жданов_помехи.md 11 KB
Виды паразитных связей и наводок
Введение
Паразитные связи и наводки представляют собой электрические соединения и помехи, возникающие в устройствах радиоэлектроники. Помехи могут передаваться от источника помехи к ее приемнику через паразитные (т. е. нежелательные) связи: кондуктивные, емкостные и индуктивные. Данные явления могут значительно повлиять на качество сигнала, что, в свою очередь, может привести к утечке информации, снижению надежности и ухудшению работы системы.
1. Паразитные емкостные связи
Парази́тная ёмкость — нежелательная электрическая ёмкость(характеристика проводника, мера его способности аккумулировать электрический заряд), существующая между проводниками или элементами электронных схем, либо внутри самих элементов.
Предположим, что рядом с сигнальным проводом проходит некоторый провод, по которому протекает ток помехи. Тогда вследствие эффекта электромагнитной индукции на сигнальном проводе будет наводиться напряжение помехи. Для уменьшения взаимной индуктивности площадь данного контура должна быть минимальной, т.е. сигнальный провод должен быть проложен максимально близко к земляному (а еще лучше - свит с ним). Эффективную площадь "витка" можно уменьшить, если расположить его в плоскости, перпендикулярной плоскости контура с током помехи. Емкостная наводка через паразитную емкость между проводниками, наоборот, полностью определяется величиной внутреннего сопротивления источника сигнала, поскольку оно входит в делитель напряжения помехи, состоящий из сопротивления, включенного параллельно, и емкости.
Основные эффекты, обусловленные наличием паразитных ёмкостей:
- Перекрёстные помехи
- Снижение эффективности фильтров
- Паразитные положительные и отрицательные обратные связи. Из-за непредсказуемости фазовых характеристик паразитных связей их влияние может произвольно меняться. В усилителях положительная обратная связь может приводить к самовозбуждению, отрицательная — к уменьшению коэффициента усиления и частоты среза.
- Искажение передаточной функции участка цепи
- Нарушение согласования импеданса(комплексное сопротивление между двумя узлами цепи или двухполюсника для гармонического сигнала.)
В действительности сигнальный проводник имеет некоторое индуктивное и резистивное сопротивление, падение напряжения помехи на котором не позволяет полностью устранить емкостную наводку с помощью источника с низким внутренним сопротивлением. Особенно важно учитывать индуктивность сигнального провода в случае высокочастотных помех.
Датчики, имеющие большое внутреннее сопротивление или малое напряжение сигнала, нужно использовать совместно с усилителем, расположенным в непосредственной близости к датчику, а к приемнику следует передавать уже усиленный сигнал.
Дуальная ситуация означает, что для устранения индуктивной наводки носителем сигнала должен быть ток, а не напряжение, т. е. источником сигнала должен быть идеальный источник тока . Ток источника тока не зависит от характера нагрузки (по определению), в том числе от величины наведенной э.д.с.
Таким образом, для снижения емкостной наводки сигнал нужно передавать с помощью идеального источника напряжения, а для снижения индуктивной наводки - с помощью идеального источника тока.
Выбор носителя информации (ток или напряжение) в конкретном случае зависит от того, какая помеха преобладает: токовая или емкостная. Как правило, емкостные наводки преобладают над индуктивными, если источник помехи имеет большое напряжение. Индуктивные же помехи создаются током, поэтому они велики в случае, когда источником помехи является мощное оборудование, потребляющее большой ток. Отметим, что экранирование низкочастотной индуктивной наводки технически гораздо сложнее, чем емкостной, поскольку магнитный экран изготавливается из толстоголиста ферромагнитного материала.
Преимущества передачи сигнала в форме тока и в форме напряжения совмещаются в промежуточном случае, когда информации передается путем передачи максимальной мощности, т.е. когда сопротивление приемника равно сопротивлению источника сигнала . При этом достигается максимум мощности, передаваемой от источника к приемнику. Отношение мощности помехи к мощности сигнала определяет величину погрешности, вносимой помехами в канал передачи информации. Поэтому в общем случае для получения качественной передачи можно просто увеличивать мощность сигнала , для получения чего достаточно уменьшить сопротивление приемника . Однако сигнал большой мощности порождает помехи для других устройств, поэтому данный путь в промышленной автоматизации не используется.
Паразитные кондуктивные связи
Кондуктивная наводка - это помеха, которая передается из соседних электрических цепей не через электромагнитное поле, а путем переноса электрического тока по общим для обеих цепей проводникам, в основном через общие участки цепей заземления или питания. Обычно источниками кондуктивных помех являются генераторы, цепи с большим током, цифровая часть аналого-цифровой схемы, реле, сеть питания 220 В, помехи с частотой преобразования источника бесперебойного питания (UPS), DC-DC и AC-DC преобразователи(служат для преобразования переменного напряжения в постоянное. Они принимают на вход сетевое напряжение 220 или 380 В и выдают на выходе стабилизированное постоянное напряжение, как правило, 3.3, 5, 9, 12, 15, 24 или 48 В.), шаговые двигатели с импульсным питанием.
Цепь, состоящая из нескольких операционных усилителей, может создать на проводе длиной в 20 см падение напряжения более 1 мВ, что сравнимо с величиной МЗР 12-разрядного приемника сигнала. Особенно большие проблемы может создать цифровое устройство, работающее в момент передачи аналогового сигнала.
Решением описанной проблемы является подсоединение "земли" источника сигнала к приемнику отдельным изолированным проводом, который не используется ни для каких иных целей.
Для предотвращения возникновения описанной проблемы следует различать понятия "силовая земля", "аналоговая земля", "цифровая земля". Все эти "земли" должны быть выполнены разными проводами и их нужно соединять только в одной общей точке. Сигнальные цепи нельзя использовать для питания даже маломощной аппаратуры.