数据采集系统通道间串扰的测试和评价方法

肖天雷 龚文彬 / 上海市计量测试技术研究院

数据采集系统通道间串扰的测试和评价方法

肖天雷 龚文彬 / 上海市计量测试技术研究院

介绍了数据采集系统通道间串扰的成因。根据JJF 1048-1995《数据采集系统校准规范》分别对直流信号对直流通道、交流信号对直流通道以及交流信号对交流通道的串扰能力进行测试、计算和评价，对实验结果进行了分析和总结。研究结果表明了对数据采集系统通道间串扰评价的重要性。

数据采集系统；通道间串扰；评价方法

0 引言

多路数据采集系统（模块）能够通过不同的传感器将相应的测量信号转为电信号［1］，从而实现对温度、电信号、压力、位移等参数的测量和处理，是连接模拟世界和数字世界的桥梁。所以，对数据采集系统的定期校准是必不可少的。

目前，国内对数据采集系统的检测项目一般包括电压、电流等信号的示值误差。随着工业设备的不断升级和改造，数据采集系统的采集通道数量也在不断增加，这将不可避免地引起通道间串扰。例如在功率测量过程中，电流和电压通道之间产生的串扰会影响功率计算的准确性［2］。所以，在一定的情况下，有必要对数据采集系统的通道间串扰能力进行评价。

现行的JJF 1048-1995《数据采集系统校准规范》［3］对数据采集系统的通道间串扰提供了校准依据。它描述了利用直流电压源作为干扰信号源，对相邻通道的读数进行测量的方法，并以串扰抑制比SCRR作为评价结果。然而，数据采集系统的应用范围并非局限于直流信号，例如，传统功率测量就需要采集50 Hz/60 Hz的交流信号。所以，在数据采集系统通道串扰项目的校准中，仅仅考虑直流信号对直流通道产生的串扰是不全面的。

本文首先介绍通道间串扰产生的原因和影响，再扩展JJF 1048-1995中的要求，对不同信号产生的通道间串扰进行测量和计算，并对结果进行分析和总结。

1 通道间串扰产生的原因

数据采集系统通常采用多路模拟开关按照一定的时序对各个通道进行循环采集，再通过时分复用的方式进行量化。然而，由于集成化程度的不断提高，与多路模拟开关输入端相连接的相邻导线或引脚之间必然存在寄生电容。

电容具有通交流阻直流、通高频阻低频的特点，所以对于交流信号，必定会通过寄生电容对相邻通道产生干扰。而对于直流信号，在模拟开关的循环切换过程中，切换动作会引起一定时间内的电压抖动。由于该抖动为交流信号，所以也会通过寄生电容影响相邻通道［4］。

2 通道间串扰的影响

大型设备由于接入数据采集系统的信号数量和类型较多，更容易产生通道间串扰，如焓差试验台中的直流电压和电阻信号，风洞试验中的交流电压和直流电压等。由于寄生电容的作用，干扰信号会与采样信号发生叠加，从而产生不必要的噪声，这在一定程度上影响采样信号的准确性。这种情况在干扰源频率较高时尤为明显。

另外，对于直流信号而言，由多路模拟开关的切换产生的电压抖动虽然会在短时间内恢复，但在高采样频率条件下，如果受到串扰的信号没有在A/ D转换器采样之前恢复，势必会影响采样而造成转换误差［5］，降低数据采集系统的准确度。

3 通道间串扰的评价

3.1 测试方法

参照JJF 1048-1995，采用如图1的接线方法，就数据采集系统直流信号对直流通道、交流信号对直流通道和交流信号对交流通道的通道串扰能力进行实验。将通道CHn与多功能校准器相连接，将相邻通道CHn+1与1 kΩ标准电阻R0相连接。此外，干扰通道选取最大量程，相邻的采样通道选取最小量程，参照JJF 1048-1995中第12节的要求进行试验。

图1 通道间串扰检测接线图

3.2 直流信号对直流通道的串扰能力

干扰信号源采用多功能校准器输出标准直流电压，干扰通道和采样通道都按照各自量程切换为直流电压测量模式。测量结果如表1所示。

表1 直流信号对直流通道串扰能力的实验结果

3.3 交流信号对直流通道的串扰能力

干扰信号源采用多功能校准器输出不同频率的标准交流电压，干扰通道和采样通道都按照各自量程分别切换为交流电压测量模式和直流电压测量模式。这里参考JJF 1048-1995中12.6节公式（29）的形式进行评价。交流电压信号“零位”幅值选取为0.1 V，按照式（1）计算通道间串扰抑制比SCRR。

式中：

测量结果如表2所示。

表2 交流信号对直流通道串扰能力的实验结果

3.4 交流信号对交流通道的串扰能力

干扰信号源采用多功能校准器输出不同频率的标准交流电压，干扰通道和采样通道都按照各自量程分别切换为交流电压测量模式。根据式（1）计算串扰抑制比SCRR，结果如表3所示。

表3 交流信号对交流通道串扰能力的实验结果

4 结果分析

理想情况下，干扰通道和采样通道的信号互不干扰。然而，由于数据采集系统本身设计的局限性以及导线分布的影响，通道间串扰不可避免。

通过对比，直流通道对直流信号的串扰抑制能力最强，因为在这种情况下，串扰主要原因是模拟多路开关切换造成的电压抖动，而电压抖动本身能量较小，持续时间也较短，所以通道串扰能力最小。直流通道对交流信号的串扰抑制能力其次，虽然交流信号本身能够通过寄生电容对相邻通道产生影响，但由于直流通道本身对交流信号具有抑制能力，所以该情况下的通道串扰增大得并不明显。最后，交流通道对交流信号的串扰抑制能力最差，这是因为采样通道本身采集的就是交流信号，所以会接收大部分的干扰信号，从而严重降低串扰抑制能力，此时的串扰噪声较大。

而在干扰源同为交流电压信号的情况下，随着频率的增加，通道串扰抑制比降低，这说明高频信号更容易对相邻通道产生串扰。所以在高频场合使用的数据采集系统应该视情况对通道间串扰进行评价和检测。

5 结语

目前，大部分数据采集系统的用户手册都对通道串扰能力做出一定的说明，可见对数据采集系统通道串扰能力的评价是十分重要的。

本文不仅对校准规范中的内容进行实验，还对交流信号对直流通道的串扰能力，以及交流信号对交流通道的串扰能力进行了实验，计算出不同情况下的串扰抑制比，并进行分析和总结。鉴于通道间串扰的影响，建议该校准项目可以根据客户需求在适当的情况下包含在校准证书中。

［1］许兴明，刘国伟. 多路数据采集器自动校准系统的设计与实现［J］.宇航计测技术，2012，32（5）：45-48.

［2］M.Fu， K Tsai， S Prashanth，.Crosstalk Calibration for High Precision Power Measurement［C］. Energy Conversion Congress and Exposition，2015： 6589-6593.

［3］中国航空工业总公司第304研究所. JJF 1048-1995 数据采集系统校准规范［S］. 北京：中国计量出版社，1995.

［4］Channel Crosstalk［EB/OL］. http：//kb.mccdaq.com/KnowledgebaseArti cle50019.aspx，2012-4-30.

［5］郑永秋，史赟，李圣昆，等. 多通道高精度数据采集电路的设计与实践［J］. 电测与仪表，2011，48（9）：86-90.

Test and evaluation method of channel-tochannel crosstalk in data acquisition systems

Xiao Tianlei，Gong Wenbin
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The cause for channel-to-channel crosstalk of data acquisition system is introduced.According to JJF 1048-1995 C.S. of Data Acquisition System crosstalk effects are tested，calculated and evaluated in cases of DC signal crosstalk in a DC voltage channel， AC signal crosstalk in a DC voltage channel and AC signal crosstalk in an AC voltage channel. Experimental results are analyzed and summarized. Research achievements show the importance of evaluation for channel-to-channel crosstalk of data acquisition system.

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