高頻共模（HFCM）是一種無(wú)處不在的現(xiàn)狀。只要周圍有勞動(dòng)人民，就會(huì)有一臺(tái)高頻垃圾發(fā)電機(jī)。它的存在可能被它在儀器中產(chǎn)生的神秘錯(cuò)誤所識(shí)別。包括放大器，DVM和其他數(shù)據(jù)系統(tǒng)組件在內(nèi)的許多儀器的精度經(jīng)常受到高頻共模輸入信號(hào)的影響。由它引起的偏移誤差經(jīng)常歸咎于幾乎從不存在的熱產(chǎn)生的偏移。甚至傳感器及其激勵(lì)電源也會(huì)受到此誤差源的影響。

出現(xiàn)問(wèn)題的癥狀？

您是否曾經(jīng)歷過(guò)似乎過(guò)量的毫伏輸出電平傳感器（傳感器）？漂移或噪音？然后在用另一個(gè)單元替換之后，問(wèn)題仍然存在。也許問(wèn)題不在于換能器的漂移嗎？經(jīng)常錯(cuò)誤識(shí)別的罪魁禍?zhǔn)资请娎|連接器或其他布線連接中的熱產(chǎn)生的偏移。用幾百英尺的電纜進(jìn)行測(cè)試，其中有六個(gè)不同制造商的中間連接器。所有導(dǎo)線均為軟銅，連接器均為黃銅焊接，鍍金配合表面。各種連接器和電纜槽的部分在數(shù)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)暴露于高達(dá)150°F的溫度。傳感器電纜終止于暴露于最高溫度的單個(gè)康銅應(yīng)變計(jì)中。在測(cè)試期間，儀器末端的最大峰峰值電壓偏移為3μV。對(duì)于顯著的熱引起的偏移誤差非常重要！但是噪音？有些是幸運(yùn)的，數(shù)據(jù)放大器輸出端的噪聲可以識(shí)別為手機(jī)或無(wú)線電臺(tái)的通話。這就是放大器對(duì)放大器輸入端的射頻有些敏感的必要線索。然而，大多數(shù)人并不幸運(yùn)。它們只經(jīng)歷零偏移，并且它們將信道重新歸零并繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)必須正常。 。 。畢竟，在測(cè)試開(kāi)始時(shí)傳感器輸出為零......他們不知道偏移的原因或者幾乎沒(méi)有失敗的事實(shí)，在測(cè)試過(guò)程中偏移量會(huì)偶爾發(fā)生變化，在數(shù)據(jù)期間會(huì)出現(xiàn)明顯不同的新偏移值收購(gòu)期。

如圖1所示的許多測(cè)試情況使數(shù)據(jù)放大器與傳感器分開(kāi)幾十到幾百英尺。傳感器是否在遠(yuǎn)程位置直接接地并不重要。在高頻時(shí)，傳感器外殼，其安裝表面和傳感器電路都具有足夠的電容以呈現(xiàn)接地返回路徑。因此，形成環(huán)形天線。由計(jì)算機(jī)，無(wú)線電臺(tái)和無(wú)數(shù)其他源產(chǎn)生的場(chǎng)產(chǎn)生的高頻電壓出現(xiàn)在環(huán)路的最高阻抗上。這幾乎是例外，放大器輸入端子和放大器的接地參考之間。結(jié)果，放大器輸入電路暴露于驅(qū)動(dòng)它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其回轉(zhuǎn)能力的信號(hào)。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏移，它表現(xiàn)為一個(gè)額外的信號(hào)，或簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一個(gè)不斷變化的偏移誤差。

但是，我沒(méi)有這樣的問(wèn)題！ （或者我？）

如果你想要一個(gè)免費(fèi)的午餐，禮貌的懷疑同胞，讓他（她）打賭一個(gè)假設(shè)他們沒(méi)有這樣的問(wèn)題。然后，這里是如何證明在陰影中潛伏著一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。如圖2所示，首先斷開(kāi)傳感器電纜并短接數(shù)據(jù)放大器輸入端子。然后用盡可能短的導(dǎo)線將這些短路輸入端子和保護(hù)端子連接到放大器的電路公共端。觀察放大器的輸出電壓。然后更換與放大器電路的連接，連接到正常連接的傳感器電纜導(dǎo)線。如果在放大器的輸出電壓中觀察到差異，則您已觀察到放大器輸入端的不同共模電壓引起的誤差。畢竟，在這兩種情況下你都有零（短路）正常模式信號(hào)。如果您想評(píng)估這種神秘的共模信號(hào)，請(qǐng)獲得具有兆赫功能的示波器。將其公共端連接到數(shù)據(jù)系統(tǒng)公共端，將其信號(hào)輸入端連接到短路傳感器引線并觀察示波器顯示。在大型航空航天制造商的各種測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中嘗試過(guò)這種情況時(shí)，示波器顯示出幾百毫伏的包絡(luò)，其中包含從電源線到許多兆赫茲的頻率。

例如，在大型實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)系統(tǒng)的儀器接地和大約100英尺遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)室之間觀察到圖3所示的電壓。在這種情況下，在低頻時(shí)基本上沒(méi)有能量，并且在頻率超過(guò)兆赫的情況下存在顯著的分量。當(dāng)信號(hào)源，可追溯校準(zhǔn)電源和待校準(zhǔn)的未受保護(hù)的輸入放大器位于同一繼電器機(jī)柜中時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)不可接受的偏移。是的，附近的柜子里有一臺(tái)電腦。

“無(wú)保護(hù)的輸入放大器”是什么意思？它意味著放大器在其輸入端沒(méi)有任何高頻共模濾波。如果暴露，它很可能達(dá)到其轉(zhuǎn)換限制，并且由于正向和負(fù)向限制從不完全相同，結(jié)果將是偏移誤差。正常模式轉(zhuǎn)換限制也可以以相同的結(jié)果發(fā)生，但這通常更容易預(yù)見(jiàn)。然而，它可能是真實(shí)的錯(cuò)誤貢獻(xiàn)者。如果放大器沒(méi)有引起轉(zhuǎn)換限制問(wèn)題，則不得暴露于任何信號(hào)，普通或正常模式，這將導(dǎo)致它被驅(qū)動(dòng)到這種狀態(tài)。圖4顯示了在約270度處的這種回轉(zhuǎn)引起的變形。這導(dǎo)致放大器輸出偏移誤差為滿量程的3％。

問(wèn)題

找到一個(gè)包含足夠保護(hù)的市場(chǎng)放大器是不尋常的。在電磁不衛(wèi)生的世界中，它不受高頻共模信號(hào)的影響?？赡茏钊狈?jīng)驗(yàn)的用戶是集成電路儀表放大器的營(yíng)銷人員。由于價(jià)格低廉，規(guī)格好，易于使用，這些產(chǎn)品對(duì)粗心的用戶非常有吸引力。數(shù)據(jù)手冊(cè)介紹了放大器在典型工作參數(shù)范圍內(nèi)的工作情況，但未能告訴您如何在正常測(cè)試環(huán)境下保持放大器。容易產(chǎn)生的正?；蚬材＜夥蹇赡艹^(guò)這些極限，有時(shí)是破壞性的，因?yàn)槠骷O(shè)計(jì)具有非常高的輸入阻抗。同樣不幸的是，制造商的規(guī)格表很少包括超過(guò)一百赫茲左右的共模性能。超過(guò)此未說(shuō)明的限制將導(dǎo)致偏移和結(jié)果數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的產(chǎn)生。

直流偏移與高頻共模的關(guān)系不能表示為數(shù)據(jù)手冊(cè)中的共模抑制比CMRR，因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)不相干。如果給出高頻CMRR，則是該頻率下輸出與輸入的關(guān)系。在任何情況下，沒(méi)有多少儀表放大器輸出級(jí)將通過(guò)兆赫茲數(shù)據(jù)，因此具有出色的高頻CMRR。 Specsmanship再次獲勝！

除了極少數(shù)制造商的產(chǎn)品外，大多數(shù)儀表放大器單元售價(jià)數(shù)百至數(shù)千美元，帶有旋鈕，計(jì)算機(jī)接口和其他功能，并非高頻共模保護(hù)。由于電路的信號(hào)處理能力線性低于回轉(zhuǎn)極限且非線性，因此偏移誤差與輸入高頻共模電壓的關(guān)系非常非線性。圖5顯示了沒(méi)有三線濾波器的放大器的性能。在該圖的所有條件下，具有其濾波器的相同放大器具有小于0.01％的滿量程偏移。曾經(jīng)評(píng)估過(guò)一款具有幾乎所有可以想象的鈴鐺和哨子的市場(chǎng)儀表放大器單元。當(dāng)受到100 mV的2 MHz共模電壓時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生13 V輸出飽和。然而，大多數(shù)放大器單元都包含輸入過(guò)壓保護(hù)。

當(dāng)所需信號(hào)帶寬僅為幾赫茲時(shí)，可以使用最簡(jiǎn)單的保護(hù)類型。插入放大器前面的非常簡(jiǎn)單的R-C濾波器將提供共模和正常模式保護(hù)。用于具有低輸入電流的放大器的這種電路如圖6所示。它具有比共模轉(zhuǎn)角頻率低得多的正常模式轉(zhuǎn)角頻率。如果不是這種情況，則必須精確匹配兩個(gè)共模R-C濾波器元件，以避免在幅度衰減相對(duì)于頻率發(fā)生失配的頻率處將共模轉(zhuǎn)換為正常模式。通過(guò)所示電路，在這種不匹配的轉(zhuǎn)角頻率下，正常模式頻率會(huì)大大衰減。

如果所需的信號(hào)帶寬擴(kuò)展到千赫茲區(qū)域，或者更重要的是，對(duì)于接近或超出放大器共?；剞D(zhuǎn)能力的頻率，解決方案變得更加困難且不那么直接。如果放大器以更高的增益工作，則相對(duì)高幅度的高頻共模信號(hào)需要它們的大衰減，以便它們不會(huì)通過(guò)輸入級(jí)中的轉(zhuǎn)換限制轉(zhuǎn)換為正常模式信號(hào)偏移。這需要一個(gè)濾波器，它將抑制高頻共模信號(hào)，但不會(huì)影響正常模式信號(hào)。它也必須不將共模轉(zhuǎn)換為正常模式信號(hào)。

解決方案

這種無(wú)源濾波器，如圖7所示，是由Astrodata的Bill Gunning設(shè)計(jì)的幾年前作為長(zhǎng)距離電話電路長(zhǎng)期使用的幻像電路的改編 1 。濾波器單元，有時(shí)稱為三線電感器，以這樣的方式構(gòu)造，使得三個(gè)繞組的相互耦合盡可能接近一致。因此，在一個(gè)繞組上產(chǎn)生的任何頻率的任何電壓在另外兩個(gè)中完全復(fù)制。因此，第三繞組上的任何電壓在每個(gè)放大器輸入端子處均等地出現(xiàn)。如果此電壓是傳感器端的傳感器共模電壓和放大器端的放大器共模電壓，那么這兩條信號(hào)線也會(huì)在其上或相對(duì)于放大器電路上具有放大器共模電壓，為零共模電壓。

擴(kuò)展前面的描述，在大多數(shù)放大器設(shè)計(jì)中，低頻共模值是根據(jù)正常模式輸入信號(hào)計(jì)算的。然后該電壓是放大器識(shí)別的共模電壓。放大器使用該電壓在共模下驅(qū)動(dòng)輸入級(jí)電源，從而增強(qiáng)其低頻共模性能。由于驅(qū)動(dòng)輸入級(jí)電源所需的功率相對(duì)較高，共模放大器的回轉(zhuǎn)能力通常限于幾十千赫茲的頻率。帶寬受限，因此共模電壓不會(huì)超過(guò)其回轉(zhuǎn)能力。通過(guò)增加三線電感（變壓器），放大器的共?？箶_度超出了這些頻率。

根據(jù)定義，保護(hù)引線或屏蔽引線具有傳感器引線共模信號(hào)。變壓器的第三個(gè)繞組連接在傳感器引線保護(hù)器和放大器的共模點(diǎn)之間，從而導(dǎo)致傳感器的共模和放大器共模之間的任何高頻電壓差出現(xiàn)在第三個(gè)繞組上變壓器電容器與該繞組串聯(lián)放置，使得在低頻下流過(guò)變壓器的電流很小，從而避免了磁芯飽和。在高頻時(shí)，由于共模放大器的帶寬限制，共模信號(hào)在放大器的輸入保護(hù)端子處基本為零。由于三線變壓器，該共模信號(hào)在每個(gè)差分輸入端也基本上為零且相等。因此，放大器不會(huì)暴露于大量的高頻共模電壓。

正如人們可能得出的結(jié)論，理論的解釋和概念的實(shí)現(xiàn)并不是同樣簡(jiǎn)單。正確設(shè)計(jì)的濾波器電路將在放大器的共模能力開(kāi)始減弱的頻率下生效。變壓器還必須具有非常低的分布電容，以便非常高的頻率不會(huì)通過(guò)濾波器傳導(dǎo)到放大器輸入。 Oft-times需要第二個(gè)更小，更低的電感單元來(lái)擴(kuò)展高頻性能。

到目前為止，只有數(shù)據(jù)放大器被認(rèn)為是有問(wèn)題的器件。該設(shè)備不必是具有所述問(wèn)題的“放大器”。您是否曾將兩個(gè)不同型號(hào)的數(shù)字電壓表依次連接到同一個(gè)熱電偶或應(yīng)變計(jì)上并觀察到兩個(gè)不同的讀數(shù)？或者甚至將兩個(gè)連接到同一個(gè)源并有兩個(gè)不同的讀數(shù)？如果是這樣，您再次遇到由高頻共模引起的錯(cuò)誤。示波器，數(shù)字電壓表或任何其他用于進(jìn)行低電平測(cè)量的設(shè)備可能容易受到影響。短引線通常與這些設(shè)備一起使用是許多應(yīng)用中的節(jié)省因素。

這個(gè)討論包含了很少的定量數(shù)字，因?yàn)橛泻芏嘁蛩丶釉谝黄饡?huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤產(chǎn)生。對(duì)管理良好的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室而言，一個(gè)好的理念是指定和購(gòu)買儀器設(shè)備，這些設(shè)備在最惡劣的測(cè)試條件下不會(huì)產(chǎn)生明顯的錯(cuò)誤。因此，最不警惕和缺乏經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試工程師在獲取有意義的測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)遇到問(wèn)題。很難確定何時(shí)具有最佳條件，哪些將導(dǎo)致共模敏感設(shè)備中不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)表明，只有在測(cè)試設(shè)置被拆除后才會(huì)發(fā)現(xiàn)受污染和有問(wèn)題的數(shù)據(jù)。兩種共?？箶_度規(guī)范如圖8所示。不太嚴(yán)格的規(guī)范適用于單卡，通用供電，計(jì)算機(jī)控制的放大器單元。在所示限制下，任一規(guī)格所允許的最大偏移量為0.04％滿量程。

傳感器太多了？

更不被認(rèn)可的是傳感器，在很大程度上，也容易受到共模污染。幸運(yùn)的是，最容易受到影響的設(shè)計(jì)是那些最常用于最高精度設(shè)備的設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)是包含有源電路的設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)其對(duì)電感，容量或電荷變化的敏感度，無(wú)論設(shè)備的感興趣的參數(shù)如何。例如，這些傳感器包括用于測(cè)量壓力，加速度和流體流量的傳感器。電路和設(shè)備外殼之間電壓的任何變化都將被電路識(shí)別為該監(jiān)控參數(shù)的變化，并作為信號(hào)出現(xiàn)在輸出端。這些器件中的大多數(shù)都包含一個(gè)振蕩器，它們極易受到振蕩器頻率附近的共模頻率或其一些倍數(shù)的影響。

圖9顯示了包含振蕩器的流量計(jì)的靈敏度。由于在這種設(shè)備中電路防護(hù)是未知的，唯一明顯的解決方案是直接連接電路公共端和傳感器外殼。由于信號(hào)源現(xiàn)在已良好接地，因此接收設(shè)備必須接受所產(chǎn)生的共模電壓。很多時(shí)候，信號(hào)包含不希望的傳感器內(nèi)部振蕩器頻率，作為共模電壓和正常模式電壓。高頻共模容限放大器的另一個(gè)應(yīng)用！

最近的一次經(jīng)驗(yàn)表明，即使是來(lái)自普通應(yīng)變計(jì)壓力傳感器的信號(hào)有時(shí)也會(huì)受到共模電壓的污染。主題傳感器用于測(cè)量液壓，并且觀察到與泵控制器相關(guān)的顯著錯(cuò)誤引起的信號(hào)。由于應(yīng)變計(jì)傳感器具有浮橋，因此橋式電源連接到數(shù)據(jù)系統(tǒng)接地，以控制放大器看到的直流共模電壓。將橋接電源參考移動(dòng)到傳感器外殼后，泵控制器的干擾明顯減少。這些觀察是用示波器進(jìn)行的，沒(méi)有記錄有限值。觀察到的誤差差異約為一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖10顯示了這兩種接地配置。該測(cè)試表明，對(duì)于應(yīng)變計(jì)傳感器，傳感器電路必須參考傳感器外殼，以最大限度地減少共模引起的誤差。高頻共?？剐苑糯笃魇峭瓿蓴?shù)據(jù)系統(tǒng)的必要組件。

總之，可以說(shuō)大多數(shù)測(cè)試情況都包含大量的高頻公共 - 模式信號(hào)。在許多情況下，所需的數(shù)據(jù)被污染，因?yàn)榇蠖鄶?shù)常見(jiàn)的儀器易受高頻共模電壓（信號(hào)）的影響。您甚至不必在航空航天業(yè)務(wù)中獲得資格。儀表與計(jì)算機(jī)或其他RF垃圾發(fā)生器相距甚遠(yuǎn)。為了確定您的數(shù)據(jù)是否受到如此污染，您必須通過(guò)一些簡(jiǎn)單的測(cè)試來(lái)尋找它，并因此購(gòu)買一些新的耐HFCM儀器。