Introduzione all'intersità di segnale nei circuiti di condizionamento

I circuiti di condizionamento dei segnali colmano il divario tra le uscite dei sensori grezzi e i segnali precisi richiesti dai convertitori analogici-digitali (ADC) o dai sistemi di controllo. Anche l'amplificatore o il filtro più avanzato possono essere resi inutili se il percorso sottostante è danneggiato da rumore, deriva o interferenza.

La Fisica del Rumore e la necessità di mettere a terra

In qualsiasi sistema elettronico, la tensione è una quantità relativa. Un “segnale” è la differenza potenziale tra due nodi, e il nodo di riferimento è tipicamente chiamato terra. Senza un terreno ben definito, ogni misura diventa ambiguo. Più criticamente, le correnti di randagio da alimentatori, logica digitale, o campi elettromagnetici esterni possono iniettare il rumore nel percorso del segnale.

Oltre a fornire un riferimento, la messa a terra serve anche una funzione di sicurezza legando parti conduttive esposte alla terra, impedendo lo shock elettrico. In caso di condizionamento del segnale, l'obiettivo primario è quello di ridurre al minimo le differenze di tensione tra i punti di terra che potrebbero corrompere il segnale.

Tipi di terreni in Condizionamento Segnale

Gli ingegneri spesso distinguono tra tre tipi di terreno, anche se in pratica possono essere interconnessi:

  • Terra[[] – Un collegamento fisico diretto alla terra, di solito tramite una barra di messa a terra o la griglia di messa a terra della struttura. Fornisce un percorso stabile e a bassa impedenza per correnti di guasto e protezione dei fulmini.
  • Chassis Ground[[ – L'armadio in metallo o il telaio dell'apparecchiatura. tipicamente è collegato al terreno per la sicurezza. All'interno del circuito, il terreno del telaio viene utilizzato come punto di terminazione dello scudo e un ritorno per correnti ad alta frequenza, ma non dovrebbe essere il riferimento del segnale primario.
  • Signal Ground[[ – Il nodo di riferimento specifico per i segnali analogici: è la guida “zero-volt” della circuiteria analogica. Il terreno segnale deve essere mantenuto pulito e separato dal potere rumoroso ritorna per evitare di contaminare le misurazioni sensibili.

Scegliere il tipo di terra giusto è solo l'inizio; gestire come questi motivi sono collegati è dove la maggior parte delle sfide di progettazione si presentano.

Stella di messa a terra e la guerra contro le Loops terrestri

Un loop di terra[]] si verifica quando due punti di terra separati sono collegati da più di un percorso, creando un loop chiuso che può raccogliere campi magnetici e indurre correnti circolanti. Queste correnti producono gocce di tensione lungo i conduttori di terra, aggiungendo un segnale indesiderato alla misurazione. Il sintomo classico è un hum 50 Hz o 60 Hz (e i suoi segnali armonici) sovrapposti sulla misura.

Per eliminare i loop di terra, la topologia ] (o monopunto) è spesso utilizzata. In un terreno stellare, tutte le connessioni a terra si incontrano in un punto fisico – la “star”: questo garantisce che non ci siano due percorsi a terra che formano un anello chiuso. Il punto stella viene solitamente collegato al suolo del telaio e al terreno in un unico luogo.

Per sistemi di segnale misto, molti progettisti separano piani di terra analogici e digitali, collegandoli sotto l'ADC utilizzando un solo ponte o un tallone ferrite per evitare che il rumore digitale ad alta frequenza inquina il dominio analogico. Questa tecnica viene descritta in dettaglio in un Nota di applicazione di dispositivi analogici.

Considerazioni di impedenza e frequenza

A basse frequenze, una traccia di rame agisce come una resistenza quasi zero, ma come aumenta la frequenza, la reattività induttiva della traccia diventa significativa. Una traccia PCB da 1 pollice può avere un'induttanza di ~10 nH, che a 100 MHz presenta un'impedenza di oltre 6 Ω. Ciò significa che in alta frequenza il condizionamento del segnale (ad esempio, per ADC di campionamento rapido), facendo affidamento su un singolo punto di tensione

Per i circuiti ad alta frequenza, è spesso utilizzato uno schema multipunto di messa a terra[]: più percorsi di terra si collegano direttamente a un piano terra a bassa impedenza. Il piano terra agisce come riferimento, fornendo un potenziale quasi uniforme attraverso il PCB. Tuttavia, questo approccio può reintrodurre i loop di terra se non accuratamente progettato rispetto ai percorsi di ritorno dell'energia.

Schermo: Protezione dei segnali dall'interferenza esterna

Lo scudo racchiude circuiti o cavi sensibili in una barriera conduttiva che rifiuta campi elettrici esterni (E-fields) e campi magnetici (H-fields). Lo scudo funziona riflettendo o assorbendo energia elettromagnetica prima di raggiungere il percorso del segnale.

Schermatura elettrica del campo

I campi elettrici sono facilmente bloccati da una barriera conduttiva collegata al suolo. Lo scudo crea una gabbia Faraday: qualsiasi incidente di campo elettrico sullo schermo induce le cariche che annullano il campo all'interno. Per questo motivo, scudi di stagnola e scudi intrecciati sui cavi sono molto efficaci contro l'accoppiamento capacitivo. Il requisito chiave è una connessione a bassa impedenza dallo schermo a terra; altrimenti lo scudo stesso può diventare una fonte di interferenza.

Schermatura magnetica del campo

I campi magnetici a bassa frequenza (ad esempio, dai trasformatori di potenza) sono più difficili da bloccare. Mentre gli scudi elettrici sono semplici conduttori, gli scudi magnetici richiedono materiali con elevata permeabilità magnetica (come il m-metal) per deviare il flusso magnetico lontano dall'area sensibile.

Un'eccellente panoramica dell'efficacia della schermatura dei cavi è fornita in questo Rapporto di applicazione degli strumenti di Texas[.

Tipi di scudi

  • Cable Shields[[] – Involucri di cervo o di stagno intorno ai fili di segnale. Gli scudi intrecciati offrono bassa resistenza e alta durata, mentre gli scudi di stagno forniscono una copertura del 100% e sono migliori contro le interferenze ad alta frequenza. I fili di drenaggio sono spesso inclusi per semplificare la terminazione.
  • Scudo di chiusura[ – Scatole in metallo che ospitano interi circuiti. Spesso collegate al telaio e possono includere guarnizioni per sigillare le cuciture.Per circuiti molto sensibili (ad esempio, preamplificatori del sensore di ph), doppio-shielding con uno scudo interno collegato per segnalare terra e uno scudo esterno per il telaio terra può essere utilizzato.
  • Scudo Component‐Level[[] – Piccole lattine metalliche che si adattano a singoli IC o moduli, comuni in moduli RF e in front-end analogici sensibili.

Strategie di messa a terra dello scudo

Collegare uno schermo a terra non è così banale come semplicemente attaccare un filo. La connessione sbagliata può trasformare lo scudo in un'antenna di riempimento del rumore. La pratica standard è quella di mettere a terra lo schermo un fine solo, tipicamente la fine dove la sorgente del segnale o il ricevitore ha il suo riferimento di terra.

Tuttavia, a frequenze superiori a 1 MHz, lo scudo può diventare risonante a causa della sua induttanza e capacità distribuita, degradando l'efficacia. In tali casi, multipunto messa a terra (fondando lo scudo a entrambe le estremità con condensatori di bypass) o utilizzando un ] schermo terra su un piano di terra di terra può essere necessario

Integrazione pratica di messa a terra e schermatura

Il sistema ben strutturato con una scarsa schermatura raccoglierà ancora il rumore e un sistema perfettamente schermato con i loop di terra inietterà il rumore dalle correnti dello scudo. Le sottosezioni seguenti delineano le migliori pratiche per combinare entrambe le tecniche.

Principi del layout PCB per disegni misti-signali

  • Partizione del bordo[ in sezioni analogiche, digitali e di potenza.
  • Utilizzare un piano terra solido[[] per la sezione analogica dove possibile. Se vengono utilizzati piani analogici e digitali separati, collegarli sotto l'ADC utilizzando un ponte stretto (o una perla ferrite) per mantenere il piano analogico pulito.
  • I condensatori di bypass di pilace[[] vicino ai pin di potenza di dispositivi analogici.
  • Risulta traccia del segnale[] su un piano terra contiguo per ridurre l'area del loop e ridurre l'accoppiamento induttivo.

Collegamento di scudi a terra in pratica

Per cavi piatti con fili di scarico, terminare il filo di scarico a terra il più vicino possibile al connettore. Sul PCB, il terreno di accoppiamento dovrebbe connettersi al suolo del telaio (non segnale) tramite un piccolo segnale del piano terra, spesso separato dal piano terra.

Un'ulteriore tecnica è l'uso di un anello []] di protezione] attorno ai pin di ingresso ad alta impedenza. Questo anello è una traccia guidata allo stesso potenziale dell'ingresso (utilizzando un buffer) e collegata a un riferimento a bassa impedenza.

Case study: Condizionamento del segnale termocoppia

Le termocoppie producono segnali di livello molto basso (microvolti per grado) e sono estremamente sensibili al rumore. Una tipica catena di segnale include un amplificatore di strumentazione, un sensore di compensazione a freddo (CJC) e un ADC.

  1. Utilizzare il cavo schermato a spirale dal termocoppia alla scheda di condizionamento del segnale.
  2. Svuotare un filtro a basso passaggio direttamente all'ingresso per rimuovere le interferenze RF prima dell'amplificatore.
  3. Assicurarsi che il perno di riferimento dell'amplificatore di strumentazione sia legato a un terreno analogico con una connessione a bassa impedenza.
  4. Se il termocoppia viene messa a terra (ad esempio, giunzione a vista toccando un tubo metallico), attenzione a loop di terra attraverso il tubo.
  5. Posizionare il sensore CJC vicino al connettore termocoppia e schermare con un piano terra locale.

Pitfalls comune e come evitare di loro

  • Utilizzando il terreno come un ritorno del segnale per le alte correnti[] – Il terreno di alimentazione e il terreno di segnale devono essere separati per evitare la modulazione della tensione del riferimento del segnale.
  • Scudo di galleggiamento[[] – Uno scudo non collegato è inutile; può effettivamente accoppiare più rumore attraverso un accoppiamento capacitivo.
  • Multiple schermiamo le connessioni a terra senza pianificare[[] – Questo crea i loop a terra.
  • Ignorando il rumore comune dei modi[[[] – Il solo movimento non può annullare l'interferenza dei commutatori comuni; sono necessarie coppie schermate e segnalazioni differenziali.
  • Utilizzando tracce di terra troppo strette[] – L'induttanza aumenta con lunghezza e cade con larghezza.

Per ulteriori informazioni sugli errori di progettazione comuni, l'articolo EDN su messa a terra e routing[] offre preziose informazioni.

Conclusioni

Fornendo un riferimento stabile e una barriera contro le interferenze esterne, queste tecniche consentono gli alti livelli di precisione e ripetibilità richiesti da moderni sistemi di strumentazione, acquisizione dati e controllo. L'ingegnere deve valutare il contenuto di frequenza dei segnali, l'ambiente e l'architettura del sistema per scegliere la topologia di messa a terra più appropriata (star, piano terra, o ibrido) e la migliore strategia di eliminazione dello scudo.

Il gioco interattivo tra messa a terra e schermatura continua ad evolversi con progressi in IC ad alta velocità e mista. Rimanere aggiornati con note applicative di produttori leader di semiconduttori, come Analog Devices, Texas Instruments e Linear Technology, è un ottimo modo per affinare queste competenze e affrontare nuove sfide di design con fiducia.