设备等设备提供内置分流电阻以及高达 60 VDC 的接地隔离，适用于 4-20 mA 电流环路应用。

12. 使用24V数字逻辑

        测量噪声不仅限于模拟信号。数字逻辑还可能受到嘈杂的电气环境的影响，可能指示错误的开/关值或意外触发。有许多与数字 I/O 相关的电压电平和逻辑系列，其中一些比其他更抗噪声。晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 是迄今为止最常见的逻辑系列，为从微处理器到 LED 的所有设备供电。尽管 TTL 用途广泛，但它可能并不总是所有数字应用的最佳选择。

        对于工业应用，TTL 具有噪声容限小的固有缺点。高逻辑电平和低逻辑电平分别为 2.0 V 和 0.8 V，几乎没有出错的空间。例如，TTL 输入的低电平噪声容限为 0.3 V（最大低电平 TTL 输入 0.8 V 与最大低电平 TTL 输出 0.5 V 之间的差）。耦合到数字信号的任何超过 0.3 V 的噪声都可能将电压转移到 0.8 V 和 2.0 V 之间的未定义区域。这里，数字输入的行为是不确定的，可能会产生不正确的值。

        然而，24 V 逻辑可提供更高的噪声容限和更好的整体抗噪能力。由于大多数工业传感器、执行器和控制逻辑已经在 24 V 电源下运行，因此使用相应的数字逻辑电平非常方便。低电平输入为 4 V，高电平输入为 11 V，数字信号不易受噪声影响。

        大多数具有 24 V 数字 I/O 功能的测量设备都提供额外的降噪功能。例如，National Instruments 工业 M 系列和数字 I/O 设备具有可编程输入滤波器，用于消除继电器输入的抖动。当机械继电器闭合时，会有一段很短的时间（大约毫秒），在此期间接触表面会相互弹跳。如果不进行滤波，逻辑输入可能会将其读取为开/关信号突发。这些器件还提供隔离功能，如果整个系统的各个部分由不同的电源供电，这是一个需要考虑的重要因素

13. DAQ输出

一个好的做法是已经断开 PC 侧电缆编织层的环路。

 DAC 和振荡器

        如果我们的 DAQ 也有一个到振荡器的输出，那么它也应该没有接地环路，因为它是模拟信号，而且我们知道模拟信号是第一个受到保护的免受干扰的信号。

       一些振动筛是液压系统，其他振动筛是电动系统，它们可以消耗非常高的功率。一些振荡器放大器可以配置为差分或浮动输入。大多数放大器制造商都意识到接地环路问题，因此他们通常采取智能设计。

        在有问题的情况下，可以使用地面隔离器（有时太空测试实验室有它们）。

8.3 外部电源

        如果我们需要为传感器使用外部电源，并且希望获得卓越的接地效果，那么星形接地概念就是一个很好的实践。原理是将所有接地插头连接到同一点，就像接地的分形树一样。