電壓測量概述

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

大多數測量設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特的挑戰。

如何進行直流電壓測量

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

電壓測量基礎

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。本質上，電壓是電路中兩個感興趣的點之間的電勢差。然而，一個經常混淆的地方是確定測量參考點。測量參考點是測量時以為參考的電平。

參考點方法

本質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或者“地”作為測量電壓的參考。通常，這些“地”是穩定不變的，而且一般在0V左右。“地”這個術語源于通過將信號直接同大地連接以確保電勢為0V的歷史慣例應用。

當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）
• 信號和設備之間連接導線的長度小于10英寸（3m）
• 輸入信號同其他信號共用一個參考點

對地參考由測量設備或者被測外部信號提供。當設備提供地時，這種設置被稱為對地參照單端模式（RSE）。當由信號提供地時，這種設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機箱和NI 9205模擬輸入模塊（見圖1）。

圖1. NI CompactDAQ機箱和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“模擬輸入0（AI0）”通道，管腳17對應公共地（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“模擬輸入0（AI0）”通道，管腳35對應“模擬輸入感應（AISENSE）”通道。這個通道專門為NRSE測量設計，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立點之間的差分電壓。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立元件的電壓或者信號源很嘈雜的情況下是很有用的。

當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）
• 信號和設備之間連接導線大于10英尺（3米）
• 輸入信號需要一個隔離的地參考點或者回授信號
• 信號導線經過嘈雜的環境

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“模擬輸入0（AI0）”通道，管腳19對應“模擬輸入8（AI8）”通道。

在差分模式中，負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”連接到負端信號；“模擬輸入1”連接到正端，而“模擬輸入9”連接到負端信號；如此下去。差分模式的缺點在于模擬輸入測量通道數量會減少一半。

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而是擁有一個隔離的地參照點。浮動信號源的例子有變壓器、熱電偶、電池供電設備、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備就是一個浮動信號源。浮動信號的地參考點必須同設備的地相連，為信號建立一個本地或者板載的參考點。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連接，因此在假定測量設備與信號源接入到同一個供電系統的條件下，信號源已經連接到與設備相關的公共接地點。接入建筑供電系統的儀器和設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化接線圖。請注意，根據信號類別，某個電壓測量方法會比其他方法根有效。

圖5. 常規信號源類別及對應的推薦輸入配置

高電壓測量和隔離

在測量高電壓時需要考慮很多因素。在設計一個數據采集系統時，提出的第一個問題就是該系統安全與否。進行高電壓測量，不僅對設備、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。為了確保系統安全，應該使用絕緣測量設備，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之間的地沒有相連。電氣隔離可以斷開接地環路，擴大數據采集系統的共模范圍，還可以將信號地參考點的電壓拉平到單個系統的地。安全隔離參考標準對保護個人遠離危險電壓有專門的規定，并對電氣系統的性能進行評定，以避免高壓和瞬變電壓擊穿邊界傳輸到其他用戶可能接觸的電氣系統等情況的發生。

在數據采集系統中安裝隔離裝置主要有三個功能：防止接地環路，抑制共模電壓，和提供安全保障。

接地環路

接地環路是數據采集應用中最常見的噪音源。這種情況發生在當電路中相連的兩個端點處于不同的地電位上，導致兩點間產生電流。系統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致測量的重大誤差，而且電流電流會在附近導線中產生耦合電壓。該誤差可以瞬變信號和周期信號出現。例如，如果接地環路由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。

當接地環路存在，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，在讀取過程中包含了電源線頻率（60Hz）成分。

圖6. 由地參考系統測量的接地信號引入了接地環路

為了避免接地環路，就要確保測量系統中只有一個地參考點，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備之間的連接路徑，這樣就可以防止多個接地點之間的電流流動。

前文中我們提到過NI CompactDAQ 的設置，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只反映兩個端點——正極（+）和負極（-）輸入的電勢差。兩根導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能夠完全抑制共模電壓，更不用說測量。然而，實際設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）等參數描述。

共模電壓范圍的定義是指測量系統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中，在電路輸入端和輸出端之間仍存在導電通道。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電電氣路徑，而共模抑制比也顯著增大。

隔離拓撲結構

當配置測量系統時候，了解設備的隔離拓撲結構是很重要的。不同的拓撲結構有著不同的相關成本和速度的考慮。

通道至通道

最穩健的隔離拓撲結構是通道至通道隔離。在這種拓撲結構中，每個通道之間以及同其他非隔離系統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，有多種結構可以選擇。每個通道使用一個模擬數字轉換器（ADC）和一個隔離放大器的話，速度會明顯變快，因為所有通道可以并聯接入。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確性。

一種成本效益好而速度相對較慢的結構是各個隔離輸入通道多路復用到一個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路徑。

組

另一種隔離拓撲結構包括組合或集合多個通道來實現共享單個隔離放大器。在這種拓撲結構中，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。這種拓撲結構是低成本的隔離解決方案，因為這種設計共用一個隔離放大器和電源。

大多數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據進行可視化處理和分析。（見圖8）

圖8. LabVIEW電壓測量