遠(yuǎn)程传感器接口时避免噪音

2021-02-23

本文(wén)探讨了与遠(yuǎn)程传感器接口时与噪声拾取相关的问题。一个很(hěn)好的起点是我们许多(duō)人都熟悉的電(diàn)路，但由于它在处理(lǐ)诸如電(diàn)场干扰之类的主要噪声源方面非常差而广為(wèi)人知。

非差分(fēn)运算放大器接口

在此示例中，遠(yuǎn)程传感器（未接地）通过電(diàn)缆连接到单端运算放大器。 

如果我们添加来自外部電(diàn)场的瞬态干扰，我们将在下图中看到，这对電(diàn)缆中的两根导線(xiàn)的影响不同：

由于两条線(xiàn)对地的阻抗不同，因此红色瞬态電(diàn)压会有(yǒu)所不同。同相输入端的瞬变会更小(xiǎo)，因為(wèi)能(néng)量将直接传导到地面。串联電(diàn)阻的值将决定输入反相输入的导線(xiàn)上的瞬态。另外，不能(néng)依靠传感器的输出阻抗。它可(kě)以在某种程度上均衡瞬态（在電(diàn)缆的末端），但不能(néng)平衡运算放大器端的差异。

瞬态電(diàn)压的这种差异将被运算放大器（以及所需信号）放大，从而产生噪声输出。

使用(yòng)差分(fēn)放大器

如下图所示，使用(yòng)差分(fēn)连接的运算放大器可(kě)以大大改善这种情况：

由于两条線(xiàn)上对地的阻抗是平衡的，因此馈入差分(fēn)放大器的红色瞬态電(diàn)压是相同的。这样可(kě)以消除噪声，并且运算放大器的输出将是干净的。如果使用(yòng)的電(diàn)阻值不完全相同，则阻抗不平衡会很(hěn)小(xiǎo)。但是，运算放大器的输出噪声仍将比使用(yòng)非差分(fēn)放大器電(diàn)路时小(xiǎo)得多(duō)。

传感器阻抗失衡

以前，假定传感器是浮动的，但情况并非总是如此。传感器的输出阻抗（X）可(kě)能(néng)会成為(wèi)问题。请考虑以下情形：

现在，由于上部電(diàn)線(xiàn)上传感器的输出阻抗（X），電(diàn)缆中的两条電(diàn)線(xiàn)对地的阻抗不同。这意味着電(diàn)场干扰将在差分(fēn)放大器的输入端产生不同的瞬态電(diàn)压，并导致运算放大器输出端出现噪声。

為(wèi)了解决这个问题，我们需要用(yòng)另一个与传感器的输出阻抗（X）匹配的電(diàn)阻“阻抗平衡”传感器的输出：

阻抗平衡得以恢复，运算放大器输出将再次基本无噪声。这是一个平衡的阻抗传输系统。无论您是尝试测量来自传感器的模拟信号还是為(wèi)遠(yuǎn)程数字信号提供接口，基本方法都是相同的。

增加免疫力

尽管上面的最后情况描绘了一个乐观的画面，但是会降低性能(néng)的一件事是运算放大器在较高频率下的共模抑制（CMR）性能(néng)。我们一直在讨论外部電(diàn)场干扰问题，这些问题可(kě)以归结為(wèi)通过小(xiǎo)容量電(diàn)容器将干扰源连接到两根导線(xiàn)上。这意味着，由于较低的電(diàn)容電(diàn)抗，干扰在较高的频率下往往会更大。换句话说，噪声耦合在高频下更為(wèi)重要。

通过查看两个预期的运算放大器的数据表，我们可(kě)以看到CMR的问题。為(wèi)了进行比较，我看一下OP07和OP1177器件：

两种器件的失调電(diàn)压和误差相似。两者都支持大约相同的電(diàn)源范围。因此，它们都可(kě)以考虑用(yòng)于此类应用(yòng)程序。但是，如果我们看一下CMR图，就会开始明白為(wèi)什么OP1177更好。

在1 kHz时，OP07 CMR约為(wèi)93 dB，而对于OP1177，约為(wèi)110 dB。当然，对于OP07，93 dB的数字还不错。这就是共模電(diàn)压的45,000：1抑制。但是，该问题开始在较高频率处显示出来。在10 kHz时，OP07的CMR约為(wèi)73 dB（约4,500：1），在25 kHz以上时，曲線(xiàn)结束，我们不能(néng)依靠更高频率下的抑制性能(néng)。

OP1177的最高频率可(kě)达10 MHz，最低CMR為(wèi)60 dB。那是1000：1的拒绝率。如果我们对高达10 MHz的OP-07运算放大器进行直線(xiàn)投影CMR图，则在10 MHz时我们可(kě)能(néng)只会看到3 dB的抑制。我并不是说对OP-07进行数字评估是公平的，但是我们还能(néng)如何与OP1177进行比较。如果MHz范围的频率主导了電(diàn)场噪声，我们可(kě)以选择一个可(kě)以处理(lǐ)此问题的运算放大器，或者考虑使用(yòng)CM滤波器。

共模（CM）滤波器

因為(wèi)OP07比OPA1177便宜，所以如果可(kě)以在输入端添加一个共模（CM）滤波器，我们可(kě)能(néng)仍会考虑使用(yòng)它。最简单的方法是在差分(fēn)放大器之前，将每条输入線(xiàn)的電(diàn)容器接地。我们还必须意识到，如果使用(yòng)内部放大器，这可(kě)能(néng)会使传感器输出不稳定，因此，我们将在電(diàn)路上增加两个串联電(diàn)阻（Y），如下图所示：

首先，让我们谈谈添加CM过滤器的弊端。添加的電(diàn)容器的容差意味着它可(kě)能(néng)会使CMR降低。假设有(yǒu)相等的CM噪声電(diàn)压（在滤波器之前的红色圆圈上显示），然后在滤波器之后（每个電(diàn)容器上）显示。在这种情况下，如果我们使用(yòng)5％容差的電(diàn)容器，则可(kě)能(néng)会有(yǒu)不相等的電(diàn)平达到10％。也就是说，一个電(diàn)容器的值可(kě)能(néng)低5％，而另一个電(diàn)容器的值可(kě)能(néng)高5％，这会导致差分(fēn)電(diàn)压，在最坏的情况下，该電(diàn)压可(kě)能(néng)是CM電(diàn)压的10％。这是添加CM滤波器的缺点-对于5％的電(diàn)容器，它会产生大约-20 dB的差分(fēn)噪声水平。

好处是，滤波会严重削弱CM级别，因此即使较小(xiǎo)的级别无法精确平衡，我们仍可(kě)能(néng)会受益。因此，在此示例中，要使CM净降低60 dB，将要求低通RC滤波器的衰减為(wèi)80 dB。如果将電(diàn)阻（Y）选择為(wèi)10kΩ，则電(diàn)容電(diàn)抗将需要為(wèi)1Ω，以将不想要的CM噪声降低80 dB。

如果我们将1 kHz作為(wèi)希望衰减的频率，这意味着这些電(diàn)容器将需要為(wèi)159 F，这显然太大了，无法证明是合理(lǐ)的。寻找便宜的5％这个值的電(diàn)容器也是有(yǒu)问题的。这样就可(kě)以将添加的電(diàn)阻（Y）设置在1000kΩ的范围内。但是，无论我们选择什么電(diàn)阻值，都无法避免CM滤波器也会将所需的传感器信号带宽限制為(wèi)0.1 Hz。 

因此，在许多(duō)应用(yòng)中，当我们试图寻找基于性能(néng)较低的运算放大器的解决方案时，我们正在与一场失败的斗争。话虽如此，但在某些应用(yòng)中，OP1177运算放大器可(kě)能(néng)仍需要进行CM滤波，但是直到我们达到1 MHz以上的频率时，才需要“滤波”这种滤波。在1 MHz且Y = 10kΩ时，電(diàn)容電(diàn)抗為(wèi)1Ω，这意味着電(diàn)容為(wèi)159 nF。但是，信号带宽在100 Hz时仍然相对较差。

请记住，这只是一个示例，它表明了认為(wèi)CM滤波器是解决噪声问题的灵丹妙药的陷阱。它们的设计可(kě)能(néng)很(hěn)棘手，从長(cháng)遠(yuǎn)来看，选择更好的运算放大器通常更便宜。

磁场干扰

假设干扰電(diàn)流（橙色）在每根電(diàn)缆線(xiàn)中感应出相等的電(diàn)压，那么我们之前针对電(diàn)场干扰所考虑的解决方案对于抵抗磁场干扰同样有(yǒu)效：

干扰電(diàn)流将在两条電(diàn)缆線(xiàn)上感应出電(diàn)压。由于整个電(diàn)路的平衡阻抗，在差分(fēn)放大器的输入端，感应電(diàn)压的幅度将相等。您有(yǒu)一个带有(yǒu)两个次级绕组的松散耦合变压器。初级是干扰電(diàn)流，显示為(wèi)橙色線(xiàn)，如果两个“次级”（電(diàn)缆線(xiàn)）均受到相同的電(diàn)负载（它们是负载），则它们将产生相同的CM端子電(diàn)压。因此，噪声将在差分(fēn)放大器输出处消除。

屏幕和曲折

以前，我们已经看到CM滤波器的设计可(kě)能(néng)有(yǒu)些棘手。但是，减少電(diàn)场干扰的最有(yǒu)效方法是使用(yòng)简单的電(diàn)缆屏蔽层。屏蔽层会产生干扰，从而更均匀地“分(fēn)配”两条导線(xiàn)，但更显着的优势是，它可(kě)充当法拉第笼。这会导致干扰产生更低的CM電(diàn)压，并且通常意味着差分(fēn)放大器在“苛刻”的环境中可(kě)以更好地应对。 

但是，必须将屏幕接地才能(néng)获得最大增益。接收端接地是首选方法。两端接地是一个不错的主意，但它变成了一个接地回路，可(kě)以潜在地从“其他(tā)電(diàn)源”传导故障電(diàn)流。因此，这通常比解决方案成為(wèi)更多(duō)的问题，但是在某些情况下，低值電(diàn)容器可(kě)能(néng)会在多(duō)个点将電(diàn)缆屏蔽层“接地”。它们的低值為(wèi)故障電(diàn)流提供了对地的高阻抗，但為(wèi)高频噪声提供了低阻抗。

扭绞電(diàn)缆中的两根電(diàn)線(xiàn)可(kě)确保两根電(diàn)線(xiàn)与任何局部干扰源（電(diàn)场或磁场）的距离大致相等。但是，考虑到電(diàn)缆屏蔽层对任何主要的干扰磁源的影响都很(hěn)小(xiǎo)，因此加捻会带来更大的好处。