傳感器信號(hào)鏈的低頻噪聲分析

介紹

高分辨率，低頻測(cè)量易于實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行。所需要的只是深入了解信號(hào)鏈中的所有內(nèi)容，并考慮每個(gè)組件的各個(gè)方面。認(rèn)真地說(shuō)，為了從傳感器到信號(hào)鏈，再到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，獲得最大的系統(tǒng)性能，需要進(jìn)行一些考慮。我們最近發(fā)布了演示電路1410，該博客用于記錄實(shí)現(xiàn)的電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。

為了使本文實(shí)用，我們將解決一個(gè)實(shí)際問(wèn)題并解決設(shè)計(jì)約束。希望進(jìn)行深入的分析，以作為工程師選擇零件時(shí)的指南。我們的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是要從我們的25磅（?12千克）惠斯通電橋稱重傳感器SP-25L獲得最大分辨率，如圖1所示。

技術(shù)指標(biāo)

第一件事第一！需要注意的惠斯通電橋稱重傳感器的規(guī)格和限制是什么？該稱重傳感器的最小輸入電阻為400Ω，標(biāo)稱輸出電阻為350Ω，最大激勵(lì)電壓為15 V直流，輸出為2 mV / V，并且溫度補(bǔ)償范圍為14°F至104°F（– 10°C至40°C）。為了簡(jiǎn)化分析，我們將不考慮溫度漂移。另外，為了使事情實(shí)用，傳感器的激勵(lì)電壓將為5V。這將在2.5 V共模信號(hào)上為我們提供10 mV擺幅。

分析

我們要面對(duì)什么？

為了從傳感器獲得最大的分辨率，我們需要確保傳感器噪聲主導(dǎo)系統(tǒng)。由于此傳感器本質(zhì)上是電阻器，因此限制了熱噪聲：

電壓噪聲密度=

DC1410A-A使用配置為以7.5sps采樣的LTC2498 24位Δ-ΣADC和用于增益和緩沖的LT1678低噪聲，軌到軌，運(yùn)算放大器。下一段而不是手動(dòng)揮舞為什么使用LT1678，而是顯示為什么這是我們的最佳選擇的過(guò)程。

搜索圣杯又名運(yùn)算放大器

我們的帶寬將為DC到7.5 Hz，我們將需要尋找輸入噪聲比稱重傳感器低的雙低噪聲放大器：

>運(yùn)算放大器輸入噪聲

您可能會(huì)注意到，我們使用DC到10 Hz的帶寬，這是由于匹配了OP AMP數(shù)據(jù)表中0.1 Hz到10 Hz噪聲指標(biāo)的噪聲系數(shù)。好的，我們進(jìn)入analog.com，并進(jìn)行參數(shù)搜索以獲取最低的輸入噪聲密度，然后開(kāi)始在數(shù)據(jù)手冊(cè)中搜索輸入噪聲。在考慮了我的生活選擇幾個(gè)小時(shí)之后，誕生了一張桌子，叫做表1。

您應(yīng)該注意的第一件事是沒(méi)有比傳感器更好的運(yùn)算放大器。實(shí)際上，我發(fā)現(xiàn)LT1028是唯一具有低于傳感器輸入噪聲電平的放大器。為什么不在桌子上？好問(wèn)題;它只有一個(gè)包裝。因此，我們最好的候選產(chǎn)品是LT1124（LT1126是LT1124的失補(bǔ)償版本）和LT1678。這意味著我們受到運(yùn)算放大器而不是傳感器的限制。這是一個(gè)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(jiǎn)單。

理想的情況是，任何電路都采用單電源供電還是分開(kāi)供電，因此，我們的電路自然需要一個(gè)軌到軌運(yùn)算放大器。我們放棄了4 nVRMS的噪聲來(lái)制作這種單電源。朋友之間的4 nV噪聲是多少？

最后，我們是放大器的贏家，但我們需要確保輸入電流噪聲密度符合猶太潔食標(biāo)準(zhǔn)：

電壓噪聲：

這遠(yuǎn)低于輸入電壓噪聲，現(xiàn)在我們可以繼續(xù)前進(jìn)了。

應(yīng)該有什么收獲？

試圖設(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：

甲V= 2.5V / 10mV的= 250

但是我們跳了槍。對(duì)于高分辨率ADC，這是不必要的，并且這樣做會(huì)有害。通過(guò)限制增益可以獲得更好的性能，從而使放大器的輸入噪聲占主導(dǎo)地位，而不是ADC的噪聲占主導(dǎo)地位。這將使系統(tǒng)發(fā)揮最大性能。

理想情況下，您希望受到傳感器的限制，但我們的瓶頸是運(yùn)算放大器，并且演出必須繼續(xù)進(jìn)行：

AV= 600nVRMS/ 18nVRMS= 33.33

增益34應(yīng)該足以確保OP AMP占主導(dǎo)地位。DC1410A具有放大器的軟件可選范圍，最接近的增益是32，非常接近我們需要的位置。而且，在不修改演示板的情況下，我們可以獲得合理的結(jié)果。

我們不是忘了什么嗎？

接得好！我們沒(méi)有考慮一些事情。放大器的失調(diào)被忽略了，因?yàn)長(zhǎng)TC2498通過(guò)為我們抵消了它而基本上消除了這一點(diǎn)。ADC讀取兩個(gè)極性相反的讀數(shù)，以消除任何失調(diào)。

另一個(gè)考慮因素是ADC多路復(fù)用器開(kāi)關(guān)的串聯(lián)電阻。盡管該值在數(shù)據(jù)表中標(biāo)稱值為100，但尚無(wú)保證指定該值。在實(shí)驗(yàn)中，我測(cè)得的電阻約為150至200。

電壓噪聲密度=

噪聲：

如您所見(jiàn)，由于放大器仍將占主導(dǎo)地位，因此這種噪聲增加不會(huì)產(chǎn)生影響。

放大器之后需要一個(gè)濾波器來(lái)處理ADC的跟蹤和保持電路瞬變。幸運(yùn)的是，該濾波器已在數(shù)據(jù)表中顯示，我無(wú)需實(shí)驗(yàn)確定其值。

結(jié)果

最后，該進(jìn)行測(cè)試和校準(zhǔn)了。我問(wèn)我的同事他校準(zhǔn)過(guò)的體重，然后繼續(xù)前進(jìn)。

空載時(shí)，本底噪聲約為80 nV：

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噪音=

與我們之前的分析相比，這確實(shí)很糟糕，但是有一個(gè)合乎邏輯的解釋。要查看信號(hào)鏈的實(shí)際性能，需要將通道與適當(dāng)?shù)墓材ｋ妷阂黄鸲搪罚?/font>

噪音=

如您所見(jiàn)，我們做得很好。我們對(duì)放大器的噪聲分析感到悲觀，原因有兩個(gè)：1）LTC2498每隔一個(gè)相反極性的采樣對(duì)事實(shí)進(jìn)行抵消，從而消除了1 / f噪聲，2）LTC2498以7.5 Hz采樣，因此較低的帶寬和較低的噪聲。

那么，當(dāng)我們從稱重傳感器上讀取時(shí)，額外的噪聲又如何呢？在這種分辨率下，稱重傳感器的作用就像地震儀。我將稱重傳感器設(shè)置放在舒適的實(shí)驗(yàn)室椅子上，從而降低了噪音。椅子為振動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)低通濾波器。從技術(shù)上講，椅子的作用就像電阻器，砧座的作用像電容器，但這是機(jī)電系統(tǒng)類似物的另一個(gè)主題。圖5顯示了CH P0-N1上較低的噪聲，這是由于我舒適的實(shí)驗(yàn)室椅子上的阻尼引起的。

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好的，既然我們已經(jīng)驗(yàn)證了我們的系統(tǒng)，那么該練習(xí)一下了！我在稱重傳感器上放置了2千克重，然后在兩點(diǎn)校準(zhǔn)中放置了10千克重。經(jīng)過(guò)一些數(shù)學(xué)運(yùn)算后，我有了斜率和偏移量來(lái)真正測(cè)試此設(shè)置。圖6顯示了1 g，10 g和2 kg的堆疊。事情變得有些失控，工作與娛樂(lè)之間的界限變得模糊了。圖6顯示了通過(guò)施加不同的載荷來(lái)“工作”的過(guò)程。

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底線是，設(shè)置的分辨率為0.1 g，滿量程擺動(dòng)為12 kg。等于?101.6 dB或16.6位。