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(jìn)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(jī)理是,電阻中自由電子做不規(guī)則的熱運(yùn)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(jī)理是由到達(dá)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(dá)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,。

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(kuò)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(tuán)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(jī)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(dá)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(dú)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(dá)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,。

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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(diǎn)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(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(jī)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,。

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(diǎn)主要是具有一定的信號放大和帶負(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(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(jī),、單片機(jī)、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(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn),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(jìn)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(jìn)行有效的抑制,保證傳感器正常工作,。