Значение заземления и щита в конструкции схемы кондиционирования сигналов

Введение в целостность сигнала в кондиционирующих схемах

Схемы кондиционирования сигналов преодолевают разрыв между исходными выходами датчиков и точными сигналами, требуемыми аналого-цифровыми преобразователями (ADC) или системами управления. Даже самый передовой усилитель или фильтр могут быть бесполезными, если основной путь сигнала поврежден шумом, дрейфом или помехами. Два фундаментальных метода - заземление и экранирование - образуют основу надежной конструкции кондиционирования сигнала. При правильном выполнении они предотвращают проникновение шума, подавляют электромагнитные помехи (EMI) и сохраняют точность измерений низкого уровня. В этой статье исследуются принципы, практические реализации и общие подводные камни заземления и экранирования, обеспечивая всестороннее руководство для инженеров, проектирующих высокопроизводительные аналоговые схемы.

Физика шума и необходимость заземления

В любой электронной системе напряжение является относительной величиной. «сигнал» — это разность потенциалов между двумя узлами, и эталонный узел обычно называется грунтовым. Без четко определенной земли каждое измерение становится двусмысленным. Более критически, отклоняющиеся токи от источников питания, цифровой логики или внешних электромагнитных полей могут вводить шум в сигнальный путь. Заземление обеспечивает обратный путь низкого давления для этих токов и стабилизирует опорное напряжение по цепи.

Помимо предоставления ссылки, заземление также выполняет функцию безопасности, связывая открытые проводящие части с землей, предотвращая электрический шок. При кондиционировании сигнала основная цель состоит в том, чтобы минимизировать разность напряжений между наземными точками, которая может повредить сигнал. Этот принцип приводит к нескольким стратегиям заземления, каждая из которых имеет различные преимущества и компромиссы.

Типы грунтов в кондиционировании сигнала

Инженеры часто различают три типа грунта, хотя на практике они могут быть взаимосвязаны:

Выбор правильного типа грунта — это только начало; управление тем, как эти основания связаны, — это то, где возникает большинство проблем проектирования.

Звездная Земля и война против наземных петлей

наземный контур возникает, когда две отдельные наземные точки соединены более чем одним путем, создавая замкнутый контур, который может улавливать магнитные поля и вызывать циркулирующие токи. Эти токи производят падения напряжения вдоль проводников земли, добавляя нежелательный сигнал к измерению. Классическим симптомом является шум 50 Гц или 60 Гц (и его гармоники), наложенный на сигнал.

Для устранения наземных петлей часто используется топология заземления (или одноточечного заземления)]. В звездной земле все наземные соединения встречаются в одной физической точке — «звезде». Это гарантирует, что никакие два наземных пути не образуют замкнутый цикл. Затем звездная точка обычно соединяется с землей шасси и земляной землей в одном месте. В то время как концептуально простая реализация звездной земли на печатной плате (PCB) требует тщательной компоновки: аналоговые основания, цифровые основания и энергетические основания должны быть маршрутизированы отдельно и соединены только в звезде.

Для систем со смешанными сигналами многие конструкторы разделяют аналоговые и цифровые наземные плоскости, соединяя их под ADC с помощью одного моста или ферритовой бусины, чтобы предотвратить высокочастотный цифровой шум от загрязнения аналогового домена. Этот метод подробно описан в примечании приложения Analog Devices.

Наземный импеданс и частотные соображения

На низких частотах медный след действует как почти нулевое сопротивление, но по мере увеличения частоты индуктивное сопротивление следа становится значительным. 1-дюймовый след ПХД может иметь индуктивность ~ 10 нН, которая при 100 МГц представляет импеданс более 6 Ом. Это означает, что в высокочастотном кондиционировании сигнала (например, для быстрой выборки ADC), полагаясь на одноточечную землю, может быть непрактичным, потому что индуктивность вызывает падение напряжения по плоскости земли.

Для высокочастотных схем часто используется схема многоточечного заземления: несколько наземных путей непосредственно соединяются с наземной плоскостью низкого давления. Сама наземная плоскость выступает в качестве эталона, обеспечивая почти равномерный потенциал по всей ПХД. Однако этот подход может повторно ввести наземные петли, если не тщательно разработан в отношении путей возврата энергии. Выбор между одноточечным и многоточечным заземлением зависит от полосы пропускания ваших сигналов; эмпирическое правило заключается в использовании одноточечной ниже 1 МГц и многоточечной выше 10 МГц, с тонкой переходной зоной между ними.

Щит: защита сигналов от внешнего вмешательства

Щит включает чувствительные цепи или кабели в проводящий барьер, который отбрасывает внешние электрические поля (E-поля) и магнитные поля (H-поля). Щит работает, отражая или поглощая электромагнитную энергию, прежде чем он достигнет сигнального пути. В кондиционировании сигнала экранирование необходимо, когда используются длинные кабельные прогоны или когда цепь работает вблизи двигателей, источников питания или радиочастотных передатчиков.

Электрическое поле щит

Электрические поля легко блокируются проводящим барьером, соединенным с землей. Щит создает клетку Фарадея: любое электрическое поле, падающее на щит, вызывает заряды, которые отменяют поле внутри. По этой причине фольгированные щиты и плетеные щиты на кабелях очень эффективны против емкостной связи. Ключевое требование — соединение с щитом на землю низкого давления; в противном случае сам щит может стать источником помех.

Магнитное поле щит

Низкочастотные магнитные поля (например, от силовых трансформаторов) сложнее блокировать. В то время как электрические щиты являются простыми проводниками, магнитные щиты требуют материалов с высокой магнитной проницаемостью (например, му-металл) для отвода магнитного потока от чувствительной области. На более высоких частотах вихревые токи в проводящем щите также могут обеспечивать магнитное экранирование, но толщина, необходимая для низких частот, становится непрактичной. Для таких случаев часто используется витая пара кабелей в сочетании с экранированием: скручивание отменяет магнитные помехи, гарантируя, что индуцированное напряжение в каждом повороте равно и противоположно, в то время как щит обрабатывает компонент электрического поля.

Отличный обзор эффективности экранирования кабеля представлен в этом отчете о применении Texas Instruments .

Типы щитов

  • Кабельные щиты — Тканые или фольгированные обертывания вокруг сигнальных проводов. Тканые щиты обеспечивают низкое сопротивление и высокую долговечность, в то время как щиты фольги обеспечивают 100% покрытие и лучше против высокочастотных помех. Провода дренажа часто включаются для упрощения терминации.
  • Щиты корпуса — Металлические ящики, в которых размещены целые цепи. Они часто соединены с грунтом шасси и могут включать прокладки для уплотнения швов. Для очень чувствительных цепей (например, преамплификаторы датчика ph) может использоваться двойное экранирование с внутренним щитом, подключенным к сигнальному грунту, и внешним щитом к земле шасси.
  • Щиты уровня компонентов — небольшие металлические банки, которые помещаются над отдельными ИС или модулями. Они распространены в модулях RF и чувствительных аналоговых интерфейсах.

Стратегии заземления щита

Подключение щита к земле не так тривиально, как простое присоединение провода. Неправильное соединение может превратить щит в антенну шумоподавления. Стандартная практика заключается в том, чтобы заземлить щит только на одном конце , как правило, конец, где источник сигнала или приемник имеет свою ссылку на землю. Это предотвращает образование щита из наземной петли. Например, в кабеле датчика, соединяющемся с платой ADC, заземлить щит на конце ADC; конец датчика остается незаземленным (или подключен через небольшой конденсатор для высокочастотного кровотечения). Этот метод известен как одноконтурное заземление щита .

Однако на частотах выше 1 МГц щит может стать резонансным из-за его распределенной индуктивности и емкости, снижающей эффективность. В таких случаях может потребоваться многоточечное заземление (заземление щита на обоих концах с помощью конденсаторов обхода) или использование заземленного щита над плоскостью земли . Для очень высоких частот щит может быть соединен непосредственно с плоскостью земли в нескольких точках через посредством сшивания . Тщательное обсуждение терминации щита кабеля для различных частотных диапазонов можно найти в статье Технология помех .

Практическая интеграция заземления и щита

Заземление и экранирование не являются независимыми; они должны быть разработаны вместе, чтобы максимизировать целостность сигнала. Хорошо заземленная система с плохим экранированием все еще будет улавливать шум, а идеально экранированная система с наземными петлями будет вводить шум от токов щита. В следующих подразделах излагаются лучшие практики для объединения обоих методов.

Принципы конструирования PCB для смешанных сигналов

  • Разделите плату на аналоговые, цифровые и силовые участки. Избегайте маршрутизации цифровых следов по аналоговые наземные участки.
  • Используйте твердую наземную плоскость для аналогового участка, где это возможно. Если используются отдельные аналоговые и цифровые плоскости, соедините их под ADC с помощью узкого моста (или ферритовой бусины), чтобы сохранить аналоговую плоскость чистой.
  • Место обводных конденсаторов, близкое к силовым штифтам аналоговых устройств, их возвраты грунта должны идти непосредственно к аналоговой плоскости грунта с короткими, широкими следами.
  • Следы сигнала маршрута над прилежащей плоскостью земли для минимизации области петли и уменьшения индуктивной связи.

Подключение щитов к земле на практике

При подключении щита к ПХД избегайте длинных хвостовых проводов. Вместо этого используйте соединение 360° - для коаксиальных кабелей, выделенного соединителя, который связывает щит с шасси в точке входа. Для плоских кабелей с дренажными проводами, окончайте дренажный провод на землю как можно ближе к разъему. На ПХД щитовая земля должна соединяться с землей шасси (не сигнальной землей) через небольшую область плоскости земли, часто разделенную узким зазором, чтобы предотвратить шум от соединения с сигнальной землей.

Дополнительным методом является использование защитного кольца вокруг входных штифтов высокого давления. Это кольцо является следом, приводимым к тому же потенциалу, что и вход (с использованием буфера) и подключенным к эталону низкого давления. Он обеспечивает экран против токов утечки и пикапа электрического поля, особенно на интерфейсах датчиков высокого давления.

Тематическое исследование: кондиционирование сигналов термопары

Термопары производят очень низкоуровневые сигналы (микровольты на градус) и чрезвычайно восприимчивы к шуму. Типичная сигнальная цепь включает в себя усилитель приборов, датчик компенсации холодного соединения (CJC) и ADC. Заземление и экранирование для входа термопары часто следуют следующим шагам:

  1. Используйте скрученный парный экранированный кабель от термопары до платы кондиционирования сигнала. Заземляйте щит только на конце платы.
  2. Задействуйте фильтр нижних частот прямо на входе для удаления радиочастотных помех перед усилителем.
  3. Убедитесь, что эталонный штифт усилителя приборов привязан к аналоговой земле с соединением с низким сопротивлением.
  4. Если термопара заземлена (например, открытый переход, касающийся металлической трубы), остерегайтесь наземных петлей через трубу. Используйте изоляцию (например, изолированный усилитель или оптопары), чтобы разорвать петлю.
  5. Поместите датчик CJC рядом с разъемом термопары и защитите его локальной наземной плоскостью.

Обычные подводные камни и как их избежать

  • Использование земли в качестве сигнала возврата для высоких токов — Силовая земля и сигнал грунта должны быть разделены, чтобы избежать модуляции напряжения опорного сигнала.
  • Плавающие щиты — Неподключенный щит бесполезен; он может фактически связывать больше шума через емкостную связь.
  • Множественные наземные соединения с щитом без планирования — это создает наземные петли. Придерживайтесь систематического подхода (одноточечные или многоточечные на основе частоты).
  • Игнорирование шума в обычном режиме — Заземление само по себе не может отменить помехи в общем режиме; необходимы экранированные витые пары и дифференциальная сигнализация.
  • Использование слишком узких следов грунта — Индуктивность поднимается с длиной и падает с шириной. Используйте широкие следы или медные ливни для возврата грунта.

Для дальнейшего чтения об общих ошибках дизайна статья EDN о заземлении и маршрутизации предлагает ценные идеи.

Заключение

Заземление и экранирование не являются дополнительными опциями, а фундаментальными дисциплинами в кондиционировании сигнала. Обеспечивая стабильную опорную и барьерную защиту от внешних помех, эти методы позволяют обеспечить высокий уровень точности и повторяемости, требуемый современными приборами, системами сбора данных и управления. Инженер должен оценить частотное содержание сигналов, среду и архитектуру системы, чтобы выбрать соответствующую топологию заземления (звезда, плоскость земли или гибрид) и стратегию завершения экрана. При тщательном планировании компоновки и соблюдении лучших практик можно приручить даже самые сложные шумовые среды, гарантируя, что сигнал, который вы измеряете, является сигналом, который вы намеревались захватить.

Взаимодействие между заземлением и экранированием продолжает развиваться с достижениями в высокоскоростных и смешанных сигнальных ИС. Сохранение актуальности с заметками приложений от ведущих производителей полупроводников, таких как Analog Devices, Texas Instruments и Linear Technology, является отличным способом совершенствовать эти навыки и уверенно решать новые проблемы проектирования.