關(guān)于分布式系統(tǒng)中模擬信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)脑肼曇种?/h1>
在分布式系統(tǒng)中，模擬信號(hào)在傳感器或負(fù)載間來回遠(yuǎn)程傳輸。在這類系統(tǒng)中，信號(hào)要傳輸很長的距離，噪聲抑制能力成為一個(gè)重要考慮因素。噪聲會(huì)耦合進(jìn)信號(hào)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(hù)，了解預(yù)期噪聲的量和性質(zhì)可以明確需要采取的保護(hù)措施，以取消或者至少減少環(huán)境干擾水平。
本文引用地址：http://2s4d.com/article/201603/288462.htm 噪聲源或干擾源一般有兩種，根據(jù)其耦合進(jìn)主信號(hào)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(huì)同時(shí)耦合到系統(tǒng)GND信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)中，這主要是由電纜與真實(shí)GND間的偶極天線效應(yīng)造成的。這種情況不會(huì)使信號(hào)減弱，因?yàn)樵肼曂瑫r(shí)耦合進(jìn)兩個(gè)通道，而且幅度相似。問題在于，共模噪聲會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失調(diào)，使真實(shí)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(shí)GND(比如，通過金屬箱保護(hù)傳感器時(shí))，則可能使負(fù)載飽和。其次，可能產(chǎn)生電弧，結(jié)果會(huì)損壞傳感器。在激勵(lì)惠斯登電橋時(shí)，共模噪聲尤其麻煩，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)需要由控制器進(jìn)行處理，通常是用到一個(gè)儀表放大器，而這種放大器的CMRR有限，結(jié)果可能會(huì)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(hào)，可以減少共模噪聲。重要的是，不對稱衰減的共模噪聲會(huì)產(chǎn)生差模噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中，不對稱衰減的一個(gè)例子是低通濾波器;用一個(gè)電阻和電容實(shí)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(lì)與系統(tǒng)GND之間耦合的。該噪聲之所以會(huì)耦合到信號(hào)中，是因?yàn)橄到y(tǒng)GND與充當(dāng)天線的信號(hào)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(shí)置于獨(dú)立于控制器的腔室中。這種設(shè)置會(huì)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(hào)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(hào)，在控制器與傳感器之間采用星型連接，同時(shí)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(huì)因?yàn)殡姎膺^應(yīng)力而受損。當(dāng)負(fù)載為電機(jī)或熒光燈時(shí)，尤其如此，這樣的負(fù)載構(gòu)成一種強(qiáng)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(hào)的性質(zhì)。一種較好的做法是使用EMC/EMI抑制器，如ESD保護(hù)裝置，以確保系統(tǒng)能維持一定的穩(wěn)定水平。
在實(shí)現(xiàn)部分前述方法時(shí)，主要后果是與元件相關(guān)的電容。甚至電纜也會(huì)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(gè)主要關(guān)注點(diǎn)，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(fù)載電容形成限制。
如果與運(yùn)算放大器輸出相連的電容超過最大允許值，結(jié)果會(huì)影響運(yùn)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(yùn)用緩沖電壓DAC，可用來降低運(yùn)算放大器不穩(wěn)定性的方法有以下幾種：
1.RSHUNT法
2.外部負(fù)載網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)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(yùn)算放大器與負(fù)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(gè)零，結(jié)果使閉環(huán)在高頻下能保持穩(wěn)定。選擇的這個(gè)零應(yīng)至少比GBP(增益帶寬積)低一個(gè)十倍頻程。但這里的問題是，DAC的技術(shù)規(guī)格不包括這個(gè)數(shù)字，原因是其不相關(guān)，因?yàn)閮?nèi)部運(yùn)算放大器充當(dāng)?shù)氖蔷彌_器。
在這種情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，應(yīng)該選擇一個(gè)盡量小的值，以減少電阻的影響;其范圍一般在5 Ω至50 Ω之間。如果使用該方法，負(fù)載電壓會(huì)下降，因?yàn)檫@種方法在物理上實(shí)現(xiàn)為一個(gè)電阻分壓器，會(huì)影響其他規(guī)格，比如，壓擺率降低，建立時(shí)間延長等。結(jié)果，DAC在負(fù)載或傳感器端的整體性能會(huì)下降。
通過增加RSHUNT值，阻尼比(ζ)也會(huì)隨之增加，使其成為一種合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法;但是，當(dāng)負(fù)載幅度較小且電壓軌較低時(shí)(如惠斯登電橋激勵(lì))，不建議使用這種方法，因?yàn)榭赡軐?dǎo)致幅度大幅下降。減小電壓范圍，比如，使用阻抗為1 kΩ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(huì)減小負(fù)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(huì)減小靠近振蕩頻率的負(fù)載阻抗，使負(fù)載的實(shí)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(yàn)確定，要分析與負(fù)載相連的DAC的瞬態(tài)響應(yīng)。
一般地，計(jì)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，分布式系統(tǒng)中模擬信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)脑肼曇种?/p>
理想電阻應(yīng)低于1 ?，RSNUBBER值越低，過沖就越低;但從實(shí)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三分之一，
圖3.緩沖法
緩沖法和分路法對于補(bǔ)償或隔離容性負(fù)載十分有用，當(dāng)負(fù)載或傳感器需要遠(yuǎn)程激勵(lì)時(shí)，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(dòng)能力，集成了基準(zhǔn)電壓源，更有高達(dá)4 kV ESD的魯棒性，眾多優(yōu)點(diǎn)使其成為負(fù)載或板外傳感器激勵(lì)的理想DAC。
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在分布式系統(tǒng)中，模擬信號(hào)在傳感器或負(fù)載間來回遠(yuǎn)程傳輸。在這類系統(tǒng)中，信號(hào)要傳輸很長的距離，噪聲抑制能力成為一個(gè)重要考慮因素。噪聲會(huì)耦合進(jìn)信號(hào)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(hù)，了解預(yù)期噪聲的量和性質(zhì)可以明確需要采取的保護(hù)措施，以取消或者至少減少環(huán)境干擾水平。
本文引用地址：http://2s4d.com/article/201603/288462.htm噪聲源或干擾源一般有兩種，根據(jù)其耦合進(jìn)主信號(hào)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(huì)同時(shí)耦合到系統(tǒng)GND信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)中，這主要是由電纜與真實(shí)GND間的偶極天線效應(yīng)造成的。這種情況不會(huì)使信號(hào)減弱，因?yàn)樵肼曂瑫r(shí)耦合進(jìn)兩個(gè)通道，而且幅度相似。問題在于，共模噪聲會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失調(diào)，使真實(shí)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(shí)GND(比如，通過金屬箱保護(hù)傳感器時(shí))，則可能使負(fù)載飽和。其次，可能產(chǎn)生電弧，結(jié)果會(huì)損壞傳感器。在激勵(lì)惠斯登電橋時(shí)，共模噪聲尤其麻煩，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)需要由控制器進(jìn)行處理，通常是用到一個(gè)儀表放大器，而這種放大器的CMRR有限，結(jié)果可能會(huì)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(hào)，可以減少共模噪聲。重要的是，不對稱衰減的共模噪聲會(huì)產(chǎn)生差模噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中，不對稱衰減的一個(gè)例子是低通濾波器;用一個(gè)電阻和電容實(shí)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(lì)與系統(tǒng)GND之間耦合的。該噪聲之所以會(huì)耦合到信號(hào)中，是因?yàn)橄到y(tǒng)GND與充當(dāng)天線的信號(hào)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(shí)置于獨(dú)立于控制器的腔室中。這種設(shè)置會(huì)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(hào)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(hào)，在控制器與傳感器之間采用星型連接，同時(shí)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(huì)因?yàn)殡姎膺^應(yīng)力而受損。當(dāng)負(fù)載為電機(jī)或熒光燈時(shí)，尤其如此，這樣的負(fù)載構(gòu)成一種強(qiáng)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(hào)的性質(zhì)。一種較好的做法是使用EMC/EMI抑制器，如ESD保護(hù)裝置，以確保系統(tǒng)能維持一定的穩(wěn)定水平。
在實(shí)現(xiàn)部分前述方法時(shí)，主要后果是與元件相關(guān)的電容。甚至電纜也會(huì)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(gè)主要關(guān)注點(diǎn)，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(fù)載電容形成限制。
如果與運(yùn)算放大器輸出相連的電容超過最大允許值，結(jié)果會(huì)影響運(yùn)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(yùn)用緩沖電壓DAC，可用來降低運(yùn)算放大器不穩(wěn)定性的方法有以下幾種：
1.RSHUNT法
2.外部負(fù)載網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)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(yùn)算放大器與負(fù)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(gè)零，結(jié)果使閉環(huán)在高頻下能保持穩(wěn)定。選擇的這個(gè)零應(yīng)至少比GBP(增益帶寬積)低一個(gè)十倍頻程。但這里的問題是，DAC的技術(shù)規(guī)格不包括這個(gè)數(shù)字，原因是其不相關(guān)，因?yàn)閮?nèi)部運(yùn)算放大器充當(dāng)?shù)氖蔷彌_器。
在這種情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，應(yīng)該選擇一個(gè)盡量小的值，以減少電阻的影響;其范圍一般在5 Ω至50 Ω之間。如果使用該方法，負(fù)載電壓會(huì)下降，因?yàn)檫@種方法在物理上實(shí)現(xiàn)為一個(gè)電阻分壓器，會(huì)影響其他規(guī)格，比如，壓擺率降低，建立時(shí)間延長等。結(jié)果，DAC在負(fù)載或傳感器端的整體性能會(huì)下降。
通過增加RSHUNT值，阻尼比(ζ)也會(huì)隨之增加，使其成為一種合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法;但是，當(dāng)負(fù)載幅度較小且電壓軌較低時(shí)(如惠斯登電橋激勵(lì))，不建議使用這種方法，因?yàn)榭赡軐?dǎo)致幅度大幅下降。減小電壓范圍，比如，使用阻抗為1 kΩ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(huì)減小負(fù)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(huì)減小靠近振蕩頻率的負(fù)載阻抗，使負(fù)載的實(shí)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(yàn)確定，要分析與負(fù)載相連的DAC的瞬態(tài)響應(yīng)。
一般地，計(jì)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，分布式系統(tǒng)中模擬信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)脑肼曇种?/p>
理想電阻應(yīng)低于1 ?，RSNUBBER值越低，過沖就越低;但從實(shí)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三分之一，
圖3.緩沖法
緩沖法和分路法對于補(bǔ)償或隔離容性負(fù)載十分有用，當(dāng)負(fù)載或傳感器需要遠(yuǎn)程激勵(lì)時(shí)，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(dòng)能力，集成了基準(zhǔn)電壓源，更有高達(dá)4 kV ESD的魯棒性，眾多優(yōu)點(diǎn)使其成為負(fù)載或板外傳感器激勵(lì)的理想DAC。
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