מבוא לאלקטרומגנטי Interference ב- ADC Systems

התערבות אלקטרומגנטית (EMI) נותרה אחד האיומים המתמשכים והמאתגרים ביותר על ממיר אנלוגי-ל-דיגיטלי (ADC) אות יושרה.כפי ש- ADCs להשיג החלטות גבוהות יותר - 16 סיביות, 24bit, ומעבר - הרגישות שלהם לסטות שדות אלקטרומגנטיים עולים באופן יחסי. ADC חייב להמיר מתח אנלוגי לייצוג דיגיטלי מדויק עם שגיאות מינימליות.

סביבות אלקטרוניות מודרניות רוויות באנרגיה אלקטרומגנטית ממקורות כמו משדרים אלחוטיים, החלפת ציוד חשמל, כונן מנועים, שעונים דיגיטליים ותדירות רדיו קרובה (RF) משדרים ללא הפחתה נאותה, זוגות אנרגיה אלה לתוך מערכות ADC דרך נתיבים מרובים, משפילים את יחס האות-אין (SNR), עיוות הרמוני מוחלט (THD), ומספר יעיל של סיביות (ENB) ולכן חייב להבין את המנגנונים הזמינים לסינון של יעילותו של פתרונות הגנה ו- EMDC.

מאמר זה מספק סקירה מקיפה ומוכוונת ייצור של איך EMI משפיע על שלמות האות ADC ומציג מאמר הגנה, פריסה וסינון אסטרטגיות להשגת המרת נתונים חזקים בסביבות ההתערבות גבוהה.עבור ידע בסיסי נוסף, מתייחס המאמר התקנים FLT:0Analog מכשירים על ADC יסודות יסוד FLT:1.

הבנה של ההתערבות אלקטרומגנטית

הפרעה אלקטרומגנטית מוגדרת כאנרגיה אלקטרומגנטית לא רצויה המשבשת את הפעולה הרגילה של מכשיר אלקטרוני. בהקשר של ADCs, EMI מתבטא כרעש superimposed על אות קלט אנלוגי, שעון או מתח ההתייחסות, גרימת שגיאות המרה.כדי להפחית ביעילות את EMI, מהנדסים חייבים להבין תחילה את מקורותיה ומנגנוני ההפיכה.

מקורות EMI

מקורות EMI יכולים להיות פנימיים או חיצוניים למערכת.מקורות פנימיים כוללים מעברים לוגיים דיגיטליים, הרגולטורים של מעבר גבוה, ואוזני שעון oscillators. מקורות חיצוניים נע בין משדרי רדיו סמוכים, מנועים חשמליים, וכות ברקים לקווי חשמל הרמוניים ושחרור אלקטרוסטטי (ESD) כל מקור מייצר אנרגיה אלקטרומגנטית על פני ספקטרום רחב, מה שהופך דיכוי פס רחב הכרחי.

שיתוף פעולה עם מכניזם

(ב) זוגות ל- ADC מעגלים דרך ארבעה נתיבים עיקריים: קרינה, מצופה, קיבולי, וניתוק הפיכה אינדוקטיבית (FLT:0Radiated הפיכה 1LT:1 מתרחשת כאשר גלים אלקטרומגנטיים נעים באוויר וגורמים למתחים על עקבות, כבלים, או הפיכה סגורה (FLT:2duced הפיכה 3D) כאשר רעש עובר בין חוטים רגישים ל-Flowing ישירות בין אם הוא לא יכול להיות בעל השפעה מגנטית:

משותף-Mode and differential-Mode EMI

(הופנה מהדף כיצד זה מופיע על קווי אות:0) ,ההפרעה המומו-מוודה (FLT) 1 מופיעה באותה מידה ובשלב על שני המוליכים האותות ביחס לקרקע, משום ש- ADCs מודדים את ההבדל בין הקלטים שלהם, רעש משותף-מודד הוא נדחה באופן אידיאלי - אך רק עד להגבלת יחסו המשותף של מגבר ו-ADC שולט בסירוב (R) בין שני קווי תפוצה:

השפעות EMI על ADC אות אינטגריטי

ההשלכות של EMI על ביצועי ADC הן חמורות ולעתים קרובות חמורות.אפילו התערבות ברמה נמוכה יכולה לדחוף את המערכת מתחת לסף דיוק הנדרש.התתתת הבאה מפרטת את ההשפעות הראשוניות.

Noise Introduction ו-SNR Degradation

ההשפעה המיידית ביותר של EMI היא עלייה בקומת הרעש של הפלט ADC.רעש זה מוסיף לרעש הקוונטי והרעש התרמי, צמצום יחס האות-ל-לא-מס.עבור החלטה ADC נתונה, SNR נמוך יותר מקטין באופן ישיר את המספר היעיל של ביטים.

המונחים: Harmonic content

(ה) אשר משנה את אות הקלט או את המתח ההתייחסות של ADC מציג עיוות הרמוני.לא לינאריות ב- ADC חזית הקדמי, בשילוב עם EMI, ליצור גוונים מעוררים המופיעים בספקטרום הפלט.הדרבנים האלה מזיקים במיוחד במערכות מדידה של פס צר, כגון מנתחי ספקטרום, שבו כל התערבות מחוץ לפס יכול לתדירות של עניין: 0DValme deiplemed) ו-Falectdme (Fal-Fal-Fal-Fal-Falth) נזק מוחלט (D) תחת לחץ דינמי (D2DLCDLC)

אובדן נתונים וטעויות

מספר EMI יכול לגרום ל- ADC לייצר תוצאות המרה לא נכונות לחלוטין.לדוגמה, הדופק אלקטרומגנטי חזק עשוי ליישב את המגבר קלט, לכפות ADC לרכבת במהלך חלון הדגימה.ב-approximation-register (SAR) ADCs, התערבות על קו השעון עלולה לגרום להמרה או שגיאות, המוביל נתונים.

השפעה על ארכיטקטורות ADC שונות

(א) להתנצלות שונה (ב) ל- ADCstopogies) לביטוי רגישות שונה (FLT:0) SAR ADCsFua 1LT:1), פגיעים לרעש ב-FLT וזמני החלטות ה-ADCFLT:2Pipeline ADCsFLT 3 סובלים משגיאות בין-שלבים כאשר EMI משפיע על המגברות השוכנות.

כיצד EMI מתמזג לתוך ADC מעגלים

כדי לעצב אמצעי נגד יעילים, מהנדסים חייבים לעקוב אחר הנתיבים המדויקים ש-EMI מגיע ל- ADC.נקודות הכניסה הנפוצות ביותר כוללות:

  • (ב) ,0) ,לאות אותות: 1FLT:1 , כבלים בלתי חוקיים או לא כראוי פועלים כמו אנאנטנות, להרים את ה-EMI ולנהל אותו ישירות לקלט האנלוגי.
  • (FLT:0) Power Supply:FLT:1 החלפה רגולטורים ועומס דיגיטלי Transients inject ripple ורעש גבוה על מסילות האספקה האנלוגיות והדיגיטליות של ADC.
  • (ב) ⁇ :0) מקיפים הלולאות: 1 הבדלים בפוטנציאל הקרקעי בין מקור האות ל- ADC יוצרים זרמי רעש נפוצים שזרמו דרך נתיב האותות.
  • (ב) מקבילות ארוכות (FLT:0) מקבילות ארוכות (FLT:1 ), מקבילות ארוכות (Long Parallel) נמצאות בסמוך לקווי שעון או אוטובוסים דיגיטליים, זוג קפיטליבי או אינדוקטיבי לרשתות אנלוגיות.
  • (ב) ,0) , מחסנים: ⁇ : שרידים, פתחי כבל מאפשרים שדות לחדור מגן, להתהפך למעגל הפנימי.

כל נתיב הפיכה דורש גישה מסוימת להפחתה.לדוגמה, לולאה קרקעית היא הטובה ביותר על ידי שימוש בבידוד (למשל, אופטוקרטרים או ADCs מבודדים) או על ידי שבירת נתיב הקרקע עם קלט מאוזן. רדילינג לתוך כבלים מופחת על ידי מגן מעוות מתפתל עם סיום קרקע תקין.

פתרונות ל- Mitigate EMI

הגנה היא קו ההגנה הראשון נגד קרינה EMI. מגן יעיל יוצר מחסום התנהגותי המגביר שדות אלקטרומגנטיים לפני שהם מגיעים מעגלים רגישים. הפרמטרים עיצוב המפתח הם מוליכות חומרית, עובי, ואת הגודל של כל apertures.

עיצוב Enclosure

(מכלים מתכתיים) – לעתים קרובות אלומיניום או פלדה – כלי שיט רחוקים שחוסמים שדות חשמליים לחלוטין ושדות מגנטיים אטמים בתדרים גבוהים.לביצועים הטובים ביותר, ים ומפרקים חייבים להיות מתמשכים מבחינה חשמלית; כיסויים עם כרטיסי גז מוליכים למנוע אנטנה חריץ.FLT:0Shielding fieldFLT:1 נמדדים ב decibels (B) ותלויים על תדירות גבוהה של 100.

כבל

כבלים המחברים חיישנים או מקורות אותות ל- ADC הם בין הרכיבים הפגיעים ביותר.כבלים חסומים משתמשים במוליכים מחוסנים או מסולקים עטוף סביב חוטי האות.מגן Braided מציעים גמישות וכיסוי טוב בתדרים גבוהים; מגנים סוללים מספקים 100% כיסוי אבל הם פחות עמידים.המגן חייב להיות מחובר לקרקע בקצה אחד (לעתים קרובות ADC) כדי להימנע לולאות רגישות ביותר, מדידות, עם מתח פנימי.

ריצוף ו-Beling

ריצוף נכון הוא חיוני עבור הן בטיחות והן שליטה EMI. AFLT:0 (הכוכבים המקרקעים את פסגות 1 ), שבו כל נתיבי הקרקע נפגשים בנקודה אחת, מצמצם את זרימת זרמי רעש באמצעות החזר של מעגלים אנלוגיים רגישים.במקרים של הבדלים מעורבים ב- PCB, אנלוגי ודיגיטליים הם לעתים קרובות נפרדים ומצטרף רק ב- ADC או בנקודה נמוכה אחת, מקלה, מקלה, למנוע את הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת היישר ממכשירים, בין כלי רכביבית למניעה.

באמצעות Feed Capacitors ו-Fites

חתונות באמצעות מגינים - כגון חשמל וחוט אותות - לפעול כמו מסלולים עבור עריכת EMI. Feedבאמצעות capacitors (שלושה-טווחיים קפיצ'רים רכובים מתכת ראשי) לספק נתיב להגדרה נמוכה לקרקע עבור רעש גבוה ⁇ בעת העברת DC או אותות נמוך ⁇ . פרט יוכנס על כבלים או עקבות PCB להוסיף אובדן בתדרים גבוהים ללא פיזור משמעותי כוח DC, מה שהופך אותם אידיאליים על החלפתם על ידי החלפת קווי כוח אידיאליים על ידי לחיצה על ידי לחיצה על ידי לחיצה על פני רעש.

סינון ו- PCB Layout Best Practices

הגנה לבד היא לעתים רחוקות מספיק; סינון ועיצוב PCB זהיר לספק הגנה משלימה.האסטרטגיות הבאות הן נקטו והן ליד שדה קרנון.

Analog Input filter

(המסננים נמוכים על קלט ADC מסירים EMI גבוה לפני שלב הדגימה.הסדר השני RC או LC מסנן עם תדירות חיתוך רק מעל רוחב הפס האות ביעילות שכנוע החוצה מהפרעות פסים.עבור קלטות שונות, הפיכה משותפת ניתוק בנוסף לסינון שונה משפר את הדחייה של משותף-de EMI.

כוח אספקה

(ADC) קובע כי Capacitorsing בתדרים מרובים.בדרך כלל, 100 nF קרמיקה capacitor (העצמים-resonant at - 10 MHz) בשילוב עם 10 μF טנטלום או קרמיקה capacitor (לדרים נמוכים יותר) מספק רחב decoupling. עבור ADCs עם אספקה אנלוגית נפרדת ודיגיטלית, השתמש בפילטרים ייעודיים וכל רכבת בנפרד.

PCB Stackup ו-Fsking

ארבעה שכבות או שישה שכבות PCB סטנדרטי עבור עיצובים מעורבים. העליון ושכבות תחתית נושאים אותות; שכבות פנימיות מוקדשות לקרקע מטוסים קרקעיים פיצול מטוסים קרקעיים עבור אנלוגיה ודיגיטליים צריך להימנע בעיצובים מהירים מודרניים כי הם יוצרים חריצים כי רדיוט; במקום זאת, מטוס קרקע מוצק עם מיקום רכיב זה הוא מועדף.

« « « « « ⁇ ו- Grounding

פני הקרקע ממוקמות סביב המטר של PCB וסביבות צינורות אנלוגיים רגישים להפחית את החסימה הקרקעית ולספק כיור עבור זרמים מעודיים. סטיץ דרךs להתחבר העליון ותחתית מטוסים קרקעיים לאורך הקצוות כדי למנוע דליפה אלקטרומגנטית מגלים מפוספסים קצה.בנוסף, באמצעות לאורך הקצוות של סעיפים אנלוגיים לעזור להכיל כל שדות פנימיים.

טכניקות מתקדמות ל-High-Integrity ADC Systems

עבור יישומים הדורשים את רמות הביצועים הגבוהות ביותר, כגון ממירים של 24bit דלה-סיגמה המשמשים במאזניים משקל או חיישנים רפואיים, אמצעים נוספים נקבעים.

אותות שונים ושומרים

שימוש בקלטות אנלוגיות שונות לחלוטין דוחה באופן חד-משמעי את ה- EMI. מגברי-אופי שונים (FDA) או מגברי מכשירים עם CMRR גבוה צריך לנהוג ADC.הסימנים של ה- PCB עבור הזוג השוני חייב להיות שווה באורך ולנהל יחד כדי להבטיח ביטול הדדי.

מחסומים בידוד

בידוד גאלובן בין מקור האות לבין ADC שובר לולאות קרקע ומונע מתחים גדולים משותפים מזיקים לממיר. Digital isolators באמצעות הפיכה קיבולית או מגנטית הם עכשיו נפוצים, אבל עבור אותות אנלוגיים, מגבר מבודד או מבודד ADCs עם אותות מובנים ומבודד כוח לספק פתרון שלם.

ביטול פעיל

במערכות בעלות גבוהה, אנלוגיית ביטול EMI פעילה להאכיל טכניקות מתקדמות מועסקים. a משנית חישה אמצעים להפרעה וזריקת אות אנטי-phase כדי לבטל אותה בקלט ADC.למרות מורכב, שיטה זו יכולה להרחיב את רוחב הפס הדחק מעבר לסננים פסיביים.עם זאת, עבור רוב עיצובי הייצור, הגנה זהירה וסינון נשארים יעילים ואמינים יותר.

בדיקה ובדיקת EMI Susceptibility

יש לאמת את העיצובים נגד התערבות בעולם האמיתי.בדיקות קדם-ציות במהלך הפיתוח מסייעות לזהות נקודות חלשות לפני הסמכה סופית.

בדיקות EMI סטנדרטיות

(המבחן הנפוץ ביותר הוא:0) סודיות (IEC 61000-4-3), שבו מערכת הפיכה חשוף לשדות RF מ 80 מהרץ ל-6 GHz בחוזקות שדה עד 20 V / m. .R.4 ,2Conducted חסינות FLT 3Hz ל- IEC 61000-4-6, חל על התערבות וקווי חשמל מ-150 k ל- MLT עד 2, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 ניכוי ניכוי ניכוי ל-A.

הגנה על יעילות

כדי לאמת את מגן המתחם, אנטנה שידור קטן ממוקם בתוך המתחם סגור ו המקלט חיצוני מודד את עוצמת האות.הבדל ברמת אות עם המתחם סגור מול פתוח נותן את יעילות המגן.עבור ניגודים כבל, אובדן שילוב ולהעביר מדידות אימפולסים המאפיינת איכות מגן.

כלים אבחון

בדיקה ליד שדה, המחוברת לניתוח ספקטרום, יכול לאתר כתמים חמים על PCB שבו EMI פולט או הפיכה לתוך עקבות אנלוגיים.דמיית תרמית עשויה גם לחשוף חלקים עם זרם משותף יתר זורם דרך מטוסים קרקעיים.עם ניתוח זהיר, מהנדסים יכולים לשפר באופן גמיש את ההגנה, סינון, הפריסה, עד ADC עונה מפרטים שלה.

מסקנה

הפרעה אלקטרומגנטית היא מציאות בלתי נמנעת באלקטרוניקה המודרנית, והשפעתה על שלמות האות ADC יכולה להיות חמורה.ממממדת SNR ו- ENOB כדי לגרום לאובדן נתונים שלם, EMI מאיים על הדיוק והאמינות של מערכות מדידה דיוק.על ידי הבנת מנגנוני ההפיכה, יישום מנגנוני הגנה חזקים ועיצובים כבל, לאחר שיטות הטובות ביותר בפריסה וסינון, ואימות באמצעות בדיקות, יכול לבנות מערכות ADC יכולות להמשיך את הביצועים האנלוגיים חמורים יותר כדי להמשיך לדחוף את סביבת העבודה שלהם.