電壓測量概述

電壓是電氣或電子電路兩點(diǎn)間的電勢差，單位為伏特。用以測量電場在導(dǎo)電體中形成電流的勢能。

大多數(shù)測量設(shè)備都能夠測量或讀取電壓。兩種常用的電壓測量為直流（DC）和交流（AC）。

雖然電壓測量是各種模擬測量形式中最簡單的，但是噪音因素對電壓測量提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

如何進(jìn)行直流電壓測量

雖然許多傳感器可以輸出數(shù)據(jù)采集設(shè)備測量的直流電壓，但本白皮書的初衷是研究其中不包括中間傳感器設(shè)置的一般直流電壓測量。

電壓測量基礎(chǔ)

為了理解如何測量電壓，了解采取測量方式的背景知識是必不可缺的。本質(zhì)上，電壓是電路中兩個感興趣的點(diǎn)之間的電勢差。然而，一個經(jīng)常混淆的地方是確定測量參考點(diǎn)。測量參考點(diǎn)是測量時以為參考的電平。

參考點(diǎn)方法

本質(zhì)上有兩種測量電壓的方法：對地參考和差分

對地參考電壓測量

一種方法是以公共點(diǎn)或者“地”作為測量電壓的參考。通常，這些“地”是穩(wěn)定不變的，而且一般在0V左右。“地”這個術(shù)語源于通過將信號直接同大地連接以確保電勢為0V的歷史慣例應(yīng)用。

當(dāng)通道遇到以下情況時，您可以使用對地參考輸入連接：

• 輸入信號電平較高（大于1V）
• 信號和設(shè)備之間連接導(dǎo)線的長度小于10英寸（3m）
• 輸入信號同其他信號共用一個參考點(diǎn)

對地參考由測量設(shè)備或者被測外部信號提供。當(dāng)設(shè)備提供地時，這種設(shè)置被稱為對地參照單端模式（RSE）。當(dāng)由信號提供地時，這種設(shè)置被稱為非參考單端模式（NRSE）。

大部分儀器都為模擬輸入測量提供相似的管腳排列。下例顯示的就是這類方法，測量中使用了NI CompactDAQ機(jī)箱和NI 9205模擬輸入模塊（見圖1）。

圖1. NI CompactDAQ機(jī)箱和NI 9205模擬輸入模塊 

圖2所示了使用NI 9205和NI cDAQ-9172的RSE電壓測量接線圖，和該模塊的管腳定義。圖2中管腳1對應(yīng)“模擬輸入0（AI0）”通道，管腳17對應(yīng)公共地（COM）。

圖2. 對地參照單端模式 

圖3所示了使用NI 9205和cDAQ-9172的NRSE電壓測量接線圖。圖中，管腳1對應(yīng)“模擬輸入0（AI0）”通道，管腳35對應(yīng)“模擬輸入感應(yīng)（AISENSE）”通道。這個通道專門為NRSE測量設(shè)計，可以偵測到由信號提供的對地電壓。

圖3. 非參考單端模式

差分電壓測量

另一種測量電壓的方式是確定電路中兩個獨(dú)立點(diǎn)之間的差分電壓。例如，測量單個電阻兩端的電壓就需要在電阻兩端進(jìn)行測量。電壓差值就是通過電阻的端電壓。通常差分電壓測量在確定通過電路獨(dú)立元件的電壓或者信號源很嘈雜的情況下是很有用的。

當(dāng)通道遇到以下情況時，可以使用差分輸入連接：

• 輸入信號電平較低（小于1V）
• 信號和設(shè)備之間連接導(dǎo)線大于10英尺（3米）
• 輸入信號需要一個隔離的地參考點(diǎn)或者回授信號
• 信號導(dǎo)線經(jīng)過嘈雜的環(huán)境

圖4所示為使用安裝了NI 9205的cDAQ-9172的差分電壓測量接線圖。在圖中，管腳1對應(yīng)“模擬輸入0（AI0）”通道，管腳19對應(yīng)“模擬輸入8（AI8）”通道。

在差分模式中，負(fù)端信號直接連接到一個模擬輸入管腳，此管腳與正端信號連接的模擬通道相配對。例如，“模擬輸入0”連接到正端，而“模擬輸入8”連接到負(fù)端信號；“模擬輸入1”連接到正端，而“模擬輸入9”連接到負(fù)端信號；如此下去。差分模式的缺點(diǎn)在于模擬輸入測量通道數(shù)量會減少一半。

圖4. 差分模式

信號源類型

在配置輸入通道和連接信號之前，應(yīng)先確定信號源是浮動的還是接地的。

浮動信號源

浮動信號源沒有連接到建筑接地系統(tǒng)而是擁有一個隔離的地參照點(diǎn)。浮動信號源的例子有變壓器、熱電偶、電池供電設(shè)備、光耦隔離器和隔離放大器等的輸出。擁有隔離輸出的儀器或者設(shè)備就是一個浮動信號源。浮動信號的地參考點(diǎn)必須同設(shè)備的地相連，為信號建立一個本地或者板載的參考點(diǎn)。否則，被測輸入信號會浮動變動而超出共模輸入范圍。

接地信號源

接地信號源與建筑接地系統(tǒng)連接，因此在假定測量設(shè)備與信號源接入到同一個供電系統(tǒng)的條件下，信號源已經(jīng)連接到與設(shè)備相關(guān)的公共接地點(diǎn)。接入建筑供電系統(tǒng)的儀器和設(shè)備的非隔離輸出都屬于這一范疇。連接到同一個建筑供電系統(tǒng)的兩個儀器地之間的電勢差通常在1到100mV之間，但是，如果配電線路的連接不合理，這個差值會高很多。如果接地信號源測量方法不對，此差值就是測量誤差。遵循接地信號源的連接說明就能夠消除源自被測信號地的電勢差。

圖5所示為信號源類型和基于各個測量方法的最優(yōu)化接線圖。請注意，根據(jù)信號類別，某個電壓測量方法會比其他方法根有效。

圖5. 常規(guī)信號源類別及對應(yīng)的推薦輸入配置

高電壓測量和隔離

在測量高電壓時需要考慮很多因素。在設(shè)計一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，提出的第一個問題就是該系統(tǒng)安全與否。進(jìn)行高電壓測量，不僅對設(shè)備、被測單元有傷害性，甚至對您個人及同事的人身安全都存在著危險性。為了確保系統(tǒng)安全，應(yīng)該使用絕緣測量設(shè)備，以在用戶和危險電壓之間提供一個絕緣障壁。

隔離，是在物理和電氣上將測量設(shè)備分離成兩部分的方法，可分為電氣隔離和安全隔離。電氣隔離是兩個電氣系統(tǒng)之間的地沒有相連。電氣隔離可以斷開接地環(huán)路，擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的共模范圍，還可以將信號地參考點(diǎn)的電壓拉平到單個系統(tǒng)的地。安全隔離參考標(biāo)準(zhǔn)對保護(hù)個人遠(yuǎn)離危險電壓有專門的規(guī)定，并對電氣系統(tǒng)的性能進(jìn)行評定，以避免高壓和瞬變電壓擊穿邊界傳輸?shù)狡渌脩艨赡芙佑|的電氣系統(tǒng)等情況的發(fā)生。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中安裝隔離裝置主要有三個功能：防止接地環(huán)路，抑制共模電壓，和提供安全保障。

接地環(huán)路

接地環(huán)路是數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中最常見的噪音源。這種情況發(fā)生在當(dāng)電路中相連的兩個端點(diǎn)處于不同的地電位上，導(dǎo)致兩點(diǎn)間產(chǎn)生電流。系統(tǒng)的本地地電勢可能比最近建筑物的地電勢高或者低幾伏特，而附近的雷擊也可能導(dǎo)致此差值上升至幾百或者幾千伏特。這種額外電壓不僅本身會導(dǎo)致測量的重大誤差，而且電流電流會在附近導(dǎo)線中產(chǎn)生耦合電壓。該誤差可以瞬變信號和周期信號出現(xiàn)。例如，如果接地環(huán)路由60赫茲交流電源線形成，那么不必要的交流信號在測量中將以周期性電壓誤差出現(xiàn)。

當(dāng)接地環(huán)路存在，被測電壓V_m就是信號電壓V_s和電勢差V_g之和，后者是信號源地和測量系統(tǒng)地之間的電勢差值（如圖6所示）。這個電勢通常不是直流電平；因此，形成了一個受到噪音干擾的測量系統(tǒng)，在讀取過程中包含了電源線頻率（60Hz）成分。

圖6. 由地參考系統(tǒng)測量的接地信號引入了接地環(huán)路

為了避免接地環(huán)路，就要確保測量系統(tǒng)中只有一個地參考點(diǎn)，或者使用隔離的測量硬件。使用隔離的測量硬件消除了信號源地和測量設(shè)備之間的連接路徑，這樣就可以防止多個接地點(diǎn)之間的電流流動。

前文中我們提到過NI CompactDAQ 的設(shè)置，NI 9229模擬輸入模塊提供250V的通道至通道隔離。

圖7. NI 9229通道至通道隔離模擬輸入模塊

共模電壓

一個理想的差分測量系統(tǒng)只反映兩個端點(diǎn)——正極（+）和負(fù)極（-）輸入的電勢差。兩根導(dǎo)線間的差分電壓就是有效信號，然而不必要信號很可能存在，這種情況在差分雙線的兩導(dǎo)線上都很常見。該電壓就是常說的共模電壓。理想的差分測量系統(tǒng)能夠完全抑制共模電壓，更不用說測量。然而，實(shí)際設(shè)備有很多限制條件限定了抑制共模電壓的能力，這些限制條件由共模電壓范圍和共模抑制比（CMRR）等參數(shù)描述。

共模電壓范圍的定義是指測量系統(tǒng)各輸入端對地的最大允許電壓擺幅。違反了該限制條件，不僅會產(chǎn)生測量誤差，而且可能損壞板卡上的元件。

共模抑制比描述的是測量系統(tǒng)抑制共模電壓的能力。共模抑制比越高的放大器對抑制共模電壓的效果越顯著。

在非隔離差分測量系統(tǒng)中，在電路輸入端和輸出端之間仍存在導(dǎo)電通道。因此，放大器的電氣特性限制了輸入端上共模信號電平的抑制。使用隔離放大器就可以消除導(dǎo)電電氣路徑，而共模抑制比也顯著增大。

隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)配置測量系統(tǒng)時候，了解設(shè)備的隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是很重要的。不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著不同的相關(guān)成本和速度的考慮。

通道至通道

最穩(wěn)健的隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通道至通道隔離。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個通道之間以及同其他非隔離系統(tǒng)元件之間都是隔離的。另外，每個通道都有自己隔離的電源。

考慮到速度，有多種結(jié)構(gòu)可以選擇。每個通道使用一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個隔離放大器的話，速度會明顯變快，因?yàn)樗型ǖ揽梢圆⒙?lián)接入。NI 9229 和 NI 9239模擬輸入模塊提供通道至通道隔離來給予最高的測量準(zhǔn)確性。

一種成本效益好而速度相對較慢的結(jié)構(gòu)是各個隔離輸入通道多路復(fù)用到一個ADC上。

另一種提供通道至通道隔離的方法就是所有通道共用一個隔離電源。在這種情況下，除非您使用的是前端衰減器，否則放大器的共模范圍受限于電源的供應(yīng)路徑。

組

另一種隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括組合或集合多個通道來實(shí)現(xiàn)共享單個隔離放大器。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通道間的共模電壓差是受限的，但是通道組之間以及與測量系統(tǒng)非隔離部件的共模電壓可能會很大。通道之間不是隔離的，但是通道組同其他組和地是隔離的。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是低成本的隔離解決方案，因?yàn)檫@種設(shè)計共用一個隔離放大器和電源。

大多數(shù)NI C系列模擬輸入模塊都是組隔離的，如NI 9201和NI 9221，可以提供成本較低的準(zhǔn)確的模擬測量。

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一旦將傳感器同測量儀器相連，就可以使用LabVIEW圖形化編程軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理和分析。（見圖8）

圖8. LabVIEW電壓測量