安全連接

在美國，高于48V的電壓被認為是足以危及人類生命的。盡管有人從上千伏的電擊或攜帶數百萬焦耳能量的雷擊中幸存了下來，但我們仍應對電力持有嚴謹和敬畏的態度。電壓并不是唯一需要我們擔心的，毫安級的電流在某些情況下也可使正常人的心臟停止跳動。例如，NIOSH（國家職業安全與健康研究所）指出110V的通用電壓，20mA的電流可麻痹用于呼吸的肌肉。

有效測量

高準確度的測量依賴于高準確度的設備和正確的連接。不合適的連接、串入無屏蔽導線的噪聲和不恰當的接地回路必將造成不準確的數據。帶有外殼的傳感器設計用于確保輸出信號的準確性，其內部器件布局適當，帶有屏蔽和濾波，信號線與電源線、地線分開走線。

然而，無保護措施的傳感器，例如熱電偶和應變計，通常會混入各種噪聲信號，耦合進傳感器，最終污染了我們需要的信號。安裝這種傳感器時，必須遵守業界規范，使得傳感器的輸出數據可靠、無偏移、無噪聲干擾。

直流電壓

儀用直流電壓

數據采集系統的輸入端通常帶有集成的多路數據選擇器和信號調理電路。這些集成電路盡管可以忍受±25VDC的電壓輸入，但超過±10VDC的信號已經無法正確處理了。針對這一限制，可以在系統輸入端接入分壓器，將輸入信號衰減至集成電路可以處理的范圍之內。有些系統需要手動選擇適當的衰減，而另一些則是自動調節量程。

另外，在適當連接傳感器、待測對象和數據采集系統之后，需要先給數據采集系統上電，然后給予傳感器適當激勵，最后再激活待測對象。有些數據采集系統在掉電狀態接入信號時，可能會受到損壞。

直流高壓

數據采集系統中，高于24VDC即屬于高壓。內置或外置的分壓器和特殊的信號調節器可用于將幾十伏甚至幾百伏的高壓信號衰減至10V或更低，以保護儀器輸入端電路。關于設備和操作的安全性，需要重點考慮的就是導線、端口、連接器、傳感器以及其他用于減小信號泄露和抑制低電勢接線端與周圍物體產生火花的組件之間的高壓隔離問題。

直流低壓

相對于高壓信號，能否成功測量低壓信號則依賴于信號源與數據采集設備之間的接線技術。信號調理電路中的放大器無法辨別待測信號和通過引線串入的干擾噪聲，當測量低于1V的信號時，屏蔽線或無屏蔽的雙絞線可最大程度的抑制噪聲，保護原始信號。屏蔽線的最佳走法是一端接地，最好是靠近信號的一端，而另一端懸空。

交流電壓

通用數據采集系統通常測量降壓變壓器次級線圈、鉗形電流探針、電流敏感電阻current-sensing resistors或無電氣隔離傳感器上的低壓交流信號，這些低壓交流信號的共模成分越低越好，無論是相對于GND或是混有極小交流成分的浮空端。同時，應在必要的情況下將輸入信號源接地。

電源插座交流電壓

在美國和加拿大，通用電子線路可承載額定電壓110V、60Hz的單相交流電，線路中包含三根線：火線、零線和地線。歐洲標準使用220V、50Hz交流電，日本則使用100V、50Hz（東部）或60Hz（西部）。在大多數工廠里，220/230至460/480V，單相電和三相電，Y型網絡和Δ型網絡都廣泛應用于電氣和電子控制設備之中，所有這些電壓都足以致命，因此在連接或斷開數據采集系統與待測設備之間的導線時，必須處于斷電狀態。

當連接電壓源至數據采集系統時，接地回路上可能隨時出現問題，產生噪聲。零線與地線之間可能出現壓差，原因很多，而且難以發現并消除，所以應當嚴格進行相應的屏蔽、接地和隔離。關于接地回路和干擾的更多信息請參閱第十節。

交流高壓

和直流類似，數據采集系統的輸入端通常無法處理峰峰值大于10V的AC信號，交流高壓信號在被處理之前需要經過信號調理電路進行衰減。峰峰值高達2000V的電壓信號可經過全差分衰減器后再進行測量，衰減器將調整信號至數據采集系統的差分輸入范圍之內，這通常是通過連接在高壓輸入和地之間的分壓網絡實現的。

對于具有真正的差分輸入的系統而言，高輸入通道和低輸入通道都不能直接和地相連，高低輸入通道各有一個適當的電阻分壓器，用于衰減輸入信號，只有衰減器的低端才可連接至地。舉例來說，某設備需要提供200：1的衰減系數，并且不能對放大器的高輸入阻抗造成影響，在典型系統中，兩個完全匹配的緩沖放大器A和B（圖4.01），位于數據采集系統前端，具有幾乎相同的輸入偏置電流。配套的兩個分壓器分別放置在高通道和低通道的前端，提供對兩個輸入端相同的的限流功能，使數據采集系統的準差分輸入測量一個相對于模擬公共端較低的電壓。因為放大器A和B的輸出是完全相同的，可被視為共模電壓，并被差分放大器C抑制掉。

這個方案既能衰減大信號又能衰減小信號，還可以消除輸入端與地之間幾百伏的直流電壓。例如，低端輸入50V直流電壓時，高端輸入110V交流電壓，經過衰減，高端信號峰值為0.77V，而低端信號峰值則為0.25V，都在數據采集系統的差分輸入端的可讀范圍之內。

測量單端信號時，若試圖只衰減高輸入端，而把低輸入端接地，會導致兩個問題。首先，當數據采集系統與待測信號不共地時，試圖將他們連接起來會形成地回路，這會產生額外的電流，破壞儀器或設備。另一個產生誤差的原因是流經兩個運放（如圖4.02中的A、B）輸入端的輸入偏置電流Ib。這個偏置電流會在分壓器上產生壓降，影響高輸入端，然而低輸入端卻不會有同等程度的壓降，這個壓差會進一步體現在差分放大器C的差分輸入端上，最終導致輸出結果的偏移。

電壓的有效值，峰值，平均值，均方根值

歐姆定律使得直流電壓或電流的測量和計算相對簡單、容易。直流功率在數學上等于直流電壓和電流的乘積，表示產生的熱量或所做的功。相對而言，通過交流電壓和電流計算功率時，要考慮一個額外的因素，即二者相位差的余弦，也稱為功率因數。當電壓和電流波形同相位時，相角的余弦是1，所以電壓電流的乘積就是有效功率，單位瓦特。

當存在相位差時，功率因數則小于1，因此功率也小于電壓與電流簡單相乘得到的值。極端情況下，比如相位差為90o時，功率因數為0，因此功率也為0，完全是無功功率，理論上不會產生任何能量，只是簡單的記作VA（volt-amperes，伏特-安培）。

公式4.01 直流功率

P = E x I

其中：

E 和 I 同相位

P = 功率，單位W

E = 直流電壓，單位V

I = 直流電流，單位A

公式4.02 交流功率

P = E x I x Cos φ

其中：

P = 功率，單位W

E = 交流電壓，單位V

I = 交流電流，單位A

φ = 電壓與電流之間的相位差

電壓有效值

交流電壓的波形就像是理想正弦波，它不斷的周期性的上升、下降，所以，相同時間內，交流信號與坐標軸所圍面積總是小于同等峰值的直流信號與坐標軸所圍面積。也就是說，在相同的負載上，峰值100V的交流電壓比直流電壓所產生的熱量少（見圖4.03），作為補償，必須增大交流電壓的峰值，才能產生和直流電壓相同的熱量。交流電壓的有效值正是與其產生等量的功的直流電壓的值，峰值為其1.414倍。換句話說，峰值141.4V的交流電壓與100V的直流電壓在給定負載上，相同時間內產生相同的熱量。

電壓均方根值

用電壓表測量做功相等的交直流電壓時，為了使交流電壓表和直流電壓表讀數刻度相同，交流電壓表的刻度被調整為均方根（root mean square）值。在表盤上顯示均方根值為100V的交流信號，其電壓峰值為141.4V，但是和100V的直流電壓做功相等（負載相同時）。對于交流信號來說，其最大偏移的正值和負值相等，所以此例中的電壓峰峰值為141.4V的兩倍，282.8V。

正弦信號的均方根值等于有效值，被定義為指定周期內電壓瞬時值平方的平均數，再取平方根。

公式 4.03 電壓均方根值

當交流信號的波形并不接近理想正弦波時，普通的葉片式電壓表無法給出真正的均方根值。然而一些特殊的電表和數據采集系統，可以彌補波形失真，稱為真均方根值表。他們可以測量并表示出交流信號的真均方根值，與信號波形的失真無關。交流電壓的平均值為0，因為上半軸與下半軸互相抵消。

電流

一個基本問題

大多數設備能夠相對輕松的測量電壓差，因為電壓差出現在電路中任意兩點之間。測量時，電路不會被破壞或改變（測量儀器的阻抗遠高于待測電路的阻抗）。相比之下，采用普通的、直接相連的方法測電流則麻煩許多，因為電流出現在閉合回路里，必須先斷開回路，再接入電流表。

另外，電流表的特征電阻或阻抗往往會改變電路原來的參數，必須做出補償，才能得到準確的測量值。

然而，一些測量電流的儀器，能以感應的方式耦合電路，只會對電路參數造成很小的改動，甚至沒有影響，這些探針適用于交流和直流的測量。

插入損耗

在電路中串聯儀器或設備，會改變整個串聯電阻值。在許多應用中，這些額外添加的組件或傳感器會消耗能量，產生壓降，導致所謂的插入損耗。因此，在測量中，信號的能量被消耗，這同樣需要得到補償，以保證測量準確度。

共模限制

數據采集系統中，大多數差分放大器用于信號調理，他們只能承受有限的共模電壓，典型值大約±10 VDC。但一些特殊應用中昂貴的放大器或信號調理器，可承受的共模電壓遠遠超過±10 VDC。

例如，某應用涉及到測量交流發電機充電電路中的一個經過校準的分流電阻兩端的電壓，放大器輸入端連接分流電阻，用于測量電壓，并得到充電電流。放大器輸入端的共模電壓是最大電池電壓，額定值13.8VDC，大電流充電時可高達18.5VDC，所以數據采集系統的輸入量程必須高于18.5VDC。

分流器

數據采集儀器通常測量經過校準的分流電阻兩端50至100mV的電壓差，來間接測量大電流（安培級）。圖4.05展示了一個特殊的應用，三條支路中用于差分測量的三個分流器連接至一個公共端，這種布局提供了一個公共的地，用于連接廉價的、未隔離的、具有低壓輸入端的監控單元。可惜，并非所有需要1個以上分流器的電路中，都有一個便于將各個分流器的一端連接起來的公共端。在這種情況下，建議使用高性能的、隔離模擬輸入端的放大器。

數據采集系統同樣可利用分流器測量小電流。許多傳感器根據待測量，線性輸出標準的4至20mA電流。如圖4.06所示，信號電流流經分流電阻，并在電阻上產生壓降，供ADC測量。

歐姆定律描述了這種簡單電路的基本性質，電阻與電流的乘積即電壓：V=IR。所以，當數據采集系統測量20mA電流，需要10V的滿量程輸入時，500Ω的電阻最合適不過了。

公式 4.04 分流電阻

R = V / I = 10V / 0.02A = 500Ω

測量時，電壓經過電阻相對較大的長導線會有所損耗，相比之下，電流回路則具有更強的抗噪聲能力和更高的準確度。在這種情況下，導線電阻也應算在500Ω之內，所以在簡單的串聯電路中，分流電阻往往是可調的，以調節回路的滿量程至精確的20mA。

分流電阻兩端電壓測量的精準度和穩定性取決于分流電阻自身的精準度和穩定性。電阻的精準度通常為5%，1%，0.5%，0.1%和0.01%，同時，在指定溫度范圍內，還具有一定的溫度系數，這影響了穩定性。0.1%精度的電阻較其他低精度的電阻，通常具有更低的溫度系數以及更優良的長期穩定性，原因在于組成結構，前者是繞線式或金屬薄膜電阻，后者則是碳膜或碳化合物電阻。

電流互感器

特殊情況下，AC大電流可以借助分流器測量，但這種與交流電線直接連接的方式極易造成人身危害。一種避免危害的方法是使用電流互感器（CT），用來隔離AC電線，并按一定比例減弱輸入電流（見圖4.07）。例如500：5的電流互感器，衰減比例100：1，輸入500A電流，可產生5A電流。一個小的負載電阻，例如0.01Ω，接在電流互感器的輸出端時，滿載次級電流將產生50mVrms的電壓，可通過數據采集系統的模擬輸入端輕松進行測量。盡管輸出電壓看起來很小，但是更大的電阻會使得電流互感器超出校準范圍，并降低測量準確性。額定2VA的電流互感器，可接最大負載電阻為0.08Ω（包括線電阻）。

為了安全起見，通電前請務必確保電流回路處于閉合狀態。開路的電流轉換器會在兩端產生上千伏的高壓和致命的電流。考慮一個5000：5的電流轉換器，匝數比1000：1，若10V的輸出信號加在經過校準的低阻抗負載上，則開路的次級線圈上將產生1000 x 10 = 10000VAC的高壓，這將使得連接或斷開數據采集系統分流電阻的操作異常危險。

霍爾傳感器

1879年，Edwin Hall博士發現了一種傳感器的基本工作原理，并以他的名字命名。最基本的霍爾傳感器受三個參數的控制，電壓、電流和磁場。Hall在薄片金屬導體中通以恒定電流，并將其表面至于磁場中時，相對的金屬表面之間產生了壓差，電壓大小取決于傳感器的材料特性（霍爾系數），并與磁場強度成正比（見圖4.08）。

新型霍爾設備采用金屬半導體薄片替代原始的導體材料。薄片平面至于磁場中，并將電流從平行于薄片的方向注入時，在另一個方向上便會產生電壓。

在測量磁場或交直流功率時，霍爾效應傳感器是十分理想的方案。測量功率時，它可以看成乘法器，可以自動將電壓與電流相乘，并結合相位差，最終得到功率。與負載串聯的電磁線圈產生垂直于霍爾元件表面的磁場B，以此表征負載電流大小，而負載電壓會出現在如圖4.09所示的半導體（霍爾）元件兩端。由此得到的電流將驅動一個刻度校準為瓦的可讀數設備，或成為功率控制電路中控制信號。由于霍爾元件的材料對溫度敏感，一個組裝好的霍爾元件瓦特表內置了溫度補償電路。下列等式的輸出為矢量的點積：

公式4.05 霍爾傳感器測功率

P = E x I x Cos(φ)

其中:

P = 負載功率, 單位W

E = 負載電壓, 單位V

I = 負載電流, 單位A

φ = 負載電壓與電流的相位差

用于測量磁場的霍爾傳感器，其平坦的表面暴露在磁場中，經過校準的電壓或電流加在半導體兩端（如上所示），整個裝置可精確測量特定范圍內的磁通量。同樣的原理廣泛應用于各式霍爾開關中，永磁鐵用于產生偏置磁場，并通過一個槽形葉片來控制其通斷，最終傳感器輸出高低電平，實現開關功能。多年來，此設備已經被許多汽車制造商用于汽車點火系統中。