模擬信號在分布式係統中的遠程傳輸及噪聲抑製
發布時間:2015-11-03 責任編輯:echolady
【導讀】模擬信號在分布式係統中,是在傳感器於yu負fu載zai之zhi間jian遠yuan程cheng傳chuan輸shu。模mo擬ni信xin號hao在zai分fen布bu式shi係xi統tong中zhong需xu要yao傳chuan輸shu很hen長chang的de距ju離li,而er其qi中zhong一yi個ge重zhong要yao的de考kao慮lv因yin素su是shi噪zao聲sheng抑yi製zhi能neng力li。本ben文wen就jiu詳xiang解jie模mo擬ni信xin號hao在zai係xi統tong中zhong的de遠yuan程cheng傳chuan輸shu及ji其qi噪zao聲sheng抑yi製zhi。
噪聲源或幹擾源一般有兩種,根據其耦合進主信號的方式,分為共模噪聲和差模噪聲兩種,如圖1所示。

圖1.噪聲源
二者中危害較小是共模噪聲,它會同時耦合到係統GND信號和激勵信號中,這主要是由電纜與真實GND間(jian)的(de)偶(ou)極(ji)天(tian)線(xian)效(xiao)應(ying)造(zao)成(cheng)的(de)。這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)不(bu)會(hui)使(shi)信(xin)號(hao)減(jian)弱(ruo),因(yin)為(wei)噪(zao)聲(sheng)同(tong)時(shi)耦(ou)合(he)進(jin)兩(liang)個(ge)通(tong)道(dao),而(er)且(qie)幅(fu)度(du)相(xiang)似(si)。問(wen)題(ti)在(zai)於(yu),共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)會(hui)產(chan)生(sheng)信(xin)號(hao)失(shi)調(tiao),使(shi)真(zhen)實(shi)GND升高,結果導致兩種不良效應。首先,如果間接折合到真實GND(比如,通過金屬箱保護傳感器時),則(ze)可(ke)能(neng)使(shi)負(fu)載(zai)飽(bao)和(he)。其(qi)次(ci),可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)電(dian)弧(hu),結(jie)果(guo)會(hui)損(sun)壞(huai)傳(chuan)感(gan)器(qi)。在(zai)激(ji)勵(li)惠(hui)斯(si)登(deng)電(dian)橋(qiao)時(shi),共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)尤(you)其(qi)麻(ma)煩(fan),因(yin)為(wei)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)需(xu)要(yao)由(you)控(kong)製(zhi)器(qi)進(jin)行(xing)處(chu)理(li),通(tong)常(chang)是(shi)用(yong)到(dao)一(yi)個(ge)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi),而(er)這(zhe)種(zhong)放(fang)大(da)器(qi)的(de)CMRR有限,結果可能會放大噪聲。
使用低通濾波器(如RC濾波器),或(huo)者(zhe)使(shi)用(yong)共(gong)模(mo)扼(e)流(liu)圈(quan)來(lai)過(guo)濾(lv)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao),可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)。重(zhong)要(yao)的(de)是(shi),不(bu)對(dui)稱(cheng)衰(shuai)減(jian)的(de)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)會(hui)產(chan)生(sheng)差(cha)模(mo)噪(zao)聲(sheng)。在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong),不(bu)對(dui)稱(cheng)衰(shuai)減(jian)的(de)一(yi)個(ge)例(li)子(zi)是(shi)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi);用一個電阻和電容實現截止頻率,但受元件容差影響,兩條線路中的截止頻率不一樣。
第二種,也是最麻煩的噪聲是差模噪聲,這種噪聲是在激勵與係統GND之間耦合的。該噪聲之所以會耦合到信號中,是因為係統GND與充當天線的信號電纜之間存在電流環路。在部分應用中(如化學分析),chuyuanquankaolv,chuanganqiyoushizhiyuduliyukongzhiqideqiangshizhong。zhezhongshezhihuidaozhishushihuoshubaimidedianliuhuanlu,jieguo,renhecitongliangdoukenengzaixinhaozhongdaozhidianliuzaosheng,congershishujuzaodaopohuai。weilejianshaochamozaoshengdeyingxiang,jianlishiyongtieyangticailiaolaiguolvgaopinfushexinhao,zaikongzhiqiyuchuanganqizhijiancaiyongxingxinglianjie,tongshihaiyaoshiyongpingbidianlan。
兩liang種zhong情qing況kuang下xia,如ru果guo該gai噪zao聲sheng足zu夠gou大da,設she備bei甚shen至zhi可ke能neng會hui因yin為wei電dian氣qi過guo應ying力li而er受shou損sun。當dang負fu載zai為wei電dian機ji或huo熒ying光guang燈deng時shi,尤you其qi如ru此ci,這zhe樣yang的de負fu載zai構gou成cheng一yi種zhong強qiang大da的de電dian磁ci兼jian容rong性xing/幹擾(EMC/EMI)源;原因有二,分別為物理電磁元件和所產生信號的性質。一種較好的做法是使用EMC/EMI抑製器,如ESD保護裝置,以確保係統能維持一定的穩定水平。
在實現部分前述方法時,主要後果是與元件相關的電容。甚至電纜也會含有寄生電容,因此不能忽略。寄生電容與電纜的長度、類型和類別成比例,如表1所示。

表1.不同電纜類型比較
集成式緩衝電壓DAC,如AD5683R或AD5686R,可提供高壓擺率、高帶寬,而且功耗更低,功耗已成為業界的一個主要關注點,原因多種多樣,比如電路板溫度的降低、電路板組件數量的增加(不增加功率)、功效的提高等。結果,內部放大器的阻抗ZO(開環阻抗)變大(不要與閉環阻抗ZOUT相混淆),對最大負載電容形成限製。
如果與運算放大器輸出相連的電容超過最大允許值,結果會影響運算放大器的穩定性,可能導致放大器振鈴和振蕩。
通過運用緩衝電壓DAC,可用來降低運算放大器不穩定性的方法有以下幾種:
1.RSHUNT法
2.外部負載網絡補償(緩衝電路)法
RSHUNT法需要的外部組件最少,其背後的原理相對簡單;通過在運算放大器與負載之間放置分立式電阻使二者相隔離。
RSHUNT在反饋網絡的傳遞函數中增加一個零,結果使閉環在高頻下能保持穩定。選擇的這個零應至少比GBP(增益帶寬積)低一個十倍頻程。但這裏的問題是,DAC的技術規格不包括這個數字,原因是其不相關,因為內部運算放大器充當的是緩衝器。
在這種情況下,根據經驗法則,應該選擇一個盡量小的值,以減少電阻的影響;其範圍一般在5Ω至50Ω之(zhi)間(jian)。如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)該(gai)方(fang)法(fa),負(fu)載(zai)電(dian)壓(ya)會(hui)下(xia)降(jiang),因(yin)為(wei)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)在(zai)物(wu)理(li)上(shang)實(shi)現(xian)為(wei)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)分(fen)壓(ya)器(qi),會(hui)影(ying)響(xiang)其(qi)他(ta)規(gui)格(ge),比(bi)如(ru),壓(ya)擺(bai)率(lv)降(jiang)低(di),建(jian)立(li)時(shi)間(jian)延(yan)長(chang)等(deng)。結(jie)果(guo),DAC在負載或傳感器端的整體性能會下降。
通過增加RSHUNT值,阻尼比(ζ)也會隨之增加,使其成為一種合適的電機驅動方法;但是,當負載幅度較小且電壓軌較低時(如惠斯登電橋激勵),不建議使用這種方法,因為可能導致幅度大幅下降。減小電壓範圍,比如,使用阻抗為1kΩ的5V供電軌,結果,降幅為2.5%左右,如圖2所示。

圖2.RSHUNT法
緩衝法(或RC分路法)buhuijianxiaofuzaidianyafanwei,yinershididianyayingyongdeshouxuanfangfa。zhezhongfangfabeihoudeyuanlilveyoubutong。huanchongwangluohuijianxiaokaojinzhendangpinlvdefuzaizukang,shifuzaideshibudiyuxubu,jieguogaibianxiangwei。
正確元件值的選擇方法需要憑經驗確定,要分析與負載相連的DAC的瞬態響應。
一般地,計算的前提是緩衝器GBP低於1MHz。這種情況下,設電纜寄生電容為47nF,

圖3.緩衝法
緩衝法和分路法對於補償或隔離容性負載十分有用,當負載或傳感器需要遠程激勵時,可使DAC保持穩定。
以上示例均基於AD5683RDAC。這款器件采用超小封裝,整體性能卓越,並且擁有2LSBINL@16位、35mA驅動能力,集成了基準電壓源,更有高達4kVESD的魯棒性,眾多優點使其成為負載或板外傳感器激勵的理想DAC。r
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