與遙感器接口時(shí)避免噪音

2021-04-16

與遙感器接口時(shí)避免噪音

遠程傳感器接口時(shí)與拾音有關(guān)的問(wèn)題。一個(gè)很好的起點(diǎn)是我們許多人都熟悉的電路，但由于在處理諸如電場(chǎng)干擾之類(lèi)的主要噪聲源方面非常差而廣為人知。

非差分運算放大器接口

在此示例中，遠程傳感器（未接地）通過(guò)電纜連接到單端運算放大器。 

如果添加來(lái)自外部電場(chǎng)的瞬態(tài)干擾，我們將在下圖中看到，這對電纜中的兩根導線(xiàn)的影響不同：

由于兩條線(xiàn)對地的阻抗不同，因此紅色瞬態(tài)電壓會(huì )有所不同。同相輸入端的瞬變會(huì )更小，因為能量將直接傳導到地面。串聯(lián)電阻的值將決定輸入反相輸入的導線(xiàn)上的瞬態(tài)。另外，不能依靠傳感器的輸出阻抗。它可以在某種程度上均衡瞬態(tài)（在電纜的末端），但不能平衡運算放大器端的差異。

瞬態(tài)電壓的這種差異將被運算放大器（以及所需信號）放大，從而產(chǎn)生噪聲輸出。

使用差分放大器

如下圖所示，通過(guò)使用差分連接的運算放大器可以大大改善這種情況：

由于兩條線(xiàn)上對地的阻抗是平衡的，因此饋入差分放大器的紅色瞬態(tài)電壓是相同的。這樣可以消除噪聲，并且運算放大器的輸出將是干凈的。如果使用的電阻值不完全相同，則阻抗不平衡會(huì )很小。但是，運算放大器的輸出噪聲仍將比使用非差分放大器電路時(shí)小得多。

傳感器阻抗失衡

以前，假定傳感器是浮動(dòng)的，但情況并非總是如此。傳感器的輸出阻抗（X）可能會(huì )成為問(wèn)題。請考慮以下情形：

現在，由于上部電線(xiàn)上的傳感器輸出阻抗（X），電纜中的兩條電線(xiàn)對地的阻抗不同。這意味著(zhù)電場(chǎng)干擾將在差分放大器的輸入端產(chǎn)生不同的瞬態(tài)電壓，并導致運算放大器輸出端出現噪聲。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要用另一個(gè)與傳感器的輸出阻抗（X）匹配的電阻器來(lái)“阻抗平衡”傳感器的輸出：

阻抗平衡得以恢復，運算放大器輸出將再次基本無(wú)噪聲。這是一個(gè)平衡的阻抗傳輸系統。無(wú)論您是嘗試測量來(lái)自傳感器的模擬信號還是為遠程數字信號提供接口，基本方法都是相同的。

增加免疫力

盡管上面的最后一個(gè)場(chǎng)景描繪了一個(gè)樂(lè )觀(guān)的畫(huà)面，但是會(huì )降低性能的一件事是運算放大器在較高頻率下的共模抑制（CMR）性能。我們一直在討論外部電場(chǎng)干擾問(wèn)題，這些問(wèn)題可以歸結為通過(guò)小容量電容器將干擾源連接到兩根導線(xiàn)上的等效問(wèn)題。這意味著(zhù)，由于較低的電容電抗，干擾在較高的頻率下往往會(huì )更大。換句話(huà)說(shuō)，噪聲耦合在高頻下更為重要。

通過(guò)查看兩個(gè)預期運算放大器的數據表，我們可以看到CMR的問(wèn)題。為了進(jìn)行比較，我看一下OP07和OP1177器件：

兩種器件的失調電壓和誤差相似。兩者都支持大約相同的電源范圍。因此，它們都可以考慮用于此類(lèi)應用程序。但是，如果我們看一下CMR圖，就會(huì )開(kāi)始明白為什么OP1177更好。

在1 kHz時(shí)，OP07 CMR約為93 dB，而對于OP1177，約為110 dB。當然，對于OP07，93 dB的數字還不錯。那就是共模電壓的45,000：1抑制。但是，該問(wèn)題開(kāi)始在較高頻率處顯示出來(lái)。在10 kHz時(shí)，OP07的CMR約為73 dB（約4,500：1），而在25 kHz以上時(shí)，曲線(xiàn)結束，因此我們不能依賴(lài)于較高頻率下的抑制性能。

OP1177的最高頻率可達10 MHz，最低CMR為60 dB。那是1000：1的拒絕率。如果我們將高達07 MHz的OP-07運算放大器的CMR圖直線(xiàn)投影，則在10 MHz時(shí)我們可能只會(huì )看到3 dB的抑制。我并不是說(shuō)對OP-07進(jìn)行數字評估是公平的，但是我們還能如何與OP1177進(jìn)行比較。如果MHz范圍的頻率主導了電場(chǎng)噪聲，那么我們可以選擇一個(gè)可以處理此問(wèn)題的運算放大器，或者考慮使用CM濾波器。

共模（CM）濾波器

因為OP07比OPA1177便宜，所以如果我們可以在輸入端添加一個(gè)共模（CM）濾波器，我們仍然可以考慮使用它。最簡(jiǎn)單的方法是在差分放大器之前，將每條輸入線(xiàn)的電容器接地。我們還必須意識到，如果使用內部放大器，這可能會(huì )使傳感器輸出不穩定，因此，我們將在電路上增加兩個(gè)串聯(lián)電阻（Y），如下電路圖所示：

首先，讓我們談?wù)勌砑?span>CM過(guò)濾器的弊端。添加的電容器的容差意味著(zhù)它可能會(huì )使CMR降低。假設有相等的CM噪聲電壓（在濾波器之前的紅色圓圈上顯示），然后在濾波器之后（每個(gè)電容器上）顯示。在這種情況下，如果我們使用5％容差的電容器，則可能會(huì )有10％的電平不相等。也就是說(shuō)，一個(gè)電容器的值可能低5％，而另一個(gè)電容器的值可能高5％，這會(huì )導致差分電壓，在最壞的情況下，該電壓可能是CM電壓的10％。這是添加CM濾波器的缺點(diǎn)-對于5％的電容器，它會(huì )產(chǎn)生大約-20 dB的差分噪聲水平。

好處是，濾波會(huì )大大削弱CM電平，因此即使較小的電平未得到精確平衡，我們仍可能會(huì )受益。因此，在此示例中，要使CM凈降低60 dB，將要求低通RC濾波器的衰減為80 dB。如果將電阻（Y）選擇為10kΩ，則電容電抗將需要為1Ω，以將不想要的CM噪聲降低80 dB。

如果我們將1 kHz作為希望衰減的頻率，則意味著(zhù)電容器需要為159 F，這顯然太大了，無(wú)法證明是合理的。尋找便宜的5％這個(gè)值的電容器也是有問(wèn)題的。這樣就可以將添加的電阻（Y）設置在1000kΩ的范圍內。但是，無(wú)論我們選擇什么電阻值，都無(wú)法避免CM濾波器也會(huì )將所需的傳感器信號帶寬限制為0.1 Hz。 

因此，在許多應用中，當我們試圖尋找基于性能較低的運算放大器的解決方案時(shí)，我們正在與一場(chǎng)失敗的斗爭。話(huà)雖這么說(shuō)，但在某些應用中，OP1177運算放大器可能仍需要進(jìn)行CM濾波，但是直到我們達到1 MHz以上的頻率時(shí)，才需要“濾波”這種濾波。在1 MHz且Y = 10kΩ時(shí)，電容電抗為1Ω，這意味著(zhù)電容為159 nF。但是，僅在100 Hz時(shí)，信號帶寬仍然相對較差。

請記住，這只是一個(gè)示例，它表明了認為CM濾波器是解決噪聲問(wèn)題的靈丹妙藥的陷阱。它們的設計可能很棘手，從長(cháng)遠來(lái)看，選擇更好的運算放大器通常更便宜。

磁場(chǎng)干擾

假設干擾電流（橙色）在每根電纜線(xiàn)中感應出相等的電壓，那么我們之前針對電場(chǎng)干擾所考慮的解決方案對于抵抗磁場(chǎng)干擾同樣有效：

干擾電流將在兩條電纜線(xiàn)上感應出電壓。由于整個(gè)電路的平衡阻抗，在差分放大器的輸入端，感應電壓的幅度將相等。您有一個(gè)帶有兩個(gè)次級繞組的松散耦合變壓器。初級是干擾電流，顯示為橙色線(xiàn)，如果兩個(gè)“次級”（電纜線(xiàn)）均受到同等的電氣負載（它們是負載），則它們將產(chǎn)生相同的CM端子電壓。因此，噪聲將在差分放大器輸出處消除。

屏幕和曲折

以前，我們已經(jīng)看到CM濾波器的設計可能有些棘手。但是，減少電場(chǎng)干擾的最有效方法是使用簡(jiǎn)單的電纜屏蔽層。屏蔽層會(huì )產(chǎn)生干擾，從而更均勻地“分配”兩條導線(xiàn)，但更顯著(zhù)的優(yōu)勢是，它可充當法拉第籠。這會(huì )導致干擾產(chǎn)生更低的CM電壓，并且通常意味著(zhù)差分放大器在“苛刻”的環(huán)境中可以更好地應對。 

但是，必須將屏幕接地才能獲得最大增益。接收端接地是首選方法。兩端接地是一個(gè)不錯的主意，但是它變成了一個(gè)接地回路，可以潛在地從“其他電源”傳導故障電流。因此，這通常比解決方案成為更多的問(wèn)題，但是在某些情況下，低值電容器可能會(huì )在多個(gè)點(diǎn)將電纜屏蔽層“接地”。它們的低值可為故障電流提供對地的高阻抗，但為高頻噪聲提供低的阻抗。

扭絞電纜中的兩根電線(xiàn)可確保兩根電線(xiàn)與任何局部干擾源（電場(chǎng)或磁場(chǎng)）的距離大致相等。但是，考慮到電纜屏蔽層對任何主要的干擾磁源的影響都很小，因此加捻會(huì )帶來(lái)更大的好處。