熱電偶信號是否需要隔離？應變計放大器的輸出應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？如果您不熟悉數據采集領域，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，以優化數據采集系統性能并防止設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，并作為幾種日常數據采集應用的參考。

表1包含14種典型的數據采集系統應用和三種輸入配置選項（單端、差分和隔離），任何數據采集系統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。我的目標是傳授一定程度的儀器專業知識，使您能夠有效地評估任何測量應用。提高儀器技能的關鍵是培養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雜的技術。

所有這些關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，同時出現在數據采集系統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據采集系統測量范圍之外，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險。

數據采集系統輸入的最大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。當您連接到放大器的輸出時，您會發現這種情況最常見。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據采集系統之間存在接地差異 - 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，會發生什么情況？有兩種可能性：

假設CMV的幅度低于數據采集系統的最大輸入電壓規格，您會遇到噪聲信號。噪聲程度與CMV的大小成正比。

如果CMV的幅度超過數據采集系統的最大過壓規格，請注意！您能期望的最好的結果是失去 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，它是應變計和壓力傳感器測量的基礎。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的例子是接地熱電偶。熱電偶結本身接地，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和目標信號，而另一個僅攜帶CMV，因此兩者之間的差異僅產生目標信號。在目標信號位于CMV上的應用中，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加上目標信號小于數據采集系統的滿量程范圍（FSR），您將能夠進行測量。

如果CMV加上目標信號大于數據采集系統的FSR，但小于其最大過壓規格，則無法進行測量，但不會損壞DAS。

如果CMV超過數據采集系統的最大過壓規格，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儀器的數據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省通道數。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超過數據采集系統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用于任何測量情況，而不會損壞數據采集系統、計算機或您。

如果您的儀器儀表應用經常需要隔離，理想的解決方案是內置隔離的數據采集系統。DATAQ 儀器的 DI-718B、DI-718Bx 和 DI-788數據采集系統將數據采集與 1000 伏輸入輸出隔離信號調理相結合。即使這些產品連接到任何工業信號（例如熱電偶、RTD、應變、RPM等），這種靈活性也會在不隔離的情況下受到影響。隔離可確保為工業數據采集提供無噪聲和安全的環境。

關于隔離需求的最后一點是圍繞生命科學應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療級隔離，以確保受試者的安全。

審核編輯：郭婷