Заземяване между устройствата
Идеята за главна земна точка в едно устройство е добра, но какво ще стане, ако сигналът преминава от едно устройство към друго и всяко от тях има различна представа за "земя"? Препоръчваме няколко предложения.
Сигнали с високо ниво.
Малки сигнали и дълги линии.
Ориз. 7.70. Заземителни вериги с екранирани кабели за сигнали с ниско ниво.
Резисторът от 10 Ω между общата точка на усилвателя и заземяването на веригата е достатъчно голям (много пъти по-голям от импеданса на заземяването на източника), така че еталонното заземяване на източника на сигнал задава потенциала в тази точка. Разбира се, всеки шум, присъстващ в този възел на веригата, също ще се появи на изхода, но това става маловажно, ако етапът има достатъчно високо усилване , тъй като съотношението на полезния сигнал към земния шум се увеличава с пъти. По този начин, въпреки че тази схема не е наистина диференциална (с безкраен CMRR), тя все пак работи доста добре (с ефективен CMRR от ). Тази псевдо-диференциална техника за проследяване на земята може да се използва и за сигнали с ниско ниво в самия инструмент, когато шумът от земята е проблем.
Втората схема използва екраниран кабел с усукана двойка, чийто екран е прикрепен към шасито в двата края. Това не е опасно, тъй като сигналът не преминава през екрана. Диференциалният усилвател се използва, както преди, в приемащия край.
Ориз. 7.71. Защитна верига на входа на сигналния приемник с много дълга линия.
Ако се предава логически сигнал, има смисъл да се предава диференциален сигнал (сигнал и негов обратен), както е показано на фигурата. Във входните етапи на приемащата страна можетеизползвайте конвенционални диференциални усилватели или, ако земният шум е много силен, специални "изолирани" усилватели (произведени от Analog Devices и Burr-Brown). Последният може да работи с киловолтови синфазни сигнали. Оптоелектронните изолационни модули също работят, в някои случаи - това е удобно решение за предаване на цифрови сигнали.
При радиочестотите трансформаторното свързване осигурява подходящ начин за отмяна на общ режим в приемащия край; също така улеснява получаването на диференциален биполярен сигнал в предавателния край. Трансформаторите също са популярни в аудио оборудването, въпреки че са обемисти и водят до известно изкривяване на сигнала.
За много дълги кабели (измерени в мили) е полезно да се вземат предпазни мерки срещу високи радиочестотни екраниращи токове. Начинът за постигане на това е показан на фиг. 7.71. Както е показано по-горе, диференциалният усилвател работи с усукана двойка и не се влияе от напрежението на екрана. Чрез свързване на екрана през малък индуктор към кутията се поддържа ниско постоянно напрежение и се елиминират големи RF токове. Тази диаграма също така показва защитата за синфазно напрежение извън диапазон .
Добра защитна схема за многожилен кабел, в която се изисква да се изключат смущенията в общ режим, е показана на фиг. 7.72. Тъй като това прихващане е еднакво за всички сигнали, единичният проводник, свързан към земята в предавателния край, служи за компенсиране на сигналите в общ режим във всички сигнални проводника. Просто този сигнал се чете по отношение на земята в приемащия край и се използва като референтен вход за всички диференциални усилватели, работещи с останалите сигнали.
Ориз. 7.72. Използва се отхвърляне на общ режимдълъг многожилен кабел.
Горните схеми са добри за потискане на шума в общ режим при ниски и средни честоти, но срещу радиочестотния шум те може да не са ефективни поради ниския CMRR в приемащия диференциален усилвател. Една възможност тук е кабелът да се усуче изцяло около феритния тор (фиг. 7.73). Това увеличава последователната индуктивност на кабела като цяло, увеличава общия импеданс при висока честота и улеснява шунтирането му в далечния край с чифт малки кондензатори към земята. Еквивалентната схема показва защо това се случва без отслабване на диференциалния сигнал: имате серийни индуктори, включени в сигналните линии и щита, но тъй като те образуват трансформатор с единично съотношение на обороти, диференциалният сигнал не се променя. Това всъщност е надлъжен трансформатор”, който е описан в разд. 13.10.
Плаващ източник на сигнал.
изолационни усилватели.
1. Трансформаторно изолиране (отделяне) на високочестотен носещ сигнал, който е чирпван или модулиран по ширина на импулса със сравнително тяснолентов сигнал (0 до или така), който трябва да бъде изолиран (Фигура 7.76). Този метод се използва във всички изолационни усилватели на Analog Devices, както и в редица устройства на Burr-Brown. Трансформаторно изолираните изолиращи усилватели имат удобна характеристика: постоянен ток се подава само от едната страна (предава или получава); всички те имат трансформаторно свързан преобразувател DC-to-DC, вграден в корпуса.
Ориз. 7,75. Концепцията за изолационен усилвател.
Ориз. 7,76. Разделителен усилвател с трансформаторна връзка. (Аналогови устройства).
Тези типове усилватели осигуряват изолация до и имат типична честотна лента , въпреки че някои устройства обработват сигнали до .
2. Оптоелектронно предаване на сигнала чрез LED на предаващия край и фотодиод на приемащия край. Типичен пример за използването на този метод е Burr-Brown ISO 100.
Ориз. 7,77. Оптично свързан аналогов изолационен усилвател.
Тук не е необходим високочестотен носител, тъй като сигналите, дори DC, могат да се предават оптично. За да постигне добра линейност, Burr-Brown използва чист трик: светлината от светодиода също пада върху втория (съвпадащ с първия) фотодиод, свързан в предавателния край във верига за обратна връзка, така че нелинейността на светлината и фотодиода взаимно се компенсират; виж фиг. 7,77. ISO 100 изисква захранване в двата края, изолира до 750 V и има лента.
Ориз. 7,78. Разделителен усилвател с капацитивен куплунг.
3. Изолация, дължаща се на капацитивно свързване на високочестотен носител, модулиран по честота от сигнала, който трябва да бъде изолиран (фиг. 7.78). Представители на този метод са ISO 102, ISO 106 и ISO 122 на Burr-Brown (фиг. 7.79). Няма обратна връзка, както при трансформаторната изолация, но повечето модели изискват захранване в двата края. Това обикновено не е проблем, тъй като най-вероятно трябва да имате електронни схеми в двата края, генериращи и използващи сигнала. Ако това не е така, тогава можете да получите изолиран DC/DC преобразувател, който да използвате в този вид усилвател. ISO 106осигурява изолация до и има честотна лента .
Ориз. 7,79. Изолационен усилвател на Burr-Brown ISO 106. (Burr-Brown Corporation).
Всички изолиращи усилватели от този вид са предназначени за аналогови сигнали и имат умерена честотна лента; цената на всеки от тях варира от $ 25 до $ 100. Проблеми със заземяването от същия вид могат да възникнат и в цифрови схеми, където те се решават просто и ефективно: изолатори с оптично свързване (оптоизолатори) се произвеждат с голям избор от ленти (до 10 MHz или повече), изолиращи потенциална разлика от няколко киловолта и с ниска цена (1-2 долара). Ще ги срещнем в гл. 9.
Сигнална защита.
Ориз. 7,80. Използването на "защитен" екран за увеличаване на входния импеданс.
Вътрешният щит е свързан към повторителя; това ефективно елиминира както резистивните, така и капацитивните токове на утечка поради нулева потенциална разлика между сигналния проводник и неговата среда. Външен заземен екран предпазва защитния електрод от смущения; работата на повторителя върху капацитета и изтичането между екраните не създава проблеми, тъй като повторителят има нисък изходен импеданс.
Ориз. 7.81. Схема за формиране на смущения от цифрови схеми в линеен аналогов сигнал.
Тази техника обаче не трябва да се използва по-често от необходимото; има смисъл да поставите повторителя възможно най-близо до източника на сигнала, като защитите само малко парче кабел, свързващ повторителя и източника. Също така е възможно да се предаде сигнал след повторител с нисък изходен импеданс към дистанционен усилвател чрез конвенционален екраниран кабел. Защитата на сигнала ще бъде обсъдена в разд. 15.08 във връзка с микроелектроди с голям общсъпротива.
Влияние върху изходните сигнали.
Има няколко решения на този проблем. Най-добре е да държите малкия си аналогов сигнал далеч от куп сигнали с бързо превключване. Кондензатор със среден размер, шунтиращ изхода на операционния усилвател (може би с малък сериен резистор, за да поддържа операционния усилвател стабилен), може да коригира ситуацията, въпреки че ще намали скоростта на нарастване. Грубо казано, кондензаторът намалява честотата на възприемания шум до точка, в която обратната връзка на усилвателя може да го елиминира. Няколкостотин пикофарада към земята ще дадат достатъчна стабилност на високочестотен аналогов сигнал (помислете за капацитивен делител на напрежение). Друга възможност е да използвате буферен усилвател с нисък изходен импеданс като или мощен операционен усилвател като . Също така обмислете използването на екраниране, усукани двойки и близост до заземяващите равнини, за да намалите смущенията.