传感器信号链的低频噪声分析-电子发烧友网

介绍

高分辨率，低频测量易于实现和执行。所需要的只是深入了解信号链中的所有内容，并考虑每个组件的各个方面。认真地说，为了从传感器到信号链，再到模数转换器，获得最大的系统性能，需要进行一些考虑。我们最近发布了演示电路1410，该博客用于记录实现的电路的设计过程。

为了使本文实用，我们将解决一个实际问题并解决设计约束。希望进行深入的分析，以作为工程师选择零件时的指南。我们的现实问题是要从我们的25磅（〜12千克）惠斯通电桥称重传感器SP-25L获得最大分辨率，如图1所示。

图1.称重传感器安装到带有认证标签的ACME砧座（不包括流道）

技术指标

第一件事第一！需要注意的惠斯通电桥称重传感器的规格和限制是什么？该称重传感器的最小输入电阻为400Ω，标称输出电阻为350Ω，最大激励电压为15 V直流，输出为2 mV / V，并且温度补偿范围为14°F至104°F（– 10°C至40°C）。为了简化分析，我们将不考虑温度漂移。另外，为了使事情实用，传感器的激励电压将为5V。这将在2.5 V共模信号上为我们提供10 mV摆幅。

分析

我们要面对什么？

为了从传感器获得最大的分辨率，我们需要确保传感器噪声主导系统。由于此传感器本质上是电阻器，因此限制了热噪声：

电压噪声密度=

DC1410A-A使用配置为以7.5sps采样的LTC2498 24位Δ-ΣADC和用于增益和缓冲的LT1678低噪声，轨到轨，运算放大器。下一段而不是手动挥舞为什么使用LT1678，而是显示为什么这是我们的最佳选择的过程。

搜索圣杯又名运算放大器

我们的带宽将为DC到7.5 Hz，我们将需要寻找输入噪声比称重传感器低的双低噪声放大器：

>运算放大器输入噪声

您可能会注意到，我们使用DC到10 Hz的带宽，这是由于匹配了OP AMP数据表中0.1 Hz到10 Hz噪声指标的噪声系数。好的，我们进入analog.com，并进行参数搜索以获取最低的输入噪声密度，然后开始在数据手册中搜索输入噪声。在考虑了我的生活选择几个小时之后，诞生了一张桌子，叫做表1。

表1.详尽搜索理想的运算放大器
输入电压噪声nVPP
零件编号	（0.1 Hz至10 Hz）	VRMS（波峰因数5）
LT6201	600	120
LT6231	180	36
LT6237	180	36
LT6203	800	160
LT6234	220	44
LT1124	70	14
LT1126	70	14
LT6253	200	40
LT1807	800	160
LT1678	90	18
LT6247	1600	320
LT1113	2400	480
LT1469	300	60
LT1169	2400	480
LT6241	550	110
LT6244	1500	300
LT6014	200	40
LT1002	350	70
LT1057	2000	400
LT1112	300	60
LT1024	500	100
LT6078	1000	200
LT6016	500	100
LT1013	550	110

您应该注意的第一件事是没有比传感器更好的运算放大器。实际上，我发现LT1028是唯一具有低于传感器输入噪声电平的放大器。为什么不在桌子上？好问题;它只有一个包装。因此，我们最好的候选产品是LT1124（LT1126是LT1124的失补偿版本）和LT1678。这意味着我们受到运算放大器而不是传感器的限制。这是一个很好的例子，我们必须做出艰难的选择以减少零件数量以提高性能。在这种情况下，我们喜欢简单。

理想的情况是，任何电路都采用单电源供电还是分开供电，因此，我们的电路自然需要一个轨到轨运算放大器。我们放弃了4 nVRMS的噪声来制作这种单电源。朋友之间的4 nV噪声是多少？

最后，我们是放大器的赢家，但我们需要确保输入电流噪声密度符合犹太洁食标准：

电压噪声：

这远低于输入电压噪声，现在我们可以继续前进了。

应该有什么收获？

试图设置放大器的增益以最大化ADC的满量程范围是很诱人的。称重传感器的最大摆幅为10 mV：

甲V= 2.5V / 10mV的= 250

但是我们跳了枪。对于高分辨率ADC，这是不必要的，并且这样做会有害。通过限制增益可以获得更好的性能，从而使放大器的输入噪声占主导地位，而不是ADC的噪声占主导地位。这将使系统发挥最大性能。

理想情况下，您希望受到传感器的限制，但我们的瓶颈是运算放大器，并且演出必须继续进行：

AV= 600nVRMS/ 18nVRMS= 33.33

增益34应该足以确保OP AMP占主导地位。DC1410A具有放大器的软件可选范围，最接近的增益是32，非常接近我们需要的位置。而且，在不修改演示板的情况下，我们可以获得合理的结果。

我们不是忘了什么吗？

接得好！我们没有考虑一些事情。放大器的失调被忽略了，因为LTC2498通过为我们抵消了它而基本上消除了这一点。ADC读取两个极性相反的读数，以消除任何失调。

另一个考虑因素是ADC多路复用器开关的串联电阻。尽管该值在数据表中标称值为100，但尚无保证指定该值。在实验中，我测得的电阻约为150至200。

图2.正输入和负输入在不同通道上的LTC2498 MUX的测量电阻

电压噪声密度=

噪声：

如您所见，由于放大器仍将占主导地位，因此这种噪声增加不会产生影响。

放大器之后需要一个滤波器来处理ADC的跟踪和保持电路瞬变。幸运的是，该滤波器已在数据表中显示，我无需实验确定其值。

结果

最后，该进行测试和校准了。我问我的同事他校准过的体重，然后继续前进。

空载时，本底噪声约为80 nV：

噪音=

与我们之前的分析相比，这确实很糟糕，但是有一个合乎逻辑的解释。要查看信号链的实际性能，需要将通道与适当的共模电压一起短路：

噪音=

如您所见，我们做得很好。我们对放大器的噪声分析感到悲观，原因有两个：1）LTC2498每隔一个相反极性的采样对事实进行抵消，从而消除了1 / f噪声，2）LTC2498以7.5 Hz采样，因此较低的带宽和较低的噪声。

那么，当我们从称重传感器上读取时，额外的噪声又如何呢？在这种分辨率下，称重传感器的作用就像地震仪。我将称重传感器设置放在舒适的实验室椅子上，从而降低了噪音。椅子为振动创建一个低通滤波器。从技术上讲，椅子的作用就像电阻器，砧座的作用像电容器，但这是机电系统类似物的另一个主题。图5显示了CH P0-N1上较低的噪声，这是由于我舒适的实验室椅子上的阻尼引起的。

Blog_Image_5 — 图5. CH10-11以〜2.5 V的共模电压短路。另外，称重传感器放置在我的实验室椅子上

好的，既然我们已经验证了我们的系统，那么该练习一下了！我在称重传感器上放置了2千克重，然后在两点校准中放置了10千克重。经过一些数学运算后，我有了斜率和偏移量来真正测试此设置。图6显示了1 g，10 g和2 kg的堆叠。事情变得有些失控，工作与娱乐之间的界限变得模糊了。图6显示了通过施加不同的载荷来“工作”的过程。