信号调理模块的功能与应用解析
一. 虚拟仪器系统和信号调理模块
虚拟仪器（Virtual Instrument）是测试技术与仪器制造领域的革新产物。它是一种基于计算机的自动化仪器系统，通过将计算机强大的图形界面、数据处理能力与模块化硬件相结合，实现了测量数据的采集、分析和显示。
图 1 展示了一个典型的虚拟仪器测试系统，其核心通常由以下三个部分组成：
- 后端处理与采集设备： 如混合总线测量仪器及数据采集卡（DAQ）。
- 中间调理环节： 专用转接及信号调理模块。
- 前端物理端： 被测对象及传感器。
信号调理模块作为连接前端传感器和后端数据采集设备的“桥梁”，其作用是将被测信号处理为数据采集设备能够精准识别的形态。
二. 信号调理模块的核心功能
信号调理在数据采集和控制系统中起着至关重要的作用。原始传感器输出的信号往往具 有微弱、含噪、非线性或高共模电压等特点，直接接入采集卡可能导致测量不准甚至损坏设备。信号调理通过放大、隔离、滤波、激励等功能，大幅提升了系统的可靠性和精度。
2.1 功能概述
信号调理模块的主要功能详述如下：
- 传感器激励（驱动） 许多传感器是无源的，需要外部能量才能工作。信号调理模块需提供精密的电压或电流源。
- 有源传感器： 需提供工作电源。
- 无源传感器： 需提供激励源（如电桥激励、恒流源等）。
表 1：常见传感器对信号调理的要求
| 传感器类型 | 信号调理模块核心功能 |
|---|---|
| 热电偶 (Thermocouple) | 冷端补偿 (CJC)、高增益放大、线性化 |
| 热敏电阻/热电阻 (RTD) | 精密电流源激励、电压测量 |
| 应变片 (Strain Gauge) | 电桥配置 (1/4, 1/2, 全桥)、精密电压激励、平衡调零 |
| LVDT / RVDT (位移传感器) | AC 交流激励、解调 (Demodulation) |
| 加速度计 (压电式/IEPE) | 恒流源激励 (IEPE)、电荷放大、高通滤波 |
- 信号放大 大多数传感器的输出在 mV 级（如热电偶），而数据采集设备（A/D转换器）的最佳输入范围通常在 Volt 级（如 ±10V）。为了充分利用 A/D 转换器的分 辨率并提高信噪比（SNR），必须对信号进行预放大。
- 关键原则： 放大应尽可能靠近传感器端进行，以避免传输线路上的噪声被同步放大。
表 2：信号调理对信噪比（SNR）的改善示例 (假设：传感器信号 10mV，传输线路引入噪声 1mV)
| 方案 | 调理模块增益 | 线路引入噪声 | 采集卡增益 | 最终信号 (V) | 最终噪声 (V) | 信噪比 (SNR) | 结果 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 无预处理 | 无 (×1) | 1 mV | ×100 | 1 V | 0.1 V | 10 | 差 |
| 混合放大 | ×10 | 1 mV | ×10 | 1 V | 0.01 V | 100 | 中 |
| 完全预放大 | ×100 | 1 mV | 无 (×1) | 1 V | 0.001 V | 1000 | 优 |
- 信号隔离 隔离电路主要用于两个目的：
- 安全保护： 防止高压瞬变损坏后端的昂贵计算机和采集设备。
- 切断地环路： 当传感器地与计算机地存在电势差时，会产生共模干扰。隔离技术（光电隔离或磁隔离）能有效切断地环路，保证测量精度。
- 信号滤波
- 抗混叠滤波： 滤除高于奈奎斯特频率（采样率的一半）的高频成分，防止混叠。
- 噪声抑制： 使用低通滤波器消除 50Hz/60Hz 的工频干 扰或其他环境噪声。
- 多路复用（扩展通道数） 通过模拟多路复用器（Multiplexer），可以将数百路传感器信号依次切换到一个高速 A/D 转换器上进行测量，极大地降低了多通道系统的成本。
三. 常用信号调理模块架构（以经典 SCXI 为例）
注：SCXI 是 National Instruments 曾广泛使用的经典信号调理架构，虽现代系统多已转向 PXIe 或 C 系列架构，但 SCXI 的模块化设计理念仍具有教学意义。
3.1 SCXI 系统简介
SCXI (Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation) 是一个高性能、坚固的模块化信号调理平台，专为高通道数、高噪声环境下的应用设计。它既可以作为 PXI/PCI 采集卡的前端，也可以通过 RS-485 构成远程采集系统。
SCXI 的核心优势：
- 高密度： 单个机箱最多可容纳 12 个模块，利用多路复用技术，一个 PXI/PCI 采集设备可控制多达 3072 路模拟输入信号。
- 多功能性： 支持各类模拟输入（隔离、放大、滤波）、模拟输出及数字 I/O。
表 3：SCXI 系统典型功能支持
| 功能类别 | 支持信号与特性 |
|---|---|
| 模拟输入 | 热电偶、RTD、应变片、隔离高电压 (高达 300V)、频率信号等 |
| 模拟输出 | 隔离电压输出、电流环 (0-20mA) 输出 |
| 数字 I/O | 光隔离数字输入/输出，用于工业控制 |
3.2 便携式 SCC 系统
SCC (Signal Conditioning Components) 是一类适用于低通道数应用的便携式调理组件。与 SCXI 的多路复用不同，SCC 采用“每通道一个模块”的积木式设计，用户可以根据需要混合搭配不同的 SCC 模块（如热电偶模块、衰减模块等），非常适合实验室灵活搭建。
四. 信号调理系统应用实例
以下通过一个经典的温度测量案例，展示系统的搭建流程：
- 系统需求 采集 8 路热电偶温度信号，要求高精度、抗干扰，数据需实时显示并存盘。
- 信号调理模块选型 选用 SCXI-1102B（或同类功能模块）。
- 理由： 热电偶信号微弱（mV级），需要高增益放大；且现场环境复杂，需要 2Hz 或 200Hz 的低通滤波来抑制工频干扰。SCXI-1102B 提供 32 路差分输入，每通道具备独立放大器和冷端补偿，完全满足需求。
- 数据采集模块选型 选用 PXI-6070E（或其他多功能 DAQ 卡）。
- 理由： 这是一个 12-bit、1.25 MSa/s 的多功能采集卡。虽然热电偶变化缓慢，但采集卡的高速性能配合 SCXI 的多路复用，可以快速扫描所有通道。
- 系统集成
- 机箱： 使用 PXI-1010 混合机箱（同时支持 PXI 和 SCXI 模块）。
- 连接流： 传感器 -> SCXI-1102B (放大/滤波/多路复用) -> SCXI 背板总线 -> PXI-6070E (A/D 转换) -> 计算机软件 (LabVIEW 等)。
- 功能实现 经过调理的信号已变为 0-10V 的标准电压信号，且滤除了噪声。数据采集卡将其数字化后，由软件根据热电偶的分度表将电压换算为温度值，实现最终的监测与记录。