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什么是混疊噪聲(alasing noise)!!!!

?? 2021-04-20 杭州愛華AWA6228杭州愛華AWA622811840
核心提示:http://www.ednasia.com/article-271-sourcesandremediesofanalogcircuitnoise-Asia.html#模擬電路噪聲的來源和消除Analog circu

模擬電路噪聲的來源和消除 
---模擬電路噪聲的消除更多地依賴于經(jīng)驗而非科學依據(jù)。 杭州愛華AWA6228設計人員經(jīng)常遇到的情況是電路的模擬硬件部分設計出來以后,卻發(fā)現(xiàn)電路中的噪聲太大,而不得不重新進行設計和布線。這種“試試看”的設計方法在幾經(jīng)周折之后最終也能獲得成功噪聲。不過,避免噪聲問題的更好方法是在設計初期進行決策時就遵循一些基本的設計準則,并運用與噪聲相關的基本原理等知識。本文將探討 12位A/D轉換系統(tǒng)中的不同噪聲源(包括器件噪聲、發(fā)射噪聲和傳導噪聲)及其消除方法。
-- -設計一個低噪聲的12位或10位模數(shù)轉換器(ADC)電路板看起來比較容易,但前提是了解并遵循一些基本的低噪聲設計概念和技巧。例如,有人可能認為大多數(shù)器件(如放大器和電阻)都可有效地用于12位或10位ADC,所以通常都是根據(jù)與噪聲無關的參數(shù)來選擇這些器件。除了器件噪聲,電路噪聲的另一個來源是傳導噪聲。在信號到達ADC的輸入端之前,傳導噪聲就已經(jīng)存在于電路板的走線中了。傳導噪聲的來源是器件噪聲或發(fā)射噪聲。一些情況下,電路本身的要求決定了器件噪聲和發(fā)射噪聲是不可避免的。傳導噪聲可能來自模擬信號路徑上的器件和電源器件,電路中最常用的電源器件是開關模式電源,甚至是僅采用簡單穩(wěn)壓的 “墻上適配器”,此類器件都會產生電源噪聲并注入敏感的模擬器件中。電路噪聲的第三個來源是輻射噪聲。一般來說,輻射噪聲可能是由于兩條平行且靠近的走線間形成耦合而出現(xiàn)的,也可能來自外部電磁干擾(EMI)信號。
---如果考慮器件的噪聲,器件的選擇就成為電路設計成敗的主要影響因素。杭州愛華AWA6292 此類問題常見于A/D轉換電路中放大器/電阻增益級部分。為解決此類問題,可以將放大器更換為低噪聲器件并采用阻值更低的電阻來降低系統(tǒng)噪聲。傳導噪聲問題則可通過其他方法解決。如果噪聲是來自ADC信號路徑,在ADC之前增加一個低通濾波器就可有效地降低混疊噪聲。正如上文提到的,傳導噪聲的另一個來源是電源。對于這一問題,可利用扼流圈或阻容(R/C)濾波器對電源線進行濾波。此外,對于所有有源器件,都應當在其電源引腳和地之間增加一個旁路電容。不過,通過接地面,可以消除大部分傳導噪聲。最后,針對由于走線之間的耦合而帶來輻射噪聲,可以將兩條走線隔開,通過適當?shù)碾娐钒宀季制帘位虮苊馔獠吭肼暋H绻鉀Q了上述器件噪聲、傳導噪聲和發(fā)射噪聲等問題,低噪聲12位ADC電路板的設計就很容易了。

-- -圖1是一個12位ADC電路的例子。如圖所示,杭州愛華AWA5636 信號來自一個電阻負載單元,器件號碼為LCL816-G。LCL816-G的差分輸出端口連接到一個分立式雙運放儀表放大器(A1、A2、R3、R4和RG)。然后,信號通過一個二階低通濾波器(A3、R5、R6、C1和C2),該低通濾波器可消除頻率更高的混疊噪聲,從而消除進入ADC的有害誤差。最后,信號耦合到一個12位ADC(A4,Microchip公司的MCP3201)。轉換器可接受0~5V 的信號,輸出發(fā)送至單片機(Microchip PIC16C623)。一個整流器/AC至DC轉換器(墻上適配器)將來自交流插座的交流輸入轉換為所需要的9V直流電源,再利用LM7805將電源穩(wěn)壓到5V。扼流圈L1的作用是進一步降低電源紋波和噪聲。
---如果電路設計時沒有采取上述低噪聲措施,那么很容易產生類似圖2的輸出。在圖2中,ADC(MCP3201)的輸出端以30 ksps的數(shù)據(jù)速率采集1024個樣本。圍繞著碼字2982,這些樣本的碼寬為44。根據(jù)這一數(shù)據(jù),系統(tǒng)的精度約為5.45位。顯然,這一電路的精度對于 12位系統(tǒng)是不夠的。
---電路板的參數(shù)具體配置為:
---R3 = 300kΩ;
---R4 = 100聲級計校準裝置kΩ;
---RG = 4020Ω;

---A1 = A2 =單電源CMOS運放MCP604(Microchip);
---無低通抗混疊濾波器;
---無旁路電容;
---沒有使用接地面;
---L1短路(扼流圈)。
---采取低噪聲措施的改進電路和電路板則可產生一個精確的12位解決方案。首先,通過采用噪聲更低的放大器和電阻來解決器件噪聲問題。例如,當電阻值減小10倍時,增益保持不變,但噪聲降低了約3倍。此外,放大器也要從MCP604更換為MCP6024。MCP604在1kHz時的電壓噪聲密度為 29nV/√Hz(典型值),而MCP6024在10kHz時的電壓噪聲密度為8.7nV/√Hz(典型值),改善了3倍多。通過在印刷電路板(PCB)的背面設置接地面可以解決傳導噪聲問題。由于實現(xiàn)了接地面,金屬層中斷與信號路徑分別處于兩個平行的平面,而不是同一平面。經(jīng)過這些修改后,電路板的性能有顯著改善。測試顯示,ADC輸出碼的分布直方圖的碼寬度從44減小至9個碼字。

-- -這一巨大改變使得圖1中的電路性能達到約9位系統(tǒng)的水平,但實際上還可以達到12位系統(tǒng)的性能。為解決傳導噪聲問題,可在ADC之前增加了一個二階低通濾波器,以減少A/D轉換過程中的混疊信號。濾波器是采用FilterLab模擬濾波軟件工具設計的。此外,可通過采用旁路電容進一步降低傳導噪聲。最后,通過采用扼流圈L1對電源進行過濾,將傳導噪聲的影響降到最小。這些改進使系統(tǒng)成為一個真正的12位精確系統(tǒng)。如圖3所示,模數(shù)轉換器的輸出端以30 ksps數(shù)據(jù)速率采集1024個樣本,所有樣本都等于一個碼:2941。
---只要遵循下列幾條關鍵的低噪聲設計準則,良好的12位ADC設計技巧并不難掌握。
● 檢查電路中使用的器件并保證它們均是低噪聲器件。
● 永遠在電路板的一層布設不間斷的接地面。
● 對于混合信號電路中的信號,利用低通抗混疊濾波器進行正確的濾波。
● 對所有器件進行適當?shù)呐月吩O計;電容要盡量靠近器件的電源引腳。
● 對電源進行恰當?shù)臑V波。


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