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[硬件] 分布式系统中模拟信号远程传输的噪声抑制

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发表于 2019-9-30 17:36 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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在分布式系统中,模拟信号在传感器或负载间来回远程传输。在这类系统中,信号要传输很长的距离,噪声抑制能力成为一个重要考虑因素。噪声会耦合进信号中,结果使数据遭到破坏,由此产生不良影响。系统需要得到适当的保护,了解预期噪声的量和性质可以明确需要采取的保护措施,以取消或者至少减少环境干扰水平。  [' B5 j1 N7 N4 F, {

6 U  k5 i  ]* R4 F: F$ z: |噪声源或干扰源一般有两种,根据其耦合进主信号的方式,分为共模噪声和差模噪声两种,如图1所示。
- z, i4 f0 u1 b3 U& v( [( B! m# u6 Q/ G6 ~5 o; ?, l3 ?

+ N' K2 D5 X- W6 O; c# O/ u# a2 `: G, _* j5 C3 j/ p
图1.噪声源

  y9 |% `( s1 R/ c+ R
3 `8 B4 c3 L0 ?( C9 s5 `
0 n6 o; G0 f7 R, f5 e$ h6 m0 W- l二者中危害较小是共模噪声,它会同时耦合到系统GND信号和激励信号中,这主要是由电缆与真实GND间的偶极天线效应造成的。这种情况不会使信号减弱,因为噪声同时耦合进两个通道,而且幅度相似。问题在于,共模噪声会产生信号失调,使真实GND升高,结果导致两种不良效应。首先,如果间接折合到真实GND(比如,通过金属箱保护传感器时),则可能使负载饱和。其次,可能产生电弧,结果会损坏传感器。在激励惠斯登电桥时,共模噪声尤其麻烦,因为输出信号需要由控制器进行处理,通常是用到一个仪表放大器,而这种放大器的CMRR有限,结果可能会放大噪声。) ^  _8 [( _4 u$ n( i& K2 e5 A9 J

5 W8 d7 x! o1 {7 c6 D0 `' |( V3 H5 T1 G8 m0 ]. i( J
使用低通滤波器(如RC滤波器),或者使用共模扼流圈来过滤输入信号,可以减少共模噪声。重要的是,不对称衰减的共模噪声会产生差模噪声。在实际应用中,不对称衰减的一个例子是低通滤波器;用一个电阻和电容实现截止频率,但受元件容差影响,两条线路中的截止频率不一样。7 \! I0 J, v: c" r
/ w: d: w$ I( o, ]$ T9 v& e- F8 o3 B
- y* c/ [; O! G
第二种,也是最麻烦的噪声是差模噪声,这种噪声是在激励与系统GND之间耦合的。该噪声之所以会耦合到信号中,是因为系统GND与充当天线的信号电缆之间存在电流环路。在部分应用中(如化学分析),出于安全考虑,传感器有时置于独立于控制器的腔室中。这种设置会导致数十或数百米的电流环路,结果,任何磁通量都可能在信号中导致电流噪声,从而使数据遭到破坏。为了减少差模噪声的影响,建立使用铁氧体材料来过滤高频辐射信号,在控制器与传感器之间采用星型连接,同时还要使用屏蔽电缆。
; j5 \- u( d: L2 p. C; c( m" B$ u+ y* Q8 j' T4 l0 C% I0 S

- ~3 M9 C4 f- A两种情况下,如果该噪声足够大,设备甚至可能会因为电气过应力而受损。当负载为电机或荧光灯时,尤其如此,这样的负载构成一种强大的电磁兼容性/干扰(EMC/EMI)源;原因有二,分别为物理电磁元件和所产生信号的性质。一种较好的做法是使用EMC/EMI抑制器,如ESD保护装置,以确保系统能维持一定的稳定水平。' e, W5 \( O! N. `
6 T% O2 `7 B; q/ g% i1 w
8 l1 \$ ?* r5 t  a. T6 i5 x
在实现部分前述方法时,主要后果是与元件相关的电容。甚至电缆也会含有寄生电容,因此不能忽略。寄生电容与电缆的长度、类型和类别成比例,如表1所示。
  U1 r. N4 @/ t
; s: z3 O( `3 p
9 M, x7 z/ S" z  @) B# z6 Y% k, d4 ]9 ?$ ^& d1 p
表1.不同电缆类型比较
5 T. e7 Q) {! J6 M# U! G% l' X( ?

5 g3 b' S8 ?1 v, H5 M
# w: T- `* a7 O; C集成式缓冲电压DAC,如AD5683R或AD5686R,可提供高压摆率、高带宽,而且功耗更低,功耗已成为业界的一个主要关注点,原因多种多样,比如电路板温度的降低、电路板组件数量的增加(不增加功率)、功效的提高等。结果,内部放大器的阻抗ZO(开环阻抗)变大(不要与闭环阻抗ZOUT相混淆),对最大负载电容形成限制。
  p) h, o& g0 _  L2 Q如果与运算放大器输出相连的电容超过最大允许值,结果会影响运算放大器的稳定性,可能导致放大器振铃和振荡。
" o5 s4 G, Q9 v/ E( K
3 o% T' s1 m2 G0 i* }
1 ]6 K! E9 P6 s通过运用缓冲电压DAC,可用来降低运算放大器不稳定性的方法有以下几种:
9 W( z0 G" E; v9 m1.RSHUNT法
; D" @; ]6 Z# i7 N# x! ]2.外部负载网络补偿(缓冲电路)法
) U- E! F5 z& }RSHUNT法需要的外部组件最少,其背后的原理相对简单;通过在运算放大器与负载之间放置分立式电阻使二者相隔离。  T4 n; D6 V5 f4 R. P
) m2 w$ N+ u1 Z
8 M6 w1 A" z* `
RSHUNT在反馈网络的传递函数中增加一个零,结果使闭环在高频下能保持稳定。选择的这个零应至少比GBP(增益带宽积)低一个十倍频程。但这里的问题是,DAC的技术规格不包括这个数字,原因是其不相关,因为内部运算放大器充当的是缓冲器。
- l; r5 o( ~; e4 L
4 L4 e1 v4 ~" j% P( c  w
3 C+ t- C3 Z6 A) P  a1 v$ l在这种情况下,根据经验法则,应该选择一个尽量小的值,以减少电阻的影响;其范围一般在5 Ω至50 Ω之间。如果使用该方法,负载电压会下降,因为这种方法在物理上实现为一个电阻分压器,会影响其他规格,比如,压摆率降低,建立时间延长等。结果,DAC在负载或传感器端的整体性能会下降。2 B% M( U8 s+ p  E/ m# a# G
2 f+ j; w1 A- v* }/ c) B0 O
  P2 H; C! y( K( p8 J/ `4 j3 R
通过增加RSHUNT值,阻尼比(ζ)也会随之增加,使其成为一种合适的电机驱动方法;但是,当负载幅度较小且电压轨较低时(如惠斯登电桥激励),不建议使用这种方法,因为可能导致幅度大幅下降。减小电压范围,比如,使用阻抗为1 kΩ的5 V供电轨,结果,降幅为2.5%左右,如图2所示。" u" Z; S  U3 D. w. e* d
! \# p" x% u' |( C3 P  I
图2.RSHUNT法
3 m1 S# C3 U8 r7 [3 l3 C' z) I
; h5 E, p- z5 c" N& O5 ]
# \; d4 {: ]8 L- H8 U2 G* `- K
缓冲法(或RC分路法)不会减小负载电压范围,因而是低电压应用的首选方法。这种方法背后的原理略有不同。缓冲网络会减小靠近振荡频率的负载阻抗,使负载的实部低于虚部,结果改变相位。. J" l2 a& s9 ~4 V% ?" c; d

* L% O+ G  H8 B% z# V: ^8 i2 E* J# j# O8 t+ Q$ `+ G- `
正确元件值的选择方法需要凭经验确定,要分析与负载相连的DAC的瞬态响应。
6 v4 T( ]+ J! m. ^8 y
; z% m$ o) D  R1 \# E' f
, g" s; U5 |+ `9 m一般地,计算的前提是缓冲器GBP低于1 MHz。这种情况下,设电缆寄生电容为47 nF,- A1 o* z1 I& I" W* v- z7 R
( N0 p& X/ S2 L$ g
0 E  Q* }1 A9 Z0 ?+ [% U

& w- m$ W) N2 w( ~' c理想电阻应低于1 ?,RSNUBBER值越低,过冲就越低;但从实际应用角度来看,我们不妨选择RSNUBBER = 10 ?。
& z! ^8 [  y' \' x' K# L
0 ]3 I3 M0 Y9 P) @% X; b
8 H! h- w+ M! p! m3 e0 h缓冲器极需要比振荡频率高三分之一,) o( m0 V! S- I- i
4 p9 D: c) S( a- l
' j1 t. ^7 o, `
7 r9 |1 u9 C4 i# L' {$ B
+ w7 y8 Y) I( N: x. |
3 X2 _! l; w; J* U
' M8 u3 d9 p3 s" E/ r4 R* q  A# R! z
图3.缓冲法

  g* @7 s5 k& L- l; [: ?* S4 Q0 [7 b3 J& i/ V6 c

4 n1 C3 T2 j" [- X8 q% Y2 D缓冲法和分路法对于补偿或隔离容性负载十分有用,当负载或传感器需要远程激励时,可使DAC保持稳定。5 N; P5 R: z' V! m. a5 D

6 V$ N- F0 e6 j. X: u/ z% e( V: `( a$ l6 A+ ~
以上示例均基于AD5683R DAC。这款器件采用超小封装,整体性能卓越,并且拥有2 LSB INL @ 16位、35 mA驱动能力,集成了基准电压源,更有高达4 kV ESD的鲁棒性,众多优点使其成为负载或板外传感器激励的理想DAC。
8 v$ ?5 v: P. X: O4 y: ^3 w3 d5 X! {  @/ U$ j5 K

  O8 Y- a% E4 M& {8 v1 M9 s推荐阅读使用模拟滤波器注入噪声
, `; j3 j+ F+ X" c8 |! ?1 U运算放大器噪声分析你问我答 ( M$ _# S- J# Y, q0 D6 l" S% u
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0 P( H. r6 \9 T4 r
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3 _  c- d- l9 z2 d4 E电子工程师的灵感设计之源/ Q2 G4 D  S- O

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