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測試與測量  

使用USB進行測量應用的優勢和潛在危險

上網時間: 2005年12月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:數據採集模組,暫態電壓,地電位,單端,差分輸入  USB  data acquisition module  transient voltage  ground potential 

引言: USB用於測試與測量應用的優勢很多,但是在選擇USB數據採集模組之前,仔細考慮目標應用。如果瞬時電壓或地電位差存在,透過選擇帶隔離措施的USB數據採集模組可保護PC並保持訊號數據的完整性。本文詳細分析了使用USB數據採集模組的優勢和潛在的危險,介紹了消除這種潛在危險的方法-隔離,並透過實際的應用案例了解隔離的不同作用。

由於USB的易用性,如今它已成為是電腦和電子產業成長最快的匯流排之一。對於測試和測量應用,USB數據採集模組具有幾個顯著的優勢。但是要警惕,根據具體應用,它們可能也包含一些潛在的危險,甚至會導致災難性的後果。

使用USB進行測試和測量的優勢

USB由於具備下面幾個優勢,因而成為使用者開發測試和測量測量應用的簡單選擇。

圖1:典型的應用設置。

圖2 :未隔離的USB數據採集模組在ESD、閃電、電源突波的時候可能損害系統並導致數據不正確。

圖3 :隔離的USB數據採集模組應用。

圖4:不恰當的連接單端輸入可能損害你的系統並導致不正確的測量結果。

圖5:正確的單端輸入連接。

圖6:差分輸入被隔離,透過提供未連到大地的參考地源點消除了共模電壓誤差。

表1: 不同解析度的電壓範圍。

  1. 真正的即插即用:使用標準的低成本纜線簡單地將數據採集模組和PC的USB埠相連。當模組插入時,PC會自動識別該模組,並安裝必要的軟體來作業該模組。這種連接方式大幅減少了啟動時間。

  2. 不再需要打開PC機箱來添加電路板、配置跳線開關和中斷設置、搜索正確的設備驅動程式或者重啟系統,而是簡單地將感測器連接到模組上就不用管了。幾分鐘內,就可不斷獲取數據、溫度、壓力、聲音等任何所需資訊。

  3. 更少地被PC的噪音影響:USB數據採集模組為噪音敏感度的測量應用帶來性能優勢。因為USB纜線通常長度是1至5公尺,I/O電路距離電腦的充滿電磁噪音的主板和電源距離更遠,而距離要測量的感測器更近。

  4. 全速和高速傳輸速率:具有USB1.1埠的電腦能夠從USB數據採集模組輸入和輸出數據,傳輸速度最高達到12Mbps。這種全速速率對於數據流應用很有用,能夠支援高達400KHz的數據採集速率。

    對於高性能的應用,必須確保PC有一個高速的USB2.0埠。憑借 USB2.0,就能夠在PC和USB數據採集模組間以最高達480Mbps的速度傳輸數據。這種增加的頻寬允許同時執行多工I/O作業,每路的流量速率可以高達500kHz,這種方式與PCI測量系統相似。

  5. 節約成本:許多USB數據採集模組包含可移除的終端模組或BNC連接器,這些元件用來方便地處理所有的用戶I/O連接。這種設計不僅僅使用方便,而且節省成本,因為你不再需要購買可選的螺絲固定的終端配件。

  6. 可攜性:USB數據採集模組體積很小,方可攜帶,這使得使用者甚至能把最複雜的的測試與測量應用帶出實驗室,搬入現場。

  7. 容易擴展:使用低成本的擴展集線器和USB纜線,最多能連接127個數據採集模組到一個USB埠上。

  8. 可熱插拔:USB數據採集模組能在電腦執行時安裝或移除。只是使用時插上設備,完成工作後拔出設備,不需要關電腦了。因為USB模組能自己計數和自己識別,當模組插上後,設備驅動自動加載;當設備拔出後,設備驅動自動卸載。

  9. 簡單的電源連接:USB數據採集模組能透過USB匯流排或透過簡單連接到外部電源獲得供電。低耗電的模組在5V電壓下吸收少於100mA的電流,可透過USB纜線獲得供電。自身供電的模組在5V電壓下吸收高達500mA的電流,使用模組自己的電源。

USB用於測試與測量的潛在危險

儘管USB提供了許多優勢,但不是所有的USB數據採集模組都能採取一樣的的方式進行設計。根據應用不同,可能存在潛在的危險,一款USB模組設計可能造成災難性的後果。

不像PCI電路板具有到PC背板的距離很短的真實的地系統,USB模組在纜線兩端有距離很長的地連接(最長達5公尺)和主動電路。如果模組設計得不合適,這可能導致系統鎖死、性能不穩定和電磁干擾,這對噪音敏感度的測量是個重大問題。

在選擇USB數據採集模組之前,針對目標應用考慮以下一些問題:

  1. 數據採集模組易受靜電放電(ESD)、閃電或來自馬達、開關設備或其他設備的電源突波的影響?

  2. 該應用是否涉及到具有不同地電位的電壓?

  3. 該模組將在良好的環境下工作?

如果對以上問題1或2的答案是肯定的,就需要確保你的系統具有隔離措施。隔離能保護PC免受損害,透過在電路間實體隔離電氣連接來保護你的數據完整性,即限制可能有害的電壓或電流經過你的系統。也可透過給系統添加訊號調理配件來提供隔離,這樣價格會很昂貴,或者一開始就選擇帶隔離的USB數據採集模組。

我們來更仔細分析這些應用環境,從每個案例中了解隔離的作用。

案例1: ESD、閃電或電源突波

圖1展示了一個典型的應用場景,其中一個感測器正測量待測設備的電壓。該感測器一頭連接到USB數據採集模組,另一頭連接到PC。

ESD、閃電以及電源突波產生突發的瞬時過壓,即使時間很短,也可能損害整個系統中的電子元件。如果USB數據採集模組沒有隔離(見圖2),這些事件產生的電流回流透過整個系統,最後到達PC並且可能損害PC和其他系統元件。

一些數據採集方案供應商所提供的未隔離模組在出現瞬時過壓時事實上會鎖死整個系統,因而不得不重啟系統。在測量應用中這種行為是不能接受的。

與之對比的是,隔離的模組(圖3中顯示)透過模組的地平面釋放有害的電流,來保護整個系統。

即使導入的瞬時電壓很小不足以損害系統,也要小心你的數據可能包含很大的錯誤,特別在高解析度的情況下。例如,如果使用具有16位元解析度的USB模組來測量±10V 電壓範圍的訊號,LSB值是0.31mV(見表1)。如果這個模組未隔離,同時電氣系統中出現瞬時電壓,數據因此可能偏差數百毫伏。甚至在靜態環境中,你的數據也可能偏差幾十毫伏。當測量低電平的訊號時這算得上是巨大的差錯。

如果需要高精密度、低噪音的測量,隔離至關重要。Data Translation公司所有的USB模組,從DT9801系列到DT9834系列,都提供高達500V的電氣隔離。電氣隔離把輸入訊號中的能量轉化成輸出訊號在模組的地平面上流走。結果,你的電腦保持安全,測量結果更加精確。

以DT9801模組為例,透過使用下列的元件提供高達500V的電氣隔離:

  1. 變壓器:從無延遲的快速時脈訊號中轉換能量;

  2. 光隔離器:從具有幾十毫秒延遲的較慢的控制訊號中轉化能量;

  3. 差分容性耦合:從具有1毫秒延遲的慢速數據通道中轉化能量。

案例2 :不同的地電位

單端類比輸入是參考大地的未隔離的輸入。在未隔離系統中,甚至數位I/O訊號都連到同樣的地上。如果待測系統和USB數據採集模組共享同樣的地(透過連到建築物的電源系統),兩個設備地電位間的差別是實際存在的(超過100mV)。快速開關電流必須沿著5公尺長的USB纜線流到PC。

根據如何將單端輸入連接到該模組,你可能導入地迴路誤差,即當在最長達5公尺的USB纜線中添加訊號和其他地電位時,不僅僅帶來了高度不準確的測量結果,而且還可能會損害待測系統。圖5顯示了不恰當的單端輸入連接實例。

圖6是更好的單端輸入的連接方案,能減少地迴路誤差。

為了最精確的測量結果,可使用差分輸入(顯示在圖7中)。差分輸入是帶隔離的輸入,因為它們參考的地參考點不連接到大地上。結果,它們消除了共模電壓誤差,這種誤差會在地電位差出現時產生。

因此,如果你正測量低電平的訊號,這種情況下噪音是測量中非常重要的環節。或者如果共模電壓存在,則要確保USB數據採集模組提供差分輸入連接。Data Translation所有的USB模組,從DT9801系列到DT9834系列,提供了上至8或16個差分輸入連接以提供最大程度的地迴路保護。

案例3:良好的情況下

在良好的環境中,瞬時電氣訊號突波和地電位差不存在,因此不需要隔離。在未隔離的系統中,PC直接與感測器的地系統相連,所以只要沒有噪音或其它誤差加到電壓源上,測量就會是準確的。

儘管未隔離的解決方案購買時可能會更便宜,但測試與測量應用很少是處於良好情況。所以要小心,如果你選擇了未隔離的解決方案,可能會導致可估算的後端成本,這是由於數據不夠準確或系統出現故障引起的額外開支。

作者:Timothy Ludy

產品行銷經理

Data Translation公司




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