信号的污染源：高频共模产生的误差

高频共模（HFCM）是一种无处不在的状况。只要周围有劳动者，就会有高频垃圾的发生器。它的存在可以通过它在仪器中产生的神秘错误来识别。许多仪器（包括放大器、DVM 和其他数据系统组件）的精度经常受到高频共模输入信号的影响。由此引起的失调误差经常归咎于几乎不存在的热效应。甚至传感器及其激励电源也会受到该误差源的影响。

问题的症状？

您是否曾经遇到过毫伏输出电平传感器（传感器）似乎有过多的漂移或噪声？然后更换为另一台设备后，问题仍然存在。也许问题不在于换能器中的漂移？经常被错误识别的罪魁祸首是在电缆连接器或其他布线连接中产生的热偏移。使用数百英尺长的电缆进行了测试，该电缆与不同制造商的六个中间连接器一起运行。所有电线都是软铜，连接器都是焊接黄铜，带有镀金配合表面。电缆线路的各种连接器和部分在数小时内暴露在高达 150°F 的温度下。传感器电缆端接在暴露在最高温度下的单个康铜应变计中。在测试过程中，环路仪器端的最大峰峰值电压偏移为3 μV。如此之多，对于显着的热引起的偏移误差！但是噪音呢？有些人很幸运，数据放大器输出端的噪声可以识别为手机或对面广播电台的谈话。这是放大器对放大器输入端的无线电频率以某种方式敏感的必要线索。然而，大多数人就没有那么幸运了。他们只经历零偏移，他们重新归零通道并继续采集数据。数据必须正常。 。 。毕竟，传感器输出在测试开始时为零......他们不知道偏移的原因，也不知道在数据采集期间，偏移量在测试期间会偶尔变化为新的、明显不同的偏移值。

如图1所示，许多测试情况的数据放大器与传感器相隔数十到数百英尺。传感器是否直接连接到远程位置的地面并不重要。在高频下，传感器外壳、其安装表面和传感器电路都有足够的电容相互提供接地返回路径。因此，形成了环形天线。由计算机、无线电台和无数其他来源产生的场产生的高频电压出现在环路的最高阻抗上。这几乎无一例外地介于放大器输入端子和放大器的接地参考之间。因此，放大器输入电路暴露在远远超出其回转能力的信号中。这会导致偏移显示为附加信号，或者简单来说，是不断变化的偏移误差。

但是，我没有这样的问题！（还是我？

如果你想要一个免费的午餐，由一个怀疑的同胞提供，让他（她）根据他们没有这样的问题的假设下注。然后，这里是如何证明确实存在潜伏在阴影中的严重问题。如图2所示，首先断开传感器电缆，使数据放大器输入端子短路。然后用尽可能短的导线将这些短路的输入端子和保护端子连接到放大器的电路公共。观察放大器的输出电压。然后更换与放大器电路的通用连接，与正常连接的传感器电缆导体的连接。如果观察到放大器的输出电压存在差异，则表示您已经观察到放大器输入端不同共模电压引起的误差。毕竟，在这两种情况下，您都有零（短路）正常模式信号。如果您想评估这种神秘的共模信号，请购买具有兆赫兹功能的示波器。将其公共连接到数据系统公共，并将其信号输入端连接到短路的传感器引线并观察示波器显示。在大型航空航天制造商的各种测试实验室中尝试时，示波器显示的包络为数百毫伏，其中包含从电源线到许多兆赫兹的频率。

共模效应

测试 图 2

例如，在大型实验室数据系统的仪器地面和大约3英尺远的实验室之间观察到图100所示的电压。在这种情况下，在低频下基本上没有能量，在频率超过一兆赫兹时没有重要成分。当信号源、可溯源校准电源和要校准的未受保护的输入放大器位于同一继电器机架机柜中时，甚至会出现不可接受的偏移。是的，附近的机柜里有一台电脑。

“无保护输入放大器”是什么意思？它表示在其输入端没有任何高频共模滤波的放大器。如果暴露，它很可能会达到其压摆极限，并且由于正向和负向极限永远不会完全相同，因此结果将是偏移误差。正常模式压摆限制也可能以相同的结果发生，但这通常更容易预见。但是，它可能是一个现实生活中的错误贡献者。如果放大器没有压摆限制引起的问题，则不得暴露在任何信号下，共模或正常模式，这将导致其被驱动到这种情况。图4显示了这种回转引起的畸变，大约270度。这导致放大器输出失调误差为满量程的3%。

问题所在

很难找到一个市场上的放大器，它确实具有足够的保护，在电磁不卫生的世界中不受影响的高频共模信号不受影响。对于没有经验的用户来说，最容易误导的是集成电路仪表放大器的营销商。这些产品对粗心的用户非常有吸引力，因为它们价格低廉，规格好，应用明显方便。数据手册说明了放大器在典型工作参数内的工作情况，但未能告诉您如何在正常测试环境中保持在这些参数范围内。容易产生的正常或共模尖峰都可能超过这些限值，有时甚至是破坏性的，因为该器件在设计上具有非常高的输入阻抗。同样不幸的是，制造商的规格表很少包括超过一百赫兹左右的共模性能。超过此未声明的限制将导致偏移并生成数据错误。

直流失调与高频共模的关系不能用共模抑制比表示，CMRR在数据手册上，因为这两个参数并不相干。如果给出高频CMRR，则它是该频率下输出与输入的关系。没有多少仪表放大器输出级在任何情况下都能通过兆赫兹数据，因此具有出色的高频CMRR。规格再次获胜！

除了极少数制造商的产品外，大多数售价数百到几千美元的仪表放大器单元都带有旋钮、计算机接口和其他幻想，没有高频共模保护。由于电路的信号处理能力在摆动极限以下为线性，高于为非线性，因此失调误差与输入高频共模电压的关系非常非线性。图5显示了不带三线滤波器的放大器的性能。同一放大器及其滤波器在图的所有条件下的满量程失调均小于0.01%。曾经对一个市场上的仪表放大器单元进行了评估，几乎可以想象到所有可以想象的花里胡哨的东西。当承受100 mV的2 MHz共模时，它饱和了产生的13 V输出。然而，这些放大器单元中的大多数都包含输入过压保护。

 

当所需的信号带宽仅为几赫兹时，可以使用最简单的保护类型。在放大器前面插入一个非常简单的R-C滤波器将提供共模和普通模式保护。这种用于具有低输入电流的放大器的电路如图6所示。它的正常模式转折频率远低于共模转折频率。如果不是这种情况，两个共模R-C滤波器元件必须精确匹配，以避免在幅度衰减相对于频率发生不匹配的频率下将共模转换为普通模式。如图所示电路所示，在此不匹配的转折频率下，正常模式频率会大大衰减。

如果所需的信号带宽扩展到千赫兹区域，或者更重要的是，扩展到接近或超过放大器共模转换能力的频率，则解决方案将变得更加困难和简单。如果放大器以更高的增益工作，则相对较高的高频共模信号幅度需要对它们进行较大的衰减，以便它们不会因输入级的压摆限制而转换为正常模式信号偏移。这需要一个滤波器，该滤波器将抑制高频共模信号，但不会影响正常模式信号。它也不能将共模转换为普通模式信号。

解决方案

这种无源滤波器如图7所示，是由Astrodata的Bill Gunning多年前设计的，是对长途电话电路中长期使用的幻影电路的改编。1.滤波单元，有时称为三线电感器，其构造方式使三个绕组的相互耦合尽可能接近统一。因此，在一个绕组上产生的任何频率的任何电压都会在其他两个绕组中精确复制。因此，第三个绕组上的任何电压都平等地出现在每个放大器输入端。如果这个电压是传感器端的传感器共模电压和放大器端的放大器共模电压，那么两条信号线上也会有放大器共模电压或者相对于放大器电路，共模电压为零。

三氟光共模滤波器

图7

扩展上述描述，在大多数放大器设计中，低频共模值是根据普通模式输入信号计算的。该电压就是放大器识别的共模电压。放大器使用该电压以共模驱动输入级电源，从而增强其低频共模性能。由于驱动输入级电源所需的功率相对较高，共模放大器的压摆能力通常限制在几十千赫兹的频率。它受带宽限制，因此共模电压不会超过其转换能力。放大器的共模抗扰度通过增加三线电感器（变压器）而扩展到这些频率之外。

根据定义，保护引线或屏蔽引线具有传感器引线共模信号。变压器的第三个绕组连接在传感器引线保护装置和放大器的共模点之间，从而导致传感器共模和放大器共模之间的任何高频电压差出现在变压器的第三个绕组上。电容器与该绕组串联，以便很少有电流以低频流过变压器，避免磁芯饱和。在高频下，由于共模放大器的带宽限制，放大器输入保护端的共模信号基本上为零。由于采用三丝变压器，该共模信号在每个差分输入端也基本上为零且相等。因此，放大器不会暴露在大量的高频共模电压下。

正如人们可能得出的结论，理论的解释和概念的实现并不同样简单。设计合理的滤波电路将在放大器共模能力开始减弱的频率下生效。变压器还必须具有非常低的分布电容，以便非常高的频率不会穿过滤波器传导到放大器输入端。通常，需要第二个更小、更低电感的单元来扩展高频性能。

到目前为止，只有数据放大器被确定为问题设备。该设备不必是“放大器”即可出现所描述的问题。您是否曾经将两个不同型号的数字电压表依次连接到同一个热电偶或应变计，并观察到两个不同的读数？甚至将两个连接到同一个源并具有两个不同的读数？如果是这样，您再次遇到由高频共模引起的错误。示波器、数字电压表或任何其他用于进行低液位测量的设备都可能容易受到影响。这些器件通常使用短引线，这是许多应用中的节省因素。

这个讨论包括的定量数字很少，因为有很多因素加在一起会导致错误产生。对于管理良好的测试实验室来说，一个好的理念是指定和购买在最坏的测试条件下运行而不会产生重大错误的仪器设备。因此，最粗心和缺乏经验的测试工程师在获取有意义的测试数据时不会遇到问题。很难确定何时具有最佳条件，即在共模敏感设备中不产生错误的条件。过去的经验表明，只有在拆除测试设置后才能发现受污染和有问题的数据。两种共模抗扰度规格如图8所示。不太严格的规范适用于单卡、普通供电、计算机控制的放大器单元。在所示限值下，任一规格允许的最大失调为0.04%满量程。

传感器也是？

更鲜为人知的是，传感器在不同程度上也容易受到共模污染的影响。幸运的是，最敏感的设计往往是那些在最高精度设备中使用最多的设计。这些设计包含有源电路，以增强其对电感、容量或电荷变化的灵敏度，以器件感兴趣的参数为准。例如，这些传感器包括用于测量压力、加速度和流体流量的传感器。电路和设备外壳之间的电压变化将被电路识别为该监控参数的变化，并作为信号出现在输出端。这些器件中的大多数都包含一个振荡器，它们极易受到振荡器频率附近的共模频率或其倍数的影响。

图9显示了包含振荡器的流量计的灵敏度。由于此类设备中的电路保护未知，因此唯一显而易见的解决方案是直接连接电路公共和传感器外壳。由于信号源现在接地良好，接收设备必须接受产生的共模电压。很多时候，信号包含不希望的传感器内部振荡器频率作为共模电压和普通模式电压。高频共模容限放大器的另一种应用！

最近的一项经验表明，即使是来自普通应变计压力传感器的信号有时也会受到共模电压的污染。对象传感器用于测量液压，并观察到与泵控制器相关的重大误差导致信号。由于应变计传感器具有浮桥，因此电桥电源连接到数据系统接地，以控制放大器看到的直流共模电压。将电桥电源基准移至传感器外壳后，泵控制器的干扰明显减少。这些观察是用示波器进行的，没有记录有限的值。观察到的误差差异大约是一个数量级。图 10 显示了这两种接地配置。该测试表明，同样使用应变计传感器时，传感器电路必须以传感器外壳为参考，以最大程度地减少共模引起的误差。高频抗共模放大器是完善数据系统的必要元件。

总之，可以说大多数测试情况都包含大量的高频共模信号。在许多情况下，所需数据被污染，因为大多数常见仪器容易受到高频共模电压（信号）的影响。您甚至不必从事航空航天业务即可获得资格。仪器仪表永远不会远离计算机或其他射频垃圾发生器。要确定您的数据是否受到污染，您必须通过一些简单的测试来寻找它，因此，购买一些新的、抗 HFCM 的仪器。

审核编辑：郭婷