通过正确的线缆连接减少测量误差 通用, 可靠性, 数据采集, 测量误差, 文章

Bazinga

随着产品的复杂程度越来越高，对测量精度和可靠性的要求也是水涨船高。由于版面限制，我将用这篇文章分成三部分，介绍一下仪器和被测件正确的布线和接地方法，以达到减少测量误差的目的。当然，在文章中涉及的原理，可以应用于基本测量设置、数据采集系统和自动测试系统。

电缆规格

可以使用各种各样的通用和专用的电缆。下列因素会影响您选择的电缆类型：


信号的要求—如电压、频率、准确性和测量速度。
互连的要求—比如线缆直径、电缆长度和电缆布线。
维护要求—过渡接头、电缆终端、应变、电缆长度的限制、电缆布线等。


国际上通常会用到各种各样的方法标定电缆。请务必检查您打算使用的电缆类型，务必关注以下的指标：


标称阻抗（绝缘电阻）—在电缆上可以找到，从直流到一定的频率。它随输入信号的频率变化而变化。检查高、低之间，通道与通道之间的屏蔽。高频和射频应用对电缆的阻抗有特别的要求。

绝缘电压—对您的应用，必须足够高。特别要注意是，为了防止电气振荡或设备损坏、系统中所有通道绝缘要考虑到最大值。建议你使用600 V额定绝缘的电线。

电缆电阻——不同线径和长度的电缆的电阻都不同。尽可能使用最大线径，且尽量减少电缆的长度，以尽可能降低电缆的电阻。下表列出了典型几种线径的铜线电缆电阻（铜线温度系数是0.35%°C）。在一些仪器中，会用到仪器特殊的感应线，例如数字万用表四线电阻测量和高性能电源的远端感应，可以补偿电缆电阻引起的电压损耗。

电缆电容——电容随着不同的保温材料类型、电缆长度和电缆屏蔽而改变。电缆应尽量短，这样可以减少电缆电容。在某些情况下，可以使用低电容电缆。




接地技术

接地的目的之一是为了避免地环路，并尽量减少共模噪声。大多数系统应具有至少三个单独的地环路：

1.第一是信号的接地。您还需要在高电平信号、低电平信号和数字信号之间，提供分开的信号地。

2.第二是高噪声硬件的接地，例如继电器、马达、和大功率设备。

3.第三是个接地是用于机箱、机架和机柜。交流电源接地一般应连接到这第三个接地。

一般情况下，对于频率低于1 MHz或低电平信号，使用单点接地。并联接地是比较好的，但这样做成本高，接线也困难一些，并联之后再单点接地是必须的。最重要一点，特别是对于小信号或最精确的测量要求，应该是就近接地。10 MHz以上的频率，使用分开的接地系统。对于1 MHz和10 MHz之间的信号，您可以使用单点接地系统，如果最长的地线回路不超过波长的1/20.在所有情况下，回路电阻和电感应尽量减少。




屏蔽技术

噪声屏蔽必须要考虑到电容和电感耦合。导体与周围的接地屏蔽之间，会产生很大的电容耦合。在开关网络中，这种屏蔽与同轴缆线和连接器的形状相关。对于频率在100 MHz以上信号，建议使用双屏蔽同轴电缆，以降低屏蔽效应。减少回路面积是最有效的应对电磁耦合的方法。在几百千赫以下的信号，双绞线可以抵御电磁耦合。使用屏蔽双绞线，可免于电磁和电容拾取。对1MHz以下的信号可以提供的最大保护，但要确保屏蔽不是会用户传导任何信号。




分离小信号和大信号

如果信号之间的强度比超过20：1，就应该从物理上尽可能将他们分隔开来。应审查整个信号路径，包括布线和相邻的连接。所有未使用的线应该接地或接低端，并放置在感应线通道中。在数据采集系统或ATE系统中，在使用螺丝在接口上固定接线时，切勿影响到临近通道的连接和功能。

无线辐射干扰

大部分电压测量仪器，如果周围有高强度、高频率的信号时，可能会生成虚假读数。高频信号的可能来源包括附近的无线电和电视发射台、老款的计算机CRT监视器和手机。高频能量可能会耦合到数字万用表系统的布线中。若要减少干扰，请尝试让缆线连接尽量减少地暴露在高频射频源附近。如果您需要完成的测试对来自仪器的射频辐射极其敏感，这就需要一个扼流线圈，使用在系统电缆连接中，如下所示，以衰减仪器的辐射。请注意，您最有可能在您的计算机显示器视频输入电缆上看到这种线圈。看上去像圆柱型的，在它的中心就会有一个小的扼流线圈。




热电动势误差

热电动势误差是在小直流电压测量中最常见的来源。当您在不同的温度下使用不同的金属电路连接时，会生成热电势电压。每个金属——金属连接处，都会形成热电偶，它生成的电压与连接处的温度差成正比。您应采取必要的预防措施，尽量减少热电偶电压，以及在低电压测量中的温度变化。最佳的连接是使用铜——铜的卷压连接方式。下表显示了常见的不同金属之间的连接产生的热电势。



磁场所造成的噪声