傳感器接口電路的抗干擾設計

發布時間:2019-06-26瀏覽次數:54

傳感器接口電路的抗干擾設計

     凡是傳感器接口電路都存在小信號處理問題,因為傳感器的輸出一般都是小信號,將其精確的放大到所需要的信號(如0~5V),并能達到所需要的技術指標,就必須注意到電路圖上未表示出來的某些問題,即抗干擾問題,在進一步討論電路元件的選擇、電路和系統應用之前,有必要進行討論。

  干擾可粗略的分為3個方面:

  (1)局部產生(即不需要的熱電偶)。

  (2)子系統內部的耦合(即地線的路徑問題)。

  (3)外部產生(即電源頻率的干擾)。

  1.局部產生誤差的消除

  在低電平測量中,對于在信號路徑中所用的材料必須給予嚴格的注意,在簡單的電路中遇到的焊錫、導線以及接線柱等都可能產生實際的熱電勢。由于他們經常是成對出現,盡量使這些成對的熱電偶保持在相同的溫度下是很有效的措施,為此一般用熱屏蔽、散熱器、沿等溫線排列或者將大功率電路和小功率電路分開等辦法,其目的是使熱梯度減小到最小,兩個不同廠家生產的標準導線的接點可能產生0.2/1V/℃的溫漂,這相當于高精度低漂移的運放管的溫漂,而為斬波放大器溫漂的兩倍。

  雖然采用插座開關、接插件、繼電器等形式能使更換電器元件或組件方便一些,但缺點是可能產生接觸電阻,熱電勢或兩者兼而有之,他比直接連接系統的分辨力要差,精度要低,噪聲增加,可靠性降低,因為在低電平放大中盡可能不使用開關,接插件是減少故障,提高精度的重要措施。

  2 接地問題及其處理辦法

  在低電平放大電路中合理接地是減少低噪聲干擾的重要措施,必須予以特別注意。

  當使用單電源供給多只傳感器時,其連接方法如圖1所示,以盡量減少接地電阻引進的干擾,若供電電源的壓降必須減到最小,則電源高端導線也可按相似的方法接線。

         

  包括有多個電源和多個傳感器的系統則需要考慮更多一些,通常不管電源是誰供給,將地線匯集到公共點,然后和系統的公共端接在一起,如圖2所示,所有電源1的負載都回到電源1公共端,所有電源2負載都回到電源2的公共端,最后用一條粗導線將公共端連在一起,在多電源系統中,可能需要進行判斷性試驗,確定地線接法,以達到最佳的解決方案。

  數字地線通常有很大的噪聲,而且有大的電流尖峰,所有的模擬公共地線應該和數字公共地線分開走線,然后只在一點匯集在一處,如圖3所示,這種接法使模擬和數字地線間的公共阻抗最小。

                  

  除了直流和低頻地線問題以外,還有快速變化的交流電壓的耦合以及高電平電路對低電子電路通過公共的電源和連線的阻抗產生的瞬態信號,這個信號另一個可能的耦合途徑是由于許多內外補償的集成運放沒有公共接地點,如果積分器輸出的參考點接到電源一端,就會使得輸出隨電源而波動,這些都需要適當地接入電容器以便旁路調制在較慢的模擬電路上的高頻信號,并要求此電容直接從放大器的電源端子接到低阻抗的公共點。
 
             

  圖4說明這樣一種方法,他應用于模擬量輸出運算放大器對于數/模轉換器數字驅動噪聲的去耦,如果旁路電容隨意地直接接到電源的兩根母線之間,旁路電容起不到應有的作用,甚至可能有害,他從"不干凈"的到"清潔"的Vs,為噪聲提供低阻抗的交流通路。

  3 外部和本機干擾的消除

  交流信號可以通過分布電容和電感耦合到低電子模擬電路上,直流高壓經過漏電導可以耦合到高阻抗的輸入端,這些都可能引入干擾,通過適當的布局元件,屏蔽和防護可以消除這些干擾。

  元件的適當布局包括在高能量和低能量之間以及數字電路和模擬電路之間保持盡可能大的距離,而在地線之間的連線要求盡可能短。

  屏蔽包括靜電和電磁屏蔽。電源變壓器產生的干擾場是熟知的,而且是不好說明的干擾源,可以采用屏蔽式變壓器或者將電源放到遠離高敏感電路的地方。但同一電路既需要靠近變壓器中心抽頭以達到高質量的接地,又可能受到強磁場干擾,必要時要通過試驗的方法來確定合理布局。

  對于50H2電源的靜電和電磁干擾可以采取使環路面積減到最小,或者使用雙絞線以及在低頻電路中限制頻帶等方法控制。

  4 結 語

  總之,接口電路的防干擾問題是得到高質量信號的重要措施之一,傳感器的輸出信號越低,接口電路的放大元件的選擇,以及防干擾措施要求越嚴格,但要求傳感器的信號大,又會影響傳感器輸出的非線性等特性,這是矛盾的。在實際運用中應考慮在線性度允許的條件下,盡可能地提高傳感器的輸出靈敏度,包括提高橋壓等措施,一般情況下傳感器的輸出靈敏度可達到1~3mV/V,不希望以降低傳感器的靈敏度來換取接口的其他技術指標的提高。




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