Introducción a la integridad de la señal en los circuitos de acondicionamiento

Los circuitos de acondicionamiento de señales superan la brecha entre las salidas de sensores crudos y las señales precisas requeridas por convertidores analógicos a digitales (ADCs) o sistemas de control. Incluso el amplificador o filtro más avanzado puede ser inútil si la ruta de señal subyacente está corrompida por el ruido, la deriva o la interferencia.

La Física de Noise y la Necesidad de Fundar

En cualquier sistema electrónico, el voltaje es una cantidad relativa. Un “signal” es la diferencia potencial entre dos nodos, y el nodo de referencia se llama típicamente tierra. Sin un terreno bien definido, cada medición se vuelve ambigua. Más críticamente, las corrientes de estrado de fuentes de energía, lógica digital o campos electromagnéticos externos pueden inyectar ruido en la ruta de la señal.

Más allá de proporcionar una referencia, la puesta en tierra también sirve una función de seguridad al atar partes conductivas expuestas a la tierra, evitando el choque eléctrico. En señal de condicionamiento, el objetivo principal es minimizar las diferencias de tensión entre puntos de tierra que podrían dañar la señal. Este principio conduce a varias estrategias de tierra, cada una con ventajas distintas y compensaciones.

Tipos de terrenos en estado de señalización

Los ingenieros suelen distinguir entre tres tipos de terreno, aunque en la práctica pueden estar interconectados:

  • нертеннитеннниентентеннный tierra, generalmente a través de una varilla de tierra o la red de tierra de la instalación. Proporciona un camino estable de baja potencia para las corrientes de falla y protección de relámpagos. En las configuraciones de laboratorio, el terreno terrestre es a menudo la referencia final, pero puede llevar corrientes de interferir de otros equipos.
  • нереннитенннининантенниентинантитонаянимантния o el marco del equipo. Se conecta normalmente a tierra para la seguridad. Dentro del circuito, el suelo de chasis se utiliza como punto de terminación del escudo y un retorno para las corrientes de alta frecuencia, pero no debe ser la referencia de señal principal.
  • нереннитенннитенниентентияными - El nodo de referencia específico para las señales analógicas. Este es el tren “cero-voltio” de la circuito analógico.

Elegir el tipo de suelo adecuado es sólo el comienzo; gestionar cómo se conectan estos terrenos es donde surgen la mayoría de los desafíos de diseño.

Star Grounding y la guerra contra los bucles terrestres

Un loop de campo de contacto realizado / tring estrecho ocurre cuando dos puntos de tierra separados están conectados por más de un camino, creando un bucle cerrado que puede recoger campos magnéticos e inducir corrientes circulantes. Estas corrientes producen gotas de tensión a lo largo de los conductores de tierra, agregando una señal no deseada a la medición. El síntoma clásico es un hum de 50 Hz o 60 Hz (y sus armónicos) superpuestos en la señal.

Para eliminar los lazos de tierra, la topología de la topología de la planta de la нертритеритеритеритеритенитеритенитенитениенитения (o de la tierra de un solo punto) se emplea a menudo. En un terreno estrella se conectan a un punto físico, la estrella se hace falta de tierra de tierra.

Para sistemas de señalización mixta, muchos diseñadores separan planos analógicos y digitales, conectándolos bajo la ADC utilizando un solo puente o una cuenta de ferrite para evitar que el ruido digital de alta frecuencia contamina el dominio analógico. Esta técnica se describe en detalle en un ‹a href="https://www.analog.com/en/technical-articles/grounding-in-mixed-signal

Consideraciones sobre la impedancia y la frecuencia de los terrenos

A frecuencias bajas, un rastro de cobre actúa como una resistencia cercana a cero, pero a medida que aumenta la frecuencia, la reacción inductiva del trazo se vuelve significativa. Un trazo PCB de 1 pulgada puede tener una inductancia de ~10 nH, que a 100 MHz presenta una impedancia de más de 6 Ω. Esto significa que en el voltaje de alta frecuencia puede ser una bajada de tierra de alta frecuencia (por ejemplo).

Para circuitos de alta frecuencia, un нертентериниминиминиминиминаниминимиными esquema de unión es a menudo utilizado: múltiples caminos de tierra directamente conectan a un plano de baja potencia. El plano de tierra en sí mismo actúa como referencia, proporcionando un potencial casi uniforme a través de la PCB.

Escudo: Proteger las señales de la interferencia externa

El escudo encierra circuitos o cables sensibles en una barrera conductiva que rechaza los campos eléctricos externos (E-fields) y los campos magnéticos (H-fields).El escudo funciona reflexionando o absorbiendo energía electromagnética antes de llegar a la vía de señal. En el acondicionamiento de señal, el blindaje es esencial cuando se utilizan cables largos, o cuando el circuito opera cerca de motores, fuentes de energía o transmisores de radio frecuencia.

Escudo de campo eléctrico

Los campos eléctricos se bloquean fácilmente por una barrera conductiva conectada al suelo. El escudo crea una jaula Faraday: cualquier incidente de campo eléctrico en el escudo induce cargos que cancelan el campo dentro. Por esta razón, escudos de aluminio y escudos trenzados en cables son muy eficaces contra el acoplamiento capacitivo. El requisito clave es una conexión de baja impedancia del escudo al suelo; de lo contrario, el escudo en sí puede convertirse en una fuente de interferencia.

Escudo magnético de campo

Los campos magnéticos de baja frecuencia (por ejemplo, de transformadores de potencia) son más difíciles de bloquear. Mientras que los escudos eléctricos son conductores simples, los escudos magnéticos requieren materiales con alta permeabilidad magnética (como mu‐metal) para desviar el flujo magnético de la zona sensible. En frecuencias superiores, las corrientes de eddy en un escudo conductivo también pueden proporcionar blindaje magnético, pero el espesor necesario para casos de baja frecuencia de contacto se vuelve impráctico.

En este documento se ofrece una excelente visión general de la eficacia de la protección de cables: ⁇ a href="https://www.ti.com/lit/an/slla301/slla301.pdf" target=" blank" rel="noopener noreferrer"⁄4Texas Instruments application reportarse correctamente/a prenda.

Tipos de escudos

  • нерентениных escudos realizados / fuertes contactos – Envoltorios trenzados o de aluminio alrededor de alambres de señal. Los escudos trenzados ofrecen baja resistencia y alta durabilidad, mientras que los escudos de aluminio proporcionan una cobertura del 100% y son mejores contra la interferencia de alta frecuencia.
  • нерентелининининих Escudos de cierres realizados / fuertes - cajas de metal que albergan circuitos enteros. A menudo se conectan al suelo de chasis y pueden incluir juntas de sellado. Para circuitos muy sensibles (por ejemplo, preamplificadores de sensores de ph), doble escudo con un escudo interno conectado al suelo de señal y un escudo exterior al suelo de chasis puede ser utilizado.
  • нереннитенинихнихнихнанихныхныхныхныхныхных нениханихных неных нениханиханихных наниханихнихнихнихни ни нихани ни нихани ни ниханиханихнихнихани ни ни ни нихни нихани ни ни нининихани ни ни нихани ниханиниханиниханиниханиханиханинини нинининини нинини нин

Estrategias de puesta en marcha de escudos

Conectar un escudo a tierra no es tan trivial como simplemente conectar un alambre. La conexión incorrecta puede convertir el escudo en una antena de acoplamiento de ruido. La práctica estándar es aterrizar el escudo en יstrong contacto sólo / acero inoxidable, típicamente el extremo donde la fuente de señal o receptor tiene su referencia de tierra. Esto evita que el escudo forme un bucle de tierra.

Sin embargo, en frecuencias superiores a 1 MHz, el escudo puede volverse resonante debido a su inductancia distribuida y capacitancia, eficacia degradante. En tales casos, יstrong confianzamulti‐punto de puesta en tierra realizada / sólidamente (enciende el escudo en ambos extremos con condensadores de bypass) o usando un escudo de referencia de puntadas en tierra seleccionados / forzadas de contacto directo.

Integración práctica de la puesta en tierra y el escudo

El encogimiento y el blindaje no son independientes; deben diseñarse juntos para maximizar la integridad de la señal. Un sistema bien centrado con un mal blindaje seguirá captando el ruido, y un sistema perfectamente blindado con bucles de tierra inyectará ruido de las corrientes de escudo. Las siguientes subsecciones describen las mejores prácticas para combinar ambas técnicas.

Principios de diseño PCB para diseños de señales mixtas

  • нертенититинитититититититититититититититититититититититититититититиниениенитититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититититити
  • нертенниеннитани un plano de tierra sólidos observado / fuerte contacto para la sección analógica cuando sea posible. Si se utilizan planos analógicos y digitales separados, conéctelos bajo la ADC utilizando un puente estrecho (o una cuentas de ferrite) para mantener limpio el plano analógico.
  • неренитениенилиных capacitores hechos / fuertes estrechos cerca de los pines de potencia de los dispositivos analógicos. Sus retornos terrestres deben ir directamente al plano analógico terrestre con trazas cortas y anchas.
  • неритититинитиних señal trazas obtenidas / fuertes sobre un plano de tierra contiguo para minimizar el área de lazo y reducir el acoplamiento inductivo.

Escudos conectados a la práctica

Al conectar un escudo a un PCB, evitar alambres de cola larga. En lugar de ello, utilizar una conexión de 360° —para cables coaxiales, un conector dedicado que une el escudo al chasis en el punto de entrada. Para cables planos con alambres de drenaje, termine el cable de drenaje al suelo lo más cerca posible del conector. En el PCB, el suelo de escudo debe conectarse al suelo de chasis (no tierra de señal) a través de un área estrecha

Una técnica adicional es el uso de un anillo de garantía real (apunte/fuertengilo alrededor de los pines de entrada de alta potencia. Este anillo es un rastro impulsado al mismo potencial que la entrada (utilizando un búfer) y conectado a una referencia de baja potencia. Proporciona un escudo contra las corrientes de fuga y la recogida de campo eléctrico, especialmente en las interfaces de sensores de alta potencia.

Estudio de caso: Acondicionamiento de señalización termopar

Los termopares producen señales de muy bajo nivel (microvolts per degree) y son extremadamente susceptibles al ruido. Una cadena de señal típica incluye un amplificador de instrumentación, un sensor de compensación de articulación fría (CJC) y un ADC. La puesta en marcha y blindaje para una entrada de termopar a menudo siguen estos pasos:

  1. Use cable blindado de cable de cable de cable torcido del termopar a la placa de acondicionamiento de señal.
  2. Emplear un filtro de baja velocidad justo en la entrada para eliminar interferencia RF antes del amplificador.
  3. Asegúrese de que el pin de referencia del amplificador de instrumentación está ligado a tierra analógica con una conexión de baja potencia.
  4. Si el termopar se basa (por ejemplo, la unión expuesta que toca una tubería de metal), tenga cuidado de los lazos de tierra a través de la tubería. Use el aislamiento (por ejemplo, un amplificador aislado o o optocoupadores) para romper el lazo.
  5. Coloque el sensor CJC cerca del conector termopar y escudelo con un plano local.

Pitfalls comunes y cómo evitarlos

  • нертенитенитентит como una señal de retorno para las altas corrientes efectuadas / tringilos: El suelo de potencia y el suelo de señal deben ser separados para evitar la modulación de tensión de la referencia de señal.
  • неритенитениных escudos observados / fuertes contactos – Un escudo no conectado es inútil; en realidad puede hacer un par de ruido más a través de acoplamiento capacitivo.
  • неритенитениминименнименных de las conexiones de tierra sin la planificación de los lazos de tierra. Se adhieren a un enfoque sistemático (punto individual o multipunto basado en la frecuencia).
  • неренитениениталиных ruido de movimiento común (sólo) se realizaron / se fortalecieron los contactos de modo común; Se requieren pares retorcidos blindados y señalización diferencial.
  • неритениринининияным trazas de tierra estrechas efectuadas / fuertes - La inductancia se eleva con longitud y cae con ancho. Usar trazas anchas o cobre para retornos de tierra.

Para más información sobre errores de diseño comunes, el objetivo ⁇ a href="https://www.edn.com/grounding-shielding-and-routing/" target=" blank" rel="noopener noreferrer" artículo relativo a la puesta en marcha y la enrutamiento de objetos/a título ofrece valiosas ideas.

Conclusión

El terreno y el blindaje no son extras opcionales, sino disciplinas fundamentales en el diseño de circuitos de señalización. Al proporcionar una referencia estable y una barrera contra la interferencia externa, estas técnicas permiten los altos niveles de precisión y repetibilidad demandados por sistemas modernos de instrumentación, adquisición de datos y control. El ingeniero debe evaluar el contenido de frecuencia de las señales, el medio ambiente y la arquitectura del sistema para elegir la topología de señalización adecuada (estrella, plano, o híbrido) y estrategia de eliminación de escudos.

La interacción entre la puesta en tierra y el blindaje sigue evolucionando con avances en ICs de alta velocidad y de alta velocidad. Mantenerse al día con notas de aplicación de los principales fabricantes de semiconductores, como Analog Devices, Texas Instruments y Linear Technology, es una excelente manera de perfeccionar estas habilidades y abordar nuevos retos de diseño con confianza.