信號(hào)的污染源：高頻共模產(chǎn)生的誤差

高頻共模（HFCM）是一種無處不在的狀況。只要周圍有勞動(dòng)者，就會(huì)有高頻垃圾的發(fā)生器。它的存在可以通過它在儀器中產(chǎn)生的神秘錯(cuò)誤來識(shí)別。許多儀器（包括放大器、DVM 和其他數(shù)據(jù)系統(tǒng)組件）的精度經(jīng)常受到高頻共模輸入信號(hào)的影響。由此引起的失調(diào)誤差經(jīng)常歸咎于幾乎不存在的熱效應(yīng)。甚至傳感器及其激勵(lì)電源也會(huì)受到該誤差源的影響。

問題的癥狀？

您是否曾經(jīng)遇到過毫伏輸出電平傳感器（傳感器）似乎有過多的漂移或噪聲？然后更換為另一臺(tái)設(shè)備后，問題仍然存在。也許問題不在于換能器中的漂移？經(jīng)常被錯(cuò)誤識(shí)別的罪魁禍?zhǔn)资窃陔娎|連接器或其他布線連接中產(chǎn)生的熱偏移。使用數(shù)百英尺長的電纜進(jìn)行了測試，該電纜與不同制造商的六個(gè)中間連接器一起運(yùn)行。所有電線都是軟銅，連接器都是焊接黃銅，帶有鍍金配合表面。電纜線路的各種連接器和部分在數(shù)小時(shí)內(nèi)暴露在高達(dá) 150°F 的溫度下。傳感器電纜端接在暴露在最高溫度下的單個(gè)康銅應(yīng)變計(jì)中。在測試過程中，環(huán)路儀器端的最大峰峰值電壓偏移為3 μV。如此之多，對(duì)于顯著的熱引起的偏移誤差！但是噪音呢？有些人很幸運(yùn)，數(shù)據(jù)放大器輸出端的噪聲可以識(shí)別為手機(jī)或?qū)γ鎻V播電臺(tái)的談話。這是放大器對(duì)放大器輸入端的無線電頻率以某種方式敏感的必要線索。然而，大多數(shù)人就沒有那么幸運(yùn)了。他們只經(jīng)歷零偏移，他們重新歸零通道并繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)必須正常。 。 。畢竟，傳感器輸出在測試開始時(shí)為零......他們不知道偏移的原因，也不知道在數(shù)據(jù)采集期間，偏移量在測試期間會(huì)偶爾變化為新的、明顯不同的偏移值。

如圖1所示，許多測試情況的數(shù)據(jù)放大器與傳感器相隔數(shù)十到數(shù)百英尺。傳感器是否直接連接到遠(yuǎn)程位置的地面并不重要。在高頻下，傳感器外殼、其安裝表面和傳感器電路都有足夠的電容相互提供接地返回路徑。因此，形成了環(huán)形天線。由計(jì)算機(jī)、無線電臺(tái)和無數(shù)其他來源產(chǎn)生的場產(chǎn)生的高頻電壓出現(xiàn)在環(huán)路的最高阻抗上。這幾乎無一例外地介于放大器輸入端子和放大器的接地參考之間。因此，放大器輸入電路暴露在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其回轉(zhuǎn)能力的信號(hào)中。這會(huì)導(dǎo)致偏移顯示為附加信號(hào)，或者簡單來說，是不斷變化的偏移誤差。

但是，我沒有這樣的問題！（還是我？

如果你想要一個(gè)免費(fèi)的午餐，由一個(gè)懷疑的同胞提供，讓他（她）根據(jù)他們沒有這樣的問題的假設(shè)下注。然后，這里是如何證明確實(shí)存在潛伏在陰影中的嚴(yán)重問題。如圖2所示，首先斷開傳感器電纜，使數(shù)據(jù)放大器輸入端子短路。然后用盡可能短的導(dǎo)線將這些短路的輸入端子和保護(hù)端子連接到放大器的電路公共。觀察放大器的輸出電壓。然后更換與放大器電路的通用連接，與正常連接的傳感器電纜導(dǎo)體的連接。如果觀察到放大器的輸出電壓存在差異，則表示您已經(jīng)觀察到放大器輸入端不同共模電壓引起的誤差。畢竟，在這兩種情況下，您都有零（短路）正常模式信號(hào)。如果您想評(píng)估這種神秘的共模信號(hào)，請(qǐng)購買具有兆赫茲功能的示波器。將其公共連接到數(shù)據(jù)系統(tǒng)公共，并將其信號(hào)輸入端連接到短路的傳感器引線并觀察示波器顯示。在大型航空航天制造商的各種測試實(shí)驗(yàn)室中嘗試時(shí)，示波器顯示的包絡(luò)為數(shù)百毫伏，其中包含從電源線到許多兆赫茲的頻率。

共模效應(yīng)

測試 圖 2

例如，在大型實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)系統(tǒng)的儀器地面和大約3英尺遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)室之間觀察到圖100所示的電壓。在這種情況下，在低頻下基本上沒有能量，在頻率超過一兆赫茲時(shí)沒有重要成分。當(dāng)信號(hào)源、可溯源校準(zhǔn)電源和要校準(zhǔn)的未受保護(hù)的輸入放大器位于同一繼電器機(jī)架機(jī)柜中時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)不可接受的偏移。是的，附近的機(jī)柜里有一臺(tái)電腦。

“無保護(hù)輸入放大器”是什么意思？它表示在其輸入端沒有任何高頻共模濾波的放大器。如果暴露，它很可能會(huì)達(dá)到其壓擺極限，并且由于正向和負(fù)向極限永遠(yuǎn)不會(huì)完全相同，因此結(jié)果將是偏移誤差。正常模式壓擺限制也可能以相同的結(jié)果發(fā)生，但這通常更容易預(yù)見。但是，它可能是一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中的錯(cuò)誤貢獻(xiàn)者。如果放大器沒有壓擺限制引起的問題，則不得暴露在任何信號(hào)下，共?；蛘ＤＪ剑@將導(dǎo)致其被驅(qū)動(dòng)到這種情況。圖4顯示了這種回轉(zhuǎn)引起的畸變，大約270度。這導(dǎo)致放大器輸出失調(diào)誤差為滿量程的3%。

問題所在

很難找到一個(gè)市場上的放大器，它確實(shí)具有足夠的保護(hù)，在電磁不衛(wèi)生的世界中不受影響的高頻共模信號(hào)不受影響。對(duì)于沒有經(jīng)驗(yàn)的用戶來說，最容易誤導(dǎo)的是集成電路儀表放大器的營銷商。這些產(chǎn)品對(duì)粗心的用戶非常有吸引力，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格低廉，規(guī)格好，應(yīng)用明顯方便。數(shù)據(jù)手冊(cè)說明了放大器在典型工作參數(shù)內(nèi)的工作情況，但未能告訴您如何在正常測試環(huán)境中保持在這些參數(shù)范圍內(nèi)。容易產(chǎn)生的正?；蚬材＜夥宥伎赡艹^這些限值，有時(shí)甚至是破壞性的，因?yàn)樵撈骷谠O(shè)計(jì)上具有非常高的輸入阻抗。同樣不幸的是，制造商的規(guī)格表很少包括超過一百赫茲左右的共模性能。超過此未聲明的限制將導(dǎo)致偏移并生成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

直流失調(diào)與高頻共模的關(guān)系不能用共模抑制比表示，CMRR在數(shù)據(jù)手冊(cè)上，因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)并不相干。如果給出高頻CMRR，則它是該頻率下輸出與輸入的關(guān)系。沒有多少儀表放大器輸出級(jí)在任何情況下都能通過兆赫茲數(shù)據(jù)，因此具有出色的高頻CMRR。規(guī)格再次獲勝！

除了極少數(shù)制造商的產(chǎn)品外，大多數(shù)售價(jià)數(shù)百到幾千美元的儀表放大器單元都帶有旋鈕、計(jì)算機(jī)接口和其他幻想，沒有高頻共模保護(hù)。由于電路的信號(hào)處理能力在擺動(dòng)極限以下為線性，高于為非線性，因此失調(diào)誤差與輸入高頻共模電壓的關(guān)系非常非線性。圖5顯示了不帶三線濾波器的放大器的性能。同一放大器及其濾波器在圖的所有條件下的滿量程失調(diào)均小于0.01%。曾經(jīng)對(duì)一個(gè)市場上的儀表放大器單元進(jìn)行了評(píng)估，幾乎可以想象到所有可以想象的花里胡哨的東西。當(dāng)承受100 mV的2 MHz共模時(shí)，它飽和了產(chǎn)生的13 V輸出。然而，這些放大器單元中的大多數(shù)都包含輸入過壓保護(hù)。

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當(dāng)所需的信號(hào)帶寬僅為幾赫茲時(shí)，可以使用最簡單的保護(hù)類型。在放大器前面插入一個(gè)非常簡單的R-C濾波器將提供共模和普通模式保護(hù)。這種用于具有低輸入電流的放大器的電路如圖6所示。它的正常模式轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)低于共模轉(zhuǎn)折頻率。如果不是這種情況，兩個(gè)共模R-C濾波器元件必須精確匹配，以避免在幅度衰減相對(duì)于頻率發(fā)生不匹配的頻率下將共模轉(zhuǎn)換為普通模式。如圖所示電路所示，在此不匹配的轉(zhuǎn)折頻率下，正常模式頻率會(huì)大大衰減。

如果所需的信號(hào)帶寬擴(kuò)展到千赫茲區(qū)域，或者更重要的是，擴(kuò)展到接近或超過放大器共模轉(zhuǎn)換能力的頻率，則解決方案將變得更加困難和簡單。如果放大器以更高的增益工作，則相對(duì)較高的高頻共模信號(hào)幅度需要對(duì)它們進(jìn)行較大的衰減，以便它們不會(huì)因輸入級(jí)的壓擺限制而轉(zhuǎn)換為正常模式信號(hào)偏移。這需要一個(gè)濾波器，該濾波器將抑制高頻共模信號(hào)，但不會(huì)影響正常模式信號(hào)。它也不能將共模轉(zhuǎn)換為普通模式信號(hào)。

解決方案

這種無源濾波器如圖7所示，是由Astrodata的Bill Gunning多年前設(shè)計(jì)的，是對(duì)長途電話電路中長期使用的幻影電路的改編。1.濾波單元，有時(shí)稱為三線電感器，其構(gòu)造方式使三個(gè)繞組的相互耦合盡可能接近統(tǒng)一。因此，在一個(gè)繞組上產(chǎn)生的任何頻率的任何電壓都會(huì)在其他兩個(gè)繞組中精確復(fù)制。因此，第三個(gè)繞組上的任何電壓都平等地出現(xiàn)在每個(gè)放大器輸入端。如果這個(gè)電壓是傳感器端的傳感器共模電壓和放大器端的放大器共模電壓，那么兩條信號(hào)線上也會(huì)有放大器共模電壓或者相對(duì)于放大器電路，共模電壓為零。

三氟光共模濾波器

圖7

擴(kuò)展上述描述，在大多數(shù)放大器設(shè)計(jì)中，低頻共模值是根據(jù)普通模式輸入信號(hào)計(jì)算的。該電壓就是放大器識(shí)別的共模電壓。放大器使用該電壓以共模驅(qū)動(dòng)輸入級(jí)電源，從而增強(qiáng)其低頻共模性能。由于驅(qū)動(dòng)輸入級(jí)電源所需的功率相對(duì)較高，共模放大器的壓擺能力通常限制在幾十千赫茲的頻率。它受帶寬限制，因此共模電壓不會(huì)超過其轉(zhuǎn)換能力。放大器的共模抗擾度通過增加三線電感器（變壓器）而擴(kuò)展到這些頻率之外。

根據(jù)定義，保護(hù)引線或屏蔽引線具有傳感器引線共模信號(hào)。變壓器的第三個(gè)繞組連接在傳感器引線保護(hù)裝置和放大器的共模點(diǎn)之間，從而導(dǎo)致傳感器共模和放大器共模之間的任何高頻電壓差出現(xiàn)在變壓器的第三個(gè)繞組上。電容器與該繞組串聯(lián)，以便很少有電流以低頻流過變壓器，避免磁芯飽和。在高頻下，由于共模放大器的帶寬限制，放大器輸入保護(hù)端的共模信號(hào)基本上為零。由于采用三絲變壓器，該共模信號(hào)在每個(gè)差分輸入端也基本上為零且相等。因此，放大器不會(huì)暴露在大量的高頻共模電壓下。

正如人們可能得出的結(jié)論，理論的解釋和概念的實(shí)現(xiàn)并不同樣簡單。設(shè)計(jì)合理的濾波電路將在放大器共模能力開始減弱的頻率下生效。變壓器還必須具有非常低的分布電容，以便非常高的頻率不會(huì)穿過濾波器傳導(dǎo)到放大器輸入端。通常，需要第二個(gè)更小、更低電感的單元來擴(kuò)展高頻性能。

到目前為止，只有數(shù)據(jù)放大器被確定為問題設(shè)備。該設(shè)備不必是“放大器”即可出現(xiàn)所描述的問題。您是否曾經(jīng)將兩個(gè)不同型號(hào)的數(shù)字電壓表依次連接到同一個(gè)熱電偶或應(yīng)變計(jì)，并觀察到兩個(gè)不同的讀數(shù)？甚至將兩個(gè)連接到同一個(gè)源并具有兩個(gè)不同的讀數(shù)？如果是這樣，您再次遇到由高頻共模引起的錯(cuò)誤。示波器、數(shù)字電壓表或任何其他用于進(jìn)行低液位測量的設(shè)備都可能容易受到影響。這些器件通常使用短引線，這是許多應(yīng)用中的節(jié)省因素。

這個(gè)討論包括的定量數(shù)字很少，因?yàn)橛泻芏嘁蛩丶釉谝黄饡?huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤產(chǎn)生。對(duì)于管理良好的測試實(shí)驗(yàn)室來說，一個(gè)好的理念是指定和購買在最壞的測試條件下運(yùn)行而不會(huì)產(chǎn)生重大錯(cuò)誤的儀器設(shè)備。因此，最粗心和缺乏經(jīng)驗(yàn)的測試工程師在獲取有意義的測試數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)遇到問題。很難確定何時(shí)具有最佳條件，即在共模敏感設(shè)備中不產(chǎn)生錯(cuò)誤的條件。過去的經(jīng)驗(yàn)表明，只有在拆除測試設(shè)置后才能發(fā)現(xiàn)受污染和有問題的數(shù)據(jù)。兩種共模抗擾度規(guī)格如圖8所示。不太嚴(yán)格的規(guī)范適用于單卡、普通供電、計(jì)算機(jī)控制的放大器單元。在所示限值下，任一規(guī)格允許的最大失調(diào)為0.04%滿量程。

傳感器也是？

更鮮為人知的是，傳感器在不同程度上也容易受到共模污染的影響。幸運(yùn)的是，最敏感的設(shè)計(jì)往往是那些在最高精度設(shè)備中使用最多的設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)包含有源電路，以增強(qiáng)其對(duì)電感、容量或電荷變化的靈敏度，以器件感興趣的參數(shù)為準(zhǔn)。例如，這些傳感器包括用于測量壓力、加速度和流體流量的傳感器。電路和設(shè)備外殼之間的電壓變化將被電路識(shí)別為該監(jiān)控參數(shù)的變化，并作為信號(hào)出現(xiàn)在輸出端。這些器件中的大多數(shù)都包含一個(gè)振蕩器，它們極易受到振蕩器頻率附近的共模頻率或其倍數(shù)的影響。

圖9顯示了包含振蕩器的流量計(jì)的靈敏度。由于此類設(shè)備中的電路保護(hù)未知，因此唯一顯而易見的解決方案是直接連接電路公共和傳感器外殼。由于信號(hào)源現(xiàn)在接地良好，接收設(shè)備必須接受產(chǎn)生的共模電壓。很多時(shí)候，信號(hào)包含不希望的傳感器內(nèi)部振蕩器頻率作為共模電壓和普通模式電壓。高頻共模容限放大器的另一種應(yīng)用！

最近的一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)表明，即使是來自普通應(yīng)變計(jì)壓力傳感器的信號(hào)有時(shí)也會(huì)受到共模電壓的污染。對(duì)象傳感器用于測量液壓，并觀察到與泵控制器相關(guān)的重大誤差導(dǎo)致信號(hào)。由于應(yīng)變計(jì)傳感器具有浮橋，因此電橋電源連接到數(shù)據(jù)系統(tǒng)接地，以控制放大器看到的直流共模電壓。將電橋電源基準(zhǔn)移至傳感器外殼后，泵控制器的干擾明顯減少。這些觀察是用示波器進(jìn)行的，沒有記錄有限的值。觀察到的誤差差異大約是一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖 10 顯示了這兩種接地配置。該測試表明，同樣使用應(yīng)變計(jì)傳感器時(shí)，傳感器電路必須以傳感器外殼為參考，以最大程度地減少共模引起的誤差。高頻抗共模放大器是完善數(shù)據(jù)系統(tǒng)的必要元件。

總之，可以說大多數(shù)測試情況都包含大量的高頻共模信號(hào)。在許多情況下，所需數(shù)據(jù)被污染，因?yàn)榇蠖鄶?shù)常見儀器容易受到高頻共模電壓（信號(hào)）的影響。您甚至不必從事航空航天業(yè)務(wù)即可獲得資格。儀器儀表永遠(yuǎn)不會(huì)遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)或其他射頻垃圾發(fā)生器。要確定您的數(shù)據(jù)是否受到污染，您必須通過一些簡單的測試來尋找它，因此，購買一些新的、抗 HFCM 的儀器。

審核編輯：郭婷