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

出現(xiàn)問題的癥狀？

您是否曾經歷過似乎過量的毫伏輸出電平傳感器（傳感器）？漂移或噪音？然后在用另一個單元替換之后，問題仍然存在。也許問題不在于換能器的漂移嗎？經常錯誤識別的罪魁禍首是電纜連接器或其他布線連接中的熱產生的偏移。用幾百英尺的電纜進行測試，其中有六個不同制造商的中間連接器。所有導線均為軟銅，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)小時的時間內暴露于高達150°F的溫度。傳感器電纜終止于暴露于最高溫度的單個康銅應變計中。在測試期間，儀器末端的最大峰峰值電壓偏移為3μV。對于顯著的熱引起的偏移誤差非常重要！但是噪音？有些是幸運的，數(shù)據(jù)放大器輸出端的噪聲可以識別為手機或無線電臺的通話。這就是放大器對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。它們只經歷零偏移，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，在測試開始時傳感器輸出為零......他們不知道偏移的原因或者幾乎沒有失敗的事實，在測試過程中偏移量會偶爾發(fā)生變化，在數(shù)據(jù)期間會出現(xiàn)明顯不同的新偏移值收購期。

如圖1所示的許多測試情況使數(shù)據(jù)放大器與傳感器分開幾十到幾百英尺。傳感器是否在遠程位置直接接地并不重要。在高頻時，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。由計算機，無線電臺和無數(shù)其他源產生的場產生的高頻電壓出現(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。結果，放大器輸入電路暴露于驅動它遠遠超出其回轉能力的信號。這會產生一個偏移，它表現(xiàn)為一個額外的信號，或簡單來說就是一個不斷變化的偏移誤差。

但是，我沒有這樣的問題！ （或者我？）

如果你想要一個免費的午餐，禮貌的懷疑同胞，讓他（她）打賭一個假設他們沒有這樣的問題。然后，這里是如何證明在陰影中潛伏著一個嚴重的問題。如圖2所示，首先斷開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線將這些短路輸入端子和保護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。如果您想評估這種神秘的共模信號，請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試實驗室中嘗試過這種情況時，示波器顯示出幾百毫伏的包絡，其中包含從電源線到許多兆赫茲的頻率。

例如，在大型實驗室數(shù)據(jù)系統(tǒng)的儀器接地和大約100英尺遠的實驗室之間觀察到圖3所示的電壓。在這種情況下，在低頻時基本上沒有能量，并且在頻率超過兆赫的情況下存在顯著的分量。當信號源，可追溯校準電源和待校準的未受保護的輸入放大器位于同一繼電器機柜中時，甚至會出現(xiàn)不可接受的偏移。是的，附近的柜子里有一臺電腦。

“無保護的輸入放大器”是什么意思？它意味著放大器在其輸入端沒有任何高頻共模濾波。如果暴露，它很可能達到其轉換限制，并且由于正向和負向限制從不完全相同，結果將是偏移誤差。正常模式轉換限制也可以以相同的結果發(fā)生，但這通常更容易預見。然而，它可能是真實的錯誤貢獻者。如果放大器沒有引起轉換限制問題，則不得暴露于任何信號，普通或正常模式，這將導致它被驅動到這種狀態(tài)。圖4顯示了在約270度處的這種回轉引起的變形。這導致放大器輸出偏移誤差為滿量程的3％。

問題

找到一個包含足夠保護的市場放大器是不尋常的。在電磁不衛(wèi)生的世界中，它不受高頻共模信號的影響。可能最缺乏經驗的用戶是集成電路儀表放大器的營銷人員。由于價格低廉，規(guī)格好，易于使用，這些產品對粗心的用戶非常有吸引力。數(shù)據(jù)手冊介紹了放大器在典型工作參數(shù)范圍內的工作情況，但未能告訴您如何在正常測試環(huán)境下保持放大器。容易產生的正?；蚬材＜夥蹇赡艹^這些極限，有時是破壞性的，因為器件設計具有非常高的輸入阻抗。同樣不幸的是，制造商的規(guī)格表很少包括超過一百赫茲左右的共模性能。超過此未說明的限制將導致偏移和結果數(shù)據(jù)錯誤的產生。

直流偏移與高頻共模的關系不能表示為數(shù)據(jù)手冊中的共模抑制比CMRR，因為這兩個參數(shù)不相干。如果給出高頻CMRR，則是該頻率下輸出與輸入的關系。在任何情況下，沒有多少儀表放大器輸出級將通過兆赫茲數(shù)據(jù)，因此具有出色的高頻CMRR。 Specsmanship再次獲勝！

除了極少數(shù)制造商的產品外，大多數(shù)儀表放大器單元售價數(shù)百至數(shù)千美元，帶有旋鈕，計算機接口和其他功能，并非高頻共模保護。由于電路的信號處理能力線性低于回轉極限且非線性，因此偏移誤差與輸入高頻共模電壓的關系非常非線性。圖5顯示了沒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。曾經評估過一款具有幾乎所有可以想象的鈴鐺和哨子的市場儀表放大器單元。當受到100 mV的2 MHz共模電壓時，它會產生13 V輸出飽和。然而，大多數(shù)放大器單元都包含輸入過壓保護。

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

如果所需的信號帶寬擴展到千赫茲區(qū)域，或者更重要的是，對于接近或超出放大器共?；剞D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，則相對高幅度的高頻共模信號需要它們的大衰減，以便它們不會通過輸入級中的轉換限制轉換為正常模式信號偏移。這需要一個濾波器，它將抑制高頻共模信號，但不會影響正常模式信號。它也必須不將共模轉換為正常模式信號。

解決方案

這種無源濾波器，如圖7所示，是由Astrodata的Bill Gunning設計的幾年前作為長距離電話電路長期使用的幻像電路的改編 1 。濾波器單元，有時稱為三線電感器，以這樣的方式構造，使得三個繞組的相互耦合盡可能接近一致。因此，在一個繞組上產生的任何頻率的任何電壓在另外兩個中完全復制。因此，第三繞組上的任何電壓在每個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，那么這兩條信號線也會在其上或相對于放大器電路上具有放大器共模電壓，為零共模電壓。

擴展前面的描述，在大多數(shù)放大器設計中，低頻共模值是根據(jù)正常模式輸入信號計算的。然后該電壓是放大器識別的共模電壓。放大器使用該電壓在共模下驅動輸入級電源，從而增強其低頻共模性能。由于驅動輸入級電源所需的功率相對較高，共模放大器的回轉能力通常限于幾十千赫茲的頻率。帶寬受限，因此共模電壓不會超過其回轉能力。通過增加三線電感（變壓器），放大器的共模抗擾度超出了這些頻率。

根據(jù)定義，保護引線或屏蔽引線具有傳感器引線共模信號。變壓器的第三個繞組連接在傳感器引線保護器和放大器的共模點之間，從而導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，使得在低頻下流過變壓器的電流很小，從而避免了磁芯飽和。在高頻時，由于共模放大器的帶寬限制，共模信號在放大器的輸入保護端子處基本為零。由于三線變壓器，該共模信號在每個差分輸入端也基本上為零且相等。因此，放大器不會暴露于大量的高頻共模電壓。

正如人們可能得出的結論，理論的解釋和概念的實現(xiàn)并不是同樣簡單。正確設計的濾波器電路將在放大器的共模能力開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通過濾波器傳導到放大器輸入。 Oft-times需要第二個更小，更低的電感單元來擴展高頻性能。

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

這個討論包含了很少的定量數(shù)字，因為有很多因素加在一起會導致錯誤產生。對管理良好的測試實驗室而言，一個好的理念是指定和購買儀器設備，這些設備在最惡劣的測試條件下不會產生明顯的錯誤。因此，最不警惕和缺乏經驗的測試工程師在獲取有意義的測試數(shù)據(jù)時不會遇到問題。很難確定何時具有最佳條件，哪些將導致共模敏感設備中不會產生錯誤。過去的經驗表明，只有在測試設置被拆除后才會發(fā)現(xiàn)受污染和有問題的數(shù)據(jù)。兩種共模抗擾度規(guī)范如圖8所示。不太嚴格的規(guī)范適用于單卡，通用供電，計算機控制的放大器單元。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？

更不被認可的是傳感器，在很大程度上，也容易受到共模污染。幸運的是，最容易受到影響的設計是那些最常用于最高精度設備的設計。這些設計是包含有源電路的設計，以增強其對電感，容量或電荷變化的敏感度，無論設備的感興趣的參數(shù)如何。例如，這些傳感器包括用于測量壓力，加速度和流體流量的傳感器。電路和設備外殼之間電壓的任何變化都將被電路識別為該監(jiān)控參數(shù)的變化，并作為信號出現(xiàn)在輸出端。這些器件中的大多數(shù)都包含一個振蕩器，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的靈敏度。由于在這種設備中電路防護是未知的，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。由于信號源現(xiàn)在已良好接地，因此接收設備必須接受所產生的共模電壓。很多時候，信號包含不希望的傳感器內部振蕩器頻率，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應用！

最近的一次經驗表明，即使是來自普通應變計壓力傳感器的信號有時也會受到共模電壓的污染。主題傳感器用于測量液壓，并且觀察到與泵控制器相關的顯著錯誤引起的信號。由于應變計傳感器具有浮橋，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行的，沒有記錄有限值。觀察到的誤差差異約為一個數(shù)量級。圖10顯示了這兩種接地配置。該測試表明，對于應變計傳感器，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，可以說大多數(shù)測試情況都包含大量的高頻公共 - 模式信號。在許多情況下，所需的數(shù)據(jù)被污染，因為大多數(shù)常見的儀器易受高頻共模電壓（信號）的影響。您甚至不必在航空航天業(yè)務中獲得資格。儀表與計算機或其他RF垃圾發(fā)生器相距甚遠。為了確定您的數(shù)據(jù)是否受到如此污染，您必須通過一些簡單的測試來尋找它，并因此購買一些新的耐HFCM儀器。