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传感器故障机制和噪声抑制方法
发布时间:2021-03-25   点击次数:78次

传感器是物联网(IoT)设备和无人驾驶汽车的关键,它们在各种产品中的应用只增不减。噪声抑制对于各种传感器都很重要,也是必不可少的一项性能,因为如果传感器未能正确传输检测到的数据,则可能会发生严重事故。Murata研究了故障机制和噪声抑制方法,以单芯片类型传感器(数字输出类型)为例。

 

噪声导致传感器故障的机制

 

单芯片传感器主要由三种线路组成:信号、电源和GND。此外,通过多个信号线路(例如时钟和数据)实现通信。Murata在对不同线路施加噪声时检查效果。

 

信号类型

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将噪声施加到数字信号线路

 

无法正确执行通信的故障示例时,当噪声施加到数字信号线路并产生错误判断时,电平已超过高阈值或低于低阈值。

 

Murata实际上将噪声引入特定加速度计的数字信号线进行评估,并确认通信停止的故障。

 

将噪声施加到数字线路示意图

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将噪声施加到电源线路

 

模拟前端包括放大器和模数转换电路。当这些电路的电源波动且电路运行不当时,可能会产生异常值的情况下发生故障。

 

Murata为评估加速度计的电源线路引入噪声,并确认输出中断的故障。

 

将噪声施加到电源线路示意图

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传感器噪声抑制的关键点

 

这些是滤波器中抑制传感器噪声的条件:

 

1.传输运行所需的电源和信号

 

2.屏蔽导致故障的噪声

 

单芯片类型传感器有多种类型和产品名称,但用于噪声抑制的滤波器没有很大区别。

 

这是因为滤波器中的两个条件对于任何传感器都很常见。

 

1.传输运行所需的电源和信号

 

→单芯片类型传感器具有标准化接口(IC引脚)

 

2.屏蔽引起故障的明显噪声

 

→通过抗噪测试,实现明显噪声规格的标准化

 

滤波器的安装位置

 

Murata确定需要将滤波器安装在传感器附近才能有效。

 

电源线路噪声抑制

 

滤波器在从低频到高频的宽带宽范围内具有高插入损耗,非常适合用于电源线路噪声抑制。

 

仅使用电容器的抑制需要电容值大的电容器(涵盖低频侧)和低ESL电容器才能获得高频插入损耗。

 

将电容器和电感器结合,可显著提高插入损耗。除了使用电感器外,还可通过在多电平配置中的传感器侧安排足够的电容来获得更有效的噪声滤波器。

 

电源线路噪声抑制示意图

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信号线路噪声抑制

 

针对(数据/时钟)信号线路的噪声抑制要求滤波器设计,在应通过的信号频率下具有低插入损耗。

 

在噪声水平较小或信号频率和噪声分离时,仅使用电容器即可抑制。但是,当信号频率和噪声频率接近时,需要通过将电感器和电容器结合来配置具有明显插入损耗特性的滤波器。

 

信号线路噪声抑制抑制图

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使用电感器时的要点

 

仅在特定线路中插入电感器时,会转换为正常模式(潜在差值),并且线路变得不平衡。这增加了故障变恶劣的可能性。插入电感器时,Murata确定在所有线路中使用相同的零件编号非常重要。

 

注:铁氧体磁珠是一款电感型滤波器,不仅可抑制高阻抗噪声,而且还能吸收噪声能量作为铁氧体的损耗,因此预计噪声抑制效果会更好。

 

对策示例

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电源线路噪声抑制示例

 

产生传感器输出值的异常情况(输出误差),是噪声对传感器电源线路的影响。注入电源线路的噪声水平保持恒定,并且在检查使用抑制措施之前和之后输出误差的大小。

 

由于传感器输出值的故障是因电源线路的正常模式噪声造成,因此,在传感器附近插入四个0.1µFESL电容器。

 

该操作将传感器的输出误差抑制在1%以下。

 

如上所述,需要进一步抑制噪声时,电感器和电容器可配置为Pi型滤波器。

 

电源线路噪声抑制示例图

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信号线路噪声抑制示例

 

由于噪声对传感器信号线路的影响,传感器的通信可能会停止。注入噪声水平提高,同时研究了适当运行的限制水平(不发生故障时)。

 

初始:抗故障能力与频率有很大不同。(在本示例中,电阻低至100MHz250MHz。)

 

对策1:添加电容器可提高100MHz250MHz下的抗故障能力。

 

对策2:配置铁氧体磁珠和电容器可提高200MHz250MHz下的抗故障能力。

 

对策3:为了实现平衡,为电源线路配置一个Pi型滤波器,并在接地(GND)线路中添加铁氧体磁珠。这样即可提高所有频率范围内的抗故障能力。

 

通过实施对策3(推荐电路),确认在整个频率带宽范围内抗噪性能良好。

 

信号线路噪声抑制示例图

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原文标题:噪声校正-找出传感器故障

 

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(来源:网络,版权归原作者)

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