Лекция по защите датчиков. 07-12-2020-Защита_датчиков_2. Термины и определения Источник сигнала
 Скачать 0.55 Mb.
|
|
Термины и определения Источник сигнала Объект, от которого приходит сигнал на вход подключаемого прибора. Физи- чески под источником сигнала понимается выход датчика или выход прибора, рас- сматриваемый совместно с соединительным кабелем, если такой кабель использует- ся. Сигнальная цепь Это замкнутая электрическая цепь информационного сигнала между источни- ком и приёмником. По сигнальной цепи протекает ток сигнальной цепи. Общий провод Провод условно нулевого опорного потенциала, соединяющий источник и при- ёмник сигнала, позволяющий выровнять потенциалы аналоговых земель (AGND) вы- ходных узлов источника с входными узлами приёмника сигнала. Термин «условно нулевой потенциал» употреблён в том смысле, что общий провод в ряде случаев мо- жет быть не заземлен и иметь потенциал относительно земли. Заземление Заземление корпусов (панелей) приборов, что означает подсоединение соответ- ствующих цепей (штатных клемм) заземления приборов к шине заземления, имею- щей непосредственный контакт с землёй. Такое заземление называют защитным. В больших системах, состоящих из разнородных приборов возможно взаимо- влияние устройств по цепи заземления, приводящего к сбоям и помехам. Сигнальное заземление Под заземлением всегда подразумевается именно сигнальное заземление, обозначаемое симво- лом, показанным на рис. 1. Это «чистая» ветка основной цепи заземления системы, по которой не текут в землю токи заземле- ния сильно потребляющих устройств (силовое обо- рудование, станки, мощные импульсные устройства и пр.), а протекают токи зазем- ления относительно чувствительных сигнальных устройств. В сложных системах последовательное, без разбора, соединение всех точек за- земления разнородных приборов приводит к проблеме их совместимости, и необхо- димо выделить отдельную «чистую» ветку сигнального заземления. В особо сложных системах возможны несколько веток сигнального заземления со своеобразной иерархией в зависимости от «чистоты» веток заземления. Если сим- вол заземления на рисунках присоединяется пунктирной линией, то подразумевается, что заземление в показанной точке не обязательно. Ток заземления Ток, текущий по цепи заземления данного прибора. Иногда этот ток называют уравновешивающим током заземления, поскольку он приводит к выравниванию раз- ности потенциалов заземляемых точек (рис. 2). Как правило, ток Ig имеет сложный переменный характер, что обусловлено утечками тока от внутренних источников помехового сигнала (например, импульс- ный источник питания, силовые коммутационные цепи). Как правило, внутренние утечки устройств носят активноёмкостный характер, а спектр земельного тока Ig крайне широкополосный — энергия гармоник достаточно высока даже на сотнях мегагерц. Это прежде всего относится к устройствам, имею- щим импульсный источник питания, и в меньшей степени — к устройствам с линей- ным источником питания. Цепи цифровой и аналоговой земель Для обозначения земель на схемах или в таблицах обычно применяют следую- щие мнемонические сокращения: GND (DGND, GNDD) — для обозначения цифровой земли; AGND (GNDA) — для обозначения аналоговой земли. Наличие у устройства контактов разъёма с обозначением GND (DGND, GNDD) и AGND (GNDA) говорит о том, что провод цепи GND, подключенный к соответствующему контакту разъёма, ис- ходит непосредственно из точки подключения внутреннего общего провода цифро- вых и импульсных узлов устройства, провод цепи AGND исходит из общего провода аналоговых узлов. При этом сами по себе обозначения GND, AGND не говорят о том, куда их нужно подключать. Для выяснения этого вопроса нужно знать тип входа устройства, к которому относится данная цепь GND или AGND, либо тип выхода устройства. На рис. 3 показаны типичные обозначения цепей ана- логовой и цифровой земли. Большинство проблем помехозащищённости возникает именно в аналоговых цепях подключения к приборам, в то же время цифровые интерфейсные сигналы (TTL, CMOS) являются специализированным случаем аналоговых однофазных входов-выходов на- пряжения, поэтому в примеры даны для случая анало- гового интерфейса с применением понятия аналоговой земли AGND. При этом те же самые принципы можно применить и для цифрового интерфейса. Еще один пример: известный цифровой интерфейс токовая петля подпадает под случай соединения од- нофазных однополярных токовых входов-выходов. Любой цифровой интерфейс — это частный случай аналогового, ведь цифровая техника исторически произошла из аналоговой. Особым случаем является прибор, на разъёмы которого одновременно выведены цепи аналоговой и цифровой земли. Такой подарок имеют, как правило, многофункциональные приборы с цифровым интерфейсом управления и аналоговы м измерительным интерфейсом. Экран Экран в изначальном понимании — это защитная токопроводящая оболочка системы, по которой не текут корпусные токи прибора и токи общих проводов сиг- нальн единить кабелем выход ского объекта. сопротивлению на низкой частоте, где К. Согласование производится конце чника напряжения относятся: противление, ный выход генер новным параметрам источника тока относятся: е для обеспечения рабочего , ассматривать ых цепей. Типы источников сигналов Под источником сигнала будем понимать то устройство, которое пользователь намерен подключить к электрическому входу прибора, например, со какого-либо датчика со входом пользователь По характеру внутреннего сопротивления Внутреннее сопротивление источника сигнала почти всегда не носит активного характера из-за влияния ёмкостей и индуктивностей соединительных проводов, а также частотной зависимости выходного сопротивления прибора. Поэтому речь идет о классификации по активному внутреннему указанными факторами можно пренебречь. К источнику напряжения (рис. 4) можно отнести: - низкоомный (до 100_500 Ом) выход любого при- бора, подключенного посредством короткого кабеля. Чем длиннее кабель, тем более реактивным становится эквивалентный выходной импеданс источника напряже- ния, тем большее влияние на сигнальную цепь оказыва- ют импульсные сквозные токи и ёмкостные наводки; со- гласованную, как минимум, на приёмной стороне (а лучше на обоих концах) длин- ную линию, например, радиочастотный кабель типа Р выми низкоомными резисторами 50 или 75 Ом. К основным параметрам исто - внутреннее со - полярность, - максимальный выходной ток. К классическому источнику тока (рис. 5) можно отнести высокоом атора тока. К ос -полярность, -запас по напряжению, - внутренне сопротивление. Последняя характеристика относится именно к генератору тока, выходное напряжение которого может находиться лишь в заданных пределах режима самого генератора тока. К типичному источнику заряда (рис. 6) относится пьезодатчик имеющий ёмкостный характер внутреннего импеданса. В подавляющем большинстве приложений постоянная составляющая заряда не представляет интереса (например, в виброметрии), поэтому будем р этот источник как источник переменного заряда. заряда; источники напряжения и тока бывают за- землёнными или изолированными. ной связи относи- тельн аноразвязанной цепи, в частности, к земле. ельно общего провода ис- точника. Всего у этого источника три выходных провода. По наличию заземления Источник, гальванически связанный с землей, является заземлённым. Для однофазного источника (рис. 7) заземлёна точка сигнальной цепи. Для дифференциального (рис. 8) — общая точка электрически симметричная относительно фазовых проводов и связанная общим проводом источника. Как прави- ло, заземлённым бывает источник Достаточно интересным является типичный случай выхода массивного прибора — например, генератора — общий провод которого соединён с большим незаземлён- ным корпусом прибора. Можно отнести такой «крамольный» источник сигнала к за- землённому (в смысле сигнального заземления, а не защитного), поскольку имеются признаки местного заземления. В отличие от заземлённого источника, изолированный (незаземлённый, отвязанный от земли) источник не связан с землёй. Примеры: тер- мопара, изолированная обмотка трансформатора. Примечательно, что однофазный изолированный источник, например термопара, не является дифференциальным, но при этом является симметричным, поскольку обладает свойством симметрии выходов по отношению к внешней среде, например, к паразитной ёмкост о внешней гальв По числу фаз Дифференциальный (двухфазный) источник (рис. 9) всегда содержит в себе два противофазных источника сигнала, работающих относит К однофазным (рис. 10) относится источни два выходных провода. ки сигнала, имеющие два полюса и ию экранирующей поверхности а (рис. 12) — это источник, имею системы. щих различимые понятия. выбир , подразумеваем, что физически экранирован и сам источник, и кабель, иду , экранируется только кабель (напр в, которые принципиально не могут быть экранированы) — такой источник тоже можно назвать экранированным. По налич Электростатический экран. Экранирован- ный источник сигнал щий сплошной внешний токопроводящий контур, который называется экранирующей це- пью. Экран — это токопроводящая оболочка Экран в изначальном понимании — это защитная токопроводящая оболочка системы, по которой не текут корпусные токи и токи об- проводов сигнальных цепей. В реальных устройствах эти принципы нарушаются. Например, - в обычном одножильном коаксиальном кабеле оплётка выполняет роль экрана и нулевого провода; - корпуса разъёмов коаксиальных кабелей часто соединяются непосредственно с корпусом прибора и с оплёткой кабеля. Получается, что в этом примере корпус, эк- ран и общий провод сигнальной цепи — это плохо ая тот или иной способ подключения экрана, нужно всегда отдавать себе отчёт в том, какой ток течет через экран и будет ли он вредить сигнальной цепи, потому что идеальный экран тот, по которому ток вообще не течет! Под экранированным источником щий от него. Как правил имер, в случае применения датчико Неэкранированным можно назвать источник сигнала, не имеющий окружающе- го токопроводящего контура. Если имеющийся токопроводящий контур не является экраном, то источник также не экранирован. По полярности источника сигнала Физическая величина на выходе источника может принимать однополярное или двухполярное значение. В зависимости от этого источник называется однополяр- ны ли двухполярным. Следует учитывать, что встречаются источники сигналов и с несимметричным выходом. Типы входов устройств По п м и олярности входного сигнала По диапазону входного сигнала входы разделяются на однополярные и двухпо- лярные. Следует также учитывать, что встречаются приборы с несимметричным от- носительно нуля входным диапазоном сигнала (например, –25…+75 мВ). По количеству фаз и степени симметрии входа ЭТО степень симметричности входной сигнальной цепи по отношению к об- щей помехе, приложенной к сигнальной цепи относительно внешней среды (земли). Дифференциальный вход (рис. 13) — это вход, позволяющий принять пару входных сигналов X и Y симметрично относительно общего провода (AGND) и выде- лить полезный разностный сигнал (Y – X) на фоне общего аддитивного помехового сигнала d Обыч назвать разностным входом. ается синфазным, а трёхточечное подключение. Очень час- ди ного сквозного тока по общему прово ыми землями источника и приёмника сигнала. Существу- ют не обу гальваноразвязки входа напряжения. Трансформаторная развязка может полную независимость развязы- ваемы р дает д норазвязку сигнальной цепи. Как правило, при- меняе но X — это неинвертирующий, a Y — инвертирующий вход. Дифференциальный вход можно Аддитивный помеховый сигнал назыв Полезный разностный сигнал (Y – X) — противофазным. Коэффициент подавления синфазного сигнала определяет качество дифферен- циального входа. Дифференциальный вход, в отличие от однофазного, позволяет подключить ис- точник сигнала таким образом, чтобы ток сигнальной цепи не протекал через общий провод. Дифференциальный вход — это всегд то фференциальный вход является входом напряжения, реже встречаются диффе- ренциальные (разностные) токовые входы и дифференциальные входы заряда. Одно- фазный вход (рис. 14) — это вход, использующий двухточечное подключение. Одно- фазный вход — это наиболее часто встречающийся вход. Это может быть вход на- пряжения, токовый или вход заряда. По способу гальваноразвязки Лучший вход — это независимый вход. Главный смысл гальваноразвязки сигнальной цепи напряжения вообще заключа- ется в исключении тем или иным способом паразит ду от источника к приёмнику сигнала. Этот ток, вызывающий помеховое падение напряжения на сопротивлении общего провода, в том числе индуктивного характера, вызывается разностью по- тенциалов между аналогов сколько принципов гальваноразвязки: Трансформаторная гальваноразвязка сигнальной цепи относится к индивиду- альному спос быть как однофазной, так и дифференциальной. Наиболее существенный не- достаток трансформаторной развязки — это наличие проходной ёмкости между об- мотками, которая не даёт возможности обеспечить х цепей по высокой частоте — об этом надо всегда помнить. Оптоэлектронная гальваноразвязка сигнальной цепи с применением оптопа остаточно качественную гальва тся для развязки цифровых сигнальных цепей. Импульсная поканальная гальваноразвязка — это развязка входной сигнальной цепи, которая делается не на уровне входных проводов устройства, а на уровне раз- вязки оит в разрыве цепи прохождения паразитного сквозно- го ток Вход напряжения имеет большое входное сопротивление. Он предназначен для приёма информации в виде потенциального сигнала. Токовый вход имеет малое входное сопротивление. Он предназначен для приё- ма информации в виде токового сигнала. Ток I, протекающий через его входное сопротивление Ri np, вызывает падение напряжения, максимальная величина которого Umax = ImaxRi np определяет запас по напряжению токового входа. Вход заряда имеет малое входное сопротивление. Он выделяет информацион- ную составляющую из заряда Q, пропускаемого через его входное сопротивление Ri np. Сущность входа заряда поясним с использованием эквивалентной схемы источ- ника заряда Q в виде последовательно соединенных ёмкости и источника переменно- го напряжения U, при этом эквивалентный заряд Q = СU. Как и у токового входа, входное сопротивление Ri np входа заряда должно быть достаточно низким, в этом сходс е же носит принципиальный характер: вход за- ряда с всех остальных цепей с которыми связано устройство — это развязка цепей питания, управления и пр. Суть этого способа сост а по нулевому проводу за счёт гальваноразвязки источника питания входного устройства. Недостаток этого способа проявляется, главным образом, в наличии высоко- частотных помех, проникающих через межобмоточные ёмкости трансформаторной развязки источника питания входного устройства. Импульсная групповая гальваноразвязка аналогична предыдущей, но применена на уровне развязки группы каналов, при этом внутри группы гальваноразвязки нет. По входному сопротивлению тво входов тока и заряда. Отличи хемотехнически обеспечивает частотную – символ гальваноразвязкиY * Случай встречается редко ** Можно считать совместимым, но только в случае, если однофазный вход имеет –выход напряжения, а не тока или за тот выделенной физической величи- ны за о входа в качестве входа заряда такая частот- ная н ьку ток в сигнальной цепи при подсоединении описанной эквивалентной схемы источника заряда рассчитывается по формуле Ii np = U / сим от реактивного сопро ЗАЩИТА ОТ ПОМЕХ Д ПРОВОДОВ СИСТЕМ Паразитные воздействия на п сле- дующие группы: - воздействия через конд - влияние неэквипотенц с батарейным питанием, усилители, е датчики. случаях является разность водами источника (V1). источника относительно измеряемой физической величины в индивидуальную гальваноразвязку и это вход ряда независимость в широкой полосе час ряда, а при использовании токовог езависимость обеспечиваться не может, поскол (Zc + Ri np) и, следовательно, частотно_зави тивления ёмкости источника заряда Zc. АТЧИКОВ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ АВТОМАТИ роцесс передачи сигнала можно разделить на уктивные связи; иальности «земли»; - наводки через взаимную индуктивность; - наводки через ёмкостные связи; - высокочастотные электромагнитные наводки. Типы источников и приемников сигнала Источники сигнала (датчики температуры, давления, веса, влажности и др.) мо- гут быть заземлёнными или не заземлёнными (рис. 1). Незаземлёнными (плавающи- ми) источниками сигнала являются - батарейки, - источники сигнала - термопары, - изолированные операционные - пьезоэлектрически Сигналом в этих потенциалов между вы Потенциал выводов «земли» (Vc) является паразитным (синфазная помеха) и не должен влиять на результат измерений. У заземлённого источника сигнала напряжение второго вывода измеряется относительно «земли». За- землённый источник можно получить из плавающего, если один из его выводов заземлить, но это зависит от принципа построения датчика или схемы преобразо- преобразования напря нструк- тивно и тока. Источники тока также могут быть заземлёнными или пла- - тся - - иалы отсчитываются относительно общего провода приёмника (относи- тельно - е е- льных трумен- альн дифференциального приёмника сигнала (рис. 2 б) мож- V0 = K0 (V1 – V2) + KCMRR Vc (1) Здесь Vc = (V1 + V2)/2 — синфазное напряжение, K0 — дифференциальный ко- эффициент усиления. Следует отметить о- лучен с помощью двух од го вычита- ния сигналов на их выхода Предположим, что м мер, два канала из многока жение, что часто невозможно. Плавающие источники, как правило, ко и схемотехнически сложнее, чем заземлённые. Источники сигнала могут быть не только источниками напряжения, но и источникам вающими. Приёмник сигнала (например, система сбора данных) может измерять сигнал относи тельно «земли» или относительно второго входа. В первом случае приёмник сигналов называе приёмником с одиночным (недифференциальным) входом (рис. 2 а), во втором случае — диффе ренциальным приёмником сигнала (рис. 2 б). Дифференциальный приёмник сигнала измеряет разность потенциалов между двумя про водниками. Потенц «земли» приемника). Таким образом, дифференциальный приёмник сигналов имеет три входа: два сигнальных и один общий («земля»). Важно отметить, что, с точки зрения помех, «земля» источника и при ёмника сигнала имеет разные потенциалы, то есть это фактически разны «земли», и в дальнейшем на схемах они будут иметь разные условные обознач ния. Дифференциальные приёмники могут быть двух типов на основе: - изолированного (плавающего) источника питания (тестеры, система сбора дан- ных с компьютером типа «ноутбук» или малогабаритный осциллограф с батарейным питанием), - схемы вычитателя, позволяющего определить разность потенциалов между двумя узла- ми электрической цепи (дифференциальный сигнал) . Примерами дифференциа риёмников на основе вычитателя являются схемы, построенные на базе инс п т ого дифференциального усилителя с большим коэффициентом подавления син- фазного сигнала. Неидеальность дифференциальных приемников заключается в том, что наряду с дифференциальным сигналом на выход приёмника попадает и ослабленный син- фазный сигнал. Коэффициент передачи синфазного сигнала меньше, чем дифферен- циального, в некоторое число раз, которое называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала KCMRR. Коэффициент ослабления синфазного сигнала зависит от частоты. Наибольший интерес для систем промышленной автоматизации пред- ставляет коэффициент подавления синфазного сигнала с частотой 50 Гц, который по- агнитная наводка от электрической сети 220/380 В. является как электром Напряжение на выходе о записать в виде: н , что дифференциальный приёмник не может быть п иночных приёмников сигнала путём просто х (рис. 3). ы используем два усилителя с одиночным входом, напри- нальной платы ввода с одиночными входами, и хотим вы- делить дифференциальный сигнал путем вычитания двух напряжений V1 и V2. Опи- й схемы можно записать: ствительно получим дифференциальный относительной погрешности γ: V0 = K0 (V1 – V2) + 2γ K0Vc (4) γc = 2γ Vc /(V1 – V2) (5) Т очным входо мопар и других датчиков это отношение может дости осительно V2, а не относительно «земли». Эта идея положена в основу построения большинства прецизионных усилителей с дифференциальным входом. санная ситуация схематично изображена на рис. 3. Для это V0 = K1V1 – K2V2 (2) В идеальном случае, когда K1=K2=K0, дей приёмник сигнала: V0 = K0 (V1 – V2) Однако на самом деле коэффициенты усиления приёмни- ков отличаются от идеального значения K0 на величину γ1 = (K1 – K0)/K0, γ2 = (K0 – K2 )/K0 (3) Эта погрешность включает в себя инструментальную погрешность приёмников, на- пряжение смещения нуля, шумы электронных приборов и т. д. Примем по методу «наихудшего случая» (здесь — случай максимальной погрешности на выходе), что эти погрешности равны между собой, но противоположны по знаку и обе равны γ по абсолютной величине. Тогда, переписывая выражения (3) в виде K1 = (1 + γ) K0, K2 = (1 — γ) K0 и подставляя эти значения в (2), получим: Здесь Vc = (V1 + V2)/2 — величина синфазного сигнала (по определению). Следовательно, относительная погрешность приведённой к выходу усилителя измеряемой величины К0(V1 – V2), обусловленная влиянием синфазного сигнала, бу- дет равна аким образом, в схеме на рис. 3 сумма погрешностей усилителей с один м (2γ) умножается на отношение величины синфазного сигнала к дифференци- альному. При измерении сигналов тер гать не скольких порядков. Поэтому погрешность измерения дифференциаль- ного сигнала таким методом будет также на несколько порядков больше. Рассмотрим пример. Предположим, что требуется получить дифференциальный сигнал с разре- шающей способностью 12 бит, то есть с отношением сигнала к погрешности, равным 4096 (полагаем допустимую погрешность равной 1 младшему значащему разряду — МЗР). Во всех случаях, когда измеряется разность двух напряжений, нужно усиливать потенциал V1, измеренный отн ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЗАЗЕМЛЁННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Напряжение заземленного источника сигнала e1 (рис. 4) измеряется с помощью заземлённого приёмника. Поскольку «земли» источника и приёмника сигнала пространственно разнесе- ны, они имеют разный потенциал и обозначены на схеме по-разному. Разность по- тенциалов между ними равна Vg. По теореме об эквивалентном генераторе эта разность потенциалов может быть представлена на схеме источником напряже- ния Vg = Rg Ig, где Rg и Ig — соответственно сопротивление «земли» и ток через это сопротивление (рис. 5), причем напряжение, приложенное ко входу приёмника Vin, оказывается равным сумме напряжений источника сигнала и разности потен- циалов между двумя «землями». может находиться в до- пусти ием (рис. 6). Однако это не устраняет паразитное напряже- ние V полностью, поскольку ток, возникающий вследствие разности потенциалов «земел снов- ным к Таким образом, результат измерения, выполненного по описанной схеме, будет содержать погрешность величиной Vg. Эта погрешность мых пределах, если источник сигнала и приёмник расположены недалеко друг от друга или если напряжение сигнала имеет большую величину (например, предва- рительно усилено). Уменьшение помехи: - провод «земля» источника и приёмника сигнала соединить медным проводни- ком с низким сопротивлен g ь», теперь будет течь по соединяющему их проводнику. Как правило, о омпонентом тока является помеха с частотой 50 Гц, но большое значение имеет и э.д.с., наведенная высокочастотными электромагнитными полями. В этом случае значительную роль играет индуктивность проводника, и устранить её без применения дифференциального приемника практически невозможно. Схема, обеспечивающая наибольшую точность измерения сигнала зазем- лённого источника (рис. 7). содержит дифференциальный приёмник, который ослабляет синфазное напряжение помехи Vg в KCMRR раз. Следует отметить, что в схеме (рис. 7) нельзя соединять один из входов с «землёй» приемника, по- сколь п с одиночным входом (рис. 6) со ЁННЫХ ИСТОЧНИКОВ аз х очников сигнала измеряется при- ьным входом. При использовании обы величина синфазного сигнала д с приёмника. Сопротивление меж- » очень велико, поэтому даже ма- й ток помехи может создать на нём падение напряжения более 10 В, что пере- ведёт дифф аковым сопротивлением. При низком зоне 10...100 кОм. лее высокую помехозащищённость по сравнению с приемниками с одиночным входом, однако они требуют больше соединительных проводов и технически сложнее. Поэтому ку при этом фактически олучается схема всеми ее недостатками. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НЕЗАЗЕМЛ Напряжение нез емлённы (плавающих) ист емником, как с одиночным, так и с дифференциал дифференциального входа нужно следить за тем, чт не вышла за границы иапазона работоспо обности ду любым из дифференциальных входов и «землёй леньки приёмник сигнала в режим насыщения. Ток помехи в этом случае может состо- ять из входных токов смещения самого дифференциального приёмника и тока пара- зитной ёмкостной связи с источником помехи. Для уменьшения этого эффекта входы еренциального приемника соединяют с «землёй» через резисторы (рис. 8). 1. Если внутреннее сопротивление источника сигнала велико, то резисторы выбирают с один сопротивлении источника (например, термопары) разница сопротивлений не играет роли, и можно использовать одно из них вместо двух. 2. Если источник сигнала соединён с приёмником через развязывающие кон- денсаторы, то величины резисторов должны быть строго одинаковы. В измерениях с высокой точностью эти резисторы улучшают симметрию дифференциальной пары проводов и улучшают эффект компенсации синфазной помехи. Сопротивление резисторов выбирается как можно меньшим, чтобы снизить ве- личину синфазного сигнала, однако оно должно быть много больше внутреннего со- противления источника сигнала, чтобы не вносить погрешность в результат измере- ния. При использовании термопар типовая величина сопротивлений лежит в диапа- Дифференциальные приёмники сигнала всегда обеспечивают бо выбор иёмники с дифференциальным входом. ичиной МЗР 12- - особенно большие проблемы может оздать цифровая схема, работающая в мо- мент передачи аналогового сигнала. В результате входное напряжение Vin будет склады- ваться из напряжения источника сигнала e1 и жения помехи Vg. Решением описанной проблемы яв подсоединение «земли» источни- ка сигнала к приемнику отдельным изолированным проводом, который не ис- пользуется ни для каких иных целей (рис. 10). В общем случае, чтобы заранее предотвратить возникновение данной про- блемы, следует различать понятия «сигнальная земля», «аналоговая земля», «цифровая земля». Все эти «земли» должны быть выполнены разными прово- дами, и их можно соединять только в одной общей точке. Сигнальные цепи нельзя использовать для питания даже маломощной аппаратуры. между дифференциальным или одиночным входом может быть сделан только при рассмотрении конкретных условий применения и требований к сис- теме. Приёмники с одиночным входом могут быть использованы, ес- ли источник и приемник сигналов разнесены на небольшое расстояние (до единиц метров), если сигнал источника предварительно усилен или имеет большую величину (около 1 В) и если выводы «земля» ис- точника и приемника соединены коротким низкоомным проводником в одной точке. Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, следует использовать пр ПОГРЕШНОСТИ, ВЫЗВАННЫЕ КОНДУКТИВНЫМИ СВЯЗЯМИ Источником погрешности при передаче сигнала может быть - падение напряжения Vg на участке провода, общем для сигнала и некоторой нагрузки (рис. 9). Такая паразитная связь называется кондуктивной (резистив- ой). н Нагрузкой в данном случае может быть цифровая схема, заземляющий провод ком- пьютера или случайный проводник, замкнувший провод «земля» с корпусом энергетиче- ского оборудования, через который протекает ток INN от эквивалентного источника eNN. - схема, состоящая из нескольких операционных усилителей, может создать на про- воде длиной в 20 см падение напряжения более 1 мВ, что сравнимо с вел азрядного приёмника сигнала. р с напря ляется ИНДУКТИВНЫЕ И ЁМКОС Если рядом с сигнальным проводом проходит неко кает ток амплитудой IN (рис. 11). Тогда вследств дукции на сигнальном проводе будет наводи Т т и т е р- ом случае является контур, по которому протекает ток, вызванный э.д.с. поме- хи. На рис. 11 этот контур образован сигнальным проводом, входным сопро- тивлением приёмника, проводом «зем- ли» и выходным сопротивлением ис- точника сигнала. Для уменьшения взаимной индуктивности площадь данного контура должна быть ми- нимальной, то есть сигнальный ак- НЫЕ СВЯЗИ орый провод, по которому проте- е эффекта электромагнитной ин- ься напряжение помехи VM. Здесь M - взаимная индуктив- ность между проводами; L- ин- дуктивность сигнального прово- да; ω = 2πf, f -частота тока поме- хи; Ri - выходное сопротивлени источника сигнала; Rin- входное сопротивление приёмника. Вели- чина взаимной индуктивности пропо циональна площади витка, который пересекается магнитным полем, соз- данным током IN. «Витком» в данн провод должен быть проложен м симально близко к «земле». Эф- фективную площадь «витка» можно уменьшить, если расположить его в плоскости, пер- пендикулярной плоскости контура с током, наводящим помехи. В случае синусоидальной формы тока амплитуда напряжения помехи, наводи- мого на сигнальном проводе, будет равна Из формулы (6) следует, что - индуктивная наводка увеличивается с ростом частоты и отсутствует на пост янном токе. о- - напряжение помехи на рис. 11 включено последовательно с источником сиг- нала, то есть вносит аддитивную погрешность в результат измерения. - при бесконечно большом сопротивлении Rin напряжение на входе приёмника имеет вид: и не зависит от сопротивления источника сигнала. - ёмкостная наводка через паразитную ёмкость между проводниками Cc, наобо- рот, полностью определяется величиной внутреннего сопротивления источника сиг- нала Ri, поскольку оно входит в делитель напряжения помехи, состоящий из сопро- ления Ri, включенного параллельно Rin, и ёмкости Сс: тив Как следует из (7), при Ri = 0 ёмкостная помеха полностью отсутствует. В дей- ствительности сигнальный проводник имеет некоторое индуктивное и резистивное сопротивление, падение напряжения помехи на котором не позволяет полностью ус- транить ёмкостную наводку с помощью источника с низким внутренним сопротив- лением. Особенно важно учитывать индуктивность сигнального провода в случае высокочастотных помех. Порядок величин сопротивлений типовых источников сигнала приведен в табл. 1. непос а (рис. 12). Ток источника тока не зависит от характера нагрузки (по опред ёмкостной наводки сигнал нужно передавать с помощью идеального Датчики, имеющие большое внутреннее сопротивление или малое напря- жение сигнала, нужно использовать совместно с усилителем, расположенным в редственной близости к датчику, а к приемнику следует передавать уже усиленный сигнал. Для устранения индуктивной наводки носителем сигнала должен быть ток, а не напряжение, то есть источником сигнала должен быть идеальный ис- точник ток елению), в том числе от величины наведённой э.д.с. Таким образом, для снижения источ бор носителя информации (ток или напряжение) в каждом конкретном случа , если источ ником помехи является мощное оборудование, потребляющее боль- шой ток. Экранир нее, чем ём- костной. ехи также стремится к нулю (а передаваемая мощность — к беско- нечно дом и ым при- ёмником. Дополнительной защитой линии является её экранирование. Токи источ- ников тока на рис. 13 строго равны между собой и противоположно направлены. Для получения высокого качества передачи сигнальные провода должны быть экраниро- ваны и выполнены в виде витой пары, чтобы обеспечить лучшую согласованность их продоль- ных импедансов и импеданса на «землю». Разница в длине проводов и в частотных характери- стиках их импедансов может быть причиной появления синфазной помехи на высоких час- тотах ника напряжения, а для снижения индуктивной наводки — с помощью идеального источника тока. Вы е зависит от того, какая помеха преобладает: индуктивная или ёмкостная. Как правило, ёмкостные наводки преобладают над индуктивными ник помехи имеет большое напряжение. Индуктивные же помехи создаются током, поэтому они велики в случае, когда источ ование магнитной наводки технически гораздо слож Стремление совместить преимущества передачи сигнала в форме тока и в форме напряжения приводит к передаче информации сигналом большой мощ- ности. Отношение мощности сигнала к мощности помехи определяет величину погрешности, вносимую помехами в результат измерения. Из формулы (6) При сопротивлениях нагрузки и источника, стремящихся к нулю, напря- жение пом сти). ПАРАЗИТНЫЕ СВЯЗИ В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА Кардинальным средством устранения индуктивных и ёмкостных связей является применение источников сигнала с дифференциальным токовым выхо- приемников с низкоомным (токовым) дифференциальным входом (рис. 13). Индуктивная наводка мала, поскольку информация передается в форме то- ка, а ёмкостная наводка мала, поскольку при хорошей симметрии линии пере- дачи она является синфазной и подавляется входным дифференциальн . Для повышения степени согласованности линий в витой паре лучше использовать про- вода, специально изготовленные и аттестованные для инструментальных индустриальных применений. Использование двух витых, соединённых параллельно, пар вместо одной позволя- ет снизить продольный импеданс проводов и повысить точность передачи сигнала. Недостатком токовых каналов передачи информации является то, что в со- ответствии с выражением (7) при бесконечно большом сопротивлении источника и приёмника сигнала относительно «земли» напряжение ёмкостной наводки является максимальным. Применение резисторов для отвода тока помехи на землю (рис. 8) улучш овода, а для защи- ты от агнитного поля используют экран из материала с высокой магнитной проницаемо- ка о - н а е техноло- экра о при пере ка с реко ( ё - щую помехи. Таким образом, низкочастотный ток, создающий индуктивную наводку, остаётся малым, а высокочастотные на- водки заземляются через ёмкость. 1. Экран, защищающий от паразитных индуктив- ных связей, сделать гораздо сложнее, чем электроста- тический экран. Для этого нужно использовать матери- ал с высокой магнитной проницаемостью и, как прави- ло, гораздо большей толщины, чем толщина электро- ает ситуацию, однако эти резисторы не могут быть выбраны очень малыми, поскольку при этом увеличивается влияние их рассогласования на погрешность пере- дачи тока. ЭКРАНИРОВАНИЕ СИГНАЛЬНЫХ ПРОВОДОВ Методы экранирования сигнального провода выбираются в зависимости от пу- тей прохождения помехи. 1. Для устранения паразитной ёмкостной связи используют электростатический эк- ран в виде проводящей трубки (чулка), охватывающей экранируемые пр м стью. 2. Нельзя соединять одновременно (рис. 14), п венством потенциалов этих пер, а разность потенциало 3. Ток, протекающий них проводах и проводах, может иметь значительную гического разброса. Поэтому стороны источника сигнала 4. В общем случае высоким сопротивлением рис. 15). В данной схеме электростатический экран с «землёй» источника и приемни скольку при этом через экран течет ток, обусловленный нера- «земель» и достигающий в цеховых условиях нескольких ам- в «земель» может достигать нескольких вольт. по экрану, является источником индуктивных наводок на сосед аходящихся внутри экрана. Наводка на провода внутри экран величину при неточном их центрировании вследстви н нужно заземлять только с одной стороны, причем с даче широкополосного сигнала от удаленного источни мендуется использовать схему гибридного заземления мкость CHF позволяет ослабить высокочастотную составляю статических экранов. Для частот стали или пермаллоя. 2. На более высоких частотах Для экранирования магнит 1. Уделить внимание уме бору схемы приёмника и переда ниже н н тч - ан - 5 м- плитуда пом (рис. 16 значения амплитуды помех в полосе частот плеи компьютеров и иэлектриков друг о друга, пьезо- электр астую забыв 100 кГц можно использовать экран из используются алюминий и медь. ой составляющей помехи ьшению индуктивности сигнального провода и вы- ика. 2. Если источник сигнала не заземлён (напри мер, в случае температурных датчиков), то экран применяют в сочетании с дифференциальным уси- лителем и резисторами на входе. При этом экр заземляют, как показано на рис. 16 а. 3. Отказ от экранирования увеличивает ампли туду помехи в 4 раза (рис. 16 б). 4. Переход к одиночному включению вместо дифференциального (рис. 16 в) увеличивает её в раз. . Если еще и отказаться от экрана, то а 5 ехи увеличивается в 230 раз г). На рисунках приведены среднеквадратические напряжения 0,01…5 Гц, полученные на выходе при- ёмника сигнала и приведенные к его входу. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И ДРУГИЕ ТИПЫ ПОМЕХ Высокочастотные электромагнитные по- мехи наводятся от таких источников, как радио и телевизионные передатчики, мобильные и ра- диотелефоны, тиристорные преобразователи, коллекторные электродвигатели, электросва- рочное оборудование, дис сами компьютеры. 1. Помехи с частотой выше 100 кГц обыч- но находятся за границей частотного диапазона измерительных систем, однако вы- сокочастотные помехи могут быть нежелательным образом выпрямлены или перенесены в область более низких частот по причине нелинейности характеристик диодов и транзисто- ров, расположенных на измерительной плате и внутри микросхем. 2. В системах с очень высокой чувствительностью могут наблюдаться паразитные напряжения, вызванные термоэлектрическим эффектом в контактах разнородных метал- лов, трибоэлектричеством, возникающим при трении д ическим эффектом и эффектом электростатического или электромагнитного микро- фона. Эти источники помех опасны тем, что встречаются редко, поэтому о них зач ают. Решение проблемы помех следует начинать с поиска их источника. Для этого, в первую очередь, следует измерять уровень помех отдельно в приёмнике сигнала, в источнике и в соединительном кабеле. 1. Для проверки приёмника следует максимально коротким проводом соединить его вход ( «земля» системы. ы незаземленной. На вы- ходе б ьное подключение цепей питания и заземления. Для их обнаружения можно о ка, имеющие наклон АЧХ в полосе заграждения на или входы для дифференциального приёмника) с выводом тем 2. Нельзя оставлять часть входов многоканальной сис удут видны также собственные шумы приёмника сигнала. Нужно убедиться, что уро- вень шумов соответствует спецификации на изделие. Если имеются расхождения, то вероятной причиной могут быть источники по- мех, воздействующие непосредственно на плату измерительной части системы, или неправил попробовать изменить местоположение измерительной части. Для измерения уровня помех, наведенных в кабеле 1. Нужно подключить кабель к системе сбора данных. 2. Закоротить кабель со стороны источника сигнала, то есть имитировать нулевое внутреннее сопротивление источника. 3. Если уровень помехи будет сильно отличаться от её уровня в случае, когда источ- ник сигнала подключен, то причина может быть в недостаточно низком сопротивлении ис- точника. 4. Для уменьшения помехи следует использовать согласующий усилитель или вы- брать более помехоустойчивый способ передачи сигнала. 5. Для оценки уровня помех источника его нужно соединить максимально коротким проводом с входом приёмника. Если источник помех заранее неизвестен, его поиску может помочь спектральный анализ помехи. 6. Для увеличения точности передачи каждый сигнал должен передаваться витой парой в индивидуальном экране. 7 Для витых пар должна быть симметричность свойств проводов кабеля (импедан- сов проводов в паре и равномерности их частотных характеристик в полосе рабочих час- тот). Равномерность характеристик позволяет выполнять компенсацию асимметрии линий и тем самым уменьшать влияние паразитных наводок. 8. Для уменьшения паразитных наводок, создаваемых на кабеле магнитной состав- ляющей электромагнитного излучения, необходимо обеспечить минимально возможный шаг скрутки проводников в витой паре и минимальную площадь петель, образующихся при подключении витой пары к источнику и приемнику сигнала. 9. При невысоких требованиях к точности могут быть использованы витые или неви- тые сигнальные провода в общем экране. Однако в этом случае появляются индуктивные и ёмк стные взаимовлияния проводников в кабеле, а также кондуктивные связи через об- щий провод заземления экрана. 10. Если параметры сигнала известны заранее, для уменьшения помех можно ис- пользовать аналоговые фильтры на входе системы. Для ослабления помехи с частотой 50 или 60 Гц обычно используют фильтры третьего поряд –60 дБ декаду. 11. Если измерения производятся на частотах, близких к граничной частоте фильт- ра, следует учитывать погрешность коэффициента передачи фильтра в полосе пропуска- ния. 12. Дальнейшее ослабление помех возможно путем цифровой фильтрации. Однако она не может полностью заменить аналоговую в связи с тем, что ее возможности ограни- чены быстродействием системы сбора данных, требуемым временем измерения и разряд- ностью аналого-цифрового преобразователя. ЗАКЛЮЧЕНИЕ К проблеме помехозащищённости измерительных каналов следует отно- ситься с максимальным вниманием, поскольку неправильный выбор схемы подключения, разводки кабелей, системы заземления и экранирования могут свести на нет достоинства дорогой и, казалось бы, крайне надёжной электрон- ной части системы. |