Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

Transkriptio

1 Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt Häiriöt peittävät mitattavia signaaleja Häriölähteitä: Sähköverkko 240 V, 50 Hz Moottorit Kytkimet Releet, muuntajat Virtalähteet Loisteputkivalaisimet Kännykät Radiolähettimet, röntgenlaitteet, tutkat, suurtaajuuslämpölaitteet, sähköpurkaukset, taustasäteily 1

2 Sähkömagneettisesti kytkeytyvät häiriöt Mittauspiiri toimii antennina joka vastaanottaa energiaa häiriölähteestä sähkö- ja magneettikentän avulla Suojautuminen Metallikotelointi - Korkeilla (RF) taajuuksilla kotelon tiiviys korostuu Ferriittikuristin Etäisyyden kasvattaminen EMI-huone 2

3 Resistiivisesti kytkeytyvät häiriöt Jos laitteiden väliset maatasot eivät ole samoja, 0- johdossa kulkeva virta jakautuu kulkemaan osittain signaalijohdossa. maasilmukka Suojautuminen Maadoitus yhteen pisteeseen Suojamaadoitettu käyttöjännite (0-johto, vaihejohto ja suojamaa) Mittalaite, Rs anturi 0-johto Z maataso 3

4 Lisähuomioita maadoituksesta Earth/ground -termi sisältää useita merkityksiä Chassis ground Earth ground PSU return/null Signal reference potential On laitekohtaista, millaiset kytkennät em. potentiaalien välille täytyy tai kannattaa tehdä Suojausluokitus (Wikipedia)

5 Lisähuomioita maadoituksesta Tähtimaadoitus (star grounding) Maajohdot pidetään fyysisesti erillisinä ja yhdistetään toisiinsa (ja koteloon) virtalähteen tai signaalitulon lähellä Suojaa maasilmukoilta ja estää suuret paluuvirrat signaalipuolen maajohdoissa EMI-suojauksen kannalta huono korkeilla taajuuksilla RaneNote 151 (1995/2002) Morgan Jones. Building Valve Amplifiers. Elsevier. 2004

6 Induktiivisesti kytkeytyvät häiriöt Mittauspiirin ja häiriöpiirin keskinäisinduktanssi M. Indusoitunut jännite V h = M(di/dt) Kesikinäisinduktanssi riippuu mittausjohtojen muodostaman silmukan pinta-alasta ja etäisyydestä häiriölähteeseen. i Häiriötä aiheuttava virtapiiri kuorma M mittalaite signaalipiiri anturi 4

7 Suojautuminen induktiivisiltä häiriöiltä Keskinäisinduktanssin pienentäminen Kierretyt johdin parit Peräkkäisiin silmukoihin indusoituneiden virtojen suunnat vastakkaiset Mitä enemmän kierroksia, sitä parempi suojaus. Suojavaipan maadoittaminen vain toisesta päästä vaippa ei muodosta häiriötä keräävää silmukkaa Johtimien etäisyys häiriölähteestä Suunta kohtisuoraan Suojavaipallinen kaapeli Metallikotelointi 5

8 Kapasitiivisesti kytkeytyvät häiriöt Verkkovirtajohdon, signaalijohdon ja maatason keskinäiskapasitanssit. Suodatinkondensaattoreiden ja muuntajien käämien kapasitanssit. Kapasitiivisessä kytkennässä korkeat taajuudet kytkeytyvät helpommin. V h = j2 fr s CU C U=240 V, 50 Hz C Mittalaite, Rs signaalipiiri anturi C C maataso 6

9 Suojautuminen kapasitiivisilta häiriöiltä Metallikotelointi Johtimien etäisyys häiriölähteestä Suunta kohtisuoraan Signaalijohtimet maatason lähellä Suojavaipallinen kaapeli Kytkentöjen impedanssitason pienentäminen Staattinen suoja, kuten muuntajan käämien väliin sijoitettu maadoitettu folio Akkukäyttöiset laitteet 7

10 Signaalijohdot Paras suojaus suojatuilla kierretyllä parilla ja koaksiaalikaapelilla Häiriöisessä ympäristössä Differentiaalisten signaalien käyttäminen Signaalin muuntaminen digitaaliseksi Signaalin siirtäminen optisesti 8

11 Differentiaaliset signaalit Signaali siirretään kahdella johtimella vastakkaisvaiheisina Laitteiden välisellä signaalilähdöllä ja -tulolla ei tarvitse olla yhteistä jännitereferenssiä eli signaalimaata Yhteismuotoiset häiriöt signaaleissa/käyttöjännitteissä ja parilliset harmoniset särökomponentit kumoutuvat Kaksinkertainen ulostulojännite nostamatta käyttöjännitteitä TI Fully-Differential Amplifiers Application Report SLOA054D, 2002

12 Differentiaaliset signaalit Haittapuolia Monimutkaisempi toteuttaa Komponenttien sovitus oltava tarkka Kytkentä single-ended -laitteisiin edellyttää joko signaalimuuntajia (balun), epästandardeja kaapeleita tai aktiivisia sovittimia

13 Esimerkki hyvästä suojautumisesta Moottorin virtajohtojen ja logiikan erottaminen Kierretyt parit Maadoitettu kotelo (myös kansi) Ei maasilmukoita 9

14 Esimerkki huonosta suojautumisesta Paljaat johdot 10

15 Sisäiset häiriöt Mitattavan suureen vaihtelut Esim. Mitattavan suureen vaihtelu kiinnostavan aallonpituusalueen ulkopuolella. Läpikuuluminen laitteiston sisällä Triboelektrisyys JASA, Vol (48), 3B, pp , (1970) Seebeckin ilmiö Kohina Rajoittaa pienintä mahdollista erotettavaa signaalia Tehospektritiheys [V 2 /Hz] Voidaan mitata spektrianalysaattorilla 11

16 Lämpökohina Johnson noise Johtuu varauksenkuljettajien satunnaisesta liikkeestä johteessa DC-virrasta riippumaton Valkoista kohinaa, tasaisesti jakautunut spektri Tehospektritiheys kertoo kuinka signaalin (kohinan) teho on jakautunut taajuusavaruudessa Gaussinen amplitudijakauma 12

17 Lämpökohina Johnson noise Kohinan tehollinen arvo V n taajuusvälillä Δf on V n = 4k B TR f jossa k B on Boltzmannin vakio, T lämpötila ja R resistanssi Esim. 10 kω vastus huoneenlämmössä V rms = 1,3 µv Horowitz, Hill. The Art of Electronics. Cambridge University Press Vähentämistapoja: Lämpötilan laskeminen Taajuusalueen rajoittaminen Resistanssien pienentäminen 13

18 Raekohina Shot noise Johtuu sähkövirran kvantittumisesta. Syntyy yksittäisten varauksenkuljettajien ylittäessä potentiaalivallin. Diodi, transistori, elektroniputki Valkoista kohinaa Virran I n tehollinen arvo taajuusvälillä Δf I n = 2qI DC f jossa q on elektronin varaus ja I DC virta Merkitystä lähinnä hyvin pienillä virroilla 14

19 1/f kohina Pink noise, flicker noise Useita ehdotettuja syntymekanismeja: Liitosten hyvyys Vastuksen resistanssin vaihtelu komponentin sisällä Virran vaihtelu transistorissa Ilmenee kaikissa komponenteissa Kohinateho sama jokaista taajuusdekaadia kohti, esim Hz ja 1-10 MHz Teho kääntäen verrannollinen taajuuten ~1/f, =0,8-1,4) Voimakkaampaa matalilla taajuuksilla Ei voida poistaa keskiarvoisamalla 1/f noise corner: taajuus jolla 1/f kohina ylittää termisen kohinan 15

20 Signaali kohina suhde S/N ratio Kuvaa laitteiston suorituskykyä Voidaan verrata eri laitteita Nähdään onko signaali riittävän hyvä Pyritään samaan mahdollisimman hyväksi S/N = signaalin teho / kohinan teho = P s /P n Desibeleissä: S/N = 10 log (P s /P n ) = 20 log (V s /V n ) Kohinaluku - Noise figure Yksittäisen laitteen lisäämä kohina Noise equivalent power (NEP) = pienin havaittava teho (SNR = 1) kaistanleveyden neliöjuurta kohden NF= S / N in S / N out 16