Глава 4. Вход и выход физических процеср ласование и передача сигналов

В приведенном примере должны быть выбраны величины О Ощ Z2 = 274 Ом и Zg = 55 Ом. Импедансы Zj, Z2 и Zg образуют схему, которая не только согласует импедансы кабелей, но и уменьшает затухание сигнала.

Если по обоим проводам двухпроводной линии текут токи, имеющие одинаковы амплитуды, но развернутые на 180° по фазе, говорят, что линия сбалансироващ (balanced). В несбалансированной (unbalanced) цепи ток течет только по одном, проводу, а другой является "относительной землей" - проводом с относительны нулевым потенциалом (последнее не исключает того, что по этой линии также прох,. каст ток).

В качестве соединительных кабелей используются в основном два типа электри. ческих проводников - витая пара и коаксиальный кабель. Как показывает название витая пара (twisted pair) состоит из двух изолированных медных проводов, свитш вместе. Витая пара является дешевой и простой средой передачи. Широкое распространение витой пары и коаксиального кабеля в телефонных и телевизионных сетях привело к тому, что эти кабели и их вспомогательные элементы - разъемы и штекке-ры - имеют достаточно низкую цену.

Электрическая цепь на основе витой пары может быть сбалансированной и ш-сбалансированной. Преимущество сбалансированной цепи в том, что она мене( чувствительна к внешним возмущениям; наоборот, эта цепь излучает меньшую энергию, поскольку электромагнитные поля отдельных проводников компенсируют друг друга, так как имеют одинаковую интенсивность, но противоположную полярность. С другой стороны, сбалансированная линия является таковой только тогда, когда она правильно смонтирована и обслуживается. Несбалансированная витая пара значительно более чувствительна к возмущениям, чем сбалансирован пая, но не требует почти никаких усилий для установки и эксплуатации. Четыре парный кабель еще менее чувствителен к помехам индуктивного характера (с« раздел 4.5.3).

Коаксиальные кабели (coax cable) содержат электрический проводник, изолир» ванный пластиковой оболочкой, которая окружена проводящим плетеным экран* Благодаря такой геометрии коаксиальный кабель существенно несбалансирова" Экран заземлен и предотвращает рассеивание энергии с центрального проводи* которое на высоких частотах является весьма заметным возмущающим фактор* И наоборот, экран предохраняет центральный проводник от влияния внешних в"-мущений. Коаксиальные кабели различаются по величине их распределенного иМ данса; обычные значения - 50 Ом (кабель RG-58) и 75 Ом (кабель RG-59). Значе* коаксиального кабеля обусловлено его широким применением в высокочастот технике и технике связи (раздел 9.3).

4.5.3. Электрические помехи

Помехи, возникающие в электрическом проводнике, могут иметь разлИЧйУ природу. Обычно помехи вызваны одним из следующих типов связи между И.<" точником и проводником:

емкостной;

индуктивной (магнитной).

резистивная (или гальваническая) связь между проводником и источником ионе зависит от частоты возмущающего сигнала. Напротив, при емкостной или ин-тивной связи степень влияния зависит от частоты помех - чем выше частота, тем ше энергии получается от источника возмущений. На практике это означает, что лектрические цепи, в которых происходят быстрые изменения тока и/или напряже-1Я могут быть более серьезными источниками помех, чем низкочастотные. Вообще говоря, взаимодействие с источником возмущений редко относится к одному типу, обычно - это комбинация всех трех вышеперечисленных типов. Серьезные проблемы с помехами возникают, когда проводники с маломощными сигналами расположены вблизи силовых кабелей. Каждый провод в соединительных цепях датчика с обрабатывающим электронным устройством является потенциальным приемником электрических помех.

Чтобы создать для электронного оборудования среду, максимально свободную от наводок, постоянно проводится множество исследований и разработок. Целью является достижение электромагнитной совместимости (electromagnetic compatibility - EMC) в рамках электрических цепей, а также между различными цепями и системами. Электрический прибор должен, с одной стороны, быть нечувствительным к внешним помехам и, с другой стороны, не должен генерировать помех, которые могут оказать влияние на другую аппаратуру.

Резистивная связь

Когда несколько электронных устройств одновременно имеют общий источник питания и общее заземление, могут возникать взаимодействия резистивного характера. Довольно часто встречающиеся источники помех - плохо заземленные электродвигатели и преобразователи частоты с полупроводниковыми вентилями. Один из способов избежать такого типа взаимодействия - обеспечить для чувствительного электронного оборудования выделенный источник питания. Другая возможность -мая" развязка источников питания и аппаратуры. В этом случае пря-

Электрическая связь между различными источниками питания и электрооборудованием отсутствует.

13Ример 4.9

Переключаемый конденсатор

Кой конденсатор (flying capacitor) - это пример гальваничес-

развязки (рис. 4.23). Конденсатор присоединен к источнику напряжения 63 два переключателя, т. е. он имеет тот же потенциал, что и источник на-чате Дча напряжения на выход обеспечивается с помощью переклю-

леи. 1 аким образом, источник напряжения никогда не соединяется непос-Аственно с последующей цепью, например входом компьютера. Конденса-" переключает ("flies") входное напряжение на выходную цепь.

Глава 4. Вход и выход физических проц -- -- ti

ддяниеерЗДЗча сигналов •sf"

Рис. 4.23. Развязка цепей с помощью переключаемого конденсатора Конденсатор заряжается от источника напряжения. После переключения контактов 5j и 52 выходное напряжение конденсатора равно напряжению источника. Аналогично, две системы заземления никогда не соединяются

Емкостная связь

Между двумя проводниками или между проводником и источником помех пот всегда существует емкостная связь, которая возникает из-за того, что переменноен. пряжение наводит в проводнике ток г, пропорциональный производной напряжеШ по времени

dv dt

где С - величина емкости. Емкостные связи должны быть сведены до минимум

Они уменьщаются с увеличением расстояния между проводниками.

Распространенный способ борьбы с этим явлением - защитный электростатич»

кий экран. Экран должен быть заземлен, чтобы его потенциал равнялся нулюЛ аК

рисоеэ

пыотер-

lepa обеспечивает хорошую защиту, хотя на концах кабеля, где проводник при нен к датчику или к электронным схемам, например к входному порту компь могут возникнуть некоторые проблемы. Причина в том, что в этих местах эР полностью закрывает и защищает проводник. На небольших, незащищенных ок, ных участках могут возникнуть слабые емкостные связи, поэтому важно дела кие участки как можно короче.

Индуктивная (магнитная) связь

Проводник с током индуцирует вокруг себя магнитное поле с напряженности, пропорциональной величине тока. Соответственно, магнитное взаимодеистви здает серьезные проблемы вблизи силовых кабелей, по которым текут 3Ha4HTeJ токи Переменный ток возбуждает переменное магнитное поле, которое в съо редь наводит э.д.с. индукции в другом проводнике, пересекающем поле. По за индукции при заданной величине взаимной индукции М между проводника пряжен"» V, индуцируемое в проводнике, есть

d(M-i)

ток другого проводника. гДб ди проводник, в котором наводится э.д.с, представляет собой часть замкнуто-" то в нем будет циркулировать ток. Этот индуктивный ток пропорциона-

гп контура,

площади, охватываемой проводниками, через которую проходит магнитный

"°СуЩбствует несколько способов уменьшить влияние индуктивных связей. Площадь контура, сцепленного с магнитным потоком, можно уменьшить, используя витые провода; уменьшение этой площади означает снижение индуцируемого напряжения Более того, при скрутке "изменяется знак" потокосцепления на каждом витке, так что результирующее потокосцепление становится незначительным. Собственно поэтому применяется кабель на основе витой пары, а не просто состоящий из параллельных проводников.

Проводник, по которому передается измерительная информация, должен быть расположен как можно дальше от источников помех. В частности, чувствительные электронные приборы не должны размещаться вблизи трансформаторов и индукторов. Кабели должны располагаться таким образом, чтобы возможные поля помех распространялись вдоль них. Необходимо следовать двум простым правилам: во-первых, низковольтные сигнальные кабели и высоковольтные силовые кабели не должны прокладываться вблизи друг друга в одних и тех же каналах и, во-вторых, сигнмьные и силовые кабели должны пересекаться, если это неизбежно, только под прямым углом.

Магнитное поле можно ослабить экранированием. Медный или алюминиевый экран имеет очень высокую проводимость, и, благодаря возбуждению магнитным полем вихревых токов в экране, магнитный поток ослабляется. Экран можно выполнить изматериала с высокой магнитной проницаемостью, например из железа, агнитный экран часто бывает довольно объемным, поскольку для демпфирова-ваниТ™""°° требуется достаточная толщина стенок. Поэтому экраниро-

иые S основном для аппаратуры, генерирующей сильные магнит-

Рактические советы ("Неписаные законы")

-чектрош" """" некоторых из основных правил для уменьшения влияния обпб"" наводок на измерительное оборудование (датчики, сигнальные ка-РаЬатывающие электронные схемы). Очевидно, что в первую очередь следует:

снизить интенсивность источника помех.

о nepBjj " ииючмика помех,

""е Помех"важный шаг, поскольку он позволяет резко уменьшить влия-РУгие ослабить требования к другим защитным мерам.

""«"Муму"""" факторы, влияние которых должно быть сведено

""ьваническая связь; Расстояние до источника помех; "тотный спектр помех.

Глава 4. Вход и выход фив1«Мв«Ш-

Для уменьшения влияние емкостных связей необходимо:

- применять экранированный кабель;

- минимизировать длину неэкранированных участков на концах кабеля.

Влияние магнитных связей уменьшается, если:

- используется витой кабель, так как уменьшается плошадь магнитного пото охватываемая проводником, а ориентация поля постоянно изменяется;

- подключены несколько датчиков, так как для каждого из них использует(;5 своя витая пара;

- силовые и сигнальные кабели проложены раздельно; сигнальные кабели расц, ложены на достаточном расстоянии от источников помех;

- низковольтные и высоковольтные кабели пересекаются под прямым углом

4.5.4. Сигнальное заземление

Заземление {earthing, grounding) представляет собой физическое присоединенш нескольких цепей к общему потенциалу. Сигнальное заземление соответствует созданию точки общего нулевого потенциала для измерительных сигналов. Теоретически все точки, которые должны быть заземлены, присоединяются к этому нулевому потенциалу без каких-либо сопротивлений или индуктивностей. К сожалению, и практике это невыполнимо. Проблемы, связанные с низким качеством заземления являются наиболее распространенными, и именно их труднее всего обнаружить. Это справедливо и для небольшой электронной схемы, и для большого предприятия.

соединительный кабель

глзсаниеи передача сигналов

вольтметр

Рис. 4.24. Простая измерительная система с двумя заземлениями

На рис. 4.24 представлена простая измерительная система с источником напР жения v, присоединенным к заземлению Р, и собственно измерительные устр ства, присоединенные к заземлению Два отдельных заземления редко имеют о наковый потенциал, поэтому между ними существует ток утечки. Вольт покажет не правильное значение напряжения а искаженную величину В больших и сложных системах часто имеются отдельные заземления для датчйЬ кабелей, компьютерного оборудования, силовых элементов и шасси аппаратуры- , эти отдельные системы заземления должны быть присоединены к общей точке заз лепил, как это показано на рис. 4.25.

аналоговые и цифровые сигналы

двигатели и другие механизмы

заземление измерительных цепей - сигнальная "земля"

заземление силовых цепей

J общее заземление

Рис, 4.25. Общее заземление для различных компонентов системы

Практическое правило для кабелей, по которым передаются аналоговые сигналы, - заземление должно быть как можно ближе к источнику сигнала, т. е. датчику. Конечно, это может создать трудности в крупных технических системах с большим количеством длинных кабелей. Желательно изолированное заземление компьютерного оборудования, поскольку цифровые системы как излучают, так и легко воспринимают высокочастотные сигналы. Более старые аналоговые системы сбора данных по большей части подвержены влиянию низкочастотных наводок.

Раздельное заземление рекомендуется производить для релейных схем, двигателей и других устройств, которые потребляют большие токи. Наконец, шасси аппаратуры должны быть присоединены к отдельному заземлению, а это последнее - к общему заземлителю.

Экраны сигнальных кабелей обычно также заземляют. Чтобы избежать замкнутых контуров в схемах заземления, экраны соединяют с "землей" только в одной точ-е - или вблизи от источника сигнала (датчика), или вблизи последующих электронных устройств. Первый вариант дает лучшее ослабление помех (рис. 4.26).

датчик дифференциальный

усилитель

выходной сигнал

"Ируюп „ ""ема с датчиком и дифференциальным усилителем - заземление экра-)"ощеи оболочки кабеля выполнено вблизи датчика