如何遠程激勵負載或傳感器

在分布式系統(tǒng)中，模擬信號在傳感器或負載間來回遠程傳輸。在這類系統(tǒng)中，信號要傳輸很長的距離，噪聲抑制能力成為一個重要考慮因素。噪聲會耦合進信號中，結(jié)果使數(shù)據(jù)遭到破壞，由此產(chǎn)生不良影響。系統(tǒng)需要得到適當(dāng)?shù)谋Ｗo，了解預(yù)期噪聲的量和性質(zhì)可以明確需要采取的保護措施，以取消或者至少減少環(huán)境干擾水平。

噪聲源或干擾源一般有兩種，根據(jù)其耦合進主信號的方式，分為共模噪聲和差模噪聲兩種，如圖1所示。

圖1.噪聲源

二者中危害較小是共模噪聲，它會同時耦合到系統(tǒng)GND信號和激勵信號中，這主要是由電纜與真實GND間的偶極天線效應(yīng)造成的。這種情況不會使信號減弱，因為噪聲同時耦合進兩個通道，而且幅度相似。問題在于，共模噪聲會產(chǎn)生信號失調(diào)，使真實GND升高，結(jié)果導(dǎo)致兩種不良效應(yīng)。首先，如果間接折合到真實GND(比如，通過金屬箱保護傳感器時)，則可能使負載飽和。其次，可能產(chǎn)生電弧，結(jié)果會損壞傳感器。在激勵惠斯登電橋時，共模噪聲尤其麻煩，因為輸出信號需要由控制器進行處理，通常是用到一個儀表放大器，而這種放大器的CMRR有限，結(jié)果可能會放大噪聲。

使用低通濾波器(如RC濾波器)，或者使用共模扼流圈來過濾輸入信號，可以減少共模噪聲。重要的是，不對稱衰減的共模噪聲會產(chǎn)生差模噪聲。在實際應(yīng)用中，不對稱衰減的一個例子是低通濾波器；用一個電阻和電容實現(xiàn)截止頻率，但受元件容差影響，兩條線路中的截止頻率不一樣。

第二種，也是最麻煩的噪聲是差模噪聲，這種噪聲是在激勵與系統(tǒng)GND之間耦合的。該噪聲之所以會耦合到信號中，是因為系統(tǒng)GND與充當(dāng)天線的信號電纜之間存在電流環(huán)路。在部分應(yīng)用中(如化學(xué)分析)，出于安全考慮，傳感器有時置于獨立于控制器的腔室中。這種設(shè)置會導(dǎo)致數(shù)十或數(shù)百米的電流環(huán)路，結(jié)果，任何磁通量都可能在信號中導(dǎo)致電流噪聲，從而使數(shù)據(jù)遭到破壞。為了減少差模噪聲的影響，建立使用鐵氧體材料來過濾高頻輻射信號，在控制器與傳感器之間采用星型連接，同時還要使用屏蔽電纜。

兩種情況下，如果該噪聲足夠大，設(shè)備甚至可能會因為電氣過應(yīng)力而受損。當(dāng)負載為電機或熒光燈時，尤其如此，這樣的負載構(gòu)成一種強大的電磁兼容性/干擾(EMC/EMI)源；原因有二，分別為物理電磁元件和所產(chǎn)生信號的性質(zhì)。一種較好的做法是使用EMC/EMI抑制器，如ESD保護裝置，以確保系統(tǒng)能維持一定的穩(wěn)定水平。

在實現(xiàn)部分前述方法時，主要后果是與元件相關(guān)的電容。甚至電纜也會含有寄生電容，因此不能忽略。寄生電容與電纜的長度、類型和類別成比例，如表1所示。

表1.不同電纜類型比較

集成式緩沖電壓DAC，如AD5683R或AD5686R，可提供高壓擺率、高帶寬，而且功耗更低，功耗已成為業(yè)界的一個主要關(guān)注點，原因多種多樣，比如電路板溫度的降低、電路板組件數(shù)量的增加(不增加功率)、功效的提高等。結(jié)果，內(nèi)部放大器的阻抗ZO (開環(huán)阻抗)變大(不要與閉環(huán)阻抗ZOUT相混淆)，對最大負載電容形成限制。

如果與運算放大器輸出相連的電容超過最大允許值，結(jié)果會影響運算放大器的穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致放大器振鈴和振蕩。

通過運用緩沖電壓DAC，可用來降低運算放大器不穩(wěn)定性的方法有以下幾種：

1. RSHUNT法

2. 外部負載網(wǎng)絡(luò)補償(緩沖電路)法

RSHUNT法需要的外部組件最少，其背后的原理相對簡單；通過在運算放大器與負載之間放置分立式電阻使二者相隔離。RSHUNT在反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)中增加一個零，結(jié)果使閉環(huán)在高頻下能保持穩(wěn)定。選擇的這個零應(yīng)至少比GBP (增益帶寬積)低一個十倍頻程。但這里的問題是，DAC的技術(shù)規(guī)格不包括這個數(shù)字，原因是其不相關(guān)，因為內(nèi)部運算放大器充當(dāng)?shù)氖蔷彌_器。

在這種情況下，根據(jù)經(jīng)驗法則，應(yīng)該選擇一個盡量小的值，以減少電阻的影響；其范圍一般在5 ?至50 ?之間。如果使用該方法，負載電壓會下降，因為這種方法在物理上實現(xiàn)為一個電阻分壓器，會影響其他規(guī)格，比如，壓擺率降低，建立時間延長等。結(jié)果，DAC在負載或傳感器端的整體性能會下降。

通過增加RSHUNT值，阻尼比(ζ)也會隨之增加，使其成為一種合適的電機驅(qū)動方法；但是，當(dāng)負載幅度較小且電壓軌較低時(如惠斯登電橋激勵)，不建議使用這種方法，因為可能導(dǎo)致幅度大幅下降。減小電壓范圍，比如，使用阻抗為1 k?的5 V供電軌，結(jié)果，降幅為2.5%左右，如圖2所示。

圖2.RSHUNT法

緩沖法(或RC分路法)不會減小負載電壓范圍，因而是低電壓應(yīng)用的首選方法。這種方法背后的原理略有不同。緩沖網(wǎng)絡(luò)會減小靠近振蕩頻率的負載阻抗，使負載的實部低于虛部，結(jié)果改變相位。

正確元件值的選擇方法需要憑經(jīng)驗確定，要分析與負載相連的DAC的瞬態(tài)響應(yīng)。一般地，計算的前提是緩沖器GBP低于1 MHz。這種情況下，設(shè)電纜寄生電容為47 nF，

理想電阻應(yīng)低于1 ?，RSNUBBER值越低，過沖就越低；但從實際應(yīng)用角度來看，我們不妨選擇RSNUBBER = 10 ?。緩沖器極需要比振蕩頻率高1?3，

圖3.緩沖法

緩沖法和分路法對于補償或隔離容性負載十分有用，當(dāng)負載或傳感器需要遠程激勵時，可使DAC保持穩(wěn)定。以上示例均基于AD5683R DAC。這款器件采用超小封裝，整體性能卓越，并且擁有2 LSB INL @ 16位、35 mA驅(qū)動能力，集成了基準(zhǔn)電壓源，更有高達4 kV ESD的魯棒性，眾多優(yōu)點使其成為負載或板外傳感器激勵的理想DAC。