Introduction à l'intégrité des signaux dans les circuits de conditionnement

Les circuits de conditionnement des signaux permettent de combler l'écart entre les sorties brutes des capteurs et les signaux précis requis par les convertisseurs analogiques à numériques (ADC) ou les systèmes de commande. Même l'amplificateur ou le filtre le plus avancé peut être rendu inutile si le chemin de signalisation sous-jacent est corrompu par le bruit, la dérive ou l'interférence. Deux techniques fondamentales – mise à l'état de surface et blindage – forment le socle d'un système robuste de conditionnement des signaux.

La physique du bruit et la nécessité de la terre

Dans tout système électronique, la tension est une quantité relative. Un signe - - est la différence potentielle entre deux nœuds, et le noeud de référence est généralement appelé sol. Sans un sol bien défini, chaque mesure devient ambiguë. Plus critique, les courants errants provenant des alimentations électriques, de la logique numérique ou des champs électromagnétiques externes peuvent injecter du bruit dans le chemin de signalisation.

En plus de fournir une référence, la mise à la terre sert également une fonction de sécurité en liant les parties conductrices exposées à la terre, en empêchant les chocs électriques. Dans le conditionnement des signaux, le but principal est de minimiser les différences de tension entre les points de sol qui pourraient corrompre le signal.

Types de terrains en conditionnement de signaux

Les ingénieurs font souvent la distinction entre trois types de terrain, mais dans la pratique, ils peuvent être interconnectés :

  • Terre Terre – Une connexion physique directe à la terre, généralement via une tige de mise à la terre ou la grille de mise à la terre de l'installation. Il fournit un chemin stable et faible en impossibilité pour les courants de faille et la protection contre la foudre.
  • Châssis Ground – L'enceinte métallique ou le cadre de l'équipement. Il est généralement relié au sol pour la sécurité. Dans le circuit, le châssis Ground est utilisé comme point de terminaison de bouclier et comme retour pour les courants à haute fréquence, mais il ne devrait pas être la référence de signal primaire.
  • Signal ground[ – Le nœud de référence spécifique pour les signaux analogiques. Il s'agit du rail -zero-volt de la circuiterie analogique. Le signal ground doit être maintenu propre et séparé des retours de puissance bruyants pour éviter de contaminer les mesures sensibles.

Choisir le bon type de terrain n'est que le début; gérer la façon dont ces terrains sont reliés est l'endroit où se posent la plupart des défis de conception.

Star Landing et la guerre contre les boucles de terre

Une boucle au sol[ se produit lorsque deux points de sol séparés sont reliés par plus d'un chemin, créant une boucle fermée qui peut capter les champs magnétiques et induire des courants circulants. Ces courants produisent des baisses de tension le long des conducteurs au sol, ajoutant un signal indésirable à la mesure. Le symptôme classique est un hum de 50 Hz ou 60 Hz (et ses harmoniques) superposé sur le signal.

Pour éliminer les boucles au sol, la topologie stargrounding (ou la mise à la terre à un seul point) est souvent utilisée. Dans une étoile, toutes les connexions au sol se rencontrent à un point physique – l'étoile . . Ceci garantit qu'aucun deux chemins au sol ne forment une boucle fermée. Le point stellaire est alors généralement relié au sol et au sol du châssis à un seul endroit.

Pour les systèmes à signaux mixtes, de nombreux concepteurs séparent les plans au sol analogiques et numériques, les reliant sous l'ADC en utilisant un seul pont ou une perle ferrite pour empêcher le bruit numérique à haute fréquence de polluer le domaine analogique. Cette technique est décrite en détail dans une note d'application Appareils analogiques.

Impédance du sol et considérations relatives à la fréquence

À basse fréquence, une trace de cuivre agit comme une résistance proche de zéro, mais à mesure que la fréquence augmente, la réactivité inductive de la trace devient significative. Une trace de 1 pouce de PCB peut avoir une induction de ~10 nH, qui à 100 MHz présente une impédance de plus de 6 ↓. Cela signifie que dans le conditionnement des signaux à haute fréquence (p. ex. pour les CDA à échantillonnage rapide), il peut être impossible de se fier à un seul point parce que l'inductance provoque des chutes de tension à travers le plan au sol.

Pour les circuits à haute fréquence, on utilise souvent un schéma de mise à la terre multipoints : plusieurs voies au sol se connectent directement à un plan de terre à faible impossibilité. Le plan au sol lui-même sert de référence, offrant un potentiel presque uniforme à travers le PCB. Toutefois, cette approche peut réintroduire des boucles au sol si elle n'est pas soigneusement conçue en ce qui concerne les voies de retour d'énergie. Le choix entre un point et un point d'échouement multipoints dépend de la largeur de bande de vos signaux; une règle du pouce consiste à utiliser un point au-dessous de 1 MHz et un point au-dessus de 10 MHz, avec une zone de transition mince entre les deux.

Blindage: Protection des signaux contre les interférences extérieures

Le blindage renferme des circuits ou câbles sensibles dans une barrière conductrice qui rejette les champs électriques externes (champs E) et les champs magnétiques (champs H). Le blindage fonctionne en réfléchissant ou en absorbant l'énergie électromagnétique avant d'atteindre le chemin de signalisation.

Bouclier électrique

Les champs électriques sont facilement bloqués par une barrière conductrice reliée au sol. Le bouclier crée une cage Faraday : tout incident de champ électrique sur le bouclier induit des charges qui annulent le champ à l'intérieur. C'est pourquoi les boucliers en feuilles et les boucliers tressés sur câbles sont très efficaces contre les couplages capacitifs. La clé est une connexion faible en impossibilité du bouclier au sol; sinon, le bouclier lui-même peut devenir une source d'interférence.

Blindage des champs magnétiques

Les champs magnétiques à basse fréquence (p. ex., des transformateurs de puissance) sont plus difficiles à bloquer. Bien que les boucliers électriques soient des conducteurs simples, les boucliers magnétiques exigent des matériaux à haute perméabilité magnétique (comme le mu-métal) pour détourner le flux magnétique de la zone sensible. À des fréquences plus élevées, les courants de tourbillons dans un bouclier conducteur peuvent également fournir un blindage magnétique, mais l'épaisseur nécessaire pour les basses fréquences devient peu pratique.

Un excellent aperçu de l'efficacité du blindage des câbles est fourni dans ce rapport d'application Texas Instruments.

Types de boucliers

  • Shields à câbles – Des bandes de feuilles ou des enroulements autour des fils de signalisation. Les boucliers à câbles offrent une faible résistance et une grande durabilité, tandis que les boucliers de feuilles offrent une couverture à 100% et sont mieux contre les interférences à haute fréquence.
  • Blindières de fermeture[ – Boîtes métalliques qui abritent des circuits entiers. Elles sont souvent reliées au sol du châssis et peuvent comprendre des joints pour sceller les coutures. Pour les circuits très sensibles (p. ex., préamplificateurs de capteur ph), un double blindage avec un bouclier intérieur relié au sol du signal et un bouclier extérieur au sol du châssis peut être utilisé.
  • Blindages de niveau de composant[ – Petites boîtes métalliques qui s'adaptent à des CI ou des modules individuels.

Stratégies de mise à l'eau du bouclier

La mauvaise connexion peut transformer le bouclier en une antenne de couplage sonore. La pratique standard est de poser le bouclier à une extrémité seulement, généralement l'extrémité où la source de signal ou le récepteur a sa référence au sol. Cela empêche le bouclier de former une boucle au sol. Par exemple, dans un câble de capteur se connectant à une carte ADC, poser le bouclier à l'extrémité ADC; l'extrémité du capteur reste non soutènement (ou est reliée par un petit condensateur pour saigner à haute fréquence). Cette technique est connue sous le nom de mise à la terre du bouclier à une extrémité unique.

Toutefois, à des fréquences supérieures à 1 MHz, le bouclier peut devenir résonnant en raison de son inductance et de sa capacité distribuées, de son efficacité dégradante. Dans de tels cas, ](soumettre le bouclier aux deux extrémités avec des condensateurs de contournement) ou utiliser un [soutien à la terre] peut être nécessaire.Pour des fréquences très élevées, le bouclier peut être connecté directement au plan au sol à plusieurs points par .

Intégration pratique de la mise à la terre et du blindage

Les systèmes de mise à la terre et de blindage ne sont pas indépendants; ils doivent être conçus ensemble pour maximiser l'intégrité du signal. Un système bien rodé avec un blindage médiocre captera encore le bruit, et un système parfaitement blindé avec des boucles au sol injectera le bruit des courants de bouclier.

Principes de présentation des BPC pour les dessins à panneaux mixtes

  • Partition de la carte dans des sections analogiques, numériques et de puissance. Éviter de canaliser les traces numériques sur des zones analogiques au sol.
  • Utilisez un plan sol solide pour la section analogique lorsque c'est possible. Si des plans analogiques et numériques séparés sont utilisés, connectez-les sous l'ADC en utilisant un pont étroit (ou une perle ferrite) pour garder le plan analogique propre.
  • Placer les condensateurs de contournement près des broches de puissance des appareils analogiques. Leurs retours au sol devraient aller directement au plan de sol analogique avec de courtes traces larges.
  • Traces de signaux rouliers[ sur un plan de sol contigu pour minimiser la surface de boucle et réduire l'accouplement inductif.

Connexion des boucliers au sol dans la pratique

Pour les câbles plats avec fils de drainage, mettre le fil de drainage au sol le plus près possible du connecteur. Sur le PCB, le sol du bouclier doit se connecter au sol du châssis (et non au sol du signal) à travers une petite zone du plan de terre, souvent séparée par un écart étroit pour empêcher le bruit de se raccorder au sol du signal.

Une autre technique est l'utilisation d'un anneau de protection autour de broches d'entrée haute impédance. Ce anneau est une trace entraînée au même potentiel que l'entrée (en utilisant un tampon) et connectée à une référence basse impédance. Il fournit un bouclier contre les courants de fuite et la prise en charge électrique du champ, en particulier sur les interfaces de capteurs haute impédance.

Étude de cas: Conditionnement du signal du thermocouple

Les thermocouples produisent des signaux de très faible niveau (microvolts par degré) et sont extrêmement sensibles au bruit. Une chaîne de signaux typique comprend un amplificateur d'instrumentation, un capteur de compensation par jonction à froid (CJC) et un CDA.

  1. Utilisez le câble à paires tordues du thermocouple au tableau de conditionnement du signal.
  2. Utilisez un filtre passe-bas directement à l'entrée pour supprimer les interférences RF avant l'amplificateur.
  3. Assurez-vous que l'amplificateur d'instrumentation , la broche de référence , est attaché au sol analogique avec une connexion à faible impossibilité.
  4. Si le thermocouple est mis à la terre (p. ex., jonction exposée touchant un tuyau métallique), gardez les boucles de terre dans le tuyau. Utilisez l'isolement (p. ex., un amplificateur isolé ou un optocoupleur) pour briser la boucle.
  5. Placez le capteur CJC près du connecteur thermocouple et protégez-le avec un plan de terre local.

Pièges courants et comment les éviter

  • L'utilisation du sol comme signal de retour pour les courants élevés[ – Le sol de puissance et le sol de signal doivent être séparés pour éviter la modulation de tension de la référence de signal.
  • Blindages flottants – Un bouclier non connecté est inutile; il peut en fait coupler plus de bruit par couplage capacitif.
  • Multiples connexions au sol de bouclier sans planification – Cela crée des boucles au sol.
  • Ignorer le bruit en mode commun – La mise à la terre seule ne peut pas annuler l'interférence en mode commun; des paires tordues blindées et des signaux différentiels sont nécessaires.
  • Utilisation de traces trop étroites de sol[ – L'inductance augmente avec la longueur et tombe avec la largeur. Utilisez de larges traces ou des vers de cuivre pour les retours de sol.

Pour plus de détails sur les erreurs de conception courantes, l'article EDN sur la mise à la terre et le routage offre des indications précieuses.

Conclusion

En fournissant une référence stable et une barrière contre les interférences externes, ces techniques permettent de réaliser les niveaux élevés de précision et de répétabilité exigés par les instruments modernes, l'acquisition de données et les systèmes de contrôle. L'ingénieur doit évaluer la fréquence des signaux, l'environnement et l'architecture du système pour choisir la topologie de mise à la terre appropriée (étoile, plan au sol ou hybride) et la stratégie de terminaison de bouclier. Avec une planification minutieuse de la disposition et l'adhésion aux meilleures pratiques, même les environnements sonores les plus difficiles peuvent être apprivoisés, en s'assurant que le signal que vous mesurez est le signal que vous souhaitez capturer.

L'interaction entre la mise à la terre et le blindage continue d'évoluer avec les progrès des IC à grande vitesse et à signal mixte. Rester à jour avec les notes d'application des principaux fabricants de semi-conducteurs – comme les appareils analogiques, les instruments Texas et la technologie linéaire – est un excellent moyen d'affiner ces compétences et de relever de nouveaux défis de conception avec confiance.