精密信号链中的噪声抑制

       上图所示为采集系统中常见的一个模拟信号链路。图中左边为一个传感器采集各种模拟信号,在此之后为一个放大电路,放大调理后的信号被送入到一个 ADC,实现了模拟信号到数字信号的转换。转换后的数字信号输出被送入处理器,如 MSP430进行后续的处理。此外,一个完整的系统还会包括电源系统。考察系统噪声,系统中的每个部分,包括电源,甚至处理器的合理设计都会对系统噪声起到很好的抑制作用。在本章节,我们主要围绕数据转换器的前后环节,即图中被圈出的部分,对噪声进行讨论。电源噪声抑制可以参考电源部分。

       在现实世界中,我们听到的或看到的都是模拟的。各种类型的传感器是我们很容易能够将这些模拟信号转换为模拟电压或电流信号,这样数据转换器就可以将模拟信号转换为数字信号,从而使得处理器可以进行后续的处理。上图所示为一个负载单元电路。左侧 LCL-816G负载单元为一个电阻桥传感器,需要电源激励,电源电路部分提供 5V的直流电压,当 5V激励电压加在传感器上,其最大负载为900g,此时满刻度的输出为±10mV的差分信号。输出的信号被仪表放大器放大,电路中仪表放大器由两个运算放大器(图中 A1和 A2)以及外围的电阻构成。其中,电阻值分别为:

        图中的差分放大为经典的双运放构成的放大电路,不妨选择单电源供电双通道 CMOS运放 OPA2337。经计算可以发现放大电路增益约为 153V/V。这个增益范围在仪表放大器满量程放大范围内,不会造成饱和,同时也满足 AD转换的量程。通过 SPI或其他接口,处理器可以获取 ADC转换的结果,进行后续的校准及其他处理。ADC转换则初步选择为 ADS7829,12位的 SAR型数据转换器。

       在器件选型结束后,进行 layout的设计,如下图所示,左边为正面视图,右边为背面走线布局。

       我们先来看看这样的一个系统表现如何。我们不妨检测这个系统的直流特性,即将压力传感器处在不施加压力状态,这样理论上讲进入电路中的将会是一个固定的直流量。对于ADC而言,其转换得到的结果应该是一个固定的值。如果我们将转换结果做一张图,横轴为转换数字信号的值,纵轴为对应数值出现的次数,理想结果应该是在某一点且仅在该点出现一个峰。那实际的结果是什么样的呢?从图 6-5中可以看出,真实结果和我们的想象大相径庭。下图所示为 ADC采样后直接到的数据。我们一共采集了 1024个数据点,从图中可以看出,实际一共出现了 44个不同的数据点。如何理解这 43个噪声点对系统精度的影响?从下图中我们看到原先理论上应只出现一个采样值,现在采样值变为出现在一段范围内,这个范围即为采样结果的不确定范围,其大小为 44,那换算到二进制为 6.5,也就是说对于这个 12位系统,有 6.5位是不准确的。

       我们回过头来看这样一个系统设计。对于一个称重系统,人们关系的是称重的范围和精度,这就是系统设计的需求。对于上述满量程为 900g的传感器,如果我们要求最小检测精度为 0.3g,这样我们可以计算得到选用 ADC的位数 N,至少满足

       这样,我们得到 ADC的分辨率应至少为 11.55位,12位的 SAR型 ADC已经可以满足系统需求。而实际得到的精度远低于 ADC的理论精度,可见噪声对系统精度的影响。

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