传感器信号链的低频噪声分析

高分辨率、低频测量易于实施和执行。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。严肃地说，为了从传感器到信号链，最后到模数转换器获得最大的系统性能，需要考虑一些因素。我们最近发布了演示电路1410，本博客旨在记录所实现电路的设计过程。

为了使这篇文章实用，我们将采用一个现实世界的问题并解决设计约束。希望给出深入的分析，作为工程师选择组件的指南。我们的实际问题是从我们的卡迪纳尔秤制造SP-25L 25磅（~12千克）惠斯通电桥称重传感器中获得最大分辨率。

规格

首先要做的事！这种惠斯通电桥称重传感器的规格和限制是什么需要注意？该称重传感器的最小输入电阻为 400 Ω，标称输出电阻为 350 Ω，最大激励电压为 15 V DC，输出为 2 mV/V，温度补偿范围为 14 °F 至 104 °F（–10°C 至 40 °C）。为了简化分析，我们不会考虑温度漂移。此外，为了保持实用性，传感器的激励电压将为5 V。这将在2.5 V共模信号上为我们提供10 mV摆幅。

分析

我们面对的是什么？

为了从传感器获得最大分辨率，我们需要确保传感器噪声在系统中占主导地位。由于该传感器本质上是一个电阻器，因此热噪声限制了它：

电压噪声密度 =DC1410A-A 采用 LTC2498 24 位三角积分 ADC （配置为以 7.5sps 采样）和 LT1678 低噪声、轨至轨、运放来实现增益和缓冲。下一段将展示为什么使用LT1678，而不是挥手说明为什么这是我们的最佳选择。

寻找圣杯又名运算放大器

我们的带宽将是直流到7.5 Hz，我们需要寻找输入噪声低于称重传感器的双低噪声放大器：

 

>运算放大器输入噪声

您可能会注意到，我们使用了直流至10 Hz带宽，这是因为与0.1 Hz至10 Hz噪声规格的OP AMP数据手册中的噪声系数相匹配。好的，我们继续 analog.com，对最低输入噪声密度进行参数搜索，然后开始在数据手册中搜索输入噪声。经过几个小时的思考，我的人生选择诞生了，一张桌子诞生了，叫做表1。

 

输入电压噪声 nV聚丙烯
部分#	（0.1 赫兹至 10 赫兹）	V有效值（波峰系数 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。事实上，LT1028 是我能找到的唯一一款输入噪声电平低于传感器的放大器。为什么不在表格中？问得好;它只装在一个包里。因此，我们的最佳候选产品现在是 LT1124 （LT1126 是 LT1124 的去补偿版本）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。

最好使用单电源还是分离电源运行任何电路，因此我们的电路自然需要轨到轨运算放大器。我们正在放弃 4 nV有效值的噪声构成此单电源。朋友之间的 4 nV 噪声是多少？

最后，我们有一个放大器的赢家，但我们需要确保输入电流噪声密度是洁食的：

电压噪声：

这远低于输入电压噪声，现在我们可以有信心继续前进。

应该有什么收获？

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：

一个V= 2.5V/10mV = 250

但我们跳了枪。对于高分辨率ADC，这样做是不必要的，而且可能是有害的。通过限制增益，可以提高性能，使放大器的输入噪声占主导地位，而不是ADC的噪声。这将提供系统的最大性能。

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，并且必须继续展示：

一个V= 600nV有效值/18nV有效值= 33.33

34的增益应足以确保运算放大器占主导地位。DC1410A 具有软件可选的放大器范围，最接近的增益为 32，非常接近我们需要它的位置。并且无需修改演示板，我们可以得到合理的结果。

我们不是忘记了什么吗？

抓得好！我们没有考虑一些事情。放大器的失调被忽略了，因为LTC2498通过为我们抵消它来基本上消除这一点。ADC采用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多路复用器开关串联电阻。该值没有保证的规格，尽管在数据表中显示为标称值为100 Ω。通过实验，我测量的电阻约为150至200 Ω。

图2.LTC2498 MUX 在不同通道上针对正输入和负输入测得的电阻

电压噪声密度 =

噪声：

如您所见，这种噪声的颠簸不会产生影响，因为放大器仍将占主导地位。

放大器之后需要一个滤波器来处理ADC的采样保持电路瞬变。幸运的是，该过滤器显示在数据表中，我不必通过实验确定其值。

结果

最后，是时候进行测试和校准了。我向我的同事要了他的校准砝码，然后继续上路。

在空载时，我的本底噪声约为 80 nV：

图4.空载噪声测量

噪音 =

与我们之前的分析相比，这似乎真的很糟糕，但有一个合乎逻辑的解释。为了了解信号链的实际性能，需要将通道与适当的共模电压短路：

噪音 =

正如你所看到的，我们做得很好。我们对放大器的噪声分析持悲观态度，原因有二：1）LTC2498每隔一个极性相反的采样，抵消了1/f噪声，2）LTC2498以7.5 Hz采样，从而降低了带宽和噪声。

那么，当我们从称重传感器读取数据时，额外的噪音呢？在此分辨率下，称重传感器的作用类似于地震仪。我将称重传感器设置放在舒适的实验室椅子上，噪音降低了。椅子为振动创建了一个低通滤波器。从技术上讲，椅子的作用类似于电阻器，铁砧的作用类似于电容器，但这是机电系统类似物的另一个主题。图5显示了CH P0-N1由于从舒适的实验室椅子上减震而产生的较低噪音。

图5.CH10-11 短路，共模电压为 ~2.5 V。另外，称重传感器放在我的实验室椅子上

好的，现在我们验证了我们的系统，是时候练习它了！我在称重传感器上放置了一个 2 kg 的砝码，然后放置了一个 10 g 的砝码进行两点校准。经过一些数学计算，我有了斜率和偏移来真正测试这个设置。图 6 显示了 1 g、10 g 和 2 kg 的堆叠。事情变得有点失控，工作和娱乐之间的界限变得模糊。图 6 显示了通过施加不同负载来“工作”。

图6.测试系统的分辨率

图7.“必要的”负载测试

最重要的是，该设置能够达到 0.1 g 分辨率，满量程摆动为 12 kg。这相当于 ~101.6 dB 或 16.6 位。

审核编辑：郭婷