Field Wiring and Noise Considerations for Analog Signals
Field Wiring and Noise Considerations for Analog SignalsCableado
de campo y consideraciones de ruido para seales
analgicashttp://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3344#1Unfortunately,
measuring analog signals with a data acquisition device is not
always as simple as wiring the signal source leads to the data
acquisition device. Knowledge of the nature of the signal source, a
suitable configuration of the data acquisition device, and an
appropriate cabling scheme may be required to produce accurate and
noise-free measurements. Figure 1 shows a block diagram of a
typical data acquisition system. The integrity of the acquired data
depends upon the entire analog signal path In order to cover a wide
variety of applications, most data acquisition devices provide some
flexibility in their analog input stage configuration. The price of
this flexibility is, however, some confusion as to the proper
applications of the various input configurations and their relative
merits. This note helps clarify the types of input configurations
available on data acquisition devices, explains how the user should
choose and use the configuration best for the application, and
discusses interference noise pick up mechanisms and how to minimize
interference noise by proper cabling and shielding. An
understanding of the types of signal sources and measurement
systems is a prerequisite to application of good measurement
techniques, so we will begin by discussing the same.
Desafortunadamente, la medicin de seales analgicas con un
dispositivo de adquisicin de datos no siempre es tan simple como el
cableado de la fuente de seal conduce al dispositivo de adquisicin
de datos. El conocimiento de la naturaleza de la fuente de seal,
una configuracin adecuada del dispositivo de adquisicin de datos, y
un esquema de cableado adecuado puede ser requerido para producir
mediciones precisas y libre de ruido. La figura 1 muestra un
diagrama de bloques de un sistema de adquisicin de datos tpico. La
integridad de los datos obtenidos depende de la trayectoria de la
seal analgica de toda el fin de cubrir una amplia variedad de
aplicaciones, la mayora de los dispositivos de adquisicin de datos
proporcionan cierta flexibilidad en su configuracin analgica etapa
de entrada. El precio de esta flexibilidad es, sin embargo, alguna
confusin en cuanto a las aplicaciones apropiadas de las
configuraciones de entrada diferentes y sus mritos relativos. En
esta nota se ayuda a clarificar los tipos de configuraciones de
entrada disponibles en los dispositivos de adquisicin de datos, se
explica cmo el usuario debe elegir y utilizar la mejor configuracin
para la aplicacin, y se analiza el ruido de interferencia recoger a
los mecanismos y la forma de minimizar el ruido de interferencia de
cableado adecuado y proteccin. La comprensin de los tipos de
fuentes de seal y sistemas de medicin es un requisito previo a la
aplicacin de buenas tcnicas de medicin, por lo que vamos a empezar
hablando de lo mismo.
Table of Contents
1. Types of Signal Sources and Measurement Systems2. Measuring
Grounded Signal Sources3. Measuring Floating (Nonreferenced)
Sources4. Minimizing Noise Coupling in the Interconnects5. Balanced
Systems6. Solving Noise Problems in Measurement Setups7. Signal
Processing Techniques for Noise Reduction8. ReferencesTypes of
Signal Sources and Measurement Systems Tipos de fuentes de seal y
sistemas de medicinBy far the most common electrical equivalent
produced by signal conditioning circuitry associated with sensors
is in the form of voltage. Transformation to other electrical
phenomena such as current and frequency may be encountered in cases
where the signal is to be carried over long cabling in harsh
environments. Since in virtually all cases the transformed signal
is ultimately converted back into a voltage signal before
measurement, it is important to understand the voltage signal
source. Con mucho, el equivalente elctrico ms comn producido por
los circuitos de acondicionamiento de seales asociado con los
sensores est en la forma de la tensin. La transformacin a otros
fenmenos elctricos, como intensidad y frecuencia se pueden
encontrar en los casos en que la seal se llevar a travs de un
cableado de largo en ambientes hostiles. Dado que en prcticamente
todos los casos la seal transformada finalmente se convierten de
nuevo en una seal de tensin antes de la medicin, es importante
comprender la fuente de seal de tensin.
Remember that a voltage signal is measured as the potential
difference across two points. This is depicted in Figure 2.
Recordemos que una seal de tensin se mide como la diferencia de
potencial a travs de dos puntos. Esto se muestra en la Figura
2.
Figure 2. Voltage Signal Source and Measurement System Model
Fuente de la seal de tensin y modelo de Sistema de Medicin
A voltage source can be grouped into one of two
categoriesgrounded or ungrounded (floating). Similarly, a
measurement system can be grouped into one of two
categoriesgrounded or ground-referenced, and ungrounded (floating).
Una fuente de voltaje se pueden agrupar en dos categoras-tierra o
sin conexin a tierra (flotante). Del mismo modo, un sistema de
medicin se pueden agrupar en dos categoras-tierra o
tierra-referencia, y sin conexin a tierra (flotante).
Grounded or Ground-Referenced Signal Source Seal de tierra o
referencia a tierra-Fuente
A grounded source is one in which the voltage signal is
referenced to the building system ground. The most common example
of a grounded source is any common plug-in instrument that does not
explicitly float its output signal. Figure 3 shows a grounded
signal source. Una fuente conectada a tierra es una en la que se
hace referencia a la seal de tensin a la tierra del sistema de
construccin. El ejemplo ms comn de una fuente de tierra comn es
cualquier instrumento plug-in que explcitamente no flotar su seal
de salida. La Figura 3 muestra una fuente de seal a tierra.
Figure 3. Grounded Signal SourceSeal fuente puesta a tierra
The grounds of two grounded signal sources will generally not be
at the same potential. The difference in ground potential between
two instruments connected to the same building power system is
typically on the order of 10 mV to 200 mV; however, the difference
can be higher if power distribution circuits are not properly
connected. Los motivos de dos fuentes de seal a tierra no ser
generalmente al mismo potencial. La diferencia de potencial de
tierra entre dos instrumentos conectados al sistema de construccin
misma potencia es tpicamente del orden de 10 mV a 200 mV, sin
embargo, la diferencia puede ser mayor si los circuitos de
distribucin de energa no estn conectados correctamente.
Ungrounded or Nonreferenced (Floating) Signal Source Sin conexin
a tierra o Nonreferenced (flotante) Fuente de la SealA floating
source is a source in which the voltage signal is not referred to
an absolute reference, such as earth or building ground. Some
common examples of floating signal sources are batteries, battery
powered signal sources, thermocouples, transformers, isolation
amplifiers, and any instrument that explicitly floats its output
signal. A nonreferenced or floating signal source is depicted in
Figure 4. Una fuente flotante es una fuente en la que la seal de
tensin no se refiere a una referencia absoluta, tal como tierra o
suelo del edificio. Algunos ejemplos comunes de fuentes de seales
flotantes son pilas, bateras fuentes de seal de potencia,
termopares, transformadores, amplificadores de aislamiento, y
cualquier otro instrumento que explcitamente flota su seal de
salida. Una fuente de seal nonreferenced o flotante se representa
en la Figura 4.
Figure 4. Floating or Nonreferenced Signal SourceSeal flotante o
Nonreferenced FuenteNotice that neither terminal of the source is
referred to the electrical outlet ground. Thus, each terminal is
independent of earth. Ntese que ni terminal de la fuente se refiere
al suelo toma de corriente elctrica. As, cada terminal es
independiente de la tierra.
Differential or Nonreferenced Measurement System Diferencial o
sistema de medicin NonreferencedA differential, or nonreferenced,
measurement system has neither of its inputs tied to a fixed
reference such as earth or building ground. Hand-held,
battery-powered instruments and data acquisition devices with
instrumentation amplifiers are examples of differential or
nonreferenced measurement systems. Figure 5 depicts an
implementation of an 8-channel differential measurement system used
in a typical device from National Instruments. Analog multiplexers
are used in the signal path to increase the number of measurement
channels while still using a single instrumentation amplifier. For
this device, the pin labeled AI GND, the analog input ground, is
the measurement system ground. Un diferencial, o nonreferenced,
sistema de medicin no tiene ni una de sus entradas atados a una
referencia fija, tal como tierra o suelo del edificio. De mano, que
funcionan con bateras de instrumentos y dispositivos de adquisicin
de datos con amplificadores de instrumentacin son ejemplos de
diferencial o nonreferenced sistemas de medicin. La Figura 5
representa una aplicacin de un sistema diferencial 8-canal de
medicin utilizado en un dispositivo tpico de National Instruments.
Multiplexores analgicos se utiliza en la ruta de seal para aumentar
el nmero de canales de medicin sin dejar de utilizar un
amplificador de instrumentacin clave. Para este dispositivo, el
pasador de etiquetado AI GND, la tierra de entrada analgica, es la
tierra del sistema de medicin.
Figure 5. An 8-Channel Differential Measurement SystemUn nio de
8 canales diferenciales del Sistema de MedicinAn ideal differential
measurement system responds only to the potential difference
between its two terminalsthe (+) and () inputs. Any voltage
measured with respect to the instrumentation amplifier ground that
is present at both amplifier inputs is referred to as a common-mode
voltage. Common-mode voltage is completely rejected (not measured)
by an ideal differential measurement system. This capability is
useful in rejection of noise, as unwanted noise is often introduced
in the circuit making up the cabling system as common-mode voltage.
Practical devices, however, have several limitations, described by
parameters such as common-mode voltage range and common-mode
rejection ratio (CMRR), which limit this ability to reject the
common-mode voltage. Un sistema de medicin diferencial ideal
responde solamente a la diferencia de potencial entre sus dos
terminales-los (+) y - los insumos (). Cualquier tensin medida con
respecto a la tierra del amplificador de instrumentacin que est
presente en ambas entradas del amplificador se refiere como un
voltaje de modo comn. Voltaje de modo comn es completamente
rechazado (no medida) por un sistema de medicin diferencial ideal.
Esta capacidad es til en el rechazo de ruido, el ruido no deseado a
menudo se introduce en el circuito que componen el sistema de
cableado, voltaje de modo comn. Los dispositivos prcticos, sin
embargo, tienen varias limitaciones, descritas por parmetros tales
como la gama de voltaje en modo comn y en modo comn relacin de
rechazo (CMRR), que limitan esta capacidad de rechazar la tensin en
modo comn.
Common-mode voltage Vcm is defined as follows: De modo comn Vcm
tensin se define como sigue:Vcm = (V+ + V )/2where V+ = Voltage at
the noninverting terminal of the measurement system with respect to
the measurement system ground, V = Voltage at the inverting
terminal of the measurement system with respect to the measurement
system ground and CMRR in dB is defined as follows: donde V + =
tensin en el terminal no inversor del sistema de medicin con
respecto a la tierra del sistema de medicin, en V = voltaje en el
terminal inversor del sistema de medicin con respecto a la tierra
del sistema de medicin y CMRR en dB se define como sigue:
CMRR (dB) = 20 log (Differential Gain/Common-Mode Gain).
A simple circuit that illustrates the CMRR is shown in Figure 6.
In this circuit, CMRR in dB is measured as 20 log Vcm/Vout where V+
= V = Vcm.
Figure 6. CMRR Measurement Circuit
The common-mode voltage range limits the allowable voltage swing
on each input with respect to the measurement system ground.
Violating this constraint results not only in measurement error but
also in possible damage to components on the device. As the term
implies, the CMRR measures the ability of a differential
measurement system to reject the common-mode voltage signal. The
CMRR is a function of frequency and typically reduces with
frequency. The CMRR can be optimized by using a balanced circuit.
This issue is discussed in more detail later in this application
note. Most data acquisition devices will specify the CMRR up to 60
Hz, the power line frequency. El rango de tensin en modo comn
limita la oscilacin de tensin admisible en cada entrada con
respecto a la tierra del sistema de medicin. La violacin de esta
restriccin resulta no slo en el error de medicin, sino tambin en
los posibles daos a los componentes del dispositivo. Como el trmino
lo indica, el CMRR mide la capacidad de un sistema de medicin de la
diferencia para rechazar la seal de tensin en modo comn. La CMRR es
una funcin de la frecuencia y tpicamente reduce con frecuencia. El
CMRR puede optimizarse mediante el uso de un circuito equilibrado.
Este tema se discute con ms detalle ms adelante en esta nota de
aplicacin. La mayora de los dispositivos de adquisicin de datos se
especificar el CMRR de hasta 60 Hz, la frecuencia de la lnea de
alimentacin.
Grounded or Ground-Referenced Measurement System Medicin de
puesta a tierra o referencia a tierra-Sistema
A grounded or ground-referenced measurement system is similar to
a grounded source in that the measurement is made with respect to
ground. Figure 7 depicts an 8-channel grounded measurement system.
This is also referred to as a single-ended measurement system. Un
sistema de medicin a tierra o tierra-referenciada es similar a una
fuente conectada a tierra en que se efecta la medicin con respecto
a tierra. La Figura 7 representa un sistema de medicin de 8-canal
conectado a tierra. Esto tambin se conoce como un sistema de
medicin de una sola terminal.
Figure 7. An 8-Channel Ground-Referenced Single-Ended (RSE)
Measurement SystemFigura 7. Un nio de 8 canales de tierra con
referencia a un solo extremo (RSE) del Sistema de MedicinA variant
of the single-ended measurement technique, known as nonreferenced
single-ended (NRSE), is often found in data acquisition devices. A
NRSE measurement system is depicted in Figure 8. Una variante de la
tcnica de medicin de una sola terminal, conocido como nonreferenced
de una sola terminal (NRSE), se encuentra a menudo en los
dispositivos de adquisicin de datos. Un sistema de medicin NRSE se
representa en la Figura 8.
Figure 8. An 8-Channel NRSE Measurement SystemIn an NRSE
measurement system, all measurements are still made with respect to
a single-node Analog Input Sense (AI SENSE), but the potential at
this node can vary with respect to the measurement system ground
(AI GND). Figure 8 illustrates that a single-channel NRSE
measurement system is the same as a single-channel differential
measurement system. En un sistema de medicin NRSE, todas las
mediciones todava se hacen con respecto a un sentido de entrada de
un nico nodo analgica (AI sentido), pero el potencial en este nodo
puede variar con respecto a la tierra del sistema de medicin (AI
GND). La figura 8 ilustra que un sistema de un solo canal NRSE
medicin es el mismo que un sistema diferencial de un solo canal de
medicin.
Now that we have identified the different signal source type and
measurement systems, we can discuss the proper measurement system
for each type of signal source. Ahora que hemos identificado el
tipo de seal de origen diferente y sistemas de medicin, podemos
discutir el sistema de medicin adecuado para cada tipo de fuente de
seal.
Measuring Grounded Signal Sources Medicin de puesta a tierra
Fuentes de SealA grounded signal source is best measured with a
differential or nonreferenced measurement system. Figure 9 shows
the pitfall of using a ground-referenced measurement system to
measure a grounded signal source. In this case, the measured
voltage, Vm, is the sum of the signal voltage, Vs, and the
potential difference, DVg, that exists between the signal source
ground and the measurement system ground. This potential difference
is generally not a DC level; thus, the result is a noisy
measurement system often showing power-line frequency (60 Hz)
components in the readings. Ground-loop introduced noise may have
both AC and DC components, thus introducing offset errors as well
as noise in the measurements. The potential difference between the
two grounds causes a current to flow in the interconnection. This
current is called ground-loop current. Una fuente de seal a tierra
se mide mejor con un diferencial o sistema nonreferenced medicin.
La Figura 9 muestra la trampa de utilizar un sistema de medicin de
terreno con referencia para medir una fuente de seal a tierra. En
este caso, el voltaje medido, Vm, es la suma de la tensin de la
seal, Vs, y la diferencia de potencial, DVG, que existe entre el
suelo y la fuente de la seal de tierra del sistema de medicin. Esta
diferencia de potencial no es generalmente un nivel de corriente
continua, por lo que el resultado es un sistema de medicin ruidoso
menudo mostrando la lnea de potencia de frecuencia (60 Hz)
componentes en las lecturas. Del circuito a tierra ruido
introducido puede tener tanto componentes AC y DC, por lo tanto la
introduccin de errores de desplazamiento as como el ruido en las
mediciones. La diferencia de potencial entre los dos motivos
provoca que fluya una corriente en la interconexin. Esta corriente
se denomina suelo-bucle de corriente.
Figure 9. A Grounded Signal Source Measured with a
Ground-Referenced System Introduces Ground LoopFigura 9. Una fuente
de seal a tierra Medido con un sistema de tierra con referencia
presenta bucle de tierra
A ground-referenced system can still be used if the signal
voltage levels are high and the interconnection wiring between the
source and the measurement device has a low impedance. In this
case, the signal voltage measurement is degraded by ground loop,
but the degradation may be tolerable. The polarity of a grounded
signal source must be carefully observed before connecting it to a
ground-referenced measurement system because the signal source can
be shorted to ground, thus possibly damaging the signal source.
Wiring considerations are discussed in more detail later in this
application note. Un sistema de tierra con referencia todava se
puede utilizar si los niveles de voltaje de seal son altos y el
cableado de interconexin entre la fuente y el dispositivo de
medicin tiene una baja impedancia. En este caso, la medicin de la
tensin de la seal se degrada por bucle de tierra, pero la
degradacin puede ser tolerable. La polaridad de una fuente de seal
a tierra debe ser cuidadosamente observado antes de conectarlo a un
sistema de medicin de suelo-referenciada porque la fuente de seal
puede ser en cortocircuito a tierra, por lo tanto la posibilidad de
daar la fuente de seal. Consideraciones sobre el cableado se
discuten con ms detalle ms adelante en esta nota de aplicacin.
A nonreferenced measurement is provided by both the differential
(DIFF) and the NRSE input configurations on a typical data
acquisition device. With either of these configurations, any
potential difference between references of the source and the
measuring device appears as common-mode voltage to the measurement
system and is subtracted from the measured signal. This is
illustrated in Figure 10. Una medicin nonreferenced se proporciona
por tanto el diferencial (DIFF) y las configuraciones de entrada
NRSE en un dispositivo de adquisicin de datos tpico. Con cualquiera
de estas configuraciones, cualquier diferencia de potencial entre
las referencias de la fuente y el dispositivo de medicin aparece
como tensin en modo comn para el sistema de medicin y se resta de
la seal medida. Esto se ilustra en la Figura 10.
Figure 10. A Differential Measurement System Used to Measure a
Grounded Signal Source Figura 10. Un sistema de medicin diferencial
utilizado para medir una fuente de seal a tierraMeasuring Floating
(Nonreferenced) Sources
Medicin flotantes (Nonreferenced) Fuentes
Floating signal sources can be measured with both differential
and single-ended measurement systems. In the case of the
differential measurement system, however, care should be taken to
ensure that the common-mode voltage level of the signal with
respect to the measurement system ground remains in the common-mode
input range of the measurement device. Fuentes flotantes de seal se
puede medir con diferencial y una sola terminal sistemas de
medicin. En el caso del sistema de medicin diferencial, sin
embargo, debe tenerse cuidado para asegurar que el nivel de voltaje
en modo comn de la seal con respecto a la tierra del sistema de
medicin se mantiene en el rango de entrada en modo comn del
dispositivo de medicin.
A variety of phenomenafor example, the instrumentation amplifier
input bias currentscan move the voltage level of the floating
source out of the valid range of the input stage of a data
acquisition device. To anchor this voltage level to some reference,
resistors are used as illustrated in Figure 11. These resistors,
called bias resistors, provide a DC path from the instrumentation
amplifier inputs to the instrumentation amplifier ground. These
resistors should be of a large enough value to allow the source to
float with respect to the measurement reference (AI GND in the
previously described measurement system) and not load the signal
source, but small enough to keep the voltage in the range of the
input stage of the device. Typically, values between 10 k and 100 k
work well with low-impedance sources such as thermocouples and
signal conditioning module outputs. These bias resistors are
connected between each lead and the measurement system ground. Una
variedad de fenmenos-por ejemplo, el amplificador de instrumentacin
corrientes de polarizacin de entrada-puede mover el nivel de
voltaje de la fuente flotante fuera del rango vlido de la etapa de
entrada de un dispositivo de adquisicin de datos. Para anclar este
nivel de tensin en cierta referencia, las resistencias se utilizan
como se ilustra en la Figura 11. Estas resistencias, denominadas
resistencias de polarizacin, proporcionan un camino de CC de las
entradas del amplificador de instrumentacin a la tierra del
amplificador de instrumentacin. Estas resistencias deben ser de un
valor suficientemente grande para permitir la fuente a flotar con
respecto a la referencia de medicin (AI GND en el sistema de
medicin se ha descrito anteriormente) y no cargar la fuente de
seal, pero lo suficientemente pequeo como para mantener la tensin
en el intervalo de la entrada de la etapa del dispositivo.
Normalmente, los valores entre 10 kW y 100 kW funciona bien con
fuentes de baja impedancia como termopares y salidas del mdulo de
acondicionamiento de seal. Estas resistencias de polarizacin estn
conectados entre cada conductor y el suelo del sistema de
medicin.
Warning: Failure to use these resistors will result in erratic
or saturated (positive full-scale or negative full-scale) readings.
Advertencia: Si no utiliza estas resistencias se traducir en la
irregularidad o saturado (positivos a gran escala o negativo a gran
escala) lecturas.
If the input signal is DC-coupled, only one resistor connected
from the () input to the measurement system ground is required to
satisfy the bias current path requirement, but this leads to an
unbalanced system if the source impedance of the signal source is
relatively high. Balanced systems are desirable from a noise
immunity point of view. Consequently, two resistors of equal
valueone for signal high (+) input and the other for signal low ()
input to groundshould be used if the source impedance of the signal
source is high. A single bias resistor is sufficient for
low-impedance DC-coupled sources such as thermocouples. Balanced
circuits are discussed further later in this application note. Si
la seal de entrada est acoplado CC-, slo una resistencia conectada
desde la entrada (-) a la tierra del sistema de medicin se requiere
para satisfacer el requisito de sesgo camino de la corriente, pero
esto conduce a un sistema desequilibrado si la impedancia de la
fuente de la fuente de seal es relativamente alta. Sistemas
equilibrados son deseables desde un punto de vista inmunidad al
ruido. En consecuencia, dos resistencias de igual valor, uno para
la seal de alto (+) de entrada y el otro para la seal de baja (-)
de entrada a tierra se debe utilizar si la impedancia de la fuente
de la fuente de la seal es alta. Una resistencia de polarizacin
solo es suficiente para baja impedancia acoplados DC-fuentes tales
como termopares. Circuitos equilibrados se discuten ms adelante en
esta nota de aplicacin.
If the input signal is AC-coupled, two bias resistors are
required to satisfy the bias current path requirement of the
instrumentation amplifier. Si la seal de entrada est acoplada en
AC, dos resistencias de polarizacin son necesarios para satisfacer
el requisito de sesgo camino de la corriente del amplificador de
instrumentacin.
Resistors (10 k < R < 100 k) provide a return path to
ground for instrumentation amplifier input bias currents, as shown
in Figure 11. Only R2 is required for DC-coupled signal sources.
For AC-coupled sources, R1 = R2. Resistencias (10 k
