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传感器中的传输噪声之“乘性噪声”(二)
易百纳技术社区 1 2020-12-08 21:00:10

上篇专栏,我们专门讲解了传感器中的“加性噪声”,今天我们来讲讲“乘性噪声”。

乘性噪声通过改变和调制信号电压Vs来影响传感器的传输函数或者电路的非线性部件,我们给出它的定性表达式如下: 式中,N(t)是噪声的无量纲函数。 当信号幅值接近零时,输出端的乘性噪声会消失或者变化得很小(此时它也可以能变化为加性噪声)。乘性噪声是两个值相乘(本质上是非线性操作)后得结果,其中一个乘数是有用信号,另一个是与噪声相关得杂散信号。 为减少传输乘性噪声,我们可采用比例测量技术而非差分测量技术,它得原理非常简单,类似于差分测量技术,传感器也采用对偶得形式,第一个传感器用来感知激励信号,两个传感器都处于同样得可以引起传输乘性噪声得环境下,首先,主传感器对激励s1产生响应,但同时也可以受到传输噪声得影响。第二个称为参考传感器,其输入端为恒定得确定参考激励S0,具有环境稳定性,例如,假设传输噪声是环境温度,主传感器和参考传感器同时受该噪声得影响,主传感器得输出电压近似为如下公式: 式中,F(T)是温度相关得函数,传感器得传递函数受该函数影响,T是温度,注意f(s1)是一个无噪声传感器得传递函数,参考输入固定得s0得参考传感器产生得电压为如下公式:

我们将两个等式做比,得到以下:

由于f(s0)是常量,该比率不受温度影响,因此温度引起得传输噪声可以被忽略,但是应该强调得是,比例技术只能用于消除乘性噪声,而差分技术只能用于加性噪声。对于传感器和电路内部产生得固有噪声,这两种技术是无能为力的,另外参考传感器的输出可能不为零,但也不会太小,否则上式将大大增大,参考激励值应选在输入激励范围中心的附近,只要输出f(s0)与零差很多即可。

虽然固有噪声主要是高斯噪声,但传输噪声通常不太适合传统的统计描述,传输噪声可能是单调且有规律的(如温度影响),周期性的,不规则重复性的,或基本上是随机的,并且通常传感器设计和采取预防措施来大幅降低,采取预防措施我们的目的也是为了最大限度地减小电源因线路频率及其谐波,无线电广播站,机械开关的电弧,以及无功电路(具有电容和电感的电路)的切换而导致的电压或电流尖峰引起的静电或电磁干扰。将传感器放置在恒温器中可以减小温度效应的影响,电气预防措施包括滤波,耦合,对引线和器件进行屏蔽,使用保护点位,消除接地回路等等。下面我列出一些传输噪声的来源,及典型幅值与防护措施。

电噪声耦合最常见的途径是“寄生电容”,这种耦合处处存在,任何物体对其他物体都存在电容耦合。例如,当人站在地面时,便会对地产生大约700pf的电容,电连接器的引脚之间大概有2pF的电容,光隔离器有约2pF的发射器-探测器电容,由于这些传感器几乎所有的电子电路都具有非线性,高频干扰信号可能在输出端被整流为直流或缓慢变化的噪声电压。

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