噪聲校正 - 找出傳感器故障
發(fā)布時(shí)間:2021-03-24 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】傳感器是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備和無人駕駛汽車的關(guān)鍵,它們?cè)诟鞣N產(chǎn)品中的應(yīng)用只增不減。噪聲抑制對(duì)于各種傳感器都很重要,也是必不可少的一項(xiàng)性能,因?yàn)槿绻麄鞲衅魑茨苷_傳輸檢測到的數(shù)據(jù),則可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重事故。Murata研究了故障機(jī)制和噪聲抑制方法,以單芯片類型傳感器(數(shù)字輸出類型)為例。
傳感器是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備和無人駕駛汽車的關(guān)鍵,它們?cè)诟鞣N產(chǎn)品中的應(yīng)用只增不減。噪聲抑制對(duì)于各種傳感器都很重要,也是必不可少的一項(xiàng)性能,因?yàn)槿绻麄鞲衅魑茨苷_傳輸檢測到的數(shù)據(jù),則可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重事故。Murata研究了故障機(jī)制和噪聲抑制方法,以單芯片類型傳感器(數(shù)字輸出類型)為例。
推薦的單芯片傳感器噪聲抑制電路
圖1 2階次對(duì)應(yīng)的各個(gè)瞬時(shí)頻譜的有效值
噪聲導(dǎo)致傳感器故障的機(jī)制
單芯片傳感器主要由三種線路組成:信號(hào)、電源和GND。此外,通過多個(gè)信號(hào)線路(例如時(shí)鐘和數(shù)據(jù))實(shí)現(xiàn)通信。Murata在對(duì)不同線路施加噪聲時(shí)檢查效果。
信號(hào)類型
將噪聲施加到數(shù)字信號(hào)線路
無法正確執(zhí)行通信的故障示例時(shí),當(dāng)噪聲施加到數(shù)字信號(hào)線路并產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷時(shí),電平已超過高閾值或低于低閾值。
Murata實(shí)際上將噪聲引入特定加速度計(jì)的數(shù)字信號(hào)線進(jìn)行評(píng)估,并確認(rèn)通信停止的故障。
將噪聲施加到數(shù)字線路示意圖
將噪聲施加到電源線路
模擬前端包括放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)這些電路的電源波動(dòng)且電路運(yùn)行不當(dāng)時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生異常值的情況下發(fā)生故障。
Murata為評(píng)估加速度計(jì)的電源線路引入噪聲,并確認(rèn)輸出中斷的故障。
將噪聲施加到電源線路示意圖
傳感器噪聲抑制的關(guān)鍵點(diǎn)
這些是濾波器中抑制傳感器噪聲的條件:
1. 傳輸運(yùn)行所需的電源和信號(hào)
2. 屏蔽導(dǎo)致故障的噪聲
單芯片類型傳感器有多種類型和產(chǎn)品名稱,但用于噪聲抑制的濾波器沒有很大區(qū)別。
這是因?yàn)闉V波器中的兩個(gè)條件對(duì)于任何傳感器都很常見。
1. 傳輸運(yùn)行所需的電源和信號(hào)
→單芯片類型傳感器具有標(biāo)準(zhǔn)化接口(IC引腳)
2. 屏蔽引起故障的明顯噪聲
→通過抗噪測試,實(shí)現(xiàn)明顯噪聲規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化
濾波器的安裝位置
Murata確定需要將濾波器安裝在傳感器附近才能有效。
電源線路噪聲抑制
濾波器在從低頻到高頻的寬帶寬范圍內(nèi)具有高插入損耗,非常適合用于電源線路噪聲抑制。
僅使用電容器的抑制需要電容值大的電容器(涵蓋低頻側(cè))和低ESL電容器才能獲得高頻插入損耗。
將電容器和電感器結(jié)合,可顯著提高插入損耗。除了使用電感器外,還可通過在多電平配置中的傳感器側(cè)安排足夠的電容來獲得更有效的噪聲濾波器。
電源線路噪聲抑制示意圖
信號(hào)線路噪聲抑制
針對(duì)(數(shù)據(jù)/時(shí)鐘)信號(hào)線路的噪聲抑制要求濾波器設(shè)計(jì),在應(yīng)通過的信號(hào)頻率下具有低插入損耗。
在噪聲水平較小或信號(hào)頻率和噪聲分離時(shí),僅使用電容器即可抑制。但是,當(dāng)信號(hào)頻率和噪聲頻率接近時(shí),需要通過將電感器和電容器結(jié)合來配置具有明顯插入損耗特性的濾波器。
信號(hào)線路噪聲抑制抑制圖
使用電感器時(shí)的要點(diǎn)
僅在特定線路中插入電感器時(shí),會(huì)轉(zhuǎn)換為正常模式(潛在差值),并且線路變得不平衡。這增加了故障變惡劣的可能性。插入電感器時(shí),Murata確定在所有線路中使用相同的零件編號(hào)非常重要。
注:鐵氧體磁珠是一款電感型濾波器,不僅可抑制高阻抗噪聲,而且還能吸收噪聲能量作為鐵氧體的損耗,因此預(yù)計(jì)噪聲抑制效果會(huì)更好。
對(duì)策示例
電源線路噪聲抑制示例
產(chǎn)生傳感器輸出值的異常情況(輸出誤差),是噪聲對(duì)傳感器電源線路的影響。注入電源線路的噪聲水平保持恒定,并且在檢查使用抑制措施之前和之后輸出誤差的大小。
由于傳感器輸出值的故障是因電源線路的正常模式噪聲造成,因此,在傳感器附近插入四個(gè)0.1µF低ESL電容器。
該操作將傳感器的輸出誤差抑制在1%以下。
如上所述,需要進(jìn)一步抑制噪聲時(shí),電感器和電容器可配置為Pi型濾波器。
電源線路噪聲抑制示例圖
信號(hào)線路噪聲抑制示例
由于噪聲對(duì)傳感器信號(hào)線路的影響,傳感器的通信可能會(huì)停止。注入噪聲水平提高,同時(shí)研究了適當(dāng)運(yùn)行的限制水平(不發(fā)生故障時(shí))。
•初始:抗故障能力與頻率有很大不同。(在本示例中,電阻低至100MHz和250MHz。)
•對(duì)策1:添加電容器可提高100MHz和250MHz下的抗故障能力。
•對(duì)策2:配置鐵氧體磁珠和電容器可提高200MHz和250MHz下的抗故障能力。
•對(duì)策3:為了實(shí)現(xiàn)平衡,為電源線路配置一個(gè)Pi型濾波器,并在接地 (GND) 線路中添加鐵氧體磁珠。這樣即可提高所有頻率范圍內(nèi)的抗故障能力。
通過實(shí)施對(duì)策3(推薦電路),確認(rèn)在整個(gè)頻率帶寬范圍內(nèi)抗噪性能良好。
信號(hào)線路噪聲抑制示例圖
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