專家談測試：通過正確的線纜連接減少測量誤差

隨著產(chǎn)品的復(fù)雜程度越來越高，對測量精度和可靠性的要求也是水漲船高。由于版面限制，我將用這篇文章分成三部分，介紹一下儀器和被測件正確的布線和接地方法， 以達(dá)到減少測量誤差的目的。當(dāng)然，在文章中涉及的原理，可以應(yīng)用于基本測量設(shè)置、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和自動(dòng)測試系統(tǒng)。

電纜規(guī)格

可以使用各種各樣的通用和專用的電纜。下列因素會(huì)影響您選擇的電纜類型。

·  信號(hào)的要求—  如電壓、 頻率、 準(zhǔn)確性和測量速度。
·  互連的要求—  比如線纜直徑、 電纜長度和電纜布線。
·  維護(hù)要求—  過渡接頭、 電纜終端、 應(yīng)變、 電纜長度的限制、電纜布線等。

國際上通常會(huì)用到各種各樣的方法標(biāo)定電纜。請務(wù)必檢查您打算使用的電纜類型， 務(wù)必關(guān)注以下的指標(biāo)。


·  標(biāo)稱阻抗 (絕緣電阻) —  在電纜上可以找到， 從直流到一定的頻率。 它隨輸入信號(hào)的頻率變化而變化。檢查高、低之間，通道與通道之間的屏蔽。高頻和射頻應(yīng)用對電纜的阻抗有特別的要求。

·  絕緣電壓 — 對您的應(yīng)用， 必須足夠高。特別要注意是，為了防止電氣振蕩或設(shè)備損壞、 系統(tǒng)中所有通道絕緣要考慮到最大值。建議你使用 600 V 額定絕緣的電線。

·  電纜電阻 — — 不同線徑和長度的電纜的電阻都不同。 盡可能使用最大線徑， 且盡量減少電纜的長度， 以盡可能降低電纜的電阻。下表列出了典型幾種線徑的銅線電纜電阻 （銅線溫度系數(shù)是 0.35%° C）。在一些儀器中， 會(huì)用到儀器特殊的感應(yīng)線，例如數(shù)字萬用表四線電阻測量和高性能電源的遠(yuǎn)端感應(yīng)， 可以補(bǔ)償電纜電阻引起的電壓損耗。

·  電纜電容 — — 電容隨著不同的保溫材料類型、 電纜長度和電纜屏蔽而改變。電纜應(yīng)盡量短，這樣可以減少電纜電容。在某些情況下，可以使用低電容電纜。

接地技術(shù)

接地的目的之一是為了避免地環(huán)路， 并盡量減少共模噪聲。大多數(shù)系統(tǒng)應(yīng)具有至少三個(gè)單獨(dú)的地環(huán)路：

1.第一是信號(hào)的接地 。您還需要在高電平信號(hào)、低電平信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間，提供分開的信號(hào)地。
2. 第二是高噪聲硬件的接地， 例如繼電器、 馬達(dá)、 和大功率設(shè)備。
3. 第三是個(gè)接地是用于機(jī)箱、 機(jī)架和機(jī)柜。 交流電源接地一般應(yīng)連接到這第三個(gè)接地。

一般情況下，對于頻率低于 1 MHz 或低電平信號(hào)，使用單點(diǎn)接地。并聯(lián)接地是比較好的，但這樣做成本高，接線也困難一些，并聯(lián)之后再單點(diǎn)接地是必須的。 最重要一點(diǎn)， 特別是對于小信號(hào)或最精確的測量要求，應(yīng)該是就近接地。10 MHz 以上的頻率，使用分開的接地系統(tǒng)。對于1 MHz 和 10 MHz 之間的信號(hào)，您可以使用單點(diǎn)接地系統(tǒng)，如果最長的地線回路不超過波長的 1/20。 在所有情況下，回路電阻和電感應(yīng)盡量減少。

屏蔽技術(shù)

噪聲屏蔽必須要考慮到電容和電感耦合。導(dǎo)體與周圍的接地屏蔽之間，會(huì)產(chǎn)生很大的電容耦合。 在開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中，這種屏蔽與同軸纜線和連接器的形狀相關(guān)。 對于頻率在100 MHz 以上信號(hào)，建議使用雙屏蔽同軸電纜， 以降低屏蔽效應(yīng)。減少回路面積是最有效的應(yīng)對電磁耦合的方法。 在幾百千赫以下的信號(hào)，雙絞線可以抵御電磁耦合。使用屏蔽雙絞線， 可免于電磁和電容拾取。對1MHz 以下的信號(hào)可以提供的最大保護(hù)，但要確保屏蔽不是會(huì)用戶傳導(dǎo)任何信號(hào)。

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分離小信號(hào)和大信號(hào)

如果信號(hào)之間的強(qiáng)度比超過20：1，就應(yīng)該從物理上盡可能將他們分隔開來。 應(yīng)審查整個(gè)信號(hào)路徑， 包括布線和相鄰的連接。 所有未使用的線應(yīng)該接地或接低端，并放置在感應(yīng)線通道中。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或 ATE 系統(tǒng)中，在使用螺絲在接口上固定接線時(shí)，切勿影響到臨近通道的連接和功能。

無線輻射干擾

大部分電壓測量儀器， 如果周圍有高強(qiáng)度、 高頻率的信號(hào)時(shí)， 可能會(huì)生成虛假讀數(shù)。高頻信號(hào)的可能來源包括附近的無線電和電視發(fā)射臺(tái)、 老款的計(jì)算機(jī)CRT監(jiān)視器和手機(jī)。高頻能量可能會(huì)耦合到數(shù)字萬用表系統(tǒng)的布線中。 若要減少干擾，請嘗試讓纜線連接盡量減少地暴露在高頻射頻源附近。 如果您需要完成的測試對來自儀器的射頻輻射極其敏感， 這就需要一個(gè)扼流線圈， 使用在系統(tǒng)電纜連接中，如下所示， 以衰減儀器的輻射。 請注意， 您最有可能在您的計(jì)算機(jī)顯示器視頻輸入電纜上看到這種線圈。 看上去像圓柱型的，在它的中心 就會(huì)有一個(gè)小的扼流線圈。

熱電動(dòng)勢誤差

熱電動(dòng)勢誤差是在小直流電壓測量中最常見的來源。 當(dāng)您在不同的溫度下使用不同的金屬電路連接時(shí)，會(huì)生成熱電勢電壓。每個(gè)金屬--金屬連接處，都會(huì)形成熱電偶， 它生成的電壓與連接處的溫度差成正比。 您應(yīng)采取必要的預(yù)防措施，盡量減少熱電偶電壓， 以及在低電壓測量中的溫度變化。 最佳的連接是使用銅--銅的卷壓連接方式。下表顯示了常見的不同金屬之間的連接產(chǎn)生的熱電勢。

磁場所造成的噪聲

如果您正在磁場附近測量， 您應(yīng)采取預(yù)防措施，避免測量連接中的感應(yīng)電壓。 如果在磁場中， 輸入的連接布線發(fā)生抖動(dòng)， 或磁場發(fā)生變化，都可能感應(yīng)電壓。 在地球的磁場中運(yùn)動(dòng)的無屏蔽、 裸露的輸入的導(dǎo)線， 可以生成幾個(gè)毫伏。 在交流電源線周圍， 不同的磁場還可以導(dǎo)致高達(dá)幾百毫伏的感應(yīng)電壓。在大電流的導(dǎo)體附近工作時(shí)，您應(yīng)該特別小心。 如有可能，您應(yīng)該將布線遠(yuǎn)離磁場。在電動(dòng)馬達(dá)、 發(fā)電機(jī)、 電視和電腦CRT顯示器周圍， 磁場都普遍存在。 此外，如果在工作區(qū)域附近有磁場， 操作時(shí)請確保您輸入的接線已經(jīng)拉直，并**固定好。使用雙絞線連接到儀器可以減少噪聲拾取的回路面積，或盡可能將電線緊密困在一起。 在校準(zhǔn)時(shí)， 如果計(jì)量毫歐表和毫伏表， 磁場造成的測量波動(dòng)可能會(huì)引起比較大的問題。 要減少這些波動(dòng)， 我們可以構(gòu)建了一個(gè)金屬屏蔽箱， 隔離開儀表和周圍的磁場。 箱體上可以有一個(gè)小開口，開口只需足夠大，以讀取測量結(jié)果和更改設(shè)置。

低電平的 AC 測量誤差

當(dāng)測量的交流電壓小于 100 mV時(shí)， 要知道這些測量都是特別容易受到外來噪聲源的影響，而引入錯(cuò)誤。 暴露的測試引線都可能成為天線， 內(nèi)部數(shù)字萬用表將測量收到的信號(hào)。 整個(gè)測量路徑，包括電源線， 都可能成為一個(gè)環(huán)形天線。 回路中的電流， 在通過包括儀器輸入在內(nèi)的一系列串行阻抗后， 將產(chǎn)生電壓誤差。 出于這個(gè)原因， 您應(yīng)該使用屏蔽線，將低電平的 AC 電壓輸入儀器。 您還應(yīng)該將屏蔽連接到低端。 如果無法避免， 也一定要盡量減少接地回路的面積。相比于低阻抗源， 一個(gè)高阻抗源容易拾取到更多的噪聲。 您可以通過與儀器的輸入終端并聯(lián)一個(gè)電容的方法，來降低源的高頻阻抗。 您可能需要試驗(yàn)，以確定適合您應(yīng)用的正確電容值。 大部分的外部噪聲是與輸入信號(hào)不相關(guān)的。 如下所示，您可以用這個(gè)公式確定誤差。

與被測件有關(guān)聯(lián)的噪聲，雖然極為少見，但尤其有害。 這種噪聲將總是直接添加在輸入信號(hào)上。 測量低電平信號(hào)時(shí)， 如果有同頻率的其它信號(hào)存在，例如與本地交流電源的頻率相同時(shí)，是容易產(chǎn)生誤差的。  如果在同一個(gè)開關(guān)卡或模塊上，切換大信號(hào)和小信號(hào)時(shí)必須十分小心。 因?yàn)樵谶@種情況下，有可能大信號(hào)的充電電源，會(huì)在小信號(hào)的的通道上釋放。 這時(shí)，建議您可以使用兩個(gè)不同的模塊，或者將小信號(hào)通道與大信號(hào)通道分開， 在它們中間增加一個(gè)未使用的通道，連接到大地。