在使用传感器的过程中,由于敏感元件的输出信号通常较为微弱,需要经过放大处理。这一过程往往会引入误差,进而影响测量精度。本文列举并分析了一些在信号调理环节中容易导致误差的原因。

(4) 噪声影响
噪声有许多来源,包括来自附近高速数字逻辑电路、电源、风扇电机、电磁阀和射频EMI的耦合噪声。可以通过合适的接地设计、屏蔽方法和电路板布局等降低噪声。另外可以选择引入噪声最小、具有足够增益带宽的运算放大器。可根据引入的噪声大小评价运算放大器,噪声量根据对不受限制带宽(宽频带)或确定带宽上的信号的测量值来确定。
以下是TE MS4525压力传感器在5VDC测试下的噪声波形图。

TE MS4525噪声波形图

TE MS4525噪声换算
A/D转换器
使用A/D转换器时,背景噪声是可用测量精度的决定性因素。当一个器件的额定分辨率为24位时,由于噪声导致的局限性,通常转换器实现的实际精度更低。这里需要区分有效位和极低噪声值,有效位规格是由噪声电平RMS值计算出来的,极低噪声值则是基于峰-峰值,通常相当于统计RMS值的6.6倍之多。因此,极低噪声规格表示的是转换器的有效分辨率,在背景噪声以上LSB位依然保持稳定。还需要特别注意规格书中的限制条件,例如参考电压和输入范围可能因应用不同而异,数据手册上所承诺的与实际比值可能有相当大的差异。
运算放大器
对于放大器而言,同时实现低噪声和高增益很困难。那么就需要让放大器的噪声水平与其误差达到同样的范围。所有的半导体放大器都会有1/f噪声,也称为闪烁噪声(flicker noise),它是由于材料而产生的一种基本现象。与频率相反,在一个特定的噪声拐点以下,噪声密度将呈指数增加,而且在低频时变得有非常大。很少有放大器能低成本地以单芯片实现这种低噪声和高增益的组合特性。
为了实现低噪声和高增益,可以设计混合的多放大器电路,采用一种具有高输入阻抗、输入纠错电路和第二个(或第三个)补偿放大器的输入放大器组合,以实现所需的增益。集中于一个参数的放大器经常在其他方面带来严重的问题。
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