Сигнальное заземление

Сигнальное заземление. Провода заземления и заземленные экраны могут доставить много неприятностей. Сущность проблемы таковаток, протекая по линии заземления, может возбудить сигнал, который воспринимает другая часть схемы, сидящая на том же проводе заземления.

Часто используют решение в лоб все линии заземления сходятся в одной точке схемная Мекка заземления но это не всегда самое верное решение.

Обычные ошибки заземления. Общая ситуация представлена на рис.1.В одном приборе находятся усилитель низкого уровня и мощный усилитель с большим потребляемым током. Первая схема сделана правильнооба усилителя присоединены непосредствено к измерительным выводам стабилизатора напряжения питания, поэтому падение напряжения IR на проводах, идущих к мощному каскаду, не оказывает влияние на напряжения питания усилителя низкого уровня. К тому же ток нагрузки, проходя на землю, не появляется на входе низкого уровнявообще, никакой ток не идет по проводу заземления входа усилителя низкого уровня к схемной Мекке. Во-второй схеме имеются две грубые ошибки. Флуктуации напряжения питания, поожденные токами нагрузки каскада высокого уровня, отражаются на напряжении питания каскада низкого уровня. Если входной каскад имеет недостаточно высокий коэффициент ослабления флуктуаций питания, то это может привести к возникновению автоколебаний. Далее, ток нагрузки, возвращаясь к источнику питания, вызывает флуктуации потенциала на земле корпуса по отношению к заземлению источника питания. Входной каскад оказывается привязанным к этой переменной земле, а это, очевидно, плохо.

Т.е. надо следить, где протекают большие токи сигнала и смотреть, чтобы они не влияли на вход. В некоторых случаях разумно отделить источник питания от каскада низкого уровня небольшой RC-цепьюрис.2. 3.Межприборное заземление. Идея главной точки заземления внутри одного приборра хороша, но не годится, если сигнал идет из одного прибора в другой и у каждого свое представление о земле. В таких случаях можно использовать одно из следующих предложений. Сигналы выского уровня. Если сигналы имеют напряжение несколько вольт или это логические сигналы, то можно просто соединить то, что нужно, и зыбыть об этом.рис.3.Источник напряженияобозначен между 2мя заземлениямипредставляет собой разность потенциалов между 2мя выводами линий питания в одной и той же или в разных комнатах здания. Эта разность потенциалов состоит частично из напряжения, наведенного от сети, гармоник частоты сети, радиочастотных сигналов силовые линии питания-хорошая антенна, разных всплесков и прочего мусора.

Если наши сигналы достаточно велики, то все это, в общем-то, не важно.

Малые сигналы и длинные линии. Для малых сигналов такая ситуация нетерпима. Несколько идей для этой цели содержит рис.4.На первой схеме коаксиальный экранированный кабель присоединен к корпусу и схемному заземлению источника сигнала, но изолирован от корпуса приемника. Благодаря дифференциальному усилителю для буферизации входного сигнала подавляется синфазный сигнал в цепи заземления, выделяющийся на экране. Также полезно подключить резистор с малым сопротивлением и шунтирующий конденсатор на землю для ограничения сдвига напряжения заземления и предупреждений входного каскада. Еще одна схема демонстрирует использование псевдодифференциального входного включения для усилительного каскада с одним выходом это может быть, например, стандартный неинвертирующий ОУ,как показано на схеме Сопротивление 10 Ом включенного между общей точкой усилителя и схемной землей резистора достаточно великово много раз больше полного сопротивления заземления источника, так что потенцал в этой точке задает опорная земля источника сигнала. Разумеется, любой шум, присутствующий в этом узле схемы, появится также на выходе, однако это становится неважным, если каскад имеет достаточно высокий коэффициент усиления Ku, поскольку отношение полезного сигнала к шумам заземления увеличивается в Ku раз. Таким образом, хотя данная схема не является подлинно дифференциальнойКОСС ,тем не менее работает она достаточно хорошос эффективным КОССKu. Такой прием псевдодифференциального включения с отслеживанием потенциала земли можно использовать также для сигналов низкого уровня внутри самого прибора, когда возникают проблемы с шумами заземления.

Во-второй схеме используется экранированная витая пара, экран которой присоединен к корпусу на обоих концах. Это не опасно, т.к. по экрану сигнал не идет. Дифференциальный усилитель используется, как и раньше, на приемном конце. Если передается логический сигнал, то имеет смысл передавать дифференциальный сигналсигнал и его инверсию, как показано на рисунке.

На радиочастотах подходящий способ подавления синфазного сигнала на приемном конце дает трансформаторная связьона также облегчает получение дифференциального биполярного сигнала на передающем конце. Трансформаторы также популярны в звуковой аппаратуре, хотя они громоздки и ведут к некоторому искажению сигнала.

Для очень длинных кабельных линийизмеряемых километрами полезно принять меры против больших токов в экранах на радиочастотах. Способ достижения этого показан на рис.5.Как было показано выше, дифференциальный усилитель работает с витой парой и на него не влияет напряжение экрана. Путем связи экрана через небольшую катушку индуктивности с корпусом удается сохранить малое напряжение постоянного тока, а большие радиочастотные токи исключить. На .той схеме также показана защита от выхода синфазного напряжения за пределы В. Хорошая схема защиты многопроводного кабеля, в котором требуется исключить синфазные наводки, показана на рис.6.Так как у всех сигналов наводка одна и та же, то единственный провод, подключенный к земле на передающем конце, служит для компенсации синфазных сигналов во всех n проводах сигнала. Просто этот сигнал считывается по отношению к земле на приемном конце и используется как опорный входной сигнал для всех n дифференциальных усилителей, работающих с остальными сигналами.

Приведенные схемы хорошо подавляют синфазные помехи на низких и средних частотах, но против РЧ-помех они могут оказаться неэффективными из-за низкого КОСС в приемном дифференциальном усилителе.

Плавающий источник сигнала.

Та же несогласованность напряжений заземления в разных местах проявляется еще более серьезно на входах низкого уровня, поскольку там сигналы очень малы примером является головка магнитофона или другой источник сигнала, для которого нужна экранированная сигнальная линия Если заземлить экран на обоих концах, то разность напряжений заземления появится в качестве сигнала на входе усилителя. Лучше всего отделить экран от заземления в источникерис.7. Изолирующие усилители. Другим решением связанных с заземлением проблем является использование изолирующего усилителя. Изолирующие усилители-готовые устройства, предназначенные для передачи аналогового сигналас полосой частот, начинающейся от постоянного токаот схемы с одним опорным уровнем заземления к другой схеме, имеющей совершенно другую землюрис.8.На практике в некоторых экзотических ситуациях потенциалы этих земель могут отличаться на много киловольт. Применение изолирующих усилителей обязательно в медицинской электронике-там, где электроды прикладываются к телу человека, с тем, чтобы полностью изолировать такие контакты от измерительных схем, питающихся непосредственно от сети переменного тока. Защита сигнала. Это также способ уменьшения эффектов входной емкости и утечек при малых сигналах и большом полном сопротивлении. Если мы работаем с сигналами от микроэлектродов или емкостных датчиков с внутренним полным сопротивлением в сотни мегаом, то даже входная емкость в несколько пикпфарад может в этом случае совместно с этим сопротивлением обрразовать фильтр нижних частот со спадом, начинающимся с нескольких герц. К тому же конечное значение сопротивления изоляции в соединительном кабеле легко может на порядки ухудшить рабочие параметры усилителя со сверхнизким током входного сигналаток смещения меньше пикоампера за счет утечек. Обе эти проблемы решаются путем использования защитного электродарис.9. Внутренний экран соединен с повторителемэто эффективно исключает токи и резистивных, и емкостных утечек за счет нулевой разности потенциалов между сигнальным прроводом и его окружением. Внешний заземленный экран предохраняет от помех защитный электродне доставляет хлопот работа повторителя на емкость и утечку между экранами, т.к. у повторителя малое полное выходное сопротивление.

Этот прием не следует применять чаще, чем это необходимо имеет смысл ставить повторитель как можно ближе к источнику сигнала, защищая лишь небольшой отрезок кабеля, соединяющий сигнал после повторителя с его низким полным выходным сопротивлением к отдаленному усилителю можно и по обычному экранированному кабелю.

Методы сужения полосы пропускания.

Эти меры принимаются для улучшения отношения сигналшум.

Мы сужаем ширину полосы пропускания и сохраняем тем самым нужный сигнал, сократив одновременно общее количество принимаемых шумовых сигналов.

Известно несколько методов сужения полосы пропускания, получивших широкое распространение на практике -усреднение сигнала, -переходное усреднение, -метод интегрирования, -многоканальное уплотнение, -амплитудный анализ импульсов, -детектирование с захватом, -фазовое детектирование.

Все эти методы предполагают, что сигнал является периодическим условие легко выполнимо, т.к. почти всегда сигнал можно сделать периодическим Мы не будем рассматривать эти методы.

Классификация помех в устройствах ЭВМ. Борьба с помехами приобретае все большую актуальность по многим причинам, вот некоторые из них -рост доли задержек сигналов в линиях связи по сравнению с задержками собственно логических элементов, обусловливаемых конечностью скорости распространения сигналов в линиях связи и переходными поцессами в них возрастающая зависимость быстродействия ЭВМ,правильности ее функционирования от оптимальности выбора конструктивного исполнения линий связи и принятия соответствующих схемотехнических мер, -возрастание взаимного влияния между элементами и линиями связи из-за увеличения плотности размещения элементов компонентов. 1.Линии связи. Линии связиЛС заметно влияют на процессы передачи информации. Влияние ЛС определяется ее типом. В зависимости от соотношения длительности фронта передаваемого сигнала и времени распространения его по ЛС последние подразделяют в случае анализа помех на электрически короткие и электрически длинные линии.

Линия связи считается электрически короткой линией, если, где и -время спада и нарастания передаваемого сигнала соответственно l-длина линии связи vp-скорость распространения сигнала в линии связи.

На практике принимают, где -диэлектрическая постоянная среды С030 кмс. Линия связи считается электрически длинной линией, если. Уточним понятие помехи для вычислительного устройстваэто внешнее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению дискретной информации во время ее хранения, преобразования, обработки и передачи. 2. По характеру воздействия на дискретную информацию помехи в устройствах ЭВМ,выполняемых на ИС,проявляются как задержки передачи импульсов, искажения фронтов импульсов, искажения уровней передаваемых потенциалов, уменьшение амплитуд передаваемых импульсов, постоянные смещения уровней напряжения питания. 3.По источнику создания помех их целесообразно разделять на помехи внешние, как правили, наводки, создаваемые внешними по отношению к рассматриваемому устройству аппаратами, устройствами, условиями эксплуатации, и помехи внутренние, обусловливаемые конкретным выполнением линий связи в рассматриваемом устройстве. 4.По месту проявления помехи могут быть подразделены на помехи в сигнальных линиях связи и в цепях питания. Видом проявления внутренних помех в электрически коротких ЛС являются задержки сигналов из-за емкостного или индуктивного характера линии связи, емкостные и индуктивные взаимные наводки между сигнальными проводниками, а внутренних помех в электрически длинных ЛС-задержки передачи сигналов, искажения формы передаваемых сигналов из-за отражений, взаимные наводки между линиями связи, затухания сигналов.

Помехи в цепях питания и меры по их уменьшению. 1.К проявлениям помех в цепях питания относятпостоянные смещения уровня шины земля, обусловливаемые ее активным сопротивлениемимпульсные ЭДС,вызываемые динамическими токами потребления ИС в индуктивности шин земля и питание, динамическими токами перезаряда паразитных емкостей линий связипериодические колебания напряжения питания, вызываемые реактивным характером цепей питания. 2.