精密系统中的实用输入参考计算

Scott Hunt

本文概述了精密系统中的输入参考计算和仿真，以及如何从中获得最大的见解。在 设计 用于 模拟 测量 的 信号 链 时， 必须 计算 信号 链 中 不同 组 件 的 误差 和 噪声， 并 用于 确定 最高 性能。规格可以分数表示为百分比，或者如果它们采用线性单位，则可以以输出为参考或以输入为参考。以输入为参考的计算往往会导致最大的混乱，但它们增加了对系统性能的重要见解。

噪声、错误和参考输入

图1显示了测量的通用系统框图。每个模块可以有多个组件或平台来执行测量功能。从传感器到ADC的每个模拟级也会产生不需要的模拟噪声和误差，从而掩盖测量信号的值。ADC输出端的数据表示信号与总噪声和误差相结合。一些噪声和误差可以通过校准、补偿和信号处理技术来减少。其余部分导致测量量的真实值不确定。对于测量仪器，不确定度分析有助于设置关键系统规格，如准确度和精密度。1,2

将信号链噪声和误差与输入端相对，可以直接与输入信号进行比较。这 可以 根据 已知 的 信号 特性 和 要求 了解 整体 测量 性能。例如，计算折合到输入端的总噪声（RTI）可以揭示可以从噪声中辨别出的最小输入信号。考虑输入参考计算的另一种方法是，ADC测量的数据通常在软件中缩放，以表示被测量物理量的值。缩放前的原始数据包括误差和噪声;因此，缩放版本具有相同的相对误差和噪声量，但缩放时好像它们都与信号一起出现在输入端。

结合噪声源RTI和RTO

对于总噪声计算，噪声源需要先参考同一位置，然后才能组合。虽然噪声可以参考信号链中的其他位置，但计算噪声RTI和参考输出（RTO）对于确定系统性能最有用。设计人员可以选择电路中的哪个点来调用输入和输出，以及使用什么单位。例如，输入可以是物理量，例如以°C为单位的温度，而RTI噪声可以以°C为单位计算。 或者，噪声可以参考以伏特或安培等电气单位为单位的信号链输入。类似地，输出可以定义为来自ADC的数据，单位为最低有效位或等效伏特，也可以定义为ADC输入端的电压。

RTI噪声源是放置在输入端的虚拟噪声源，在测量中贡献的噪声与实际噪声源相同。每个RTI噪声源的值通过将实际噪声源除以从输入到该点的增益来确定。将RTI噪声源的噪声功率谱密度相加以确定整个系统噪声频谱。同样，RTO噪声源是输出端的虚拟噪声源。对于RTO噪声，每个噪声源乘以输出增益，并在该点进行组合。如果在定义的输出之后没有噪声源，则RTO噪声与输出端测量的噪声相匹配。

图2显示了简单信号链的RTI和RTO噪声模型，该信号链由一个同相增益级和一个低通滤波器组成。

图2.RTI 和 RTO 的一个例子。

两者之间存在不平衡，因为信号从输入流向输出。RTO噪声显示噪声在整个信号链中传播后的噪声，与测量中的总噪声相匹配，但RTI噪声显示的噪声来自早期阶段，尚未受到信号链中后期级的频带限制。将被信号链滤除的带外噪声最终不会影响测量值，但它确实显示在RTI噪声频谱中。从技术上讲，这不是问题，也不意味着RTI噪声是错误的。RTI噪声可以乘以信号链的增益与频率曲线，得到RTO噪声，并且不会丢失任何信息;但是，计算噪声RTI的目的是将噪声与输入信号进行比较。通过包括不影响测量的带外噪声，RTI的传统定义并不能使将总积分噪声与输入信号进行比较变得容易得多。

提供更多工程见解的替代定义

输出信号可以直接与RTO噪声进行比较，因为它考虑了整个信号链，所以问题是：RTI噪声的定义是否可以很容易地与输入信号进行比较？答案反映了测量数据的实际用法：对RTO噪声应用与应用于软件中输出数据的相同缩放，以将其表示为输入信号。两者都应以相同的方式在输入端计算。换句话说，将输出噪声除以信号增益。

下一个问题是如何定义信号增益。无论直流耦合还是交流耦合，在大多数传统线性电路中，施加到信号的增益在设计上具有一定的目标带宽是平坦的。我们将这个感兴趣的带宽称为信号频段。信号在信号频段中具有需要捕获的宝贵信息。电路的–3 dB带宽设计为比信号频带宽，以避免频带边缘信号的动态误差，但除了该限制之外，带宽通常尽可能有限，以降低噪声。

如果信号增益定义为信号频带内的增益，并且该常量值用于将RTO噪声转换为RTI，则RTI噪声将变得更有意义。两种模型之间的差异如图 3 所示。在替代模型中，RTI噪声显示了影响信号测量的噪声，包括带外噪声的滚降。图4显示了两种RTI方法之间的模拟差异。

输入噪声曲线在低频时相同，但在增益滚降时发散。传统的RTI噪声无法积分以求出总噪声，而虚拟RTI噪声可以积分。信号增益可用于在虚拟RTI噪声和RTO噪声之间进行积分噪声和噪声频谱密度值的转换。

如果信号增益在信号频带内不平坦，请考虑调整信号频带或修改电路，使其具有更宽的带宽。这有助于避免信号频带边缘信号的性能下降。如果无法做到这一点，则在信号频带内使用标称增益最有可能与一般情况和软件转换因子相匹配，但请务必评估信号频带边缘的误差和信噪比，以确保它们在性能目标范围内。

LTspice中的RTI计算

多功能性和准确性LTspice®使其对噪声模拟非常有用。噪声仿真命令中指定了输出节点和输入源，输出噪声（RTO）是查看分析结果的默认方式。LTspice还根据RTI的传统定义计算参考于指定输入源的输入噪声，但如图4所示，对传统RTI噪声进行积分并不能提供有意义的结果。图5显示了如何在LTspice中向输出添加级，以便仿真器返回替代虚拟RTI噪声。运行仿真后，在选择绘图的情况下，从绘图设置 - 添加迹线将输入噪声添加到绘图中，然后选择 V（inoise）。这会将输入噪声添加到图中。曲线形状与输出噪声相匹配，表明考虑了整个电路的频率响应。按 ctrl + 左键单击图中的迹线标题“V（inoise）”以积分总 RTI 噪声。

图4.两种RTI方法的噪声仿真结果。

图5.用于模拟虚拟RTI噪声的LTspice电路。

用于信号链噪声分析的网络工具

作为ADI Precision Studio网络工具套件的一部分，信号链噪声工具设计用于在信号链级别执行噪声计算，包括总噪声和虚拟RTI噪声计算的集成。从传感器开始构建信号链，或者从示例开始，然后信号链噪声工具确定从传感器到ADC的整个信号链的总噪声和交流性能。信号链噪声工具中的仿真模型使用数据手册中的完整测量噪声曲线来提供实验室准确的结果。像这样的工具的主要优点之一是加快设计过程。该工具可即时反馈电路变化对整体噪声性能的影响，从而加快设计迭代速度。完整的信号链可以导出到LTspice进行定制仿真。

图6.ADI精密工作室中的信号链噪声工具。

结论

输入参考计算是了解测量系统预期性能的宝贵工具，有助于优化设计并为系统规格提供信息。与一些传统方法相比，本文提出的基于测量系统架构的虚拟RTI噪声方法可以是一个有用的修改，以获得更多的工程洞察力。LTspice和信号链噪声工具等仿真工具可以帮助执行此分析。

审核编辑：郭婷