中心議題：
- 傳感器的噪聲來(lái)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(chǎng)屏蔽
- 采用變壓器和光電耦合器
- 降低噪聲的信號(hào)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(cè)信息接收并轉(zhuǎn)換為有效的電信號(hào),但同時(shí),一些無(wú)用信號(hào)也攙雜在其中。這些無(wú)用信號(hào)我們統(tǒng)稱為噪聲。
應(yīng)該說(shuō),噪聲存在于任何電路之中,但它對(duì)傳感器電路的影響卻尤為突出。這是因?yàn)?傳感器的輸出阻抗一般都很高,使其輸出信號(hào)衰減厲害,同時(shí),傳感器自容易被噪聲信號(hào)淹沒(méi)。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(cè)自控系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié),于是勢(shì)必影響整個(gè)自控系統(tǒng)的性能。
由此,噪聲的研究是傳感器電路設(shè)計(jì)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(duì)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(wèn)題進(jìn)行較全面的研究。
傳感器的噪聲分析及對(duì)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(lái)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(jī)理是,電阻中自由電子做不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)時(shí)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(duì)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(jiàn),熱噪聲由于來(lái)自器件自身,從而無(wú)法根本消除,宜盡可能選擇阻值較小的電阻。
同時(shí),熱噪聲與頻率大小無(wú)關(guān),但與頻帶寬成正比,即,對(duì)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(jī)理是由到達(dá)電極的帶電粒子的波動(dòng)引起電流的波動(dòng)形成的。噪聲電流In與到達(dá)電極的電流Ic及頻帶寬度B成正比,可表示為：
由此可見(jiàn),使用雙極型晶體管的前置放大器來(lái)放大傳感器的輸出信號(hào)的場(chǎng)合,選Ic取值盡可能小。同時(shí),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(jī)理目前還有爭(zhēng)議,一般認(rèn)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?gòu)?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(gè)解釋1/f 噪聲的經(jīng)驗(yàn)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(gè)與器件尺寸無(wú)關(guān)的常數(shù),它是一個(gè)判斷材料性能的重要參數(shù)。
對(duì)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(zhǎng)、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(duì)某確定的材料,擴(kuò)大電阻面積可以使N增加、減小1/f噪聲。同時(shí),實(shí)驗(yàn)表明：一味增加尺寸將降低靈敏度,增加噪聲譜振動(dòng)幅度,而選L/W＝10,L在100μm～200μm較合適。
同時(shí),1/f 噪聲與材料也有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明：?jiǎn)尉Ч杳黠@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(tuán)的移動(dòng)和晶粒的邊界也是引起1/f 噪聲的另一個(gè)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲
一般在使用模擬多路開(kāi)關(guān)使眾多的傳感器輸出交替使用一個(gè)放大器電路的場(chǎng)合(如MOS型圖像傳感器),開(kāi)關(guān)的開(kāi)、合產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲干擾,而疊加到輸出信號(hào)中。
對(duì)開(kāi)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(jī)械,還有雷電、大氣電離等自然現(xiàn)象,同時(shí),系統(tǒng)中的模數(shù)部分有公共接地、公共電源時(shí),數(shù)字信號(hào)的頻繁電流變化在模擬電路中產(chǎn)生噪聲,它們通過(guò)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(duì)以上成因,需要對(duì)傳感器電路采取靜電屏蔽和磁場(chǎng)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(dá)到抑制外來(lái)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(dú)立開(kāi)來(lái),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(hào)對(duì)模擬回路的影響。
抗雜散電磁場(chǎng)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(lái),以隔離內(nèi)外電磁或電場(chǎng)的相互干擾。
屏蔽一般分三種：電場(chǎng)屏蔽,磁場(chǎng)屏蔽,電磁屏蔽。
電場(chǎng)屏蔽主要用來(lái)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(chǎng)屏蔽體必須可靠接地。
磁場(chǎng)屏蔽主要用來(lái)消除元器件或電路間因磁場(chǎng)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(lái)防止高頻電磁場(chǎng)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(chǎng)在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流吸收其能量而達(dá)到屏蔽的目的。
隔離
隔離是為了將前后兩個(gè)電路的信號(hào)接地端從電路上隔開(kāi),因?yàn)樗鼈內(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(cè)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(shí),輸出線盡可能短些。
如噪聲電流流入電源線和配線,就會(huì)放射噪聲磁場(chǎng),也會(huì)受噪聲源的電磁場(chǎng)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(chǎng),但不能完全消除靜電效應(yīng)。同軸電纜就可同時(shí)消除電磁場(chǎng)。
環(huán)狀布線時(shí),與環(huán)狀交叉的磁力線所引起的電動(dòng)勢(shì)會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此,布線應(yīng)盡可能使電流的進(jìn)出導(dǎo)線不靠近且呈扭絞狀。
平衡-不平衡變壓器對(duì)共模噪聲呈高阻抗,對(duì)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(guò)程中吸收了噪聲。
降低噪聲的信號(hào)處理電路
傳感器電路首先需要將采樣的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。但同時(shí)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(lái)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(hào)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(yùn)算放大器的輸入級(jí)利用差分電路的對(duì)稱性不僅能消除零點(diǎn)漂移現(xiàn)象,還能削減共模信號(hào),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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(hào)占用不同頻帶的噪聲,但對(duì)有用信號(hào)與噪聲的頻譜相互重疊的情況卻無(wú)能為力。圖4所示是信號(hào)與噪聲的頻譜,圖4中,S(f)為有用信號(hào),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(hào)重疊部分無(wú)法濾出。
現(xiàn)代濾波器把信號(hào)與噪聲都視為隨機(jī)信號(hào),利用它們的統(tǒng)計(jì)特征導(dǎo)出一套最佳估算法,然后用硬件或軟件予以實(shí)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(wú)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(diǎn)主要是具有一定的信號(hào)放大和帶負(fù)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(hào)一般為緩慢變化的信號(hào),故選用低通濾波器抑止高頻噪聲信號(hào)最多。通常如巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V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(hào)為周期性時(shí),可采取與信號(hào)周期同步地取樣輸出以提高信噪比。雖然噪聲是隨機(jī)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(hào)和開(kāi)關(guān)周期T,一周期中關(guān)閉時(shí)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(hào)經(jīng)τ/(ΔT/T)時(shí)間后已漸漸接近平均值Es故經(jīng)過(guò)充分時(shí)間后有
若開(kāi)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(hào)處理
數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSP)利用微計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、DSP芯片等硬件,以數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)編寫(xiě)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理。它具有精確、抗干擾強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn),是模擬信號(hào)處理技術(shù)無(wú)法比擬的。作為一門(mén)新興學(xué)科,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在信息時(shí)代得以迅速發(fā)展,成為傳感系統(tǒng)濾波的又一先進(jìn)方法。
結(jié)束語(yǔ)
傳感器的噪聲抑制了其精度的有效實(shí)現(xiàn),成為傳感器電路不得不重視的問(wèn)題。但通過(guò)對(duì)傳感器噪聲源的分析,完全可以用相應(yīng)的方法和信號(hào)處理電路來(lái)進(jìn)行有效的抑制,保證傳感器正常工作。
