科研与实验室自动化
传感器阵列：限制你的几乎从来不是转换器
一个把热电偶、应变电桥和 4–20 mA 变送器混在一起的装置，会把跨越四个数量级的信号送进同一个前端。决定结果的是共模抑制、复用器建立时间和冷端处理 —— 而不是位数。
常见实验室传感器的信号电平、压在这些信号之上的共模算术、为什么复用器在高增益下建立得更慢，以及为什么最窄的输入量程是白送的分辨率。
科研装置会长大。一个从四支热电偶开始的台子，在写出第一篇论文之前就会添上应变电桥、两路压力变送器、一个流量计和一只光电二极管，而且全部接在同一套采集系统上。转换器之所以很少是问题所在，是因为这些信号在到达它之前就已经很难处理了。
在选型之前，先把「小」量化
| 传感器 | 输出 | 应选量程 | 1 LSB 相当于 |
|---|---|---|---|
| K 型热电偶 | 约 41 µV/°C，满量程几十 mV | ±0.2 V | 6.1 µV，约合 0.15 °C |
| 应变电桥，5 V 激励下 1000 µε | 满量程 10 mV | ±0.2 V | 6.1 µV，约合 0.6 µε |
| 4–20 mA 变送器接 250 Ω | 1 ~ 5 V | ±5 V | 153 µV，合 0.61 µA |
| 0–10 V 压力变送器 | 满量程 10 V | ±10 V | 305 µV，为量程的 0.003% |
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把最后一列当作预算来看，而不是精度。要点在于：同一个 16 位转换器，在热电偶上给出 0.15 °C 的分辨率，在变送器上给出满量程的 0.003%，区别只在于量程选得不同。在容得下信号的前提下选最窄量程，是整条链路上唯一不花钱的增益级。
压在其他一切之上的共模算术
装在带电机、加热器和开关电源的台子上的热电偶或电桥，会看到很大的共模电压：它的两根线相对于采集卡地一起移动。共模抑制比用分贝给出，这个换算值得手算一次。
120 dB 的抑制比是一百万倍。面对 20 V 共模，剩下 20 µV 的泄漏 —— 而上面的表说，热电偶通道的 1 LSB 是 6 µV。换句话说，在这个抑制比下，共模干扰已经有好几个 LSB，也就是在数据里看得见。如果是 100 dB，就剩 200 µV，比一个不大的温差对应的整个热电偶信号还大。
- 所有小信号通道都用差分输入。这不是可选项 —— 共模抑制正是靠它才存在。
- 用屏蔽双绞线，屏蔽层只在一端接地。两端都接地的屏蔽层就是一根导线，它会把你想挡在外面的地环路电流引进来。
- 用偏置电阻给浮地源一个确定的参考，通常从每个输入端到地接 10 kΩ 至 100 kΩ。
- 把共模电压本身控制在模块限值之内。高增益档下的这个限值比 ±10 V 档更严，超限不是「性能略降」。
高增益下复用器的建立行为不一样
复用式前端在通道之间切换，每个开关都会带进一小包电荷。切换之后，放大器及其输入电容需要时间建立到新的电平，转换器才能取样。增益越高，建立越慢，扫描速率必须给它留出时间。
失效模式很有辨识度，值得记住：某一路读数略有偏差，而且启用的通道越多、偏得越多 —— 因为每次开关事件分到的建立时间更少。诊断方法是在可疑通道之间插入一路已知良好的通道一起扫描。如果这路已知通道「夹在中间时漂、单独扫描时干净」，问题就在建立时间，不在传感器。
在混合阵列里，最容易出问题的情形，是毫伏级通道紧跟在几伏的通道之后被扫描。把量级相近的信号在扫描表中排在一起，是一种成本很低的对策 —— 只需要在写通道表时多想一下。
冷端：直接叠加到读数上的那项误差
热电偶分度表假定参考端处于 0 °C。实际从来不是。采集卡上的接线端子处于室温，你测到的热电势是热端与这些端子之间的差值。修正的办法是测量端子温度，再把该温度本应对应的热电势加回去。
两个数字足以说明为什么这件事要认真做。第一，修正量不小：4.096 mV 直接按分度表读约是 100 °C，但把 25 °C 的端子温度算进去，实际接近 127 °C。第二，传感器本身的允差就是以度计的：IEC 60584-1 对 K 型热电偶 1 级允差为 ±1.5 °C 或读数的 0.4%（取大者），所以在 600 °C 处，仅热电偶丝就可能偏 2.4 °C。
通道数与速率：大阵列真正需要什么
买 80 路模块的理由很少是为了速度。温度是 1 Hz 到 10 Hz 的测量；静态压力和应变的速率也不高。把 250 kS/s 摊到 80 路上，每路约 3 kS/s，比热电偶阵列的需要高出两个数量级，同时还给偶尔出现的快速通道留了余量。
| 需求 | 型号 | 配置 |
|---|---|---|
| 最宽的传感器阵列，单通道成本敏感 | USB-6225 | 80 单端 / 40 差分，250 kS/s，24 路数字线，2 路计数器 |
| 同样的通道数，但需要应对动态事件 | USB-6255 | 80 单端 / 40 差分，1.25 MS/s，24 路数字线，2 路计数器 |
| 模拟数字混合，且需要模拟输出做驱动 | USB-6229 | 32 单端 / 16 差分，250 kS/s，4 路同步 16 位输出，48 路数字线 |
| 传感器处在电气噪声较大的台架上 | USB-6218 | 32 单端 / 16 差分，250 kS/s，带 60 V 通道对地隔离 |
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电磁阀、继电器，以及装置的数字那一半
实验室自动化大多是「少量模拟通道 + 大量开关」：电磁阀、泵、快门驱动、继电器组、状态指示灯。USB-6509 在单模块上提供 96 路数字线，每路可灌入 24 mA，足以直接驱动指示灯面板或一组小型继电器，不必经过驱动板。模拟模块的灌电流能力要低得多，所以把一整排指示灯挂在 16 路模拟模块上是点不亮的。
无人值守，以及关于它的实话
USB 采集设备不是确定性控制器。它由主机的操作系统调度，一次后台更新或一次磁盘繁忙，就可能让软件定时的读取延迟远超测量周期。用于记录是可以接受的，用于控制则不行。
- 用硬件定时采集配合板载缓冲，而不是在循环里一次读一个点。这样定时由卡自己的时钟决定，主机抖动只影响你取缓冲区的频率。
- 假定设备在长周期运行中总会重新枚举一次。记录下缺口并恢复，而不是静默失败或丢掉整个文件。
- 拿出一路通道做内务信号 —— 固定参考或短接输入 —— 这样某一路漂移就是可证明的，而不只是怀疑。
- 把结构或台架上的温度通道和测量一起记录。长记录中缓慢变化的头号解释就是热漂移。
看起来像传感器故障的几个错误
- 把浮地热电偶接成单端，然后把漂移归咎于热电偶丝。
- 所有通道都留在 ±10 V 量程，然后得出结论说转换器不够好。
- 不做冷端修正，在真实值 124 °C 的地方读出 100 °C。
- 把线缆屏蔽层两端接地，然后把产生的工频干扰称为「环境噪声」。
- 在扫描表里把毫伏级通道和几伏的通道交错排列，却从没怀疑过建立时间。
- 在很宽的温度跨度上，用单一线性灵敏度处理热电偶。
本文中每个数字，要么是由公开的分辨率与采样率指标算出的算术结果，要么是所引用标准中给出的数值。凡是取决于具体型号的数字，请在冻结设计前对照该型号的数据手册确认。