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shiGND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),huozheshiyonggongmoeliuquanlaiguolvshuruxinhao,keyijianshaogongmozaosheng。zhongyaodeshi,buduichengshuaijiandegongmozaoshenghuichanshengchamozaosheng。zaishijiyingyongzhong,buduichengshuaijiandeyigelizishiditonglvboqi;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),出chu於yu安an全quan考kao慮lv,傳chuan感gan器qi有you時shi置zhi於yu獨du立li於yu控kong製zhi器qi的de腔qiang室shi中zhong。這zhe種zhong設she置zhi會hui導dao致zhi數shu十shi或huo數shu百bai米mi的de電dian流liu環huan路lu,結jie果guo,任ren何he磁ci通tong量liang都dou可ke能neng在zai信xin號hao中zhong導dao致zhi電dian流liu噪zao聲sheng,從cong而er使shi數shu據ju遭zao到dao破po壞huai。為wei了le減jian少shao差cha模mo噪zao聲sheng的de影ying響xiang,建jian立li使shi用yong鐵tie氧yang體ti材cai料liao來lai過guo濾lv高gao頻pin輻fu射she信xin號hao,在zai控kong製zhi器qi與yu傳chuan感gan器qi之zhi間jian采cai用yong星xing型xing連lian接jie,同tong時shi還hai要yao使shi用yong屏ping蔽bi電dian纜lan。
liangzhongqingkuangxia,ruguogaizaoshengzugouda,shebeishenzhikenenghuiyinweidianqiguoyingliershousun。dangfuzaiweidianjihuoyingguangdengshi,youqiruci,zheyangdefuzaigouchengyizhongqiangdadediancijianrongxing/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50Ωzhijian。ruguoshiyonggaifangfa,fuzaidianyahuixiajiang,yinweizhezhongfangfazaiwulishangshixianweiyigedianzufenyaqi,huiyingxiangqitaguige,biru,yabailvjiangdi,jianlishijianyanchangdeng。jieguo,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)不bu會hui減jian小xiao負fu載zai電dian壓ya範fan圍wei,因yin而er是shi低di電dian壓ya應ying用yong的de首shou選xuan方fang法fa。這zhe種zhong方fang法fa背bei後hou的de原yuan理li略lve有you不bu同tong。緩huan衝chong網wang絡luo會hui減jian小xiao靠kao近jin振zhen蕩dang頻pin率lv的de負fu載zai阻zu抗kang,使shi負fu載zai的de實shi部bu低di於yu虛xu部bu,結jie果guo改gai變bian相xiang位wei。
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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