高頻共模（HFCM）是一種無處不在的狀況。只要周圍有勞動者，就會有高頻垃圾的發(fā)生器。它的存在可以通過它在儀器中產(chǎn)生的神秘錯誤來識別。許多儀器（包括放大器、DVM 和其他數(shù)據(jù)系統(tǒng)組件）的精度經(jīng)常受到高頻共模輸入信號的影響。由此引起的失調(diào)誤差經(jīng)常歸咎于幾乎不存在的熱效應。甚至傳感器及其激勵電源也會受到該誤差源的影響。

問題的癥狀？

您是否曾經(jīng)遇到過毫伏輸出電平傳感器（傳感器）似乎有過多的漂移或噪聲？然后更換為另一臺設備后，問題仍然存在。也許問題不在于換能器中的漂移？經(jīng)常被錯誤識別的罪魁禍首是在電纜連接器或其他布線連接中產(chǎn)生的熱偏移。使用數(shù)百英尺長的電纜進行了測試，該電纜與不同制造商的六個中間連接器一起運行。所有電線都是軟銅，連接器都是焊接黃銅，帶有鍍金配合表面。電纜線路的各種連接器和部分在數(shù)小時內(nèi)暴露在高達 150°F 的溫度下。傳感器電纜端接在暴露在最高溫度下的單個康銅應變計中。在測試過程中，環(huán)路儀器端的最大峰峰值電壓偏移為3 μV。如此之多，對于顯著的熱引起的偏移誤差！但是噪音呢？有些人很幸運，數(shù)據(jù)放大器輸出端的噪聲可以識別為手機或?qū)γ鎻V播電臺的談話。這是放大器對放大器輸入端的無線電頻率以某種方式敏感的必要線索。然而，大多數(shù)人就沒有那么幸運了。他們只經(jīng)歷零偏移，他們重新歸零通道并繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)必須正常。 。 。畢竟，傳感器輸出在測試開始時為零......他們不知道偏移的原因，也不知道在數(shù)據(jù)采集期間，偏移量在測試期間會偶爾變化為新的、明顯不同的偏移值。

如圖1所示，許多測試情況的數(shù)據(jù)放大器與傳感器相隔數(shù)十到數(shù)百英尺。傳感器是否直接連接到遠程位置的地面并不重要。在高頻下，傳感器外殼、其安裝表面和傳感器電路都有足夠的電容相互提供接地返回路徑。因此，形成了環(huán)形天線。由計算機、無線電臺和無數(shù)其他來源產(chǎn)生的場產(chǎn)生的高頻電壓出現(xiàn)在環(huán)路的最高阻抗上。這幾乎無一例外地介于放大器輸入端子和放大器的接地參考之間。因此，放大器輸入電路暴露在遠遠超出其回轉(zhuǎn)能力的信號中。這會導致偏移顯示為附加信號，或者簡單來說，是不斷變化的偏移誤差。

但是，我沒有這樣的問題！（還是我？

如果你想要一個免費的午餐，由一個懷疑的同胞提供，讓他（她）根據(jù)他們沒有這樣的問題的假設下注。然后，這里是如何證明確實存在潛伏在陰影中的嚴重問題。如圖2所示，首先斷開傳感器電纜，使數(shù)據(jù)放大器輸入端子短路。然后用盡可能短的導線將這些短路的輸入端子和保護端子連接到放大器的電路公共。觀察放大器的輸出電壓。然后更換與放大器電路的通用連接，與正常連接的傳感器電纜導體的連接。如果觀察到放大器的輸出電壓存在差異，則表示您已經(jīng)觀察到放大器輸入端不同共模電壓引起的誤差。畢竟，在這兩種情況下，您都有零（短路）正常模式信號。如果您想評估這種神秘的共模信號，請購買具有兆赫茲功能的示波器。將其公共連接到數(shù)據(jù)系統(tǒng)公共，并將其信號輸入端連接到短路的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時，示波器顯示的包絡為數(shù)百毫伏，其中包含從電源線到許多兆赫茲的頻率。

共模效應

測試 圖 2

例如，在大型實驗室數(shù)據(jù)系統(tǒng)的儀器地面和大約3英尺遠的實驗室之間觀察到圖100所示的電壓。在這種情況下，在低頻下基本上沒有能量，在頻率超過一兆赫茲時沒有重要成分。當信號源、可溯源校準電源和要校準的未受保護的輸入放大器位于同一繼電器機架機柜中時，甚至會出現(xiàn)不可接受的偏移。是的，附近的機柜里有一臺電腦。

“無保護輸入放大器”是什么意思？它表示在其輸入端沒有任何高頻共模濾波的放大器。如果暴露，它很可能會達到其壓擺極限，并且由于正向和負向極限永遠不會完全相同，因此結(jié)果將是偏移誤差。正常模式壓擺限制也可能以相同的結(jié)果發(fā)生，但這通常更容易預見。但是，它可能是一個現(xiàn)實生活中的錯誤貢獻者。如果放大器沒有壓擺限制引起的問題，則不得暴露在任何信號下，共模或正常模式，這將導致其被驅(qū)動到這種情況。圖4顯示了這種回轉(zhuǎn)引起的畸變，大約270度。這導致放大器輸出失調(diào)誤差為滿量程的3%。

問題所在

很難找到一個市場上的放大器，它確實具有足夠的保護，在電磁不衛(wèi)生的世界中不受影響的高頻共模信號不受影響。對于沒有經(jīng)驗的用戶來說，最容易誤導的是集成電路儀表放大器的營銷商。這些產(chǎn)品對粗心的用戶非常有吸引力，因為它們價格低廉，規(guī)格好，應用明顯方便。數(shù)據(jù)手冊說明了放大器在典型工作參數(shù)內(nèi)的工作情況，但未能告訴您如何在正常測試環(huán)境中保持在這些參數(shù)范圍內(nèi)。容易產(chǎn)生的正常或共模尖峰都可能超過這些限值，有時甚至是破壞性的，因為該器件在設計上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。超過此未聲明的限制將導致偏移并生成數(shù)據(jù)錯誤。

直流失調(diào)與高頻共模的關系不能用共模抑制比表示，CMRR在數(shù)據(jù)手冊上，因為這兩個參數(shù)并不相干。如果給出高頻CMRR，則它是該頻率下輸出與輸入的關系。沒有多少儀表放大器輸出級在任何情況下都能通過兆赫茲數(shù)據(jù)，因此具有出色的高頻CMRR。規(guī)格再次獲勝！

除了極少數(shù)制造商的產(chǎn)品外，大多數(shù)售價數(shù)百到幾千美元的儀表放大器單元都帶有旋鈕、計算機接口和其他幻想，沒有高頻共模保護。由于電路的信號處理能力在擺動極限以下為線性，高于為非線性，因此失調(diào)誤差與輸入高頻共模電壓的關系非常非線性。圖5顯示了不帶三線濾波器的放大器的性能。同一放大器及其濾波器在圖的所有條件下的滿量程失調(diào)均小于0.01%。曾經(jīng)對一個市場上的儀表放大器單元進行了評估，幾乎可以想象到所有可以想象的花里胡哨的東西。當承受100 mV的2 MHz共模時，它飽和了產(chǎn)生的13 V輸出。然而，這些放大器單元中的大多數(shù)都包含輸入過壓保護。

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當所需的信號帶寬僅為幾赫茲時，可以使用最簡單的保護類型。在放大器前面插入一個非常簡單的R-C濾波器將提供共模和普通模式保護。這種用于具有低輸入電流的放大器的電路如圖6所示。它的正常模式轉(zhuǎn)折頻率遠低于共模轉(zhuǎn)折頻率。如果不是這種情況，兩個共模R-C濾波器元件必須精確匹配，以避免在幅度衰減相對于頻率發(fā)生不匹配的頻率下將共模轉(zhuǎn)換為普通模式。如圖所示電路所示，在此不匹配的轉(zhuǎn)折頻率下，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，擴展到接近或超過放大器共模轉(zhuǎn)換能力的頻率，則解決方案將變得更加困難和簡單。如果放大器以更高的增益工作，則相對較高的高頻共模信號幅度需要對它們進行較大的衰減，以便它們不會因輸入級的壓擺限制而轉(zhuǎn)換為正常模式信號偏移。這需要一個濾波器，該濾波器將抑制高頻共模信號，但不會影響正常模式信號。它也不能將共模轉(zhuǎn)換為普通模式信號。

解決方案

這種無源濾波器如圖7所示，是由Astrodata的Bill Gunning多年前設計的，是對長途電話電路中長期使用的幻影電路的改編。1.濾波單元，有時稱為三線電感器，其構(gòu)造方式使三個繞組的相互耦合盡可能接近統(tǒng)一。因此，在一個繞組上產(chǎn)生的任何頻率的任何電壓都會在其他兩個繞組中精確復制。因此，第三個繞組上的任何電壓都平等地出現(xiàn)在每個放大器輸入端。如果這個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，那么兩條信號線上也會有放大器共模電壓或者相對于放大器電路，共模電壓為零。

三氟光共模濾波器

圖7

擴展上述描述，在大多數(shù)放大器設計中，低頻共模值是根據(jù)普通模式輸入信號計算的。該電壓就是放大器識別的共模電壓。放大器使用該電壓以共模驅(qū)動輸入級電源，從而增強其低頻共模性能。由于驅(qū)動輸入級電源所需的功率相對較高，共模放大器的壓擺能力通常限制在幾十千赫茲的頻率。它受帶寬限制，因此共模電壓不會超過其轉(zhuǎn)換能力。放大器的共模抗擾度通過增加三線電感器（變壓器）而擴展到這些頻率之外。

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裝置和放大器的共模點之間，從而導致傳感器共模和放大器共模之間的任何高頻電壓差出現(xiàn)在變壓器的第三個繞組上。電容器與該繞組串聯(lián)，以便很少有電流以低頻流過變壓器，避免磁芯飽和。在高頻下，由于共模放大器的帶寬限制，放大器輸入保護端的共模信號基本上為零。由于采用三絲變壓器，該共模信號在每個差分輸入端也基本上為零且相等。因此，放大器不會暴露在大量的高頻共模電壓下。

正如人們可能得出的結(jié)論，理論的解釋和概念的實現(xiàn)并不同樣簡單。設計合理的濾波電路將在放大器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穿過濾波器傳導到放大器輸入端。通常，需要第二個更小、更低電感的單元來擴展高頻性能。

到目前為止，只有數(shù)據(jù)放大器被確定為問題設備。該設備不必是“放大器”即可出現(xiàn)所描述的問題。您是否曾經(jīng)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，并觀察到兩個不同的讀數(shù)？甚至將兩個連接到同一個源并具有兩個不同的讀數(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液位測量的設備都可能容易受到影響。這些器件通常使用短引線，這是許多應用中的節(jié)省因素。

這個討論包括的定量數(shù)字很少，因為有很多因素加在一起會導致錯誤產(chǎn)生。對于管理良好的測試實驗室來說，一個好的理念是指定和購買在最壞的測試條件下運行而不會產(chǎn)生重大錯誤的儀器設備。因此，最粗心和缺乏經(jīng)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，即在共模敏感設備中不產(chǎn)生錯誤的條件。過去的經(jīng)驗表明，只有在拆除測試設置后才能發(fā)現(xiàn)受污染和有問題的數(shù)據(jù)。兩種共模抗擾度規(guī)格如圖8所示。不太嚴格的規(guī)范適用于單卡、普通供電、計算機控制的放大器單元。在所示限值下，任一規(guī)格允許的最大失調(diào)為0.04%滿量程。

傳感器也是？

更鮮為人知的是，傳感器在不同程度上也容易受到共模污染的影響。幸運的是，最敏感的設計往往是那些在最高精度設備中使用最多的設計。這些設計包含有源電路，以增強其對電感、容量或電荷變化的靈敏度，以器件感興趣的參數(shù)為準。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的電壓變化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。由于此類設備中的電路保護未知，因此唯一顯而易見的解決方案是直接連接電路公共和傳感器外殼。由于信號源現(xiàn)在接地良好，接收設備必須接受產(chǎn)生的共模電壓。很多時候，信號包含不希望的傳感器內(nèi)部振蕩器頻率作為共模電壓和普通模式電壓。高頻共模容限放大器的另一種應用！

最近的一項經(jīng)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。對象傳感器用于測量液壓，并觀察到與泵控制器相關的重大誤差導致信號。由于應變計傳感器具有浮橋，因此電橋電源連接到數(shù)據(jù)系統(tǒng)接地，以控制放大器看到的直流共模電壓。將電橋電源基準移至傳感器外殼后，泵控制器的干擾明顯減少。這些觀察是用示波器進行的，沒有記錄有限的值。觀察到的誤差差異大約是一個數(shù)量級。圖 10 顯示了這兩種接地配置。該測試表明，同樣使用應變計傳感器時，傳感器電路必須以傳感器外殼為參考，以最大程度地減少共模引起的誤差。高頻抗共模放大器是完善數(shù)據(jù)系統(tǒng)的必要元件。

總之，可以說大多數(shù)測試情況都包含大量的高頻共模信號。在許多情況下，所需數(shù)據(jù)被污染，因為大多數(shù)常見儀器容易受到高頻共模電壓（信號）的影響。您甚至不必從事航空航天業(yè)務即可獲得資格。儀器儀表永遠不會遠離計算機或其他射頻垃圾發(fā)生器。要確定您的數(shù)據(jù)是否受到污染，您必須通過一些簡單的測試來尋找它，因此，購買一些新的、抗 HFCM 的儀器。

審核編輯：郭婷