本文想要說(shuō)明單端和差分信號(hào)的接線(xiàn)方法。當(dāng)然我們先要介紹一下單端和差分信號(hào)，然后在說(shuō)明其接線(xiàn)方法。

一、單端及差分信號(hào)

單端信號(hào)是指輸入信號(hào)由一個(gè)參考端和一個(gè)信號(hào)端構(gòu)成，這個(gè)參考端一般就是地端。信號(hào)是通過(guò)計(jì)算信號(hào)端和地端的差值得到的。

差分信號(hào)則是指將單端信號(hào)進(jìn)行差分變換，一路信號(hào)與原信號(hào)相位相同，另一路信號(hào)與原信號(hào)相位相反。從另一個(gè)角度講，差分信號(hào)就相當(dāng)于兩個(gè)單端信號(hào)，一個(gè)相對(duì)于參考地來(lái)說(shuō)是正的，另一個(gè)相對(duì)于參考地來(lái)說(shuō)是負(fù)的。

所以差分信號(hào)的計(jì)算方法是先計(jì)算兩根信號(hào)線(xiàn)上的差值，然后再除以二。對(duì)比這兩種信號(hào)，差分信號(hào)的抗干擾能力較強(qiáng)，因?yàn)椴罘值膬蓷l導(dǎo)線(xiàn)距離很近，而且信號(hào)反相，所以產(chǎn)生的干擾信號(hào)會(huì)同時(shí)耦合到這兩路信號(hào)上，當(dāng)差分信號(hào)做差時(shí)，干擾信號(hào)就相互抵消了。

當(dāng)然在實(shí)際測(cè)試中，最終得到的是差分信號(hào)做差后的結(jié)果波形。

二、單端及差分信號(hào)的接線(xiàn)方法

從上述介紹中我們可以發(fā)現(xiàn)單端和差分信號(hào)的一個(gè)共同點(diǎn)：兩種信號(hào)都要做差，也就是說(shuō)信號(hào)的產(chǎn)生需要一個(gè)參考值（被減數(shù)）。

在模擬輸入的采集中，我們可以將接線(xiàn)方法中分為接地參考單端輸入（RSE），它計(jì)算的是AI和AI GND之間的電位差。

非接地參考單端（NRSE）測(cè)量的是AI和AI SENSE之間的電位差。

差分輸入（DIFF）測(cè)量的是AI+和AI-之間的電位差。

它們具體的線(xiàn)路連接我們就不展開(kāi)介紹了。這里著重說(shuō)明的是接線(xiàn)方法的選擇。需要注意的有三點(diǎn)：第一，采集卡與電腦連接，可以看作一個(gè)整體，是采集端。傳感器則是信號(hào)源，是發(fā)生端。第二，下文提到的浮空源是相對(duì)的，是說(shuō)此設(shè)備相對(duì)于另一端沒(méi)有參考地，而接地源則與之相反。第三，采集端和發(fā)生端是否共地與它們是否與物理上的大地連接并沒(méi)有必然的關(guān)系。下面我們將討論不同情況下的設(shè)備接線(xiàn)方法。

第一種情況：傳感器和電腦均是接地源，這時(shí)我們就要使用單端信號(hào)的NRSE模式或差分信號(hào)的差分接法。

這里要注意的是單端信號(hào)在采用NRSE接法時(shí)，不能將Ai Sense與AGND短接，因?yàn)橐苊饨拥丨h(huán)路的出現(xiàn)。一般我們認(rèn)為大地是0電勢(shì)的，但在真正應(yīng)用中，由于電流大小、布局結(jié)構(gòu)等因素的影響，參考地會(huì)產(chǎn)生一定的電壓波動(dòng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是兩個(gè)接地端的電壓并不相同。這樣在信號(hào)源和采集卡之間就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，如果將它們的參考地連接起來(lái)（Ai Sense與AGND短接），這個(gè)電勢(shì)差就會(huì)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)中，從而導(dǎo)致誤差。

第二種情況：當(dāng)傳感器是電池供電，這樣的信號(hào)基本是浮空信號(hào)源。這時(shí)無(wú)論采集端是浮空源還是接地源，測(cè)量單端信號(hào)應(yīng)使用RSE模式。

測(cè)量差分信號(hào)時(shí)，應(yīng)注意使差分輸入保持共地。

但是對(duì)于內(nèi)阻較大的浮地信號(hào)源，這樣的連接會(huì)導(dǎo)致差分信號(hào)失衡，所以我們要使用大約100倍信號(hào)源內(nèi)阻的偏置電阻來(lái)連接AGND端口。這種連接方法可被歸類(lèi)至偽差分輸入模式，對(duì)單端信號(hào)也同樣適用，下文我們就不在說(shuō)明。

第三種情況：當(dāng)傳感器是由開(kāi)關(guān)電源供電，而開(kāi)關(guān)電源通常是隔離的，所以我們認(rèn)為它是浮空源。這就與上述的電池供電傳感器的情況一致。還有一些無(wú)源的傳感器設(shè)備，如熱電偶等，它們同樣是浮空源。

第四種情況：電腦不接地，這里一般指筆記本，因?yàn)樗倪m配器是隔離，所以我們認(rèn)為它是浮空的。同理，無(wú)論發(fā)生端是什么樣的信號(hào)源，我們都應(yīng)該使用RSE或差分接法。

最后一種情況較為特殊：發(fā)生端和采集端都是浮空源，但他們卻是共地的。造成這種情況的原因是一些額外的設(shè)備提供了參考地。

當(dāng)然，如果這些額外設(shè)備之間又是隔離的，那么就只能使用浮空源的接法了。

從上述的幾種情況中可以發(fā)現(xiàn)，差分模式其實(shí)是默認(rèn)共地的，這在接線(xiàn)中需要我們注意。其中的共地是指有沒(méi)有共同的參考端。如果有，那么就要使用NRSE或差分模式，防止出現(xiàn)接地環(huán)路。如果沒(méi)有，那么單端信號(hào)就要使用RSE模式。

在RSE和NRSE方面，我們要注意的是采集端設(shè)備是否支持這兩種模式。例如在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，我們使用的USB－３１１３采集卡不支持RSE模式，這樣傳感器的信號(hào)負(fù)便不能直接接到采集卡的AGND端口上。

三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備有：USB-3113采集卡，信號(hào)發(fā)生器、差分輸出的加速度計(jì)、電腦及電源。

首先驗(yàn)證單端信號(hào)，實(shí)驗(yàn)使用的是筆記本，它是浮空源，而信號(hào)發(fā)生器使用的是三線(xiàn)電源，是接地源，使其輸出1mV的直流信號(hào)。

根據(jù)上述介紹，在測(cè)量中應(yīng)使用RSE接線(xiàn)方法，但采集卡不支持這種模式。所以將信號(hào)正與AI 0連接，信號(hào)負(fù)與AI SENCE連接，并將AI SENCE與AGND短接。其實(shí)這就相當(dāng)于RSE的接法。

在軟件中可以看到波形顯示。

然后換一臺(tái)接地的電腦，使用NRSE模式接線(xiàn)，其波形與筆記本顯示的波形是一致的。

然后使用RSE模式，我們可以看到接地回路帶來(lái)的測(cè)量誤差。

接下來(lái)驗(yàn)證差分信號(hào)，我們先介紹一下傳感器，這是一種差分輸出的加速度傳感器，輸出電壓是±3.6V，量程是±2g，需要5V的直流電源。

我們將它的差分輸出接到采集卡的Ai 0和Ai 1端口上，電源輸入與直流電源的正負(fù)極相連，因?yàn)槭褂霉P記本電腦作為采集端，在接線(xiàn)時(shí)，我們要將電源負(fù)極和傳感器負(fù)極連接到采集卡的AGND上，達(dá)到共地的目的。

在軟件中，把采集模式調(diào)整為差分模式，選擇AI 0，根據(jù)傳感器參數(shù)設(shè)置其它內(nèi)容。可以看到傳感器采集的手機(jī)振動(dòng)信息。

當(dāng)電腦接地，我們可以直接把傳感器的差分輸出端接到采集卡的Ai 0和Ai 1端口上，而不用額外共地，因?yàn)楣╇婋娫醇半娔X都是接地源。

如果我們將它們地端連接，在軟件中就能明顯看到接地回路帶來(lái)的測(cè)量誤差。

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審核編輯 黃宇