分布式系统中模拟信号远程传输的噪声抑制

米粒 · 发表于 2015-12-2 10:27:12

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分布式系统中模拟信号远程传输的噪声抑制

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。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。

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图1.噪声源

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。
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。
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。
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。
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。
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表1.不同电缆类型比较

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。
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。

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：
1.RSHUNT法
2.外部负载网络补偿（缓冲电路）法
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。
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。
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。
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。
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图2.RSHUNT法

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。
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。
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，
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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 ?。
缓冲器极需要比振荡频率高三分之一，
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图3.缓冲法

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。
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。