通过激励板外传感器和负载实现噪声抑制

在分布式系统中，模拟信号在传感器或负载间来回远程传输。 由于信号要传输很长的距离，因此，噪声抑制能力成为一个重要考虑因素： 噪声会耦合进信号中，结果使数据遭到破坏，由此产生不良影响。 为了有效保护此类系统，我们必须了解预期噪声的量级和性质。 这样有助于明确需要采取的保护措施，以便抵消或者至少减少环境干扰水平。

噪声源或干扰源一般有两种，取决于其耦合进主信号的方式： 共模噪声和差模噪声(图1)。

二者中危害较小的共模噪声会同时耦合到系统GND信号和激励信号中，这主要是由电缆与真实GND间的偶极天线效应造成的。 这种情况不会使信号减弱，因为噪声同时耦合进两个通道，而且幅度相似。

然而，共模噪声会产生信号失调，使真实GND升高，结果导致两种不良效应： 如果间接折合到真实GND(比如，通过金属箱保护传感器时)，则可能使负载饱和;并且/或者可能产生电弧，结果会损坏传感器。 在激励惠斯登电桥时，共模噪声的问题尤其明显。 此时，输出信号需要由控制器处理，其中一般要用到一个具有有限共模抑制比(CMRR)的仪表放大器。 最终结果是噪声可能被放大。

为了减少共模噪声，我们可以用低通滤波器，如RC滤波器，或者使用共模扼流圈来过滤输入信号。 需要记住的是，不对称衰减的共模噪声会产生差模噪声。 在实际应用中，不对称衰减的一个例子是低通滤波器;一个电阻和电容实现截止频率，但受元件容差影响，两条线路中的截止频率不一样。

第二种也是最麻烦的噪声是差模噪声，这种噪声是在激励与系统GND之间耦合的。 该噪声之所以会耦合到信号中，是因为系统GND与类似于天线的信号电缆之间存在电流环路。 在部分应用中(如化学分析)，出于安全考虑，传感器可能置于独立于控制器的腔室中。 这种设置会导致数十或数百米的电流环路，结果，任何磁通量都可能在信号中产生电流噪声，从而使数据遭到破坏。 为了减少差模噪声的影响，最好使用铁氧体材料来过滤高频辐射信号，在控制器与传感器之间采用星型连接，同时还要使用屏蔽电缆。

在这两种情况下，如果噪声足够大，设备可能因电气过应力而受损，尤其是当负载为电机或荧光灯时。 受物理电磁元件和所产生信号性质的影响，这样的负载构成一种强大的电磁兼容性/干扰(EMC/EMI)源。 一种较好的做法是使用EMC/EMI抑制器，如静电放电(ESD)保护装置，以确保系统能维持特定的稳定水平。

在实现部分上述方法时，主要影响因素是与元件相关的电容。甚至电缆也会含有寄生电容，因此不能忽略。寄生电容与电缆的长度、类型和等级成比例见表1。

1 缓冲电压DAC

集成式缓冲电压DAC，如AD5683R或AD5686R，可以实现高压摆率、高带宽，而且功耗更低。 这一点非常重要，原因如下： 电路板温度降低，每块电路板可以容纳更多元件数量(不会增加功耗)，功效得到提升。

内部放大器的阻抗(开环阻抗，简称ZO)可能变大(不要与闭环阻抗Z_OUT相混淆)，对最大负载电容形成限制。 如果与运算放大器输出相连的电容超过最大允许值，结果会影响运算放大器的稳定性，可能导致放大器振铃和振荡。 然而，有两种基于缓冲电压DAC的方法有助于减少运算放大器的不稳定性： R_SHUNT方法和外部负载网络补偿(即缓冲电路)法。

R_SHUNT法要求尽量减少外部元件数量。 原理很简单——在运算放大器与负载之间放置分立式电阻，从而实现运算放大器的隔离。 R_SHUNT在反馈网络的传递函数中增加一个零，结果使闭环在高频下能保持稳定。 选择的这个零应至少比增益带宽积(GBP)低一个十倍频程。

但一个问题随之而来，因为DAC的技术规格不包括这个数字(不过，相关性不大，因为内部运算放大器充当的是缓冲器)。 在这种情况下，根据经验法则，应该选择一个尽量小的值，以减少电阻的影响，其范围一般在5 Ω至50 Ω之间。

使用该方法时，负载电压会下降，因为这种方法在物理上实现为一个电阻分压器，会影响其他规格(比如，压摆率降低，建立时间延长等)。 结果，这种方法会使DAC在负载或传感器端的整体性能下降。

但提高R_SHUNT值会增加阻尼比，因而这种方法很适合驱动电机。 然而，我们不建议使用小幅度负载和低电压轨，就如在惠斯登电桥激励中那样，因为幅度可能大幅下降。 减小电压范围，比如，使用阻抗为1 kΩ的5 V供电轨，可使降幅限制在2.5%左右(图2)。

缓冲法(或RC分路法)不会减小负载电压范围，因而是低电压应用的首选方法。 这种方法背后的原理略有不同。 缓冲网络会减小靠近振荡频率的负载阻抗，使负载的实部低于虚部，从而改变相位。