关键词：热电偶、共地、AI采集

导读

AI采集中经常遇到“共地”引起的性能问题甚至安全问题，因此正确处理AI采集系统的共地问题是非常重要的。“共地”处理的本质在于为测量系统提供可靠、稳定的电器参考与共模电压范围控制，本文讨论了AI采集中的共模问题及相应的“共地”处理方式。

AI采集中的共模问题

AI采集设备一般会对输入信号的电压范围有一定的要求：对于工作在单端或参考单端模式下的采集设备，输入电压不能超过该通道的模拟输入范围才能正确采集，此时被测系统与测量系统是采用相同电位的；而对于工作在差分输入模式下的采集设备，除了输入电压的差值不能超过该通道的模拟输入范围，其任一模拟输入电压相对于采集设备的参考电位的电压值也应在共模输入范围之内。

为实现上述目的，一般采用测量装置与被测装置“共地”的方式构建测量系统，即使用导线连接测量设备的参考电位点与被测设备的参考电位点，图1和图2分别是适用于单端和差分输入模式的电路示意图。容易看出，在这样的结构中双方的电平参考点（即“地”电平）直接相连，构成一个一致、共用的电平参考点，相对的共模电压输入问题变成了信号源的输出电平问题，系统整体结构更加简单了。

图 1

图 2

在这样的结构中，合二为一的参考电位是各自的参考电平点（即“地”），而在可靠的电路设计中参考地被设计为稳定、可靠的电路网络，因而“共地”连接的系统在保证共模电压稳定方面有良好的表现，对于保障系统整体的AI性能是有利的。这也是一些高共模输入的设备在没有危险的情况下也推荐进行“共地”连接的原因。

此外，“隔离”能够处理一部分采集设备与信号源之间的参考点电平共模问题，但是使用隔离与本文讨论的场景本身存在较大差异，在此不深入讨论“隔离的问题”。（多数隔离AI系统也需要 “共地”考量才能实现可靠采集，但是适用范围相对非隔离系统得到了较大的扩展。）

无可靠参考电位信号的采集

有些信号源利用物理电势或化学电势天然产生电压（或电流）信号，比如热电效应传感器、压电效应传感器、光电效应传感器、化学电源、微型核电源等，这样的信号源的理化特性可以维持两输出端之间的电势差，但并没有相对于人工电路系统中的参考地。

对于这样的信号源，采集设备可以通过在其某一输出端施加适当的偏置电压来保证二者之间的共模电压在合理范围内，如下图3。这样的方式简单易行，并且不会对测量精度或性能产生不良影响，因而被广泛使用。

图 3 

在这样的结构中，施加的偏置电压（即图3中VBIAS）可以是测量设备的模拟参考电位（即“参考地”），也可以是其他与应用场景相匹配的电平，如某一电源轨道的中电电位等。具体的选取既要考虑共模点、绝对电压输入范围等基本电气规格，也需要考虑AI测量电路的最佳线性区间、极性、优势共模工作点等问题，以保证最佳的AI性能。

热电偶传感器采集的考量

热电偶传感器是应用广泛的温度传感器，其原理是利用Seeback热电效应自发产生电势差，因而适用上一小节中介绍的电路结构。

热电偶输出的信号幅度较小，一般在几至几十毫伏。多数热电偶输入测量设备会放大该电压信号以适应典型AD采集电路的工作特性，从而得到较理想的动态范围和精度。因而为热电偶传感器提供偏置电压需要同时考虑热电偶传感器的输入信号幅度和放大后的信号幅度，保证这一幅度在AI采集电路的适配范围内。

在典型的情况下，可以选择模拟系统的电源轨道中点电压值作为热电偶输入的偏置电压，此时输入范围、线性度、安全性都在相应电路下得到较好的适配。

JYTEK 6302系列热电偶输入模块

为发挥出硬件的最佳性能， 6302系列热电偶温度输入模块采用了非对称电源轨道设计（即高低轨道电平中点不是参考电位点的0V）。上一小节的讨论对此依然是成立的：可以使用电源轨道的重点的电平作为热电偶传感器的偏置电压，此时偏置电压将不再是作为采集卡AI系统参考点的0V，但是对热电偶输入信号的采集并无不良影响。

6302系列热电偶温度输入模块能够根据输入传感器的类型和信号状况调整自身电路配置达到最佳状态，在这些配置中，偏置电压均大于参考电平的0V。因此，在任何情况下6302系列输入模块的偏置电压均没有连接在内部参考“地”上。

关于电偶模拟装置

热电偶模拟设备通过输出电压信号模拟热电偶传感器，其电路的具体实现方式存在多种可能：包括将负输出端连接到自身系统参考平面（地）、固定偏置电压、可调节的信号源等多种选择。

如果将输出电平参考自身“地”的热电偶模拟设备连接至6302系列热电偶温度输入模块，6302电路将其“地”网络偏置到自身的非“地”电平上，这样导致测量的不准确甚至安全问题（常表现为测量结果不准确、测量噪声变大等），因此不能将6302系列热电偶温度输入模块用于此类设备的测量。

如果需要配合数据采集系统使用热电偶仿真设备，建议根据热电偶仿真设备特性选择热电偶采集模块、带有小量程AI采集功能的DAQ模块或者隔离输入AI采集模块。

参考

【1】 https://www.so.wiiaa.top/wiki/%E7%83%AD%E7%94%B5%E5%81%B6

【2】 https://baike.baidu.com/item/%E7%83%AD%E7%94%B5%E5%81%B6/5028266?fromtitle=thermocouple&fromid=11331254&fr=aladdin

【3】 简仪科技PXIe/PCIe-6302系列热电偶温度输入模块:https://www.jytek.com/products?product_id=240

【4】 https://www.so.wiiaa.top/baike-%E5%85%B1%E6%A8%A1%E8%A8%8A%E8%99%9F?wprov=srpw1_0