如何激励板外传感器和负载

在分布式系统中，模拟信号与传感器或负载远程传输或从中传输。在这种类型的系统中，信号长距离传播，噪声鲁棒性成为一个主要问题。噪声耦合到信号中，破坏数据并产生不良影响。系统需要得到正确的保护，了解预期噪声的数量和性质将定义需要实施的必要保护，以消除或至少最小化环境干扰的水平。

有两种不同的噪声或干扰源，具体取决于它们耦合到主信号中的方式，即共模和差模噪声，如图1所示。

图1.噪声源。

其中危害较小的是共模噪声，它同时添加到系统GND和激励信号中，主要是由于电缆和实际GND之间的偶极子天线效应。它不会降低信号质量，因为噪声在两个幅度相似的通道中同时耦合。问题在于共模噪声会产生信号偏移，从而抬高实际GND，这会产生两种不良影响。首先，如果负载间接参考实际GND，例如，当传感器受到金属盒保护时，它可能会使负载饱和。其次，它可能产生电弧，损坏传感器。当激励惠斯通电桥时，共模噪声尤其成问题，因为输出信号需要由控制器处理，通常使用仪表放大器，该仪表放大器提供有限的CMRR，因此噪声可能会被放大。

通过使用低通滤波器（例如RC滤波器）或使用共模扼流线圈对输入信号进行滤波，可以将共模噪声降至最低。重要的一点是，不对称衰减的共模噪声会产生差模噪声。不对称衰减的一个实际例子是低通滤波器;截止频率由电阻器和电容器实现，但由于元件容差，两条线路的截止频率不同。

第二个也是最成问题的是差模噪声，它在激励和系统GND之间耦合。由于系统GND和充当天线的信号电缆之间的电流环路，该噪声与信号耦合。在某些应用中，如化学分析，出于安全原因，传感器有时会放置在与控制器分开的腔室中。这种设置会产生数十或数百米的电流环路，因此，任何磁通量都会在信号上产生电流噪声，从而损坏数据。为了尽量减少差模噪声贡献，建议使用铁氧体滤除高频辐射信号、控制器和传感器之间的星形连接以及屏蔽电缆。

在这两种情况下，如果噪音足够大，甚至可能由于电气过应力而损坏设备。当负载是电机或荧光灯时尤其如此，它们提供了强大的 EMC/EMI 源;首先是由于物理电磁成分，其次是由于产生的信号的性质。使用EMC/EMI抑制器（如ESD保护）来保证一定程度的系统鲁棒性始终是一种很好的做法。

实现前面描述的一些方法的主要结果是与元件相关的电容。甚至电缆也由寄生电容组成，因此不能省略。寄生电容与电缆的长度、类型和类别成正比，如表1所示。

类型	类别	描述	电容（pF/m）
扭曲的	5	非屏蔽电缆，非屏蔽双绞线	52
	6一	箔屏蔽电缆，非屏蔽双绞线	5
	7	箔屏蔽电缆，箔屏蔽双绞线	42
同轴的	RG-59/U RG-214/U	单屏蔽，双屏蔽	67 100

AD5683R或AD5686R等集成缓冲电压DAC旨在提供高压摆率和带宽，同时降低功耗，由于多种原因，功耗正成为一个主要问题，例如降低电路板温度、增加每块电路板的元件数量（不增加功耗）以及提高电源效率。结果，放大器内部阻抗ZO（开环阻抗），很大（不要与Z混淆外— 闭环阻抗），限制最大负载电容。

如果连接到运算放大器输出的电容超过最大允许值，运算放大器的稳定性就会受到影响，因此放大器可能会振铃和振荡。

使用缓冲电压DAC可以最大限度地降低运算放大器的不稳定性的方法有几种：

R分流方法

外部负载网络补偿、缓冲法

R型分流该方法需要最少的外部元件，该方法背后的思想相对简单;通过在两端放置一个分立电阻，将运算放大器与负载隔离开来。

R型分流在反馈网络的传递函数中增加一个零，使闭环在高频下稳定。零应选择至少比GBP（增益带宽积）低十倍频程的位置。在这种情况下，问题是DAC规格不包括这个数字，因为它无关紧要，因为内部运算放大器用作缓冲器。

在这种情况下，经验法则建议选择尽可能低的值，以尽量减少电阻性能贡献;5 Ω 至 50 Ω 电阻是一个常见范围。如果使用这种方法，负载电压会下降，因为物理上它是作为电阻分压器实现的，从而影响其他规格，例如较低的压摆率和建立时间。因此，负载或传感器侧的整体DAC规格会降低。

通过增加 R分流值，阻尼比（ζ）增加，使其成为驱动电机的合适方法，但当负载大小小且电压轨较低时，例如在惠斯通电桥激励中，不建议这样做，因为幅度下降可能相当大。减小电压范围，例如，在1 kΩ阻抗中使用5 V电源轨，压降约为2.5%，如图2所示。

图2.R分流方法。

缓冲器方法（或RC分流器）不会降低负载电压范围，因此是低压应用的首选。这种方法背后的想法略有不同。缓冲器网络使接近振荡频率的负载阻抗降低，使负载的实部低于虚部，从而改变相位。

需要通过分析连接到负载的DAC的瞬态响应，凭经验确定正确的元件值选择。

通常，计算基于缓冲区 GBP 低于 1 MHz 的假设。在这种情况下，假设寄生电缆电容为47 nF，

理想电阻应低于 1 Ω，R 越低缓冲值，超调越低，但从实际的角度来看，让我们选择 R缓冲= 10 Ω.

缓冲极点需要高于振荡频率，³

图3.缓冲法。

缓冲和分流方法对于补偿或隔离容性负载非常有用，当负载或传感器需要远程激励时，DAC保持稳定。

以上示例基于AD5683RDAC，由于采用超小型封装和整体性能、2 LSB INL @ 16位、35 mA驱动能力、集成基准电压源和鲁棒性4 kV ESD，使其成为激励负载或板外传感器的理想DAC。

审核编辑：郭婷