Шумы в датчиках и интерфейсных схемах

Шумы в датчиках и интерфейсных схемах могут быть источниками серьезных по­грешностей, что необходимо учитывать при разработке схем «Шумы подобны болезням их можно только предотвратить, подавить или смириться с ними, в за­висимости от их природы, серьезности, сложности и стоимости лечения, но от них никогда не удается полностью избавиться» [11] По отношению к каждой кон­кретной схеме можно выделить две основные группы шумов собственные шумы (к ним относятся все шумы, возникающие внутри схемы) и интерференционные помехи (вносимые шумы), источники которых находятся за пределами схемы

Ни один датчик, независимо от того, насколько хорошо он был спроектирован, не вырабатывает на выходе сигнал, точно соответствующий внешнему воздействию Для того чтобы определить, насколько хорошо выходной сигнал датчика воспроиз­водит входной сигнал, пользуются критерием, основанным на требованиях по точ­ности и надежности Отклонения сигнала датчика от истинного значения могут быть либо систематическими, либо стохастическими (случайными) Первый тип погреш­ностей зависит от вида передаточной функции датчика, его линейности, динамичес­ких характеристик и т д Общим для всех типов систематических отклонении являет­ся то, что все они определяются конструкциями датчиков, производственными до­пусками, качеством материалов и калибровкой Все перечисленные характеристики в течение заданного интервала времени должны оставаться постоянными или ме­няться очень медленно Все они поддаются математическому описанию и могут быть определены экспериментально (см главу 2) В ряде случаев полученное значение сис­тематической погрешности может приводиться в справочных данных и учитываться в дальнейших расчетах Стохастические погрешности наоборот нося г случайный харак­тер, являются в достаточной степени непредсказуемыми и могут меняться очень быс­тро Часто именно они называются шумами, что связано с их природой и статистичес­кими свойствами Следует отметить, что понятие шум иногда ассоциируют только со звуковыми сигналами и аудио аппаратурой В данной книге это слово трактуется на­много шире под шумом понимаются все помехи, привносимые либо внешними воз­действиями и окружающими факторами, либо возникающие в компонентах датчика и схемы в диапазоне от нуля до максимальных рабочих частот

Собственные шумы

Сигнал датчика, преобразуемый в интерфейсной схеме, состоящей из усилителя и АЦП, в цифровой код, нельзя характеризовать только его амплитудой и спектраль­ными параметрами, всегда необходимо оценивать его разрешающую способность

230 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

При увеличении числа разрядов, величина МЗР уменьшается. Например, МЗР 10-ти разрядной системы с 5-ти вольтовой шкалой измерения равен 5 мВ, а 16-ти разрядной системы — уже 77 мкВ. Отсюда видно, что если суммарные помехи превышают уровень, скажем 300 мкВ, нет никакого смысла использовать 16-ти разрядное АЦП. На самом деле, на практике, ситуация еще хуже. Поскольку большинство датчиков не могут вырабатывать сигналы, соответствующие 5-ти вольтовой шкале, на их выходах необходимо устанавливать усилители. Напри­мер, если максимальный выходной сигнал датчика равен 5 мВ, МЗР 16-ти раз­рядного преобразователя составляет 77 нВ. Такой маленький сигнал усиливать очень трудно. В случаях, когда требуется высокая разрешающая способность преобразований, необходимо учитывать все источники шума. В таких системах помехи могут вырабатываться ОУ и другими компонентами, используемыми в цепях ОС, смещения и т.д.

Входные токи и напряжения смещения могут дрейфовать. В цепях постоянно­го тока этот дрейф трудно отличить от низкоуровневых сигналов датчика. Сигналы смещения обычно меняются очень медленно (в пределах частотной полосы десят­ков и сотен герц), поэтому их дрейф часто называется сверхнизкочастотным шу­мом. Этот шум эквивалентен случайным (или прогнозируемым, связанным, на­пример, с температурой) изменениям напряжения и тока смещения. Для того что­бы отделить низкочастотный шум от высокочастотного, в эквивалентную схему на рис. 5.3 включены два дополнительных генератора. Один из них является генера­тором напряжения смещения е₀, а другой — генератором тока смещения i₀„. Причины возникновения этих помех объясняются физической природой резисторов и полу­проводниковых элементов, используемых для построения схем. Существует не­сколько источников низкочастотных шумов, их суммарное влияние отображено через генераторы шума напряжения и тока.

Одна из причин возникновения шума лежит в дискретной природе электри­ческого тока, поскольку ток — это движение заряженных частиц, каждая из кото­рых переносит определенное количество заряда (например, заряд электрона ра­вен 1.6х 10^-19 Кл). На атомном уровне поток заряженных частиц выглядит очень хаотичным, а движения носителей зарядов напоминают лопающиеся зерна куку­рузы при приготовлении попкорна. Ассоциация с попкорном действительно очень хороша, поэтому этот шум иногда называют «попкорновым». Движение электронов может быть описано только при помощи статистических терминов. Оно зависит от температуры, и мощность шума, в свою очередь, также определя­ется температурой. В резисторах это тепловое движение электронов приводит к появлению теплового шума или шума Джонсона [12]. Среднеквадратичное зна­чение напряжения шума, пропорционального мощности шума, можно опреде­лить из выражения:

где к = 1.38х10^-23Дж/К— постоянная Больцмана, Т — температура в Кельвинах, R — сопротивление в Омах, а Δƒ- ширина полосы, в пределах которой проводи­лись измерения, в Гц. В некоторых случаях плотность шума в резисторе при ком­натной температуре оценивается по следующей упрощенной формуле:

5 9 Шумы в датчиках и интерфейсных схемах 23 I

Например, если частотная полоса шума составляет 100 Гц, а сопротивление — 10 МОм, среднее напряжение шума приблизительно равно

Даже самый обыкновенный резистор является источником шума и ведет себя как постоянно работающий генератор электрических сигналов Чем меньше величи­на сопротивления резисторов, тем больший тепловой шум они производят И если при маленьких номиналах этим шумом можно и пренебречь, то при больших — его всегда необходимо учитывать Например, в пироэлектрическом детекторе использу­ется резистор смещения с номиналом порядка 50 ГОм Если датчик работает при комнатной температуре в полосе частот шириной 100 Гц, можно ожидать, что сред­нее напряжение шума на этом резисторе будет очень большим — порядка 0 3 мВ Для того чтобы шум не превышал допустимых пределов, полоса частот интерфейсной схемы должна быть, как можно, более узкой Следует отметить, что напряжение шума пропорционально квадратному корню от ширины полосы частот Это означает, что при уменьшении полосы частот в 100 раз, напряжение шума снизится только в де­сять раз Величина шума Джонсона является практически постоянной в широкой полосе частот, поэтому его часто называют белым шумом, поскольку он напоминает белый свет, состоящий из всех частот видимого спектра

Возникновение другого типа шумов объясняется протеканием постоянного тока в полупроводниках Этот шум получил название дробового шума, поскольку его звук напоминает «удары потока пуль о мишень» Это название предложил Шотки, поэтому существует и другое название — шум Шотки Дробовой шум также является белым шумом Чем выше ток смещения, тем больше величина этого шума По этой причине полевые и КМОП полупроводниковые устройства обладают низ­ким уровнем такого шума Для тока смещения 50 пА, он равен около 4 фА/√Гц, что является очень маленькой величиной, эквивалентной движению порядка 6000 элек­тронов в секунду Дробовой шум можно оценить при помощи выражения

Где I — ток через полупроводниковый переход в пА, а Δf— полоса частот в Гц

На низких частотах к этим шумам добавляются шумы, связанные с протекани­ем переменного тока (Рис 5 44) В обоих источниках шума и тока, и напряжения, спектральная плотность шума обратно пропорциональна частоте Поскольку наи­больший шум соответствует самой низкой частоте, а самые низкие частоты види мого диапазона излучений находятся в красной области спектра, такой шум часто называют розовым шумом Этот вид шума характерен для всех проводящих матери­алов, и, следовательно, он также возникает и в резисторах На самых низких час­тотах практически невозможно отделить розовый шум от белого шума Этот шум также называют фликер-шумом или шумом мерцаний Розовый шум осо бенно ощутим на частотах ниже 100 Гц, где работает большинство датчиков, поэтому в этом частотном диапазоне он может стать основным источником

Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

погрешностей, преобладая над шумами Джонсона и Шотки. Величина розового шума зависит от тока, протекающего через резистивный или полупроводниковый ма­териал. В настоящее время прогресс в тех­нологии производства полупроводниковых материалов позволил значительно снизить уровень фликер-шума, однако в случаях, когда требуется получить на низких часто­тах низкий уровень шума, в датчиках или входных цепях интерфейсных схем реко­мендуется использовать пленочные или проволочные резисторы, особенно при протекании через них больших токов.

При наблюдении на экране осциллографа за выходным сигналом ОУ, являющимся основным устройством при построении интерфейсных схем, можно увидеть специфи­ческий шум, похожий на цифровой сигнал, переданный из космоса. Этот шум имеет форму прямоугольных импульсов переменной длительности порядка нескольких мил­лисекунд. Из-за характерного звука в громкоговорителе этот шум также получил назва­ние попкорнового шума. Этот шум объясняется дефектами, допущенными при производ­стве ИС. Но благодаря усовершенствованию технологий в современных полупроводни­ковых устройствах величина попкорнового шума значительно снижена.

Результирующий шум от всех источников тока и напряжений в схеме опреде­ляется суммой квадратов индивидуальный значений напряжений шума, т.е.

Величина случайной погрешности равна среднеквадратичному значению шума:

где Т— время наблюдения, е — напряжение шума, a t — текущее время.

Шум также может быть описан в терминах пиковых значений, наблюдаемых в течение произвольного интервала времени. Положительные пиковые значения могут отличаться от отрицательных. В некоторых датчиках (например, пороговых детекторах) величина полного размаха шума влияет на рабочие характеристики самих устройств, поэтому в таких случаях определение этого значения бывает не­обходимым. Но на практике из-за распределения шума по закону Гаусса измерить размах шума бывает очень сложно. Поскольку среднеквадратичные значения шума получить гораздо проще, это представление получило большее распространение. В таблице 5.3 приведены полезные соотношения между двумя формами описа­ния сигнала шума. Как правило, величина размаха шума превышает его средне­квадратичное значение от 2 до 8 раз, часто это определяется терпением наблюда­теля и, соответственно, количеством имеющихся данных.

Таблица 5.3.Соотношение между полным размахом шума и его среднеквадратичным значением (с к з) (при распределении шума по закону Гаусса)

Вносимый шум

Стабильность работы датчика и интерфейсной схемы зависит от их защищенно­сти от шумов внешних источников. На рис. 5.45 показана схема распространения вносимых шумов Источники вносимых шумов часто поддаются идентификации. Примерами таких шумов являются всплески напряжения на линиях питания, молнии, изменения окружающей температуры, солнечная активность и т.д Та­кие помехи при попадании в датчики и интерфейсные схемы сказываются на их выходных сигналах. При этом они влияют либо на чувствительные элементы дат­чиков, либо на их выводы, либо на электронные компоненты в схеме. Очевидно, что для интерференционных сигналов датчик и интерфейсная схема играют роль принимающих устройств

Вносимые шумы можно классифицировать по нескольким критериям: по спо­собу попадания в датчик или интерфейс, по типу влияния на выходной сигнал и т.д. По тому как вносимые шумы влияют на выходные сигналы, их можно разделить на аддитивные и мультипликативные.

Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

Аддитивный шум е_п складывается с полезным сигналом К, формируя выход­ной сигнал V _out:

На рис. 5.46Б показано влияние аддитив­ного шума на выходной сигнал. Из рисун­ка видно, что величина шума не меняется при изменении полезного сигнала. В ли­нейных датчиках и интерфейсных схемах величина аддитивного шума абсолютно не зависит от величины сигнала, и если сиг­нал равен нулю, на выходе будет только шум.

Мультипликативный шум меняет пе­ редаточную функцию датчика или нели­нейных компонентов таким образом, что полезный сигнал становится модулирован­ным этим шумом:

где N(t) является функцией шума. Пример влияния такого шума на полезный сигнал показан на рис. 5.46В. Когда полезный сиг­нал равен нулю, мультипликативная поме­ха на выходе устройства становится равной нулю. Мультипликативный шум растет од­новременно с увеличением сигнала V_s. Как видно из названия, этот вид шума появля­ется в результате нелинейной операции ум­ножения двух сигналов, одним из которых является полезный сигнал, а другим сиг­нал, определяемый шумом.

Для повышения помехозащищеннос­ти от вносимых аддитивных шумов датчики часто объединяются парами таким образом, что их выходные сигналы вычитаются один из другого (рис. 5.47). Такой способ называется дифференциальным методом построения датчиков. Один из дат­чиков, называемый основным, подвергается воздействию измеряемого сигнала, в то время как другой, эталонный датчик, защищается от его влияния.

Поскольку аддитивный шум характерен для линейных и квазилинейных дат­чиков и интерфейсных схем, на эталонный датчик не надо подавать никаких вне­шних сигналов, его входной сигнал чаще всего равен нулю. Предполагается, что на оба датчика действуют одинаковые вносимые помехи (собственные шумы датчика не могут быть устранены дифференциальным методом), называемые синфазными помехами. Это значит, что шумы, действующие на датчики, имеют одинаковую фазу и амплитуду, поэтому при вычитании сигналов они будут взаимно уничтоже-

ны. Такая комбинация датчиков называется двойным или дифференциальным датчи­ком. Насколько хорошо подавляются аддитивные шумы можно судить по величине коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС):

где S_] и S₀ — выходные сигналы основно­го и эталонного датчиков. КОСС зави­сит от величины внешних воздействий, и обычно чем выше входные сигналы, тем меньше его значение. Этот коэффици­ент показывает во сколько раз уменьша­ется синфазный шум по отношению к полезному сигналу на выходе датчика. Величина КОСС является мерой сим­метричности датчика. Для эффективно­го подавления шума оба датчика следует располагать, как можно, ближе друг к

другу, они должны быть абсолютно идентичными и работать в одинаковых услови­ях. Также очень важно обеспечить надежное экранирование эталонных датчиков от внешних воздействий, в противном случае эффективность дифференциального ме­тода будет значительно снижена.

Для уменьшения вносимого мультипликативного шума применяется метод измерения отношений (см. раздел 5.6, где дано описание таких схем). Его прин­цип достаточно прост. Используется дифференциальный датчик, обе части кото­рого работают в одинаковых условиях окружающей среды и подвергаются воздей­ствию идентичных мультипликативных шумов. При этом на одну половину датчи­ка действует исследуемый внешний сигнал s,, а на вторую половину — эталонную — постоянный стабилизированный сигнал s₀. Считаем, что окружающая температура является мультипликативной помехой, одинаково влияющей на оба датчика. Апп­роксимируем выходное напряжение первого датчика в узком температурном диа­пазоне следующим выражением:

где а — температурная чувствительность передаточной функции датчика, Т— теку­щая температура, Т₀— температура при калибровке. Тогда напряжение на выходе эталонного датчика будет равно:

Найдем отношение двух напряжений:

236 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

Поскольку f{s₀) является постоянной, из последнего выражения видно, что это от­ношение от температуры (т.е. от мультипликативной помехи) не зависит. Однако следует уточнить, что способ измерения отношений работает только в случае муль­типликативных помех, в то время как дифференциальный метод применим исключительно для подавления аддитивных шумов. Но оба метода абсолютно бес­полезны для борьбы с собственными шумами, генерируемыми внутри датчиков и интерфейсных схем.

Собственные шумы, как правило, подчиняются закону Гаусса, чего нельзя ска­зать о вносимых помехах, которые часто трудно описать статистическими методами. Вносимые шумы могут быть периодическими, нерегулярно повторяющимися и про­сто случайными. Обычно их удается существенно снизить, применяя меры борьбы с электростатическими и электромагнитными наводками от источников питания, ра­диостанций, механических ключей, а также с всплесками напряжения и тока, возни­кающими из-за процессов переключений в реактивных цепях. К таким мерам отно­сятся: фильтрация, развязка электрических цепей, экранирование проводников и компонентов, применение ограждающих потенциалов, исключение паразитных кон­туров заземления, физическая переориентация проводников и компонентов, уста­новка гасящих диодов параллельно катушкам реле и моторов, выбор, как можно, более низких импедансов и использование малошумящих источников питания и опорного напряжения. В таблице 5.4 приведены некоторые источники вносимых помех, их типичные значения и способы борьбы с ними.

Чаще всего электрические помехи попадают в схему через паразитные ем­кости, существующие практически везде. Например, человек, стоящий на ди­электрическом покрытии, и земля формируют емкость, равную около 700 пФ, а емкости между выводами разъема и между эмиттером и детектором оптрона составляют приблизительно 2 пФ. На рис. 5.48А показана емкостная связь между источником электрического шума и внутренним импедансом Z датчика через переходной конденсатор С_s Импеданс датчика может быть чисто резис-тивным или комбинированным, состоящим из резисторов, конденсаторов, катушек и нелинейных элементов, например, диодов. Напряжение на импе­дансе Z зависит от частоты шума, величины паразитной емкости С_s и импе­данса Z. Например, внутренний импеданс пироэлектрического детектора мож­но представить в виде параллельного соединения конденсатора 30 пФ и рези­стора 50 ГОм. Если такой датчик через конденсатор 1 пФ присоединить к двигающемуся человеку, тело которого обладает поверхностным электроста­тическим зарядом, может возникнуть статическое напряжение величиной до 1000 В. Если предположить, что частота движений человека составляет 1 Гц, наводка на датчике при этом будет равна 30 В, что в 3...5 раз выше величины полезного сигнала датчика, вырабатываемого в ответ на тепловое излучение от тела человека. Поскольку некоторые датчики и почти все электронные схемы имеют в своем составе нелинейные компоненты, высокочастотные наведен­ные сигналы, часто называемые электромагнитной интерференцией (ЭМИ), могут оказаться выпрямленными и появиться на выходе в виде постоянного или медленно меняющегося напряжения.

5.9.3. Электрическое экранирование

Помехи, вызванные электрическими полями, могут быть значительно уменьше­ны при помощи соответствующего экранирования датчика и интерфейсных схем, особенно их высокоимпедансных и нелинейных компонентов. Каждый конкрет­ный случай экранирования должен тщательно разрабатываться. При этом очень важно правильно идентифицировать источник помех и способ его связи со схе­мой. Некорректное экранирование может только ухудшить положение дел и со­здать новые проблемы.

Экранирование служит для решения двух задач [ 14]: • Экранирование ограничивает распространение шума в соседние схемы. Здесь

возникает проблема, связанная с тем, что отраженные от экранов паразитные

Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

сигналы возвращаются назад, и необходимо тщательно продумывать маршрут их «отступления» с учетом контуров заземления и разводки проводов. • Если источники помех находятся внутри самого устройства, экраны размеща­ются только над критичными участками с целью предотвращения попадания шума на чувствительные элементы детекторов и интерфейсных схем. Для этого экраны выполняются в виде металлических коробов вокруг определенных уча­стков схемы или кабелей с экранировкой вокруг центральных проводников. Как было показано в разделе 3.1 главы 3, шумы, связанные с электрическими полями, хорошо гасятся металлическими корпусами, поскольку заряд q не может существовать на внутренней поверхности замкнутой проводящей поверхности. На рис. 5.48 показана схема, поясняющая принцип возникновения паразитных емко­стных связей. Здесь е_п — источник шума, в реальной жизни это может быть компо­нент схемы с переменным электрическим потенциалом; С — паразитная емкость (ее импеданс на определенной частоте равен Z) между источником шума и импе­дансом Z, который является приемным устройством по отношению к шуму. В ре­зультате возникшей емкостной связи появляется напряжение К. Величину тока шума можно определить как:

а напряжения шума как:

Например, если С_s = 2.5 пФ, Z= 10 кОм (резистор), а е_п = 100 мВ, на частоте 1.3 МГц выходной шум составит 20 мВ.

Некоторые читатели могут подумать, что несложно отфильтровать шум с час­тотой 1.3 МГц от низкочастотного сигнала датчика. Но в реальной жизни это не так, поскольку многие датчики и первые каскады усилителей содержат нелиней­ные компоненты (например полупроводниковые р-n переходы), работающие как выпрямители. В результате этого спектр высокочастотного шума смещается в низ­кочастотную область, делая помеху сравнимой с полезным сигналом датчика.

На рис. 5.48Б показана схема, поясняющая работу электрического экрана. Пред­положим, что экран обладает нулевым потенциалом. Ток шума в левой части схемы равен i_n1=e_n/Z_c1 С другой стороны экрана ток шума будет практически равен нулю, поскольку в этой части схемы нет никаких источников сигналов. Следовательно, напряжение шума на импедансе Z будет также равно нулю, поэтому чувствительная часть схемы становится эффективно защищенной от источника шума. Однако при этом надо быть уверенными в том, что через экран не течет никакой ток i, который может вызвать появление разности потенциалов на сопротивлении экрана, и, соот­ветственно, привести к возникновению дополнительных помех. Существует несколь­ко практических правил, которые надо соблюдать при экранировании схем:

• Для эффективной работы электростатический экран должен быть подсоединен

к внутренней точке защищаемой схемы, имеющей определенный опорный по-

тенциал. Если один из сигнальных выводов датчика подсоединен к земле, экран также должен быть со­единен с землей. Если ни один из выводов датчика не подключен к точке заземления, заземлять экран бесполезно.

• При использовании экранирован­ных проводов их экранировка дол­жна быть подсоединена к точке с опорным потенциалом только со стороны источника сигнала (рис. 5.49А).

• Если экран разбит на секции, что может случиться, когда кабель со­бран из нескольких кусков, экрани­ровка всех сегментов должна быть последовательно соединена, но к линии с опорным потенциалом со­бранный таким образом экран под­соединяется только в одной точке - со стороны датчика (рис. 5.49Б)

• Количество независимых экранов, используемых в системе сбора данных, долж­но быть равно числу измеряемых сигналов. Каждая сигнальная линия должна иметь свой собственный экран. Экраны разных линий не должны контактиро­вать друг с другом, если только они не используют общий опорный потенциал (сигнальную «землю»). В этом случае все соединения следует выполнять отдель­ными проводами, подсоединенными к каждому экрану только в одной точке.

• Экран следует заземлять только в одной точке, желательно рядом с датчиком. Экранированный кабель никогда нельзя заземлять с двух сторон (рис. 5.50), поскольку разность потенциалов между двумя точками заземления (V) может привести к возникновению тока в экране /, который, используя магнитную связь, может индуцировать паразитное напряжение на центральный проводник.

• Если датчик размещен в экранированном корпусе, а данные передаются через экранированные кабели (рис. 5.49В), их экранировка должна быть подсоедине­на к корпусу. Полезный практический прием: использование внутри экрана от­дельного проводника с опорным потенциалом («землей»). Экран нельзя исполь­зовать больше ни с какой другой целью, кроме как для защиты схем от электри­ческих помех. Не допускайте появ­ления токов в экране.

• Нельзя подавать на экран потенци­ал, отличный от опорного (за исклю­чением случаев использования ак­ тивных экранов, показанных на рис. 5.4Б). Напряжение с экрана переда­ется на центральный проводник че­рез емкость кабеля.

Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

• Для уменьшения индуктивности подсоединение экрана к земле надо вести короткими проводами. Это особенно важно при одновременной передаче ана­логовых и цифровых сигналов.

Поиск по сайту: