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如何激励板外传感器和负载

作者:Miguel Usach Merino,ADI公司

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。

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。

表1.不同电缆类型比较

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。

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,

理想电阻应低于1 Ω,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 Ω。缓冲器极需要比振荡频率高¹⁄³,

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。

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