中心議題：
- 傳感器的噪聲來源和分析
- 傳感器噪聲的抑制措施
解決方案：
- 靜電屏蔽和磁場屏蔽
- 采用變壓器和光電耦合器
- 降低噪聲的信號處理電路
傳感器作為自控系統(tǒng)的前沿哨兵,猶如電子眼一般將被測信息接收并轉(zhuǎn)換為有效的電信號,但同時,一些無用信號也攙雜在其中。這些無用信號我們統(tǒng)稱為噪聲。
應(yīng)該說,噪聲存在于任何電路之中,但它對傳感器電路的影響卻尤為突出。這是因為,傳感器的輸出阻抗一般都很高,使其輸出信號衰減厲害,同時,傳感器自容易被噪聲信號淹沒。因此,噪聲的存在必定影響傳感器的精度和分辨率,而傳感器又是檢測自控系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié),于是勢必影響整個自控系統(tǒng)的性能。
由此,噪聲的研究是傳感器電路設(shè)計中必須考慮的重要環(huán)節(jié),只有有效地抑制、減少噪聲的影響才能有效利用傳感器,才能提高系統(tǒng)的分辨率和精度。
但噪聲的種類多,成因復(fù)雜,對傳感器的干擾能力也有很大差異,于是抑制噪聲的方法也不同。下面就傳感器的噪聲問題進行較全面的研究。
傳感器的噪聲分析及對策
傳感器噪聲的產(chǎn)生根源按噪聲源分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。
內(nèi)部噪聲——來自傳感器件和電路元件的噪聲。
1 熱噪聲
熱噪聲的發(fā)生機理是,電阻中自由電子做不規(guī)則的熱運動時產(chǎn)生電位差的起伏,它由溫度引發(fā)且與之呈正比,由下面的奈奎斯特公式表示：
其中,Vn：噪聲電壓有效值;K：波耳茲曼常數(shù)(1.38×10-23J·K-1);T：絕對溫度(K);B：系統(tǒng)的頻帶寬度(Hz);R：噪聲源阻值(Ω)。
噪聲源包括傳感器自身內(nèi)阻,電路電阻元件等。
由公式(1)可見,熱噪聲由于來自器件自身,從而無法根本消除,宜盡可能選擇阻值較小的電阻。
同時,熱噪聲與頻率大小無關(guān),但與頻帶寬成正比,即,對應(yīng)不同的頻率有均勻功率分布,故,也稱白噪聲。因此,選擇窄頻帶的放大器和相敏檢出器可有效降低噪聲。
2 放大器的噪聲
3 散粒噪聲
散粒噪聲的噪聲源為晶體管,其機理是由到達電極的帶電粒子的波動引起電流的波動形成的。噪聲電流In與到達電極的電流Ic及頻帶寬度B成正比,可表示為：
由此可見,使用雙極型晶體管的前置放大器來放大傳感器的輸出信號的場合,選Ic取值盡可能小。同時,也可選擇窄頻帶的放大器降低散粒噪聲電流。
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4 1/f 噪聲
1/f 噪聲和熱噪聲是傳感器內(nèi)部的主要噪聲源,但其產(chǎn)生機理目前還有爭議,一般認為它是一種體噪聲,而不是表面效應(yīng),源于晶格散射引起。在晶體管的P-N附近是電子-空穴再復(fù)合的不規(guī)則性產(chǎn)生的噪聲,該噪聲的功率分布與頻率成反比,并由此而得名。其噪聲電壓表示為：
Hooge還在1969年提出了一個解釋1/f 噪聲的經(jīng)驗公式：
式中,SRH和SVH為相應(yīng)于電阻起伏和電壓起伏的功率噪聲密度,V為加在R上的偏壓,N為總的自由載流子數(shù),α叫Hooge因子,是一個與器件尺寸無關(guān)的常數(shù),它是一個判斷材料性能的重要參數(shù)。
對于矩形電阻,總的自由載流子數(shù)N＝PLWH,其中,P為載流子濃度,L、W、H為電阻的長、寬、厚。
因此,我們可以得出：1/f噪聲與力敏電阻的幾何參數(shù)有關(guān),一般對某確定的材料,擴大電阻面積可以使N增加、減小1/f噪聲。同時,實驗表明：一味增加尺寸將降低靈敏度,增加噪聲譜振動幅度,而選L/W＝10,L在100μm～200μm較合適。
同時,1/f 噪聲與材料也有關(guān)。實驗表明：單晶硅明顯好于微晶硅,而微晶硅略好于多晶硅。主要原因在于,單晶硅具有較完整的晶格結(jié)構(gòu)。材料因數(shù)引起的1/f 噪聲除了晶格缺陷外,材料中的氫原子或原子團的移動和晶粒的邊界也是引起1/f 噪聲的另一個主要原因。
由以上公式可知,載流子濃度與1/f 噪聲成反比,而不同的摻雜濃度對應(yīng)著不同的載流子濃度,因此摻雜濃度也是影響1/f 噪聲的因數(shù)。實驗表明,摻雜濃度每增加10倍,1/f 噪聲降低36％～50％,但最佳攙雜濃度一般選為5×1015cm-2。
5 開關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲
一般在使用模擬多路開關(guān)使眾多的傳感器輸出交替使用一個放大器電路的場合(如MOS型圖像傳感器),開關(guān)的開、合產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲干擾,而疊加到輸出信號中。
對開關(guān)噪聲的抑止通常用設(shè)置相應(yīng)的偽傳感器電路的方法。
外部噪聲
外部噪聲是由傳感器電路外的人為或自然干擾造成的。主要原因就是電磁輻射。其噪聲源十分廣泛,幾乎包括所有的電氣、電力機械,還有雷電、大氣電離等自然現(xiàn)象,同時,系統(tǒng)中的模數(shù)部分有公共接地、公共電源時,數(shù)字信號的頻繁電流變化在模擬電路中產(chǎn)生噪聲,它們通過靜電耦合、電磁耦合和漏電電流等形式存在于傳感器的電路中,如圖1所示。
針對以上成因,需要對傳感器電路采取靜電屏蔽和磁場屏蔽,從而減少噪聲源與傳感電路間的靜電和磁的耦合度,達到抑制外來噪聲的目的。通常采取的措施有：
模數(shù)混合電路的處理
要求將模擬電路和數(shù)字電路的電源、地線分別獨立開來,并使數(shù)字電路的直流電源的內(nèi)阻盡可能小些,以減少數(shù)字信號對模擬回路的影響。
抗雜散電磁場的干擾
屏蔽是減少外界的噪聲干擾的主要方法。屏蔽就是用低電阻材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來,以隔離內(nèi)外電磁或電場的相互干擾。
屏蔽一般分三種：電場屏蔽,磁場屏蔽,電磁屏蔽。
電場屏蔽主要用來防止元器件或電路間因分布電容耦合產(chǎn)生的干擾。一般選用高電導(dǎo)率的材料如銅、鐵等金屬。電場屏蔽體必須可靠接地。
磁場屏蔽主要用來消除元器件或電路間因磁場寄生耦合產(chǎn)生的干擾。一般選用高磁導(dǎo)率的材料如軟鐵、坡莫合金等。
電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的干擾,因此使用高電導(dǎo)率的材料如銅、銀等金屬是有效的,它們是利用電磁場在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流吸收其能量而達到屏蔽的目的。
隔離
隔離是為了將前后兩個電路的信號接地端從電路上隔開,因為它們?nèi)菀仔纬森h(huán)路電流,引起噪聲干擾。隔離的主要方法是采用變壓器和光電耦合器。變壓器隔離只適用于交流電路,在直流或超低頻測量系統(tǒng)中,常采用光電耦合隔離。
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輸出線、電源線、配線、布線的要求
傳感器的輸出線應(yīng)相互扭絞,以減少外界磁力線的影響。同時,輸出線盡可能短些。
如噪聲電流流入電源線和配線,就會放射噪聲磁場,也會受噪聲源的電磁場感應(yīng)拾取噪聲,即容易起噪聲的發(fā)送和接收作用。因此,必須使各配線不具備天線效應(yīng)。雙股線和絞線可消磁場,但不能完全消除靜電效應(yīng)。同軸電纜就可同時消除電磁場。
環(huán)狀布線時,與環(huán)狀交叉的磁力線所引起的電動勢會產(chǎn)生噪聲。因此,布線應(yīng)盡可能使電流的進出導(dǎo)線不靠近且呈扭絞狀。
平衡-不平衡變壓器對共模噪聲呈高阻抗,對正常噪聲呈低阻抗,從而在從不平衡布線至絞線所引起的平衡布線的過程中吸收了噪聲。
降低噪聲的信號處理電路
傳感器電路首先需要將采樣的微弱信號進行放大。但同時并存許多噪聲源：傳感器內(nèi)阻、電纜電阻、放大器電路以及電路周圍的電磁干擾源。因此,通常用低通濾波器和差分放大器等來抑制差模噪聲和共模噪聲(如圖3所示)。
設(shè),Vs為傳感器的信號電壓;Vn1、Vn2為外部噪聲源在電纜線上的感應(yīng)噪聲電壓;Vns為電路噪聲,因此,差分放大器輸出電壓Vo為：
1.差分放大電路
集成運算放大器的輸入級利用差分電路的對稱性不僅能消除零點漂移現(xiàn)象,還能削減共模信號,提高共模抑制比,消除噪聲干擾。
2.濾波電路
濾波電路的作用主要是對輸入信號進行處理,通常是希望濾出噪聲。濾波器種類很多,從大的方向可分為經(jīng)典濾波器與現(xiàn)代濾波器兩大類。經(jīng)典濾波器可濾出與有用信號占用不同頻帶的噪聲,但對有用信號與噪聲的頻譜相互重疊的情況卻無能為力。圖4所示是信號與噪聲的頻譜,圖4中,S(f)為有用信號,頻帶為f1～f2,N(f)為噪聲,經(jīng)濾波后只能濾出f1～f2以外的噪聲,噪聲與信號重疊部分無法濾出。
現(xiàn)代濾波器把信號與噪聲都視為隨機信號,利用它們的統(tǒng)計特征導(dǎo)出一套最佳估算法,然后用硬件或軟件予以實現(xiàn),維拉濾波器便是其代表。
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通常,經(jīng)典濾波器用得最多。濾波電路可以由無源元件R、L、C組成,如圖5所示的線路濾波器;也可以包含有源元件(如圖6所示),它的優(yōu)點主要是具有一定的信號放大和帶負載能力。濾波電路從功能上又可分為四類：低通(LP)、高通(HP)、帶通(BP)、帶阻(BS)濾波器。每一種又有模擬(AF)與數(shù)字(DF)濾波器兩種形式。由于傳感器信號一般為緩慢變化的信號,故選用低通濾波器抑止高頻噪聲信號最多。通常如巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、橢圓濾波器等。常用低通濾波電路如圖6所示。
3.相位檢波電路
在預(yù)知信號為周期性時,可采取與信號周期同步地取樣輸出以提高信噪比。雖然噪聲是隨機的,但經(jīng)N次取樣后,信噪比可改善N1/2倍。其原理圖如圖7所示。
若信號和開關(guān)周期T,一周期中關(guān)閉時間為ΔT,在τ＝CR》T的條件下,電容二端的噪聲電壓為：
由此,
另一方面,信號經(jīng)τ/(ΔT/T)時間后已漸漸接近平均值Es故經(jīng)過充分時間后有
若開關(guān)每半周期閉合,ΔT＝T/2,則S/N改善2(τf)1/2倍。
數(shù)字信號處理
數(shù)字信號處理技術(shù)(DSP)利用微計算機、單片機、DSP芯片等硬件,以數(shù)值計算為基礎(chǔ)編寫軟件來實現(xiàn)對信號的處理。它具有精確、抗干擾強、速度快等優(yōu)點,是模擬信號處理技術(shù)無法比擬的。作為一門新興學(xué)科,數(shù)字信號處理技術(shù)在信息時代得以迅速發(fā)展,成為傳感系統(tǒng)濾波的又一先進方法。
結(jié)束語
傳感器的噪聲抑制了其精度的有效實現(xiàn),成為傳感器電路不得不重視的問題。但通過對傳感器噪聲源的分析,完全可以用相應(yīng)的方法和信號處理電路來進行有效的抑制,保證傳感器正常工作。
