傳感器故障機(jī)制和噪聲抑制方法

傳感器是物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備和無(wú)人駕駛汽車的關(guān)鍵，它們?cè)诟鞣N產(chǎn)品中的應(yīng)用只增不減。噪聲抑制對(duì)于各種傳感器都很重要，也是必不可少的一項(xiàng)性能，因?yàn)槿绻麄鞲衅魑茨苷_傳輸檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，則可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重事故。Murata研究了故障機(jī)制和噪聲抑制方法，以單芯片類型傳感器（數(shù)字輸出類型）為例。

噪聲導(dǎo)致傳感器故障的機(jī)制

單芯片傳感器主要由三種線路組成：信號(hào)、電源和GND。此外，通過(guò)多個(gè)信號(hào)線路（例如時(shí)鐘和數(shù)據(jù)）實(shí)現(xiàn)通信。Murata在對(duì)不同線路施加噪聲時(shí)檢查效果。

信號(hào)類型

將噪聲施加到數(shù)字信號(hào)線路

無(wú)法正確執(zhí)行通信的故障示例時(shí)，當(dāng)噪聲施加到數(shù)字信號(hào)線路并產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷時(shí)，電平已超過(guò)高閾值或低于低閾值。

Murata實(shí)際上將噪聲引入特定加速度計(jì)的數(shù)字信號(hào)線進(jìn)行評(píng)估，并確認(rèn)通信停止的故障。

將噪聲施加到數(shù)字線路示意圖

將噪聲施加到電源線路

模擬前端包括放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)這些電路的電源波動(dòng)且電路運(yùn)行不當(dāng)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生異常值的情況下發(fā)生故障。

Murata為評(píng)估加速度計(jì)的電源線路引入噪聲，并確認(rèn)輸出中斷的故障。

將噪聲施加到電源線路示意圖

傳感器噪聲抑制的關(guān)鍵點(diǎn)

這些是濾波器中抑制傳感器噪聲的條件：

1. 傳輸運(yùn)行所需的電源和信號(hào)

2. 屏蔽導(dǎo)致故障的噪聲

單芯片類型傳感器有多種類型和產(chǎn)品名稱，但用于噪聲抑制的濾波器沒(méi)有很大區(qū)別。

這是因?yàn)闉V波器中的兩個(gè)條件對(duì)于任何傳感器都很常見(jiàn)。

1. 傳輸運(yùn)行所需的電源和信號(hào)

→單芯片類型傳感器具有標(biāo)準(zhǔn)化接口（IC引腳）

2. 屏蔽引起故障的明顯噪聲

→通過(guò)抗噪測(cè)試，實(shí)現(xiàn)明顯噪聲規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化

濾波器的安裝位置

Murata確定需要將濾波器安裝在傳感器附近才能有效。

電源線路噪聲抑制

濾波器在從低頻到高頻的寬帶寬范圍內(nèi)具有高插入損耗，非常適合用于電源線路噪聲抑制。

僅使用電容器的抑制需要電容值大的電容器（涵蓋低頻側(cè)）和低ESL電容器才能獲得高頻插入損耗。

將電容器和電感器結(jié)合，可顯著提高插入損耗。除了使用電感器外，還可通過(guò)在多電平配置中的傳感器側(cè)安排足夠的電容來(lái)獲得更有效的噪聲濾波器。

電源線路噪聲抑制示意圖

信號(hào)線路噪聲抑制

針對(duì)（數(shù)據(jù)/時(shí)鐘）信號(hào)線路的噪聲抑制要求濾波器設(shè)計(jì)，在應(yīng)通過(guò)的信號(hào)頻率下具有低插入損耗。

在噪聲水平較小或信號(hào)頻率和噪聲分離時(shí)，僅使用電容器即可抑制。但是，當(dāng)信號(hào)頻率和噪聲頻率接近時(shí)，需要通過(guò)將電感器和電容器結(jié)合來(lái)配置具有明顯插入損耗特性的濾波器。

信號(hào)線路噪聲抑制抑制圖

使用電感器時(shí)的要點(diǎn)

僅在特定線路中插入電感器時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)換為正常模式（潛在差值），并且線路變得不平衡。這增加了故障變惡劣的可能性。插入電感器時(shí)，Murata確定在所有線路中使用相同的零件編號(hào)非常重要。

注：鐵氧體磁珠是一款電感型濾波器，不僅可抑制高阻抗噪聲，而且還能吸收噪聲能量作為鐵氧體的損耗，因此預(yù)計(jì)噪聲抑制效果會(huì)更好。

對(duì)策示例

電源線路噪聲抑制示例

產(chǎn)生傳感器輸出值的異常情況（輸出誤差），是噪聲對(duì)傳感器電源線路的影響。注入電源線路的噪聲水平保持恒定，并且在檢查使用抑制措施之前和之后輸出誤差的大小。

由于傳感器輸出值的故障是因電源線路的正常模式噪聲造成，因此，在傳感器附近插入四個(gè)0.1μF低ESL電容器。

該操作將傳感器的輸出誤差抑制在1%以下。

如上所述，需要進(jìn)一步抑制噪聲時(shí)，電感器和電容器可配置為Pi型濾波器。

電源線路噪聲抑制示例圖

信號(hào)線路噪聲抑制示例

由于噪聲對(duì)傳感器信號(hào)線路的影響，傳感器的通信可能會(huì)停止。注入噪聲水平提高，同時(shí)研究了適當(dāng)運(yùn)行的限制水平（不發(fā)生故障時(shí)）。

?初始：抗故障能力與頻率有很大不同。（在本示例中，電阻低至100MHz和250MHz。）

?對(duì)策1：添加電容器可提高100MHz和250MHz下的抗故障能力。

?對(duì)策2：配置鐵氧體磁珠和電容器可提高200MHz和250MHz下的抗故障能力。

?對(duì)策3：為了實(shí)現(xiàn)平衡，為電源線路配置一個(gè)Pi型濾波器，并在接地 （GND） 線路中添加鐵氧體磁珠。這樣即可提高所有頻率范圍內(nèi)的抗故障能力。

通過(guò)實(shí)施對(duì)策3（推薦電路），確認(rèn)在整個(gè)頻率帶寬范圍內(nèi)抗噪性能良好。

信號(hào)線路噪聲抑制示例圖

原文標(biāo)題：噪聲校正 - 找出傳感器故障

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