傳感器信號鏈的低頻噪聲分析

高分辨率、低頻測量易于實施和執(zhí)行。所需要的只是深入了解信號鏈中的所有內(nèi)容，并考慮每個組件的各個方面。嚴肅地說，為了從傳感器到信號鏈，最后到模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得最大的系統(tǒng)性能，需要考慮一些因素。我們最近發(fā)布了演示電路1410，本博客旨在記錄所實現(xiàn)電路的設(shè)計過程。

為了使這篇文章實用，我們將采用一個現(xiàn)實世界的問題并解決設(shè)計約束。希望給出深入的分析，作為工程師選擇組件的指南。我們的實際問題是從我們的卡迪納爾秤制造SP-25L 25磅（~12千克）惠斯通電橋稱重傳感器中獲得最大分辨率。

規(guī)格

首先要做的事！這種惠斯通電橋稱重傳感器的規(guī)格和限制是什么需要注意？該稱重傳感器的最小輸入電阻為 400 Ω，標稱輸出電阻為 350 Ω，最大激勵電壓為 15 V DC，輸出為 2 mV/V，溫度補償范圍為 14 °F 至 104 °F（–10°C 至 40 °C）。為了簡化分析，我們不會考慮溫度漂移。此外，為了保持實用性，傳感器的激勵電壓將為5 V。這將在2.5 V共模信號上為我們提供10 mV擺幅。

分析

我們面對的是什么？

為了從傳感器獲得最大分辨率，我們需要確保傳感器噪聲在系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。由于該傳感器本質(zhì)上是一個電阻器，因此熱噪聲限制了它：

電壓噪聲密度 =DC1410A-A 采用 LTC2498 24 位三角積分 ADC （配置為以 7.5sps 采樣）和 LT1678 低噪聲、軌至軌、運放來實現(xiàn)增益和緩沖。下一段將展示為什么使用LT1678，而不是揮手說明為什么這是我們的最佳選擇。

尋找圣杯又名運算放大器

我們的帶寬將是直流到7.5 Hz，我們需要尋找輸入噪聲低于稱重傳感器的雙低噪聲放大器：

>運算放大器輸入噪聲

您可能會注意到，我們使用了直流至10 Hz帶寬，這是因為與0.1 Hz至10 Hz噪聲規(guī)格的OP AMP數(shù)據(jù)手冊中的噪聲系數(shù)相匹配。好的，我們繼續(xù) analog.com，對最低輸入噪聲密度進行參數(shù)搜索，然后開始在數(shù)據(jù)手冊中搜索輸入噪聲。經(jīng)過幾個小時的思考，我的人生選擇誕生了，一張桌子誕生了，叫做表1。

您應(yīng)該注意的第一件事是沒有比傳感器更好的運算放大器。事實上，LT1028 是我能找到的唯一一款輸入噪聲電平低于傳感器的放大器。為什么不在表格中？問得好;它只裝在一個包里。因此，我們的最佳候選產(chǎn)品現(xiàn)在是 LT1124 （LT1126 是 LT1124 的去補償版本）和 LT1678。這意味著我們受到運算放大器而不是傳感器的限制。這是一個很好的例子，我們必須做出艱難的選擇，以減少零件數(shù)量以提高性能。在這種情況下，我們喜歡簡單。

最好使用單電源還是分離電源運行任何電路，因此我們的電路自然需要軌到軌運算放大器。我們正在放棄 4 nV有效值的噪聲構(gòu)成此單電源。朋友之間的 4 nV 噪聲是多少？

最后，我們有一個放大器的贏家，但我們需要確保輸入電流噪聲密度是潔食的：

電壓噪聲：

這遠低于輸入電壓噪聲，現(xiàn)在我們可以有信心繼續(xù)前進。

應(yīng)該有什么收獲？

設(shè)置放大器的增益以最大化ADC的滿量程范圍是很誘人的。稱重傳感器的最大擺幅為 10 mV：

一個V= 2.5V/10mV = 250

但我們跳了槍。對于高分辨率ADC，這樣做是不必要的，而且可能是有害的。通過限制增益，可以提高性能，使放大器的輸入噪聲占主導(dǎo)地位，而不是ADC的噪聲。這將提供系統(tǒng)的最大性能。

理想情況下，您希望受到傳感器的限制，但我們的瓶頸是運算放大器，并且必須繼續(xù)展示：

一個V= 600nV有效值/18nV有效值= 33.33

34的增益應(yīng)足以確保運算放大器占主導(dǎo)地位。DC1410A 具有軟件可選的放大器范圍，最接近的增益為 32，非常接近我們需要它的位置。并且無需修改演示板，我們可以得到合理的結(jié)果。

我們不是忘記了什么嗎？

抓得好！我們沒有考慮一些事情。放大器的失調(diào)被忽略了，因為LTC2498通過為我們抵消它來基本上消除這一點。ADC采用兩個極性相反的讀數(shù)，以消除任何失調(diào)。

另一個考慮因素是ADC多路復(fù)用器開關(guān)串聯(lián)電阻。該值沒有保證的規(guī)格，盡管在數(shù)據(jù)表中顯示為標稱值為100 Ω。通過實驗，我測量的電阻約為150至200 Ω。

圖2.LTC2498 MUX 在不同通道上針對正輸入和負輸入測得的電阻

電壓噪聲密度 =

噪聲：

如您所見，這種噪聲的顛簸不會產(chǎn)生影響，因為放大器仍將占主導(dǎo)地位。

放大器之后需要一個濾波器來處理ADC的采樣保持電路瞬變。幸運的是，該過濾器顯示在數(shù)據(jù)表中，我不必通過實驗確定其值。

結(jié)果

最后，是時候進行測試和校準了。我向我的同事要了他的校準砝碼，然后繼續(xù)上路。

在空載時，我的本底噪聲約為 80 nV：

圖4.空載噪聲測量

噪音 =

與我們之前的分析相比，這似乎真的很糟糕，但有一個合乎邏輯的解釋。為了了解信號鏈的實際性能，需要將通道與適當?shù)墓材ｋ妷憾搪罚?/p>

噪音 =

正如你所看到的，我們做得很好。我們對放大器的噪聲分析持悲觀態(tài)度，原因有二：1）LTC2498每隔一個極性相反的采樣，抵消了1/f噪聲，2）LTC2498以7.5 Hz采樣，從而降低了帶寬和噪聲。

那么，當我們從稱重傳感器讀取數(shù)據(jù)時，額外的噪音呢？在此分辨率下，稱重傳感器的作用類似于地震儀。我將稱重傳感器設(shè)置放在舒適的實驗室椅子上，噪音降低了。椅子為振動創(chuàng)建了一個低通濾波器。從技術(shù)上講，椅子的作用類似于電阻器，鐵砧的作用類似于電容器，但這是機電系統(tǒng)類似物的另一個主題。圖5顯示了CH P0-N1由于從舒適的實驗室椅子上減震而產(chǎn)生的較低噪音。

圖5.CH10-11 短路，共模電壓為 ~2.5 V。另外，稱重傳感器放在我的實驗室椅子上

好的，現(xiàn)在我們驗證了我們的系統(tǒng)，是時候練習(xí)它了！我在稱重傳感器上放置了一個 2 kg 的砝碼，然后放置了一個 10 g 的砝碼進行兩點校準。經(jīng)過一些數(shù)學(xué)計算，我有了斜率和偏移來真正測試這個設(shè)置。圖 6 顯示了 1 g、10 g 和 2 kg 的堆疊。事情變得有點失控，工作和娛樂之間的界限變得模糊。圖 6 顯示了通過施加不同負載來“工作”。

圖6.測試系統(tǒng)的分辨率

圖7.“必要的”負載測試

最重要的是，該設(shè)置能夠達到 0.1 g 分辨率，滿量程擺動為 12 kg。這相當于 ~101.6 dB 或 16.6 位。

審核編輯：郭婷