帶通濾波器中的差異如何影響器件性能和 SNR

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發(fā)動機(jī)爆震傳感器的用途是通過監(jiān)控發(fā)動機(jī)振動來提高發(fā)動機(jī)效率和性能。 發(fā)動機(jī)控制單元 (ECU) 使用該數(shù)據(jù)調(diào)整燃油空氣比，以減少“發(fā)動機(jī)發(fā)出碰撞聲”并更正發(fā)動機(jī)正時。 TI 的 TPIC8101 可用作此類發(fā)動機(jī)爆震傳感器的信號調(diào)節(jié)器。 新型解決方案有時會將該功能集成到發(fā)動機(jī) ECU 的一個 MCU 中，不過，這意味著可能更多地以遠(yuǎn)程方式完成該處理過程（由于微控制器較低的溫度等級），這可能會導(dǎo)致信號劣化。 可通過查看來自爆震傳感器的信號的提取情況（與系統(tǒng)的噪聲相比）來驗(yàn)證 TPIC8101 的性能。

簡要的工作原理：

TPIC8101 執(zhí)行爆震傳感元件的信號調(diào)節(jié)，這些元件是諧振壓電式傳感器元件。 在通過輸入放大器之后，噪聲會從信號中過濾掉（將一個帶通濾波器集中在傳感元件的中心頻率上）。 隨后對信號進(jìn)行整流和集成。 然后可以使用數(shù)字方式或通過模擬信號傳輸該輸出。 ECU 監(jiān)控該信號的強(qiáng)度以確定爆震發(fā)生的時間。

圖 1：TPIC8101 內(nèi)部方框圖

爆震傳感器信號調(diào)節(jié)器的目的之一是抑制所有帶外噪聲，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)已經(jīng)是固有的噪聲環(huán)境。 因此，系統(tǒng)提供的信噪比 (SNR) 非常重要。 具體而言，帶通濾波器決定從系統(tǒng)抑制噪聲的情況。 要測量帶通濾波器的性能，必須執(zhí)行以下步驟。

選擇帶通濾波器中心頻率、集成時間常數(shù)、放大器增益和集成時間窗口等參數(shù)（如 TPIC8101 數(shù)據(jù)表的第 9.2.2 節(jié)中所述）。 必須根據(jù)系統(tǒng)級要求設(shè)置這些參數(shù)，也可以使用表 1 中示例測試設(shè)置中的值。

使用函數(shù)發(fā)生器以指定的頻率和振幅生成正弦波，以模仿爆震傳感元件的輸出。

記錄信號的峰值電壓。

調(diào)整輸入信號的頻率并重新測量信號。

然后將生成輸出電壓圖（相對于輸入頻率），通過該圖可以查看帶通濾波器的相對 SNR 值。

測試數(shù)據(jù)：

該測試數(shù)據(jù)將 TPIC8101 與競爭對手的器件進(jìn)行比較，以顯示帶通濾波器中的差異如何影響器件性能和 SNR。 TI 器件和競爭對手的器件是按照與表 1 相同的方式進(jìn)行配置的。

表 2 顯示了各種頻率輸入信號的輸出信號振幅的測試數(shù)據(jù)。 已對每個器件的帶通濾波器進(jìn)行編程，使其具有 6.94kHz 的中心頻率，因此應(yīng)抑制遠(yuǎn)離該中心頻率的輸入信號。

SNR 的公式為：

圖 2 顯示了表 1 中的結(jié)果。 噪聲等級 () 在兩個器件之間大概是相同的，因?yàn)檫h(yuǎn)離中心頻率的振幅基本相同。 在中心頻率，TPIC8101 具有更高的振幅，這意味著其 SNR 要優(yōu)于競爭產(chǎn)品。

圖 2： 測試結(jié)果 – 與競爭產(chǎn)品的振幅比較（相對于頻率）

總結(jié)：

帶通濾波器是 TPIC8101 的關(guān)鍵組件。 可以輕松對其進(jìn)行測試，并可將其用作兩個類似器件之間的基準(zhǔn)測試對比。 測試數(shù)據(jù)顯示 TPIC8101 的帶通濾波器可以很好地抑制噪聲，效果優(yōu)于競爭產(chǎn)品。