Murata Rauschkorrektur – Verminderung von Sensor-Fehlfunktionen

Mechanismen, bei denen Rauschen zu Sensor-Fehlfunktionen führt

Einzelchip-Sensoren bestehen hauptsächlich aus drei Arten von Leitungen: Signal, Strom und GND. Darüber hinaus wird die Kommunikation mit mehreren Signalleitungen, wie z. B. Takt und Daten, ermöglicht. Murata untersuchte die Auswirkungen, wenn Rauschen auf die verschiedenen Leitungen angelegt wird.

Rauschunterdrückung für digitale Signalleitungen

Ein Beispiel für eine Fehlfunktion, bei der die Kommunikation nicht korrekt durchgeführt werden kann, stellt das Anlegen von Rauschen auf digitale Signalleitungen dar. Dies führt zu einer falschen Beurteilung, bei der entweder der hohe Schwellenwert überschritten wird oder unter den niedrigen Schwellenwert fällt.

Murata legte tatsächlich Rauschen in den digitalen Signalleitungen eines bestimmten Beschleunigungsmessers zur Evaluierung an und konnte die Fehlfunktion feststellen, bei der die Kommunikation gestoppt wurde.

Anwendung von Rauschen auf Stromleitungen

Das Analog-Frontend enthält Verstärker- und Analog-Digital-Wandler Schaltungen. Wenn die Stromversorgungen dieser Schaltungen schwanken und die Schaltungen nicht korrekt arbeiten, kann eine Fehlfunktion auftreten, wenn abnormale Werte erzeugt werden.

Murata führte das Rauschen in die Stromleitung eines Beschleunigungsmessers zur Evaluierung ein und stellte eine Fehlfunktion fest, bei der der Ausgang unterbrochen wurde.

Schwerpunkte in Bezug auf Maßnahmen gegen Rauschen in Sensoren

Dies sind die Bedingungen, die in Filtern angestrebt werden, die als Maßnahmen gegen Rauschen in Sensoren verwendet werden: 
        1. Durchlaufen das Netzteil und die Signale, die für den Betrieb erforderlich sind
        2.  Blockieren das Rauschen, das Fehlfunktionen verursacht

Einzelchip-Sensoren sind in einer großen Auswahl von Typen und Produktnamen verfügbar, aber es gibt keine großen Unterschiede bei den Filtern, die als Rauschunterdrückungsmaßnahmen verwendet werden.

Dies liegt daran, dass die beiden Bedingungen, die in einem Filter angestrebt werden, in jedem Sensor gängig sind.
        1. Durchlaufen das Netzteil und die Signale, die für den Betrieb erforderlich sind
              → Einzelchip-Sensoren verfügen über standardisierte Schnittstellen (IC-Pins)
        2. Blockieren des angelegten Rauschens, das Fehlfunktionen verursacht
              → Die Spezifikationen des angelegten Rauschens werden mit einer Störfestigkeitsprüfung standardisiert

Einbaulage des Filters

Murata hat festgestellt, dass der Filter in der Nähe des Sensors montiert werden muss, um wirksam zu sein.

Maßnahmen gegen Stromleitungsrauschen

Filter mit hoher Einfügungsdämpfung über eine große Bandbreite (von niedrigen Frequenzen bis zu hohen Frequenzen) eignen sich hervorragend für den Einsatz in Gegenmaßnahmen für Stromleitungsrauschen.

Gegenmaßnahmen, die nur Kondensatoren verwenden, benötigen einen Kondensator mit einem großen Kapazitätswert, der die Niederfrequenz-Seite sowie einen Kondensator mit niedriger ESL abdeckt, um eine Hochfrequenz-Einfügungsdämpfung zu erzielen.

Die Kombination von Kondensatoren und einer Induktivität bietet den Vorteil einer erheblichen Erhöhung der Einfügungsdämpfung. Über die Verwendung einer Induktivität hinaus kann ein wirkungsvollerer Filter gegen Rauschen durch die Anordnung einer ausreichenden Kapazität auf der Sensorseite in einer Mehrstufen-Konfiguration erzielt werden.

Maßnahmen gegen Signalleitungsrauschen

Maßnahmen gegen Rauschen (Daten/Takt) in Signalleitungen erfordern ein Filterdesign mit geringer Einfügungsdämpfung bei denjenigen Signalfrequenzen, die übertragen werden sollten.

Gegenmaßnahmen, die nur Kondensatoren verwenden, sind möglich, wenn der Rauschpegel gering ist oder wenn die Frequenzen des Signals und das Rauschen getrennt werden. Wenn die Signalfrequenz und die Rauschfrequenz jedoch nahe beeinander liegen, ist eine Konfiguration von Filtern mit starken Einfügungsdämpfungseigenschaften durch die Kombination von Induktivitäten und Kondensatoren erforderlich.

Die wichtigsten Punkte bei der Verwendung von Induktivitäten

Wenn eine Induktivität nur in eine bestimmte Leitung eingesetzt wird, erfolgt die Umwandlung in den Normalmodus (eine Potenzialdifferenz) und die Leitung wird asymmetrisch. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Fehlfunktionen schlimmer werden. Beim Einsetzen von Induktivitäten stellte Murata fest, dass darauf geachtet werden muss, in allen Leitungen dieselbe Teilenummer zu verwenden. Hinweis: Ferritperlen (ein Induktivitätstyp-Filter) blockieren nicht nur Rauschen mit hoher Impedanz, sondern absorbieren auch Rauschenergie als Verlust durch den Ferrit, so dass eine höhere Rauschunterdrückungswirkung zu erwarten ist.

Beispiele für Maßnahmen gegen das Rauschen der Stromversorgungsleitung

Unregelmäßigkeiten (Ausgangsfehler) des Sensorausgangswerts wurden als Auswirkungen von Rauschen auf die Stromversorgungsleitungen des Sensors erzeugt. Der auf die Stromversorgungsleitung angelegte Rauschpegel wurde konstant gehalten und die Größe des Ausgangsfehlers wurde vor und nach dem Einsatz der Gegenmaßnahme untersucht.

Da die Fehlfunktion des Ausgangswerts des Sensors auf das Normalmodus-Rauschen der Stromversorgungsleitungen zurückzuführen ist, wurden vier Kondensatoren mit niedriger ESL von 0,1 µF in der Nähe des Sensors eingesetzt.

Diese Maßnahme führte zur Unterdrückung des Ausgangsfehlers des Sensors von weniger als 1 %.

Wenn weitere Rauschgegenmaßnahmen erforderlich sind, können Induktivitäten und Kondensatoren, wie erwähnt, in einem Pi-Typ-Filter konfiguriert werden.

Beispiele von Maßnahmen gegen Signalleitungsrauschen

Es kann sein, dass die Kommunikation des Sensors aufgrund der Auswirkungen des Rauschens auf die Signalleitungen des Sensors gestoppt wird. Der angelegte Rauschpegel wurde erhöht, und der Grenzwert für den ordnungsgemäßen Betrieb (wenn keine Fehlfunktionen aufgetreten sind) wurde untersucht.

        •  Anfänglich: Die Widerstandsfähigkeit gegen Fehlfunktionen unterscheidet sich stark von der Frequenz. (In diesem Beispiel ist der Widerstand bei 100 MHz und 250 MHz niedrig.)
        •  Gegenmaßnahme 1: Der Zusatz von Kondensatoren verbessert die Beständigkeit gegen Fehlfunktionen bei 100 MHz und 250 MHz.
•Gegenmaßnahme 2: Eine Konfiguration von Ferritperlen und Kondensatoren verbessert die Beständigkeit gegen Fehlfunktionen bei 200 MHz und 250 MHz.
        •Gegenmaßnahme 3: Für einen Ausgleich ist ein Pi-Typ-Filter für die Stromversorgungsleitung konfiguriert und Ferritperlen werden der Erdungsleitung (GND) hinzugefügt. Dies verbessert die Beständigkeit gegen Fehlfunktionen über alle Frequenzbereiche.

Durch die praktische Umsetzung von Gegenmaßnahme 3 (empfohlene Schaltung) wurde bestätigt, dass der Rauschwiderstand über die gesamte Frequenzbandbreite positiv war.

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