如何檢測RFI?如何排查低壓差測量中的誤差問題?

許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接連接傳感器。與所有測量系統(tǒng)一樣，你必須找出誤差，并盡最大可能地減小這些誤差。由于熱漂移、EMI/RFI、內(nèi)部噪聲、走線、接地和屏蔽造成的誤差都會對總的測量誤差產(chǎn)生影響。幸運的是，如果你知道引起這些誤差的原因，你可以最大限度地減小這些誤差。

我們在本文案例中使用的是instruNet i423數(shù)字化儀，這是專為直接連接許多不同傳感器而設(shè)計的多種系統(tǒng)之一，它可以連接比如電壓傳感器、電流傳感器、電阻傳感器、稱重傳感器、應變計、熱電偶和熱電阻（RTD）。你也可以將本文所述的技術(shù)應用于其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

我們實驗使用的稱重傳感器可以測量0到2kg的力，內(nèi)部包含4個350Ω電阻，這些電阻綁定在受壓會彎曲的金屬板上。金屬板的彎曲會改變電阻值。你可以將這個稱重傳感器想像為一個源阻抗為350Ω、接收3.3V DC激勵電壓并產(chǎn)生偏移量為1.65V DC的±10mV信號的傳感器。數(shù)據(jù)采集差分放大器看到的就是±10mV，我們將評估毫伏級誤差。本文中的所有圖片都是來自這個裝置的實際測量。圖1是稱重傳感器的原理圖。從電氣角度看，稱重傳感器與應變計和mV/V壓力傳感器是一樣的。

圖1：應變計實質(zhì)上是一個有著4個電阻的橋電路，電路兩端的電壓會隨著金屬板彎曲變形而發(fā)生改變。

我們將重點關(guān)注這些誤差來源：

耦合進傳感器信號的射頻干擾（RFI）

耦合進傳感器信號的50/60Hz電源

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲

熱漂移和傳感器不穩(wěn)定性

測試裝置

正常情況下，傳感器通過一根屏蔽電纜連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。然而出于演示射頻干擾（無線電波耦合進信號線）的目的，我們切斷了IN+導線，并引入了一個入侵信號和一個函數(shù)發(fā)生器。函數(shù)發(fā)生器的5Vrms輸出連接到一根圍著傳感器IN+導線繞了10圈的裸導線。我們還在函數(shù)發(fā)生器輸出端串聯(lián)了一個270Ω的電阻，便于通過入侵線圈產(chǎn)生18mA的電流（5Vrms/270=18mArms）。

我們還在第二個測量通道上連接了一個假的傳感器，這個傳感器與稱重傳感器有相同的電氣特性。它包含4個在電纜末端懸浮于空中的獨立薄膜電阻，函數(shù)發(fā)生器也采用與稱重傳感器相同的方式連接。源阻抗越高，耦合進來的射頻干擾就越多。因此，假傳感器具有與稱重傳感器相同的350Ω源阻抗。第二個通道用于識別來自稱重傳感器自身內(nèi)部的少許不穩(wěn)定性。

第三個通道用一段位于數(shù)據(jù)采集IN+與IN-端子之間以及GND與IN+之間的2cm長導線接地。這第三個通道用于確定內(nèi)部系統(tǒng)噪聲和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身的熱漂移。所有實驗都是用測量范圍是±10mV的instruNet i423卡完成，并使用instruNet World Oscilloscope/Strip圖表軟件。這種卡提供軟件可選的6Hz和4000Hz雙極模擬低通濾波器、軟件可選數(shù)字濾波器和軟件可選積分（平均）功能。

許多稱重傳感器制造商推薦使用10V的激勵電壓，這將在稱重傳感器上消耗約285mW的功率（10^2/350=0.285）。這么大的功耗將產(chǎn)生熱量和溫度漂移。因此我們選擇更低的3.3V電壓，對應31mW更小的功耗。

射頻干擾耦合進傳感器信號

射頻干擾（RFI）所涉及的無線電波將通過空氣耦合進導線。這可以用麥克斯韋方程來解釋，即導線#1中電流的變化將產(chǎn)生一個磁場流過導線#2做成的環(huán)，并在導線#2中感應出一個電流，然后在經(jīng)過電阻后轉(zhuǎn)換為電壓。RFI效應隨源阻抗的增加而增強（源信號強度不足以抵抗RFI）；因此，高的源阻抗和低電平測量是最大的挑戰(zhàn)。這里所示的實驗將向你解釋信號開關(guān)和正弦信號如何耦合進你的信號。

On/Off開關(guān)RFI：當一根傳感器導線附近的入侵信號發(fā)生由低到高的轉(zhuǎn)換時，會有一個向上的尖峰耦合進導線；當入侵信號發(fā)生由高到低的轉(zhuǎn)換時，又會有一個向下的尖峰耦合（或者如果RFI磁通量是相反方向時與此相反）。這正是我們有時在數(shù)字化的波形上看到尖峰的原因——它們與入侵的數(shù)字信號或設(shè)備的導通關(guān)斷有關(guān)。

正弦波RFI：另外，正弦波可以通過空氣傳播，并將另一個相同頻率的正弦波耦合進有用信號。調(diào)幅收音機接近1MHz，調(diào)頻收音機接近100MHz，兩種正弦波眾所周知都會進入實驗室或工廠。

如何檢測RFI

搭建你的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，盡可能快地從一個通道進行數(shù)字化，保持所有的模擬和數(shù)字低通濾波器處于關(guān)閉狀態(tài)，積分（平均）功能也處于關(guān)閉狀態(tài)。然后以不同的水平刻度（比如全屏下100？s至50ms）觀察結(jié)果波形。即使你最終實驗是要以不同采樣率并在積分/濾波打開的條件下數(shù)字化多個通道，也請這樣做。你也許感到很有必要打開濾波功能使信號看上去好點。但目前暫時要抵抗住這種誘惑，專注于更多地了解你的信號。理解測量誤差的技巧是暫時忘掉你的最終目標，并做一些簡單的實驗。圖2顯示了來自200Hz方波的350 ？V尖峰，其中我們以166ksamples/s的速度從350Ω稱重傳感器數(shù)字化了8k樣本。

圖2：來自方波的高頻分量可能耦合進你的信號，產(chǎn)生有害的干擾。

尋找干擾源

在重復性的數(shù)字化示波器軌跡的同時，將附近的設(shè)備打開和關(guān)閉（比如機器，泵，電源），觀察數(shù)字化波形上的變化。如果你關(guān)閉了一臺附近的電源，并注意到尖峰消失了，那么說明這個電源耦合進了你的傳感器。

入侵信號通過空氣傳播并耦合進了你的傳感器電纜嗎？抑或它通過你的地線傳輸？嘗試移動你的傳感器電纜，觀察對數(shù)字化波形的影響。電纜位置影響圖形嗎？如果有影響，那么說明空氣中的射頻干擾正在通過具有不同物理尺寸（不同磁通量）的環(huán)線（你的電纜）傳輸。由于移動電纜而發(fā)生的輻射場改變是空中傳輸射頻干擾的跡象。增加電纜屏蔽可能有用，還可以試試下面討論的其它幾種技術(shù)。

電纜/傳感器的地連接到了外部金屬（比如待測設(shè)備）嗎？如果連了，從物理上斷開它，觀察對你信號的影響。如果信號有變化，那么你就知道電流正在流過你的地線，這是數(shù)據(jù)采集地和待測設(shè)備地之間存在的交流信號引起的。這被稱為“地環(huán)路”，通?？梢杂秒姎馍细綦x傳感器的方法來解決。地之間的交流電壓差通常是由于改變電源引起的，包括改變地回路上的電流以及該地線上的相關(guān)壓降。地之間的典型電壓差是50mVdc加上15mVac。為了用靈敏的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量這種情況，將IN+連接到地#1，將IN-連接到地#2，盡可能快的數(shù)字化一個通道，觀察全屏時100？s至25ms刻度下的波形。

差分放大器共模抑制功能有幫助嗎？數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都有差分輸入電路，它們測量兩個輸入之間的電壓差。所有差分放大器都有這樣一個參數(shù)：對兩個輸入端上的共模信號能夠抑制多少？典型的指標是60Hz時抑制80dB。這意味著兩個引腳上60Hz信號的萬分之一被看作差分信號。

舉例來說，用裸導線連接IN+和IN-，在IN+和GND之間施加一個60Hz、1Vrms的信號，然后進行數(shù)字化，你將會在IN+和IN-之間看到60Hz 100？Vrms的信號。數(shù)據(jù)采集的一個小秘密是，這種抑制性能每10倍頻將下降20dB，這意味著你在600Hz時可以達到千分之一的抑制，6KHz時是百分之一，60KHz時是十分之一，再高就沒有抑制效果了。數(shù)字開關(guān)（比如尖峰）所涉及的頻率經(jīng)常超過60KHz。因此在許多情況下，放大器共模抑制功能并沒有什么幫助，特別是對數(shù)字開關(guān)引起的射頻干擾而言。