传感器信号调理电路的噪声优化

传感器信号调理电路的噪声优化 舒行科路少中 2012-07-13################2012-07-13#######2#012-07-13######## (长春工业大学 研究生院吉林长春 130012 ) [ 摘 要] 传感器是将非电量转换为电量的装置。输出的信号大小接近于本底噪声，必须对其噪声进行有效处理，提高 SNR ，而获 得高分辨率，不引起信号失真。本文通过放大器，无源元件及带宽的选择，来解决传感器信号调理电路的噪声优化。 [关键词] 传感器 放大器噪声 [中图分类号]TP212[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)06-0034-03 步， 在国民经济相关领域中应用日益广 术。传感器是一种能按一定规律将各种非 1 引言 在信息技术不断发展的今天， 获取准 泛，作为信息的采集和信息的转换的重要 电量转换为电信号的装置。 而随着模数转 部件，是测量和控制系统的首要环节，成 换器和数模转换器分辨率的提高以及电源 确可靠的信息成为做好一切工作的前提。 最近 20 多年传感器技术获得了长足的进 为测试计量和工业自动化智能化的关键技 电压的降低， 最低有效位 ( LSB ) 变得更 在功能模块上主要有 : 供电部分， 信出而储备， 加之无模拟放大、 无负反馈的 如附图 2 。号输入部分、信号处理功率放大部分、输 在输出级和扬声器之间插入一个低通 牵制，故具有更好的“动力”特征，即 " 动 出部分最后由扬声器或喇叭输出的解决方 滤波器以将电磁干扰(EMI)减至最小，并 态特性 " 好。 案。 且避免以太多的高频能量驱动扬声器。 为 除此之外， 如附图 2 所示:LC 滤波器了保持开关输出级的功耗优点，要求该滤 为实现上述目的，本方案提出用 9v 或的差分实现，它们为滤波器提供相反极性 波器(见图 1)是无损的(或接近于无损)。 12V 直流稳压电源即通用的 SWITCH- 的脉冲，其中滤波器包含两个电感器、 两 低通滤波器通常采用电容器和电感器， 只 MODE POWER SUPPLY 供电。输入端是 个电容器和扬声器。 有扬声器是耗能元件。 直接从数码信号源如 PC 音频输出端、 CD 3 具体实施方式及应用 4 结语唱机、DVD 影碟机、DVD Audio 或 SACD 如附图 1 所示 : 本方案的音响功放的 本方案音响功放创新的采用了 光碟机以及 LCD 或 DTV 数码电视等输入 信号流向如下所述 : 的数码音频信号，而不是经过 ADC 模数转 右声道信号(SP_IN_R )由 R5,C2 的 SWITCH-MODE POWER SUPPLY ， 使换或 DAC 数模转换处理的音乐模拟信号。 RC 串联电路送入功放 IC 的 RINP 脚，经 IC 得供电变的简单灵活更实用。 更为重要的 所述功率放大电路主要由， 供电电 是成功实现了用一块芯片就实现了将数字 处理一路由 BSRP 脚输出给由 C13,L2,C17 路、信号输入、功放 IC 处理以及信号输出 信号源与数字处理直接结合起来提供端到 组成的 LC 低通滤波电路， 最后输出给终 端数字音频系统。 简化了电路设计， 容易 组成。 端 SP_OUT_R+ ;另一路由 BSRN 脚输出给 实现，且 PCB 面积小巧如附图 3 所示，整 输出部分由扬声器或喇叭组成。 由 C16,L3,C18 组成的 LC 低通滤波电路， 体音响体积更小巧灵活。在性能上， 成功 本方案所要达到的效果是 : 通过电路 最后输出给终端 SP_OUT_R-;右声道地信 的实现了极佳的功率效率、 较小的热量以 分析信号输入与数字音源的无缝结合、 能 号由 RINN 脚进入。 及较轻的供电电源, 低功耗产生热量较少， 有效降低信号间传递干扰， 由于采用无负 左声道信号(SP_IN_L )由 R6,C4 的 省电环保。 反馈的放大电路、 低通滤波器等处理，可 RC 串联电路送入功放 IC 的 LINP 脚，经 IC 5 附图说明以将输出滤波器的截止频率设计得较高， 处理一路由 BSLP 脚输出给由 C6,L6,C10 图 1 表示音响功放电路原理图。 从而保证在 20Hz-20kHz 内得到平坦的幅 组成的 LC 低通滤波电路， 最后输出给终 图 2 表示音响功放的低通滤波器电路 频特性和很好的相频特性， 使得整个频段 端 SP_OUT_- ; 另一路由 BSLN 脚输出给 图。 内无相对相移，声场定位准确。 由 C9,L7,C11 组成的 LC 低通滤波电路，最 图 3 表示音响功放的 PCB 图。 另外， 由于它不需传统音响功放的静 后输出给终端 SP_OUT_L+;右声道地信号 [参考文献]态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输 由 RINN 脚进入。 [1] 邹天汉.数字功放与音箱设计与制 作 人民邮电出版社,2004. [2] 全新正版电子制作杂志,2009 年.合 订本, 上下. 2012-07-13################2012-07-13#######2#012-07-13######## 号大小更接近于本底噪声， 因此，必须对外部和内部噪声源(如 Johnson 噪声、散 粒噪声、宽带噪声、闪烁噪声和 EMI 噪声) 进行处理来减小系统噪声， 处理传感器产 生的小信号， 而不引起信号失真。 2 解决途径 图 1 所示的是典型信号调理电路中的 噪声源 : 总的输出噪声， 即折合到输入端噪声 (RTI)由电阻噪声、运算放大器电压和电 流噪声组成， 公式如下 : NoiseRTI=BW 22 2 图 1 信号调理电路中的噪声源 R R R R 2 1 1 2 22 2 2 3 Vn 4KTR 4KTR 1 I i R 3 I i 4KTR 2 R R R R R R 1 2 1 2 1 2 在反相和同相配置中， 噪声增益 (即 噪声增大的倍数)都等于 1+R2/R1. BW 是频带宽度。 输出端噪声 (RTO)= 输入端 噪声(RTI)×噪声增益(G)。 一般噪声大小是以输入端噪声(RTI) 来衡量的， 可以从器件及其特征噪声、 阻 抗、响应方面考虑， 实现最低的折合到输 入端噪声 ( RTI )， 优化信噪比 ( SNR )。 为了实现传感器信号调理电路的低噪 声，需考虑放大器的工作区:宽带或 1/f ， 挑选合适的有源器件， 以及在放大器周围 放置无源器件， 并限制带宽。分析非噪声 需求，如输入阻抗、开环增益和电源电流。可以通过以下途径对传感器信号调理电路 的噪声进行优化。 2.1 运算放大器的选择 某些情况 下， 运算放大器的宽带噪声 图 2 相同增益下不同阻值的输出噪声为 20 nV/rt-Hz 可能优于宽带噪声为 10 nV/rt-Hz 的器件。 当传感器工作在极低 的频率下，具有低 1/f 噪声的放大器可能 是最好的。 2.2 无源元件的选择 放大器选择好 之后， 应在放大器周围 放置合适的电阻和电容，而这些元件也有 噪声。图 2 所示的是在增益都是 1000 情况 下使用不同电阻值所造成的影响。 输出噪声随着用于设置增益的电阻的增大而增 大，所以应选用合适的电阻值。 若忽略 R1 和 R2 的噪声， 而只考虑源 阻抗 R3 的噪声时，则 R3 值较小时，放大 器的电压噪声占主导地位;当 R3 值为中等 大小时，电阻 R3 的 John 噪声占主导;当R3 值较大时，流入电阻 R3 的放大器电流 噪声的占主导地位。因此，低输出阻抗的 传感器应使用低电压噪声的运算放大器和 小电阻。除此之外， 电容也能用于补偿和 图, 不同带宽放大器的输出噪声减小噪声。虽然电抗( 电容和电感) 元件不 会增加噪声，但流经它们的噪声电流将产 生噪声电压。总之，应在放大器周围使用 低阻抗来降低热噪声、 电流噪声和电磁干 扰(EMI) 噪声带来的影响。 2.3 带宽选择 在选择好放大器以及 相关的电阻和电 容后，需要设计合理的频率带宽(BW )。带宽不应设计过宽， 足够通过基频和重要的 谐波即可。 选择具有足够带宽的放大器， 图 4 放大器后接 RC 滤波器 陈忠泽 邓贤君 (南华大学电气工程学院湖南衡阳421001 ) [ 摘 要] 通过对目前数字视频监控用的数字硬盘录像机的现状和发展趋势分析，结合当前图像处理、网络、嵌入式技术的发展， 本文提出并详细论述了基于 ARM+DSP 架构的嵌入式数字硬盘录像机的设计方案。 [关键词] 数字硬盘录像机视频监控ARM DSP [中图分类号]TN92[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)06-0036-02 括音 / 视频的实时编解码和存储等, 经过(3)DM648 将接收到的数字视频信号和1 引言适当处理后的音 / 视频用以实现本地 / 远 数字音频信号数据分别进行压缩, 再把压 Video数字硬盘录像机(DVR:Digital程监控以及录像等。根据系统要求的技术 缩视频流和压缩音频流进行同步复合, 产 Recorder ) 是视频监控系统中重要的设 指标， 本文设计的 16 路嵌入式 DVR 主机 生 H.264 视频复合流，再通过 PCI 总线上 备，用于替代早期的长延时录像机或者磁 系 统 硬 件 部 分 采 用 了 主 从 式 的 传给主 CPU ，主 CPU 将从 PCI 接口收到的 [1,3]。现有的数字硬盘录像机分为 带录像机“ ARM+DSP ” 双核架构模式。 主 CPU 选用 数据以文件的格式存储到本地硬盘，供日 基于 PC 的硬盘录像机和嵌入式硬盘录像 三星半导体的 ARM 处理器 S3C2510A[4] ， 后调用;同步将复合数据流传送给图像预 机， 基于 PC 机类型的 DVR ， 一般将工控 从 CPU 选用美国德州仪器(TI )的多媒体 览芯片进行显示。 [5]处理芯片 TMS320DM648。主从 CPU 之间 机作为主机应用平台， 加装一片或多片视 3 主机系统的各主要功能模块设计通过 PCI 总线进行通讯。整个系统的工作 频采集或视频采集压缩卡， 编制专门软件 整个数字硬盘录像主机(如图 1 所示) 流程设计如下 : 进行影像压缩并执行影像编辑功能，成为 根据功能可以划分以下几大核心模块:? (1)系统上电或复位后，主 CPU S3C2510A 一套完整系统。 嵌入式硬盘录像机使用嵌 主控制模块;?视音频采集、压缩模块; 从 Flash 加载程序，完成对芯片的初始化和 入式 CPU 及嵌入式操作系统，图像压缩及 ?视音频预览、回放模块;?其它模块(电 外围硬件的配置 ; 解压回放大多是通过专用芯片来完成的， 源、存储器扩展、网络传输、逻辑控制等)。 (2)从 CPU 通过 I2C 口对系统中的视频嵌入式操作系统完成对整机的控制与管 这里主要介绍主控制模块和视频处理模块 解码芯片进行控制，将从摄像头采集到的 理。目前，市场对嵌入式数字硬盘录像机 的设计。 模拟视频信号转换为数字视频信号，送入 的需求非常旺盛， 基于这种应用背景，本 3.1 主控制模块 本模块主要实现系DM648 的视频通道(VP 端口);同步采集到 文提出了基于 ARM+DSP 架构的嵌入式硬 统的控制， 对整个 的模拟音频信号经过音频编解码器模,数 盘录像机的设计思路和实现方案。 系统任务的运行进行分配与调度。 转换后， 送入 DM648 的音频通道 (McASP 2 网络数字录像机主机系统总体方案S3C2510A 本身内置 PCI 控制器，5 个 PCI 端口) ;要求系统实时处理 16 路复合视频 接口可分别和 2 个音 / 视频压缩模块，1 个(PAL/NTSC)和 16 路音频输入， 处理包 在其后放置 RC 滤波器。 放大器和电阻在 和 ADC 具有 170 V rms 的噪声。在μ RC 滤波电路减小带宽能有效提高 SNR 。 Hz 带宽范围内都有噪声，因此，带宽越大，输 运算放大器之后增加 RC 滤波器后 图 5 是实际运用中采用三个运算放大 出噪声越大，信噪比(SNR) 越低。图,所 (R=50 ，C=100pf), 将产生 50MHz 的有器构成的高精度传感器的接口电路 : 示的是在具有相同配置的电路中使用具有 μ Vrms 。效带宽，能把噪声降低到 70 3 结语不同带宽的放大器时， 放大器带宽与噪声 BW(噪声带宽 )= 传感器是采集和信息的转换的重要部 之间的关系。为限制附加的噪声，带宽应 件。每个传感器都有其噪声、阻抗和响应 1 1 该尽可能的窄。 1.57* 1.57* 12特性。应了解噪声源， 合理选择器件， 带 n RC n 22*50*100*10在传感器之后使用 RC 滤波器来限制 宽，分析非噪声需求。 实现传感器信号调 =50MHz ，有效输入噪声 =10nV/ 带宽。 如图,所示， 放大器带宽为 Hz 理电路的低噪声，获得最佳 SNR ，处理传 6 300MHz，输入噪声电压频谱密度为 10nV/× =70uV 。 可知， 使用正确的 50*10Hz 感器产生的小信号获得高分辨率。 [参考文献] [1]王雪文， 张志勇. 传感器原理及应 用.北京航空航天大学出版社.2004. [2]李希文， 赵建. 传感器与信号调理 技术. 西安电子科技大学出版社.2008. [3]周继明， 汪世明. 传感器技术与应 用.中南大学出版社.2005. [作者简介] 舒行科(1983.8-- )男，硕士，现就 读于长春工业大学电气与电子工程学院检 测技术与自动化装置专业。 研究方向:信 号检测与信息处理 图 5 高精度压力传感器接口电路 Your requestcould not be processed becauseof a configurationerror: "Could not connect to LDAPserver." For assistance,contact your network support team.