熱電偶信號是否需要隔離？應(yīng)變計放大器的輸出應(yīng)作為單端輸入還是差分輸入連接？差分輸入總是比單端配置更好的選擇嗎？如果您不熟悉數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，這些基本的儀器問題可能不容易回答。必須了解輸入配置和隔離問題，以優(yōu)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能并防止設(shè)備損壞或可能的操作員傷害。本文旨在加深對正確輸入配置實踐的理解，并作為幾種日常數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的參考。

表1包含14種典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用和三種輸入配置選項（單端、差分和隔離），任何數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量都必須解決這些問題。如果輸入配置選項對于測量是必需的或足夠的，則“選中”。在某些情況下，所有三個選項都適用。我的目標(biāo)是傳授一定程度的儀器專業(yè)知識，使您能夠有效地評估任何測量應(yīng)用。提高儀器技能的關(guān)鍵是培養(yǎng)確定測量最低要求的能力，并識別特定測量條件是否需要更復(fù)雜的技術(shù)。

所有這些關(guān)注輸入配置的原因是共模電壓（CMV）的存在。CMV是一種同相信號，同時出現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道的兩個輸入端子上。您需要注意兩個級別的巨細胞病毒。CMV 可能會將您嘗試測量的信號偏移到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量范圍之外，或者 CMV 可能會超過 DAS 前端的最大過壓額定值，這可能會使您和您的硬件面臨風(fēng)險。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入的最大CMV是您嘗試測量的信號與輸入的滿量程測量之間的差值。換句話說，如果您有一個 5 伏滿量程輸入，并且您正在測量 1 伏信號，則輸入可以容忍任何低于 4 伏的 CMV 并且仍然可以進行測量。CMV的存在及其幅度將決定測量是單端還是差分輸入應(yīng)用，以及是否需要隔離。

單端輸入

單端 （SE） 輸入最容易理解和連接。它由一個信號引線和一個公共接地組成。此配置足以在沒有 CMV 的情況下進行測量。當(dāng)您連接到放大器的輸出時，您會發(fā)現(xiàn)這種情況最常見。所有放大器都具有單端輸出，在這種情況下，CMV存在的唯一方法是放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間存在接地差異 - 如果兩者都在本地供電，這種情況很少見。如果將 SE 輸入連接到帶有 CMV 的信號，會發(fā)生什么情況？有兩種可能性：

假設(shè)CMV的幅度低于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大輸入電壓規(guī)格，您會遇到噪聲信號。噪聲程度與CMV的大小成正比。

如果CMV的幅度超過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大過壓規(guī)格，請注意！您能期望的最好的結(jié)果是失去 DAS 的前端。最壞的情況通常伴隨著電子煙花，會帶走整個 DAS、計算機，甚至可能帶走您。總而言之，表 1 中的 SE 配置僅在不存在 CMV 的情況下才可接受。

差分輸入

在進行平衡信號源測量時或在存在CMV的情況下，需要差分輸入（DI）。

平衡信號源的一個例子是惠斯通電橋，它是應(yīng)變計和壓力傳感器測量的基礎(chǔ)。電橋輸出是電橋的兩個非勵磁角上的差分電壓（見表1）。如果激勵電源和儀器之間的接地相同，則此測量需要DI。相反，SE輸入會使電橋的一個元件短路，使測量變得不可能。另一個需要DI的例子是接地?zé)犭娕?。熱電偶結(jié)本身接地，使用SE會使熱電偶短路接地并破壞測量。

DI測量輸入信號的幅度作為兩個輸入之間的差值。由于一個輸入僅承載CMV和目標(biāo)信號，而另一個僅攜帶CMV，因此兩者之間的差異僅產(chǎn)生目標(biāo)信號。在目標(biāo)信號位于CMV上的應(yīng)用中，例如在離地的分流測量中，可以利用這一事實（見表1）。

因此，只要存在 CMV 或平衡信號源，就應(yīng)該使用 DI 配置。但是，請確保您知道CMV的大小：

如果CMV加上目標(biāo)信號小于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的滿量程范圍（FSR），您將能夠進行測量。

如果CMV加上目標(biāo)信號大于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的FSR，但小于其最大過壓規(guī)格，則無法進行測量，但不會損壞DAS。

如果CMV超過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大過壓規(guī)格，DI輸入將遭受與SE輸入相同的命運 - 電煙花，并可能造成重大損壞。

與SE輸入相比，DI的優(yōu)勢在于它能夠測量平衡輸入和抑制CMV。一個 DI 消耗兩個 SE 通道（一個用于正輸入，一個用于負輸入），但 SE 輸入更易于連接。此外，需要測量的SE和DI信號的混合情況并不少見。DATAQ儀器的數(shù)據(jù)采集硬件通過允許每個輸入通道編程為差分或單端來適應(yīng)這種情況。這種方法通過確保僅需要DI的測量分配額外的通道來節(jié)省通道數(shù)。例如 DI-720 系列儀器（32SE/16DI 通道）;允許差分和單端輸入的任意組合。

隔離

到目前為止，我們已經(jīng)能夠處理具有DI或SE輸入配置的任何類型的信號，但CMV超過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入滿量程分辨率的信號除外。處理這種信號類型是隔離域。隔離是任何儀器儀表應(yīng)用的一種選擇，但在這些條件下是絕對必要的。

隔離的存在確保計算機接地與信號接地之間絕對不存在連接。因此，信號的CMV可能會浮動到由隔離柵定義的電平（通常為1000 V）。如表1所示，支持隔離的儀器幾乎可以應(yīng)用于任何測量情況，而不會損壞數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機或您。

如果您的儀器儀表應(yīng)用經(jīng)常需要隔離，理想的解決方案是內(nèi)置隔離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。DATAQ 儀器的 DI-718B、DI-718Bx 和 DI-788數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集與 1000 伏輸入輸出隔離信號調(diào)理相結(jié)合。即使這些產(chǎn)品連接到任何工業(yè)信號（例如熱電偶、RTD、應(yīng)變、RPM等），這種靈活性也會在不隔離的情況下受到影響。隔離可確保為工業(yè)數(shù)據(jù)采集提供無噪聲和安全的環(huán)境。

關(guān)于隔離需求的最后一點是圍繞生命科學(xué)應(yīng)用中的患者連接測量。任何涉及儀器與人體連接的測量都需要醫(yī)療級隔離，以確保受試者的安全。

審核編輯：郭婷