01、傳感器靜噪對(duì)策的必要性

傳感器是“IoT （Internet of things）”和“自動(dòng)駕駛”的重要元件，今后也將廣泛地搭載于各種機(jī)器設(shè)備上。各種傳感器的性能提升顯著，能夠?qū)⑿畔⒏喔?xì)地傳送。另一方面，我們也看到一些由于傳感器感知到的信息沒(méi)有被正確地傳送出去而造成了嚴(yán)重的事故。

為了避免噪聲導(dǎo)致的誤操作，各種傳感器的靜噪對(duì)策非常重要不可或缺。

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在One chip傳感器已經(jīng)成為主流。為此，本文將以O(shè)ne chip傳感器（數(shù)字輸出型）為例，探討誤操作發(fā)生的原理和靜噪對(duì)策方法。

02、噪音如何導(dǎo)致傳感器誤操作？

One chip傳感器主要由信號(hào)、電源、GND三種線構(gòu)成。而信號(hào)線是用了時(shí)鐘和數(shù)據(jù)等多根線進(jìn)行通信的?？紤]各根線在施加了噪聲后的影響。

噪聲導(dǎo)致的傳感器誤操作的原理

向數(shù)字信號(hào)線施加噪聲時(shí)，噪聲引起的超過(guò)高/低閾值而被誤判斷時(shí)，無(wú)法正常通信從而發(fā)生誤操作（下圖）。實(shí)際為加速度傳感器的數(shù)字信號(hào)線加入噪聲做評(píng)估，確認(rèn)通信會(huì)發(fā)生停止。

向數(shù)字信號(hào)線施加噪聲

模擬前端包含增幅電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)這些電路的電源變動(dòng)沒(méi)有正常工作時(shí)，會(huì)輸出異常值從而發(fā)生誤操作（下圖）。實(shí)際為加速度傳感器的電源線加入噪聲做評(píng)估，確認(rèn)輸出會(huì)出現(xiàn)紊亂。 

向電源線施加噪聲

從上面兩種情況可以看出，One chip傳感器的信號(hào)線或電源線施加噪聲時(shí)，會(huì)發(fā)生通信停止或輸出值紊亂的誤操作。

本文即為您介紹一種使用EMI濾波器抑制噪聲傳播的有效方法。

03、靜噪對(duì)策：要點(diǎn)及推薦電路

用于傳感器靜噪對(duì)策的濾波器要求滿足以下條件：

通過(guò)設(shè)備工作所需的電源或信號(hào)線；

屏蔽造成誤操作的噪聲。

One Chip傳感器有許多種類和型號(hào)，針對(duì)造成誤操作的噪聲所需的濾波器也各有不同。這是因?yàn)閷?duì)濾波器所要求的2個(gè)條件，與傳感器是相通的：

通過(guò)設(shè)備工作所需的電源或信號(hào)線：

→One Chip傳感器的接口（IC引線）統(tǒng)一化；

屏蔽造成誤操作的噪聲：

→施加的噪聲是抗擾性測(cè)試規(guī)格內(nèi)的。

此外，濾波器的貼裝位置在傳感器附近效果較好。

電源線的靜噪對(duì)策，適合從低頻到高頻的寬幅帶寬下插入損耗較大的濾波器。

僅使用電容器的情況下，需要低頻端的大容量電容器和為獲得高頻端插入損耗的低ESL電容器。

使用電容器和電感器組合的情況下，可使插入損耗顯著增加。傳感器比電感器配置足夠的容量，構(gòu)成多段結(jié)構(gòu)，可形成有效的靜噪濾波器。

電源線的靜噪對(duì)策 

信號(hào)線的靜噪對(duì)策：作為信號(hào)線（數(shù)據(jù)/時(shí)鐘）的靜噪對(duì)策，通過(guò)的信號(hào)頻率需要插入損耗小的濾波器。

噪聲級(jí)別小或信號(hào)和噪聲的頻率相差大的情況下，可以只用電容器進(jìn)行降噪，但如果信號(hào)頻率和噪聲頻率相近時(shí)，需要電感器和電容器組合來(lái)構(gòu)成插入損耗陡峭的濾波器。

信號(hào)線的靜噪對(duì)策 

需要注意的是，將電感器插入特定線時(shí)，線路變得不平衡而轉(zhuǎn)換成普通模式（電位差），誤操作可能進(jìn)一步惡化。插入電感器時(shí)很重要的一點(diǎn)是，全線使用同一型號(hào)。鐵氧體磁珠是電感型濾波器，不僅具有高阻抗可以阻止噪聲，鐵氧體還能夠吸收噪聲能量，可以得到更好的靜噪效果。

推薦電路

用于數(shù)字One chip傳感器的接口一般有I2C和SPI兩種。這里，我們針對(duì)One chip傳感器，推薦靜噪對(duì)策濾波器和相應(yīng)電路。

I2C對(duì)象接口：

其信號(hào)頻率為100kbps（50kHz）、400kbps（200kHz）、3.4Mbps（1.7MHz）等等，最大約為2MHz；

其截止頻率（信號(hào)頻率×5）為10MHz。

I2C接口推薦電路

I2C接口信號(hào)線插入損耗

I2C接口電源線插入損耗

SPI對(duì)象接口：

其信號(hào)頻率信號(hào)頻率1～2Mbps（1MHz）、20Mbps（10MHz）等等，最大 10MHz；

其截止頻率（信號(hào)頻率×5）50MHz。 

SPI接口推薦電路 

SPI接口信號(hào)線插入損耗 

SPI接口電源線插入損耗

用于數(shù)字One chip傳感器的接口，無(wú)論是I2C還是SPI，信號(hào)頻率并不是一定的，如果濾波器需要對(duì)應(yīng)的截止頻率I2C為10MHz，SPI為50MHz，適合使用上述濾波器。

04、應(yīng)用事例

下面，我們以“車載設(shè)備用的傳導(dǎo)抗擾度規(guī)定BCI測(cè)試”為設(shè)想來(lái)介紹防止傳感器誤操作的對(duì)策。

 以車載設(shè)備為例研究傳感器誤操作發(fā)生的情況對(duì)電源線和信號(hào)線的噪聲影響。

電源線的靜噪對(duì)策

傳感器的電源線受噪聲影響，會(huì)發(fā)生傳感器輸出值的異常（輸出誤差）。將注入電源線的噪聲級(jí)固定，對(duì)對(duì)策前后的輸出誤差的大小進(jìn)行調(diào)查。傳感器輸出值發(fā)生誤操作的起因是“電源線的常態(tài)噪聲”，在傳感器附近插入0.1uF的低ESL電容器。這樣一來(lái)，傳感器的輸出誤差降到了1%以下。

電源線的靜噪對(duì)策事例 

需要進(jìn)一步靜噪對(duì)策時(shí)，像前文介紹的，可運(yùn)用電感器和電容器組合成π型濾波器進(jìn)行對(duì)策。

信號(hào)線的靜噪對(duì)策事例

傳感器的信號(hào)線收到噪聲影響，傳感器的通信會(huì)發(fā)生停止。提高注入的噪聲水平，調(diào)查能夠正常工作（不發(fā)生誤操作）的水平極限。

初期：誤操作耐性根據(jù)頻率不同而明顯不同。（此事例為100MHz和250MHz，耐性較低。）

對(duì)策①，追加電容器改善100/250MHz的耐性

對(duì)策②，用鐵氧體磁珠和電容器構(gòu)成濾波器改善200/250MHz的耐性

對(duì)策③，為了取得平衡，將π型濾波器加在電源線，GND線上追加鐵氧體磁珠，從而改善全頻率范圍的耐性

可看到使用對(duì)策③（推薦電路），全頻帶的噪聲耐性良好（下圖）：

 信號(hào)線的靜噪對(duì)策事例對(duì)比 

05、總結(jié)

本文介紹了傳感器噪聲對(duì)策的必要性和推薦電路，以及可能的難點(diǎn)。村田制作所能夠?yàn)槟峁┥鲜觥霸肼曉斐蓚鞲衅髡`操作的原理”和“對(duì)策事例”中介紹的產(chǎn)品。