|
|
|
ШУМЫ В ДАТЧИКАХ И ИНТЕРФЕЙСНЫХ СХЕМАХШумы в датчиках и интерфейсных схемах могут быть источниками серьезных погрешностей, что необходимо учитывать при разработке схем «Шумы подобны болезням их можно только предотвратить, подавить или смириться с ними, в зависимости от их природы, серьезности, сложности и стоимости лечения, но от них никогда не удается полностью избавиться» [11] По отношению к каждой конкретной схеме можно выделить две основные подгруппы шумов собственные шумы (к ним относятся все шумы, возникающие внутри схемы) и интерференционные помехи (вносимые шумы), источники которых находятся за пределами схемы Ни один датчик, независимо от того, насколько хорошо он был спроектирован, не вырабатывает на выходе сигнал, точно соответствующий внешнему воздействию Для того чтобы определить, насколько хорошо выходной сигнал датчика воспроизводит входной сигнал, пользуются критерием, основанным на требованиях по точности и надежности Отклонения сигнала датчика от истинного значения могут быть либо систематическими, либо стохастическими (случайными) Первый тип погрешностей зависит от вида передаточной функции датчика, его линейности, динамических характеристик и т д Общим для всех типов систематических отклонении является то, что все они определяются конструкциями сенсоров, производственными допусками, качеством материалов и калибровкой Все перечисленные характеристики в течение заданного интервала времени должны оставаться постоянными или меняться очень медленно Все они поддаются математическому описанию и могут быть определены экспериментально (см главу 2) В ряде случаев полученное значение систематической погрешности может приводиться в справочных данных и учитываться в дальнейших расчетах Стохастические погрешности наоборот нося г случайный характер, являются в достаточной степени непредсказуемыми и могут меняться очень быстро Часто именно они называются шумами, что связано с их природой и статистическими свойствами рекомендуется отметить, что понятие шум иногда ассоциируют только со звуковыми сигналами и аудио аппаратурой В данной статье это слово трактуется намного шире под шумом понимаются все помехи, привносимые либо внешними воздействиями и окружающими факторами, либо возникающие в компонентах датчика и схемы в диапазоне от нуля до максимальных рабочих частотСобственные шумы Сигнал датчика, преобразуемый в интерфейсной схеме, состоящей из усилителя и АЦП, в цифровой код, нельзя характеризовать только его амплитудой и спектральными параметрами, всегда необходимо оценивать его разрешающую способность При увеличении числа разрядов, величина МЗР уменьшается. к примеру, МЗР 10-ти разрядной системы с 5-ти вольтовой шкалой измерения равен 5 мВ, а 16-ти разрядной системы — уже 77 мкВ. Отсюда видно, что если суммарные помехи превышают уровень, скажем 300 мкВ, нет никакого смысла использовать 16-ти разрядное АЦП. На самом деле, на практике, ситуация еще хуже. Поскольку большинство сенсоров не могут вырабатывать сигналы, соответствующие 5-ти вольтовой шкале, на их выходах необходимо устанавливать усилители. к примеру, если максимальный выходной сигнал датчика равен 5 мВ, МЗР 16-ти разрядного преобразователя составляет 77 нВ. Такой маленький сигнал усиливать очень трудно. В случаях, когда требуется высокая разрешающая способность преобразований, необходимо учитывать все источники шума. В таких системах помехи могут вырабатываться ОУ и другими компонентами, используемыми в цепях ОС, смещения и т.д. Входные токи и напряжения смещения могут дрейфовать. В цепях постоянного тока этот дрейф трудно отличить от низкоуровневых сигналов датчика. Сигналы смещения обычно меняются очень медленно (в пределах частотной полосы десятков и сотен герц), поэтому их дрейф часто называется сверхнизкочастотным шумом. Этот шум эквивалентен случайным (или прогнозируемым, связанным, к примеру, с температурой) изменениям напряжения и тока смещения. Для того чтобы отделить низкочастотный шум от высокочастотного, в эквивалентную схему на рис. 5.3 включены два дополнительных генератора. Один из них является генератором напряжения смещения е0, а другой — генератором тока смещения /„. Причины возникновения этих помех объясняются физической природой резисторов и полупроводниковых элементов, используемых для построения схем. Существует несколько источников низкочастотных шумов, их суммарное влияние отображено через генераторы шума напряжения и тока. Одна из причин возникновения шума лежит в дискретной природе электрического тока, поскольку ток — это движение заряженных частиц, каждая из которых переносит определенное количество заряда (к примеру, заряд электрона равен 1.6х 10~19 Кл). На атомном уровне поток заряженных частиц выглядит очень хаотичным, а движения носителей зарядов напоминают лопающиеся зерна кукурузы при приготовлении попкорна. Ассоциация с попкорном действительно очень хороша, поэтому этот шум иногда называют «попкорновым». Движение электронов может быть описано только при помощи статистических терминов. Оно зависит от температуры, и мощность шума, в свою очередь, также определяется температурой. В резисторах это тепловое движение электронов приводит к появлению теплового шума или шума Джонсона [12]. Среднеквадратичное значение напряжения шума, пропорционального мощности шума, можно определить из выражения. Даже самый обыкновенный резистор является источником шума и ведет себя как постоянно работающий генератор электрических сигналов Чем меньше величина сопротивления резисторов, тем больший тепловой шум они производят И если при маленьких номиналах этим шумом можно и пренебречь, то при больших — его всегда необходимо учитывать к примеру, в пироэлектрическом детекторе используется резистор смещения с номиналом порядка 50 ГОм Если датчик работает при комнатной температуре в полосе частот шириной 100 Гц, можно ожидать, что среднее напряжение шума на этом резисторе будет очень крупным — порядка 0 3 мВ Для того чтобы шум не превышал допустимых пределов, полоса частот интерфейсной схемы должна быть, как можно, более узкой рекомендуется отметить, что напряжение шума пропорционально квадратному корню от ширины полосы частот Это означает, что при уменьшении полосы частот в 100 раз, напряжение шума снизится только в десять раз Величина шума Джонсона является практически постоянной в широкой полосе частот, поэтому его часто называют белым шумом, поскольку он напоминает белый свет, состоящий из всех частот видимого спектра Возникновение другого типа шумов объясняется протеканием постоянного тока в полупроводниках Этот шум получил название дробового шума, поскольку его звук напоминает «удары потока пуль о мишень» Это название предложил Шотки, поэтому существует и другое название — шум Шотки Дробовой шум также является белым шумом Чем выше ток смещения, тем больше величина этого шума По этой причине полевые и КМОП полупроводниковые устройства обладают низким уровнем такого шума Для тока смещения 50 пА, он равен около 4 фА/VTTr, что является очень маленькой величиной, эквивалентной движению порядка 6000 электронов в секунду Дробовой шум можно оценить при помощи выражения. На низких частотах к этим шумам добавляются шумы, связанные с протеканием переменного тока (Рис 5 44) В обоих источниках шума и тока, и напряжения, спектральная плотность шума обратно пропорциональна частоте Поскольку наибольший шум соответствует самой низкой частоте, а самые низкие частоты види мого диапазона излучений находятся в красной области спектра, такой шум часто называют розовым шумом Этот вид шума характерен для всех проводящих материалов, и, следовательно, он также возникает и в резисторах На самых низких частотах практически невозможно отделить розовый шум от белого шума Этот шум также называют фликер-шумом или шумом мерцаний Розовый шум осо бенно ощутим на частотах ниже 100 Гц, где работает большинство сенсоров, поэтому в этом частотном диапазоне он может стать основным источником 
Рис. 5.44. Спектральное распределение розового шума
погрешностей, преобладая над шумами Джонсона и Шотки. Величина розового шума зависит от тока, протекающего через резистивный или
полупроводниковый материал. В настоящее время прогресс в технологии
производства полупроводниковых материалов позволил значительно снизить уровень
фликер-шума, однако в случаях, когда требуется получить на низких частотах
низкий уровень шума, в датчиках или входных цепях интерфейсных схем
рекомендуется использовать пленочные или проволочные резисторы, особенно при протекании
через них больших токов.
При наблюдении на экране осциллографа за выходным сигналом
ОУ, являющимся основным устройством при построении интерфейсных схем, можно
увидеть специфический шум, похожий на цифровой сигнал, переданный из космоса. Этот шум имеет форму прямоугольных импульсов переменной длительности порядка
нескольких миллисекунд. Из-за характерного звука в громкоговорителе этот шум
также получил название попкорнового шума. Этот шум объясняется дефектами,
допущенными при производстве ИС. Но благодаря усовершенствованию технологий в
современных полупроводниковых устройствах величина попкорнового шума
значительно снижена.
Результирующий шум от всех источников тока и напряжений в
схеме определяется суммой квадратов индивидуальный значений напряжений шума,
т.е.
где Т — время наблюдения, е — напряжение шума, at — текущее
время.
Шум также может быть описан в терминах пиковых значений,
наблюдаемых в течение произвольного интервала времени. Положительные пиковые
значения могут отличаться от отрицательных. В некоторых датчиках (к примеру,
пороговых детекторах) величина полного размаха шума влияет на рабочие
характеристики самих устройств, поэтому в таких случаях определение этого
значения бывает необходимым. Но на практике из-за распределения шума по закону
Гаусса измерить размах шума бывает очень сложно. Поскольку среднеквадратичные
значения шума получить гораздо проще, это представление получило большее
распространение. В таблице 5.3 приведены полезные соотношения между двумя
формами описания сигнала шума. Как правило, величина размаха шума превышает его
среднеквадратичное значение от 2 до 8 раз, часто это определяется терпением
наблюдателя и, соответственно, количеством имеющихся данных.
Таблица 5.3. Соотношение между полным размахом шума и его
среднеквадратичным значением (с к з) (при распределении шума по закону Гаусса)
Вносимый шум Стабильность работы датчика и интерфейсной схемы зависит от их защищенности от шумов внешних источников. На рис. 5.45 отображена схема распространения вносимых шумов Источники вносимых шумов часто поддаются идентификации. Примерами таких шумов являются всплески напряжения на линиях питания, молнии, изменения окружающей температуры, солнечная активность и т.д Такие помехи при попадании в датчики и интерфейсные схемы сказываются на их выходных сигналах. При этом они влияют либо на чувствительные элементы сенсоров, либо на их выводы, либо на электронные компоненты в схеме. Очевидно, что для интерференционных сигналов датчик и интерфейсная схема играют роль принимающих устройств 
Рис. 5.45. Источники вносимых шумов и способы их распространения
Вносимые шумы можно классифицировать по нескольким критериям: по способу попадания в датчик или интерфейс, по типу влияния на выходной сигнал и т.д. По тому как вносимые шумы влияют на выходные сигналы, их можно разделить на аддитивные и мультипликативные. Аддитивный шум еп складывается с полезным сигналом К, формируя выходной сигнал V .: 
На рис. 5.46Б отображено влияние аддитивного шума на выходной
сигнал. Из рисунка видно, что величина шума не меняется при изменении полезного
сигнала. В линейных датчиках и интерфейсных схемах величина аддитивного шума
абсолютно не зависит от величины сигнала, и если сигнал равен нулю, на выходе
будет только шум.
Мультипликативный шум меняет передаточную функцию датчика
или нелинейных компонентов таким образом, что полезный сигнал становится
модулированным этим шумом:
Рис. 5.46. Разновидности помех: А — полезный сигнал, Б — аддитивный
шум, В — мультипликативный шум
где N(t) является функцией шума. Пример влияния такого шума
на полезный сигнал отображен на рис. 5.46В. Когда полезный сигнал равен нулю,
мультипликативная помеха на выходе устройства становится равной нулю. Мультипликативный шум растет одновременно с увеличением сигнала К. Как видно из
названия, этот вид шума появляется в результате нелинейной операции умножения
двух сигналов, одним из которых является полезный сигнал, а другим сигнал,
определяемый шумом.
Для повышения помехозащищенности от вносимых аддитивных
шумов датчики часто объединяются парами таким образом, что их выходные сигналы
вычитаются один из другого (рис. 5.47). Такой способ называется
дифференциальным методом построения сенсоров. Один из сенсоров, называемый
основным, подвергается воздействию измеряемого сигнала, в то время как другой,
эталонный датчик, защищается от его влияния.
Поскольку аддитивный шум характерен для линейных и
квазилинейных сенсоров и интерфейсных схем, на эталонный датчик не надо
подавать никаких внешних сигналов, его входной сигнал чаще всего равен нулю. Аппроксимируем выходное напряжение первого датчика в узком температурном
диапазоне следующим выражением:
где а — температурная чувствительность передаточной функции
датчика, Т — текущая температура, Тд — температура при калибровке. Тогда
напряжение на выходе эталонного датчика будет равно:
Поскольку f(s0) является постоянной, из последнего выражения
видно, что это отношение от температуры (т.е. от мультипликативной помехи) не
зависит. Однако рекомендуется уточнить, что способ измерения отношений работает
только в случае мультипликативных помех, в то время как дифференциальный метод
применим исключительно для подавления аддитивных шумов. Но оба метода абсолютно
бесполезны для борьбы с собственными шумами, генерируемыми внутри сенсоров и
интерфейсных схем.
Собственные шумы, как правило, подчиняются закону Гаусса,
чего нельзя сказать о вносимых помехах, которые часто трудно описать
статистическими методами. Вносимые шумы могут быть периодическими, нерегулярно
повторяющимися и просто случайными. Обычно их удается существенно снизить,
применяя меры борьбы с электростатическими и электромагнитными наводками от
источников питания, радиостанций, механических ключей, а также с всплесками
напряжения и тока, возникающими из-за процессов переключений в реактивных цепях. Каждый конкретный случай экранирования должен тщательно разрабатываться. При
этом очень важно правильно идентифицировать источник помех и способ его связи
со схемой. Некорректное экранирование может только ухудшить положение дел и
создать новые проблемы.
Экранирование служит для решения двух задач [ 14]: •
Экранирование ограничивает распространение шума в соседние схемы. Здесь возникает
проблема, связанная с тем, что отраженные от экранов паразитные сигналы
возвращаются назад, и необходимо тщательно продумывать маршрут их «отступления»
с учетом контуров заземления и разводки проводов. Если источники помех
находятся внутри самого устройства, экраны размещаются только над критичными
участками с целью предотвращения попадания шума на чувствительные элементы
детекторов и интерфейсных схем. Для этого экраны выполняются в виде
металлических коробов вокруг определенных участков схемы или кабелей с
экранировкой вокруг центральных проводников. Как было отображено в сайте 3.1
главы 3, шумы, связанные с электрическими полями, хорошо гасятся металлическими
корпусами, поскольку заряд q не может существовать на внутренней поверхности
замкнутой проводящей поверхности. На рис. 5.48 отображена схема, поясняющая
принцип возникновения паразитных емкостных связей. Здесь еп — источник шума, в
реальной жизни это может быть компонент схемы с переменным электрическим
потенциалом; С — паразитная емкость (ее импеданс на определенной частоте равен
Z) между источником шума и импедансом Z, который является приемным устройством
по отношению к шуму. В результате возникшей емкостной связи появляется
напряжение К. Величину тока шума можно определить как:
к примеру, если С = 2.5 пФ, Z= 10 кОм (резистор), а еп = 100
мВ, на частоте 1.3 МГц выходной шум составит 20 мВ.
Некоторые читатели могут подумать, что несложно
отфильтровать шум с частотой 1.3 МГц от низкочастотного сигнала датчика. Но в
реальной жизни это не так, поскольку многие датчики и первые каскады усилителей
содержат нелинейные компоненты (к примеру полупроводниковые р-n переходы),
работающие как выпрямители. В результате этого спектр высокочастотного шума
смещается в низкочастотную область, делая помеху сравнимой с полезным сигналом
датчика.
На рис. 5.48Б отображена схема, поясняющая работу
электрического экрана. Предположим, что экран обладает нулевым потенциалом. С
другой стороны экрана ток шума будет практически равен нулю, поскольку в этой
части схемы нет никаких источников сигналов. Следовательно, напряжение шума на
импедансе будет также равно нулю, поэтому чувствительная часть схемы становится
эффективно защищенной от источника шума. Однако при этом надо быть уверенными в
том, что через экран не течет никакой ток i, который может вызвать появление
разности потенциалов на сопротивлении экрана, и, соответственно, привести к
возникновению дополнительных помех. Существует несколько практических правил,
которые надо соблюдать при экранировании схем:
Для эффективной работы электростатический экран должен быть
подсоединен к внутренней точке защищаемой схемы, имеющей определенный опорный
потенциал.
Рис. 5.49. Подсоединение сигнального кабеля к линии с
опорным потенциалом
Если один из сигнальных выводов датчика подсоединен к земле, экран также должен быть соединен с землей. Если ни один из выводов датчика не подключен к точке заземления, заземлять экран бесполезно. • При использовании экранированных проводов их экранировка должна быть подсоединена к точке с опорным потенциалом только со стороны источника сигнала (рис. 5.49А). • Если экран разбит на секции, что может случиться, когда кабель собран из нескольких кусков, экранировка всех сегментов должна быть последовательно соединена, но к линии с опорным потенциалом собранный таким образом экран подсоединяется только в одной точке — со стороны датчика (рис. Предполагается, что на оба датчика действуют одинаковые вносимые помехи (собственные шумы датчика не могут быть устранены дифференциальным методом), называемые синфазными помехами. Это значит, что шумы, действующие на датчики, имеют одинаковую фазу и амплитуду, поэтому при вычитании сигналов они будут взаимно уничтоже— ны. Такая комбинация сенсоров называется двойным или дифференциальным датчиком. Насколько хорошо подавляются аддитивные шумы можно судить по величине коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС): 
где S] и S0 — выходные сигналы основного и эталонного сенсоров
Рис. 5.47. Дифференциальный метод снижения аддитивных помех
КОСС зависит от величины внешних воздействий, и обычно чем
выше входные сигналы, тем меньше его значение. Этот коэффициент показывает во
сколько раз уменьшается синфазный шум по отношению к полезному сигналу на
выходе датчика. Величина КОСС является мерой симметричности датчика. Для
эффективного подавления шума оба датчика рекомендуется располагать, как можно, ближе
друг к другу, они должны быть абсолютно идентичными и работать в одинаковых
условиях. Также очень важно обеспечить надежное экранирование эталонных
сенсоров от внешних воздействий, в противном случае эффективность
дифференциального метода будет значительно снижена.
Для уменьшения вносимого мультипликативного шума применяется
метод измерения отношений (см. раздел 5.6, где дано описание таких схем). Его
принцип достаточно прост. Используется дифференциальный датчик, обе части
того работают в одинаковых условиях окружающей среды и подвергаются
воздействию идентичных мультипликативных шумов. При этом на одну половину
датчика действует исследуемый внешний сигнал s,, а на вторую половину — эталонную
— постоянный стабилизированный сигнал s0. Считаем, что окружающая температура
является мультипликативной помехой, одинаково влияющей на оба датчика. К таким мерам относятся: фильтрация, развязка электрических цепей,
экранирование проводников и компонентов, применение ограждающих потенциалов,
исключение паразитных контуров заземления, физическая переориентация
проводников и компонентов, установка гасящих диодов параллельно катушкам реле и
моторов, выбор, как можно, более низких импедансов и использование малошумящих
источников питания и опорного напряжения. В таблице 5.4 приведены некоторые
источники вносимых помех, их типичные значения и способы борьбы с ними.
Таблица 5.4. Некоторые источники вносимого шума
Рис. 5.48 Емкостная связь (А) и электрическое экранирование
(Б)
Электрическое экранирование Помехи, вызванные электрическими полями, могут быть значительно уменьшены при помощи соответствующего экранирования датчика и интерфейсных схем, особенно их высокоимпедансных и нелинейных компонентов. 5.4Б). Напряжение с экрана передается на центральный проводник через емкость кабеля. 
• Для уменьшения индуктивности подсоединение экрана к земле
надо вести короткими проводами. Это особенно важно при одновременной передаче
аналоговых и цифровых сигналов.
Блокировочные конденсаторы Блокировочные конденсаторы используются для обеспечения низкого импеданса источника питания в точке подсоединения нагрузки. В случае высокого импеданса источника питания в подводящих линиях возникают паразитные сопротивления и индуктивности. При увеличении частоты паразитные индуктивности начинают создавать серьезные проблемы и могут привести к возникновению в схеме колебательных процессов. Даже на низких частотах блокировочные конденсаторы играют очень важную роль, поскольку они не пропускают высокочастотные помехи, проникающие в схему от внешних источников, к примеру, радиостанций. На высоких частотах ни источник питания, ни регулятор не обладают нулевым выходным импедансом. Выбор типа конденсатора определяется областью применения устройства, частотным диапазоном схемы, стоимостью, величиными платы и т.д. При выборе конденсатора всегда необходимо помнить, что реальный конденсатор на высоких частотах не ведет себя как идеальный конденсатор, описанный в учебниках. На рис. 5.51 отображена эквивалентная схема конденсатора. Она состоит из номинальной емкости С, сопротивления утечки гг индуктивностей выводов L и их сопротивлений R. В схему также включены сопротивления г, отображающие поглощение энергии в диэлектрике, и емкости са, являющиеся «запоминающим устройством» конденсатора. Во многих интерфейсных схемах, особенно в усилителях, аналоговых интеграторах, преобразователях тока(заряда) в напряжение, потери в диэлектриках являются основными источниками погрешностей. 5.49Б) • Количество независимых экранов, используемых в системе сбора данных, должно быть равно числу измеряемых сигналов. Каждая сигнальная линия должна иметь свой собственный экран. Экраны разных линий не должны контактировать друг с другом, если только они не используют общий опорный потенциал (сигнальную «землю»). В этом случае все соединения рекомендуется выполнять отдельными проводами, подсоединенными к каждому экрану только в одной точке. • Экран рекомендуется заземлять только в одной точке, желательно рядом с датчиком. Экранированный кабель никогда нельзя заземлять с двух сторон (рис. 5.50), поскольку разность потенциалов между двумя точками заземления (V) может привести к возникновению тока в экране /, который, используя магнитную связь, может индуцировать паразитное напряжение на центральный проводник. • Если датчик размещен в экранированном корпусе, а данные передаются через экранированные кабели (рис. 5.49В), их экранировка должна быть подсоединена к корпусу. Полезный практический прием: использование внутри экрана отдельного проводника с опорным потенциалом («землей»). Экран нельзя использовать больше ни с какой другой целью, кроме как для защиты схем от электрических помех. Не допускайте появления токов в экране. • Нельзя подавать на экран потенциал, отличный от опорного (за исключением случаев использования активных экранов, отображенных на рис. В таких схемах предпочтительнее использовать пленочные конденсаторы. 
Рис. 5.51. Эквивалентная схема конденсатора При использовании конденсатора в качестве блокировочного устройства г и г играют второстепенную роль, тогда как R и L становятся очень значимыми. Они ограничивают способность конденсатора гасить паразитные сигналы и обеспечивать низкий выходной импеданс источника питания. Часто блокировочные конденсаторы должны иметь очень большую величину (более 10 мкФ), рекомендуется для этих целей применять электролитические конденсаторы. К сожалению, такие конденсаторы обладают крупными значениями Ли L. Танталовые конденсаторы имеют более хорошие характеристики. Использование несоответствующих типов блокировочных конденсаторов может привести к возникновению ко— лебаний и перекрестных помех между линиями передач. Лучший способ подбора блокировочных конденсаторов — их тестирование на специализированных стендах. Экранирование от магнитных полей Помехи от электростатических и электрических полей могут быть значительно снижены при применении соответствующих экранов. Гораздо сложнее защищаться от магнитных полей, поскольку они проникают внутрь проводящих материалов. Обычный экран, размещенный вокруг проводника и заземленный на одном конце, очень слабо защищает проводник от наведенных магнитными полями напряжений. Когда магнитное поле В0 проникает внутрь экрана, его амплитуда падает экспоненциально (рис. 5.52Б). Глубина проникновения поля 8 внутрь экрана (скин-слой) соответствует толщине слоя, в котором происходит ослабление магнитного поля на 37% по сравнению с его величиной в воздухе. В таблице 5.5 приведены типовые значения S для нескоторых типов материалов, определенные на разных частотах. Из таблицы видно, что на высоких частотах для построения эффективных экранов можно использовать практически любой материал, тогда как в нижнем диапазоне — предпочтительнее применять сталь. 
(А) (Б)
Рис. 5.52. А — Применение коаксиальных кабелей для подвода
напряжения питания к нагрузке для снижения магнитных помех, Б — Защитные
свойства магнитного экрана улучшаются при увеличении его толщины
Таблица 5.5. Зависимость толщины скин-слоя (в мм) от частоты
Площадь а уменьшается при снижении длины проводников и/или расстояния между ними. Выполнение этих условий осуществляется при использовании скрученных пар проводов или проводников, близко прилегающих друг к другу. Применение скрученных пар предпочтительнее, поскольку их трудно разъединить, и они всегда располагаются вместе. На первый взгляд — это несущественное требование. Однако на практике может возникнуть следующая ситуация: разработчик грамотно развел провода внутри устройства, а специалист сервис-центра при ремонте нарушил их расположение, что привело к значительному повышению уровня шума. Поэтому одно из основных правил: корректная разводка проводов должна быть защищена от несанкционированного вмешательства посто— ронних лиц. 
Рис. 5.53. Принимающий контур, сформированный длинными
проводниками
Из всего вышесказанного видно, что бороться с магнитными
наводками гораздо сложнее, чем с помехами от электрических полей.
Механический шум Вибрации, вызванные ускорениями, также являются источниками внешних помех в датчиках, поэтому желательно их защищать от этих явлений. Помехи этого типа могут менять передаточные характеристики системы (мультипликативный шум) или приводить к появлению паразитных наводок в цепях датчика (аддитивный шум). Если в состав датчика входят механические компоненты, вибрации, совершаемые вдоль определенных осей с заданной частотой, могут привести к возникновению резонансных явлений. Поэтому для некоторых сенсоров ускорение является источником помех. к примеру, большинство пироэлектрических детекторов также обладают некоторыми пьезоэлектрическими свойствами. Хотя основным назначением таких сенсоров является измерение перепадов температур, они реагируют и на резкое изменение некоторых свойств окружающей среды, таких как сильные колебания атмосферного давления, ветер или механические вибрации. Иногда реакция на эти посторонние воздействия настолько сильная, что ее трудно различить от полезного сигнала. Слои заземления В течение многих лет слои заземления использовались инженерами — электронщиками и разработчиками печатных плат для борьбы с паразитными наводками [16]. Основное назначение слоев заземления — снижение индуктивности схемы. Согласно основным законам физики магнетизма (раздел 3.3 главы 3) ток /, протекающий в проводнике, приводит к появлению магнитного поля, сила того пропорциональна величине этого тока и обратно пропорциональна расстоянию г до проводника: 
Поэтому любой проводник с током всегда окружен магнитным
полем. Индуктивность проводника — это мера энергии, накопленной им в
индуцированном магнитном поле. Для определения индуктивности необходимо
проинтегрировать поле вдоль всей длины проводника, от его поверхности до
бесконечности. Однако если в двух близко расположенных проводниках протекают
токи, равные по величине, но противоположно направленные, их магнитные поля
взаимно уничтожаются. В этом случае мнимая индуктивность проводника становится
гораздо ниже. Ток противоположного направления называется обратным током. В
этом и заключается основополагающая идея использования слоев заземления,
которые создают путь для обратного тока непосредственно под сигнальными
проводниками. Обратный ток уходит напрямую в землю, вне зависимости от
количества ответвлений от проводника. Ток по обратному пути всегда течет в
сторону наименьшего импеданса. В корректно спроектированном слое заземления
этот путь расположен прямо под сигнальными проводниками. Часто на практике
применяются двухслойные монтажные платы, один слой которых является слоем
заземления, а другой отдан под сигнальные линии. В многослойных платах слой
заземления, как правило, располагается между двумя или более сигнальными
слоями. Кроме снижения индуктивности схемы слои заземления используются для
уменьшения резистивных потерь за счет скин-эффекта, возникающего при протекании
переменного тока по ровной поверхности проводящего слоя. В дополнение к этому
они повышают устойчивость схем при работе на высоких частотах, направляя
паразитные сигналы через емкостную связь на землю. Приведем практические
рекомендации по использованию слоев заземления:
• Площадь слоев заземления должна быть, как можно, большей. Особенно это важно для частей схемы, работающих с высокими частотами или
цифровыми сигналами
• Такие компоненты схем, как выходные резисторы, ИС,
транзисторы, развязывающие конденсаторы, имеющие дело с быстро меняющимися
токами, необходимо монтировать, как можно, ближе к плате.
• Для подсоединения к общей линии заземления разных
компонентов схемы надо использовать отдельные провода для опорных потенциалов и
подсоединять их все в одной точке на слое заземления. Это необходимо для
предотвращения падения напряжения через токи заземления.
• Длину проводников надо делать, по возможности, очень
короткой для максимального снижения индуктивности схемы.
Развязка по цепи заземления и паразитные контуры заземления Внутри любой схемы существуют источники помех, которые создают серьезные проблемы при работе с малыми сигналами. Иногда схема, очень тщательно рассчитанная на бумаге, при тестировании на стенде показывает достаточно хорошие рабочие характеристики, но при изготовлении на печатной плате эта же схема не удовлетворяет предъявленным требованиям по точности. Эта разница в поведении одной и той же схемы, но в разном исполнении (в виде макета и печатной платы) объясняется физическим расположением проводников. Обычно здесь играют роль не проводники, соединяющие отдельные элементы схемы (конденсаторы, резисторы, транзисторы, ОУ и тд ), а шины питания и заземления. 
Эти две шины присутствуют практически во всех электронных
схемах По обоим из них могут передаваться паразитные сигналы от одной части
схемы в другую, по ним может осуществиться связь между выходными и входными
каскадами измерительных систем
Шина питания подает ток ко всем элементам схемы Шина
заземления также участвует в передаче напряжений и токов питания, к тому же она
часто используется в качестве источника опорного потенциала для электрических
сигналов Пересечения этих двух функций могут привести к возникновению
паразитных контуров заземления На рис 5 54А отображено, какие проблемы появляются
при этом В схеме на этом рисунке сигнал датчика V поступает на положительный
вход ОУ, который как правило, имеет высокий коэффициент усиления ОУ подключен к
источнику питания и получает от него ток i, который возвращается на землю в
виде обратного тока; Провод заземления соединен со схемой в точке а,
расположенной рядом с датчиком Хотя в схеме нет ви димых источников помех,
выходной сигнал состоит не только из полезного сигнала Vout, но и из нетой
ошибки Основная причина возникновения этой ошибки заключается в неправильном
подсоединении проводов заземления На рис 5 54Б отображено, что провод заземления
является далеко неидеальным, поскольку он обладает конечными сопротивлением R и
индуктивностью L В рассматриваемом примере обратный ток, возвращаясь к
источнику питания после усилителя, проходит по шине заземления на участке ab,
на котором происходит падение напряжения V Это напряжение хотя и небольшое, но
может быть сравнимо с сигналом датчика рекомендуется отметить, что L и Л включены
последовательно с датчиком, и, следовательно, напряжение V почти напрямую
поступает на вход усилителя Токи, текущие по шине заземления, могут содержать
высокочастотные (ВЧ) компоненты, в дополнение к этому индуктивность шины также
вызывает появление довольно сильных ВЧ наводок, которые не только добавляют
помехи, но и могут привести к нестабильности схемы Для примера, рассмотрим
датчик температуры, который вырабатывает напряжение, соответствующее
произведению его чувствительности (100 мкВ/ °С) на температуру объекта.
Рис. 5.55. Правильное заземление датчика и интерфейсной
схемы
Ток на выходе малошумящего ОУ / в статическом режиме
составляет 5 мА. Этот ток протекает через паразитный контур заземления,
обладающий сопротивлением R =0.2 Ом. Падение напряжения на этом сопротивлении
равно: V=iR =1 мВ, что соответствует ошибке — 10° С! Выход из этой ситуации
довольно прост: надо разорвать петлю заземления. При разработке схем шину
опорного заземления всегда необходимо отделять от контуров заземления, по
которым течет ток. Это особенно важно при проектировании цифровых схем. На рис. 5.55 отображено, что перемещение точки присоединения к земле из точки а в точку с
предотвращает формирование паразитного напряжения на проводе заземления,
соединяющем датчик с резистором ОС Rr Всегда необходимо помнить, что
подсоединение шины заземления к плате рекомендуется осуществлять только в одной
точке. Нарушение этого правила может привести к возникновению паразитных
контуров заземления, которые бывает очень сложно обнаружить.
Шум Зеебека Этот вид помех возникает в результате эффекта Зеебека (раздел 3.9 главы 3), который заключается в том, что при соединении двух разных металлов появляется термо э.д.с Величина этой э.д.с. обычно очень мала и для многих типов сенсоров может просто игнорироваться. Но когда требуется получить абсолютную точность порядка 10... 100 мкВ, эти паразитные сигналы приходится учитывать. На эффекте Зеебека построены некоторые датчики температуры. Однако во всех остальных применениях термически индуцированная э.д.с. является паразитным сигналом. В электронных схемах соединения разнородных металлов можно обнаружить во многих местах: в разъемах, переключателях, контактах реле и т.д. к примеру, при соединении контактов некоторых микросхем с медными платами персональных компьютеров иногда возникает напряжение смещения порядка 40 мкВхЛГ, где А Г — перепад температур (в°С) между двумя контактирующими металлами. Другим примером является использование припоя из свинца и олова для пайки медных выводов. Между припоем и медными элементами возникает термоэлектрическое напряжение 1...3 мкВ/° С. Для уменьшения этих паразитных сигналов до значений порядка 0.3 мкВ/°С применяются специальные припои из кадмия и олова. На рис. 5.56А отображена зависимость э.д.с. Зеебека от температуры для двух типов припоев. Даже соединение двух идентичных проводов, изготовленных разными производителями, может привести к появлению температурной зависимости напряжения с наклоном порядка 200 нВ/°С. 
Во многих случаях э д с Зеебека может быть значительно
снижена при соответствующем монтаже схемы и выравнивании температур соединений
Практические советы — делать минимальное количество соединений между датчиком и
входными цепями интерфейсной схемы, где только возможно избегать включения в
схему разъемов, механических ключей и других потенциальных источников термо э д
с Но в некоторых случаях следовать этим советам не удается В таких случаях
пытаются компенсировать термо э д с , возникающие в схеме, другими термо э д с
, получаемыми на специально введенных соединениях Для получения эффекта
взаимного уничтожения термо э д с все соединения в схеме должны поддерживаться
при одинаковой температуре На рис 5 56Б отображено соединение удаленного датчика
к усилителю, где все места соединений поддерживаются хотя и при разных, но
тщательно подобранных температурах Такие термически сбалансированные соединения
должны быть близки по физическим свойствам и по возможности располагаться на
общих
теплоотводах Необходимо также избегать воздействий воздушных
потоков и перепадов температур на платы интерфейсных схем и корпусов сенсоров
Рис. 5.56. А — э д с Зеебека, генерируемая на соединениях
припой — медь [17], Б — поддержание одинаковой температуры соедине ний снижает
термо э д с
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ МАЛОМОЩНЫХ сенсоров Для работы интегрированных сенсоров в современных системах сбора данных и удаленного мониторинга необходимы надежные высокоэнергетичные источники питания История гальванических источников питания началась во времена Вольта, и за последние десятилетия здесь достигнут значительный прогресс В настоящее время электрохимические источники питания мало напоминают старые, всем хорошо известные Примерами таких источников являются алкалиновые, C-Zn, Zn-воздушные, Ni-Cd и свинцово-кислотные батареи Современные элементы питания Zn-воздушные, Ni-металлгидридные и особенно литиевые, получили широкое распространение благодаря своим достаточно высоким напряжениям и длительному сроку службы Лидером на рынке являются Li-Mn02 батареи, выпускаемые разных габаритов от плоских миниатюрных элементов до устройств величины класса «D» Все гальванические источники питания можно разделить на две подгруппы: первичные элементы (устройства одноразового использования) и вторичные элементы (перезаряжаемые устройства многоразового использования). Важной характеристикой батарей является такой параметр, как энергия на единицу веса, однако для миниатюрных устройств часто используется другой параметр: энергия на единицу объема. Как правило, количество энергии, выделяемое батареей, зависит от скорости потребления мощности. Обычно с ростом тока количество вырабатываемой энергии уменьшается. Энергия и мощность гальванических источников питания зависит от конструкции батареи, ее размеров и рабочих циклов потребления тока. Производители обычно указывают емкость элемента питания в ампер-часах или ватт-часах, показывающих за какое время при определенной нагрузке батарея разрядится до заданного уровня напряжения полного разряда. Но рекомендуется помнить, что указанные производителем цифры являются весьма приблизительными и не годятся для точных расчетов. Поэтому на практике при разработке схем необходимо определять срок службы конкретных батарей экспериментально. При расчете электронных схем всегда требуется проводить оценку потребления мощности во всех рабочих режимах при работе в разных температурных диапазонах. После этого по полученным значениям потребляемой мощности рассчитывают соответствующую им нагрузку и определяют время разряда батареи до заданного уровня напряжения. Бывают ситуации, когда схеме для работы требуются короткие импульсы тока большой амплитуды. Если окажется, что данная батарея не способна работать в таком импульсном режиме, иногда может помочь параллельный электролитический конденсатор, служащий для накопления энергии. рекомендуется отметить, что для определения срока службы батарей не рекомендуется проводить ускоренные испытания, поскольку, как это было указано ранее, их полезная емкость сильно зависит от нагрузки, рабочего профиля тока и рабочего цикла. Первичные элементы От конструкции гальванических источников питания зависят их рабочие характеристики и стоимость. Большинство первичных элементов состоят из толстых электродов прямой или концентрической формы, расположенных параллельно друг другу, залитых водным раствором электролита. Большая часть маленьких вторичных элементов устроена по другому: в них длинные тонкие электроды наматываются в форме цилиндра и помещаются в металлический контейнер. Такой способ позволяет повысить плотность мощности, но при этом плотность энергии падает, а стоимость батареи возрастает. Благодаря низкой проводимости электролитов, некоторые литиевые первичные элементы также используют «свернутую» конструкцию [18]. C-Zn батареи. В таких элементах анод изготавливается из цинка. C-Zn батареи бывают двух типов. У одного типа в качестве катода используется натуральный диоксид марганца, а в качестве электролита — хлорид аммония. В другом типе C-Zn батарей катодом является электролитический диоксид марганца, а электролитом — хлорид цинка. Батареи этого вида до сих пор очень популярны, особенно на Востоке, где число их производителей составляет более 200. Их объем производства равен половине объема производства алкалиновых батарей в Европе, но только 25% от объема производства алколиновых элементов в США. C-Zn батареи предпочтительнее использовать в случаях, где требуется высокая плотность мощности, срок службы не является критичным параметром, а доминирующим фактором является низкая стоимость. Ланолиновые марганцевые батареи. Спрос на эти батареи в последние годы резко возрос, особенно после того, как из цинкового анода исключили ртуть. Алкали-новые батареи способны вырабатывать высокий ток и имеют улучшенное соотношение мощности к плотности, но самым главным их достоинством является длительный срок службы — не менее 5 лет. Первичные литиевые батареи. Большинство таких батарей производятся в Японии. Популярность элементов из лития и диоксида марганца объясняется их высокими рабочими напряжениями, широким диапазоном размеров и емкостей, а также продолжительным сроком службы. Литиево-йодные элементы обладают очень высокой плотностью энергии и способны работать до 10 лет в составе кардиостимуляторов. Однако в таких элементах применяется твердый электролит с низкой проводимостью, что не дает возможности выдавать большие токи. Рабочие токи литиевых батарей составляют несколько мкА, что часто бывает достаточным при работе с пассивными датчиками. Количество лития в таких батареях очень мало, поскольку 1 г Li обеспечивает элементу емкость 3.86 Ахчас. Литиевые батареи не вредят окружающей среде, но считаются огнеопасными. Вторичные элементы (аккумуляторы) Вторичные элементы являются перезаряжаемыми батареями. Герметичные свинцо-во-кислотные батареи имеют малые размеры и большую емкость. Они выдерживают до 200 циклов перезарядки при временах разряда не менее 1 часа. Главными достоинствами таких элементов являются их низкая стоимость, малый саморазряд, высокая продолжительность жизни, а также способность работать с крупными нагрузками и в суровых условиях окружающей среды. К их недостаткам можно отнести сравнительно большие размеры, вес и потенциальную опасность для окружающей среды, поскольку в их состав входят свинец и серная кислота. Герметичные Ni-Cd и Ni-MH(никель — металлгидридные) батареи являются самыми распространенными вторичными элементами. Их объем производства превышает 1 млрд элементов в год. Типичная емкость элемента «АА» составляет более 800 мАхчас. Это стало возможным благодаря применению высокопористого никелевого материала. Ni-Cd элементы достаточно терпимы к перезаряду и переразряду. NiCd батареи обладают интересным свойством: процесс их заряда является эндотермическим (т.е. протекает с поглощением тепла), тогда как другие батареи нагреваются при зарядке. Кадмий, однако, представляет потенциальную опасность для окружающей среды. Bi-MH и современные NiCd батареи не обладают эффектом «памяти», т.е. неполный разряд батареи не влияет на ее способность к полной перезарядке. Ni-MH батареи пришли на смену NiCd элементам, они не только обладают большей емкостью, но и более низким саморазрядом. Литиевые полимерные батареи используют твердый электролит, что позволяет изготавливать их любой формы и размеров Однако эти батареи являются самыми дорогими. Перезаряжаемые алкалиновые батареи имеют низкую стоимость и хорошую плотность мощности. Однако у них довольно маленький срок службы. .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
