如何激勵板外傳感器和負(fù)載

在分布式系統(tǒng)中，模擬信號與傳感器或負(fù)載遠(yuǎn)程傳輸或從中傳輸。在這種類型的系統(tǒng)中，信號長距離傳播，噪聲魯棒性成為一個主要問題。噪聲耦合到信號中，破壞數(shù)據(jù)并產(chǎn)生不良影響。系統(tǒng)需要得到正確的保護(hù)，了解預(yù)期噪聲的數(shù)量和性質(zhì)將定義需要實(shí)施的必要保護(hù)，以消除或至少最小化環(huán)境干擾的水平。

有兩種不同的噪聲或干擾源，具體取決于它們耦合到主信號中的方式，即共模和差模噪聲，如圖1所示。

圖1.噪聲源。

其中危害較小的是共模噪聲，它同時添加到系統(tǒng)GND和激勵信號中，主要是由于電纜和實(shí)際GND之間的偶極子天線效應(yīng)。它不會降低信號質(zhì)量，因為噪聲在兩個幅度相似的通道中同時耦合。問題在于共模噪聲會產(chǎn)生信號偏移，從而抬高實(shí)際GND，這會產(chǎn)生兩種不良影響。首先，如果負(fù)載間接參考實(shí)際GND，例如，當(dāng)傳感器受到金屬盒保護(hù)時，它可能會使負(fù)載飽和。其次，它可能產(chǎn)生電弧，損壞傳感器。當(dāng)激勵惠斯通電橋時，共模噪聲尤其成問題，因為輸出信號需要由控制器處理，通常使用儀表放大器，該儀表放大器提供有限的CMRR，因此噪聲可能會被放大。

通過使用低通濾波器（例如RC濾波器）或使用共模扼流線圈對輸入信號進(jìn)行濾波，可以將共模噪聲降至最低。重要的一點(diǎn)是，不對稱衰減的共模噪聲會產(chǎn)生差模噪聲。不對稱衰減的一個實(shí)際例子是低通濾波器;截止頻率由電阻器和電容器實(shí)現(xiàn)，但由于元件容差，兩條線路的截止頻率不同。

第二個也是最成問題的是差模噪聲，它在激勵和系統(tǒng)GND之間耦合。由于系統(tǒng)GND和充當(dāng)天線的信號電纜之間的電流環(huán)路，該噪聲與信號耦合。在某些應(yīng)用中，如化學(xué)分析，出于安全原因，傳感器有時會放置在與控制器分開的腔室中。這種設(shè)置會產(chǎn)生數(shù)十或數(shù)百米的電流環(huán)路，因此，任何磁通量都會在信號上產(chǎn)生電流噪聲，從而損壞數(shù)據(jù)。為了盡量減少差模噪聲貢獻(xiàn)，建議使用鐵氧體濾除高頻輻射信號、控制器和傳感器之間的星形連接以及屏蔽電纜。

在這兩種情況下，如果噪音足夠大，甚至可能由于電氣過應(yīng)力而損壞設(shè)備。當(dāng)負(fù)載是電機(jī)或熒光燈時尤其如此，它們提供了強(qiáng)大的 EMC/EMI 源;首先是由于物理電磁成分，其次是由于產(chǎn)生的信號的性質(zhì)。使用EMC/EMI抑制器（如ESD保護(hù)）來保證一定程度的系統(tǒng)魯棒性始終是一種很好的做法。

實(shí)現(xiàn)前面描述的一些方法的主要結(jié)果是與元件相關(guān)的電容。甚至電纜也由寄生電容組成，因此不能省略。寄生電容與電纜的長度、類型和類別成正比，如表1所示。

AD5683R或AD5686R等集成緩沖電壓DAC旨在提供高壓擺率和帶寬，同時降低功耗，由于多種原因，功耗正成為一個主要問題，例如降低電路板溫度、增加每塊電路板的元件數(shù)量（不增加功耗）以及提高電源效率。結(jié)果，放大器內(nèi)部阻抗ZO（開環(huán)阻抗），很大（不要與Z混淆外— 閉環(huán)阻抗），限制最大負(fù)載電容。

如果連接到運(yùn)算放大器輸出的電容超過最大允許值，運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性就會受到影響，因此放大器可能會振鈴和振蕩。

使用緩沖電壓DAC可以最大限度地降低運(yùn)算放大器的不穩(wěn)定性的方法有幾種：

R分流方法

外部負(fù)載網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償、緩沖法

R型分流該方法需要最少的外部元件，該方法背后的思想相對簡單;通過在兩端放置一個分立電阻，將運(yùn)算放大器與負(fù)載隔離開來。

R型分流在反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)中增加一個零，使閉環(huán)在高頻下穩(wěn)定。零應(yīng)選擇至少比GBP（增益帶寬積）低十倍頻程的位置。在這種情況下，問題是DAC規(guī)格不包括這個數(shù)字，因為它無關(guān)緊要，因為內(nèi)部運(yùn)算放大器用作緩沖器。

在這種情況下，經(jīng)驗法則建議選擇盡可能低的值，以盡量減少電阻性能貢獻(xiàn);5 Ω 至 50 Ω 電阻是一個常見范圍。如果使用這種方法，負(fù)載電壓會下降，因為物理上它是作為電阻分壓器實(shí)現(xiàn)的，從而影響其他規(guī)格，例如較低的壓擺率和建立時間。因此，負(fù)載或傳感器側(cè)的整體DAC規(guī)格會降低。

通過增加 R分流值，阻尼比（ζ）增加，使其成為驅(qū)動電機(jī)的合適方法，但當(dāng)負(fù)載大小小且電壓軌較低時，例如在惠斯通電橋激勵中，不建議這樣做，因為幅度下降可能相當(dāng)大。減小電壓范圍，例如，在1 kΩ阻抗中使用5 V電源軌，壓降約為2.5%，如圖2所示。

圖2.R分流方法。

緩沖器方法（或RC分流器）不會降低負(fù)載電壓范圍，因此是低壓應(yīng)用的首選。這種方法背后的想法略有不同。緩沖器網(wǎng)絡(luò)使接近振蕩頻率的負(fù)載阻抗降低，使負(fù)載的實(shí)部低于虛部，從而改變相位。

需要通過分析連接到負(fù)載的DAC的瞬態(tài)響應(yīng)，憑經(jīng)驗確定正確的元件值選擇。

通常，計算基于緩沖區(qū) GBP 低于 1 MHz 的假設(shè)。在這種情況下，假設(shè)寄生電纜電容為47 nF，

理想電阻應(yīng)低于 1 Ω，R 越低緩沖值，超調(diào)越低，但從實(shí)際的角度來看，讓我們選擇 R緩沖= 10 ?.

緩沖極點(diǎn)需要高于振蕩頻率，3

圖3.緩沖法。

緩沖和分流方法對于補(bǔ)償或隔離容性負(fù)載非常有用，當(dāng)負(fù)載或傳感器需要遠(yuǎn)程激勵時，DAC保持穩(wěn)定。

以上示例基于AD5683RDAC，由于采用超小型封裝和整體性能、2 LSB INL @ 16位、35 mA驅(qū)動能力、集成基準(zhǔn)電壓源和魯棒性4 kV ESD，使其成為激勵負(fù)載或板外傳感器的理想DAC。

審核編輯：郭婷