Mittaustekniikan perusteet / luento 9 Sähkömagneettiset häiriöt Signaali-kohinasuhteen parantaminen Sähkömagneettiset häiriöt Häiriö on ei-toivottu sähköinen signaali, joka voidaan poistaa mittauksista Häiriö voidaan poistaa esim. suojauksella tai suodatuksella Häiriö kytkeytyy usein mittauskohteeseen ulkopuolelta Häiriökysymyksistä myös oma kurssi: S-08.300 Elektroniikan häiriökysymykset Vertaa: Kohinalla tarkoitetaan elektronisessa järjestelmässä spontaania fluktuaatiota, joka aiheutuu jonkin laitteen, komponentin tai materiaalin fysiikasta Sähkömagneettiset häiriöt Luonnon aiheuttamat kkoshäiriöt 000 V ylittyy vuosittain pienjänniteverkossa Maadoitus on keskeinen torjuntakeino Atmosfäärinen kohina Aurinko Magneettiset myrskyt Kohina Sähkömagneettiset häiriöt Ihmisen aiheuttamat Tarkoituksella säteilevät laitteet Radiot, suurtaajuuskuumentimet etc. Kapeakaistaisia Häiriösäteilijät. Periodiset impulssit, kytkimien häiriöt, hakkurit ym. Laajakaistaisia Sähkönsiirtoverkko (50 Hz)
Sähkömagneettiset häiriöt Sähkömagneettiset häiriöt Häiriöiden kytkeytyminen Häiriöiden kytkeytyminen Sähkömagneettisen kentän kytkeytyminen Voidaan ratkaista Maxwellin yhtälöistä Liian monimutkaista käytännön sovelluksiin Yksinkertaistus: lähikenttä (dimensiot < λ) MG-kenttä keskinäisinduktanssi Sähkökenttä keskinäiskapasitanssi sein hyvä approksimaatio, koska valtaosa häiriöistä MHz:n alapuolella (λ > 300 m) Kytkeytyminen johtumalla Suuri-impedanssisessa kentässä sähkökenttä dominoi: kytkeytyminen tapahtuu pääasiassa kapasitiivisesti Pieni-impedanssisessa kentässä magneettikenttä dominoi: kytkeytyminen tapahtuu pääasiassa induktiivisesti Kaukokentässä: E H 377Ω
Kapasitiivinen kytkeytyminen Kytkeytymistapoja: Johdinten välillä (mittajohto ja verkkojohdin) Muuntajan käämien välisen kapasitanssin kautta Kytkentä on tyypillisesti ylipäästösuodatin Piirissä tapahtuu jännitteenjako keskinäiskapasitanssin ja piirin impedanssin (osin resistiivinen) välillä Suuret taajuudet kytkeytyvät helposti Labratyössä Verkko: 40V rms MAA Kapasitiivinen kytkeytyminen Lähetin R S Häiritsevä johdin jωc H C C Vastaanotin C L R L h h = πfr C jω L s L R s pieni H h S H ( C + C + C ) + R + R H Induktiivinen kytkeytyminen Virta aiheuttaa ympäristöönsä magneettikentän H Kenttä kytkeytyy mittauspiirin johdinten muodostamaan virtasilmukkaan (mittausjohdot, maajohdot ) Piirin koko pieni suhteessa aallonpituuteen Kytkeytymistä voidaan tarkastella keskinäisinduktanssin L m avulla Häiriöjännite kytkeytyy sarjaan mitattavan jännitteen kanssa Suuret taajuudet kytkeytyvät helposti: =L m di/dt = jωl m I (sin) Labratyössä Induktiivinen kytkeytyminen Häiritsevä johdin Lähetin Vastaanotin Verkko: Pinta-ala A 40V rms MAA R S I H H I H = πr C L R L h h = dφ dt h dh h µ 0 A (A pieni) h = µ 0 A = dt πr di dt
Sähkömagneettisen kentän kytkeytyminen Merkittävä radiotaajuuksilla Piirin mitat voivat olla aallonpituuden suuruusluokkaa johdot toimivat vastaanottoantenneina Vaimenee kaukokentässä kääntäen verrannollisena etäisyyteen (kaukokenttä: lähteen etäisyys >> häiriön aallonpituus) Radiomasto r >> λ _ H _ E Häiriytyvä laite Antennivaikutus on voimakas, jos johtimen pituus on aallonpituuden neljäsosan moninkerta Epälineaarisuuksien takia suuritaajuiset kentät voivat häiritä myös tasasähkömittauksia (tasasuuntautuminen) Kolme tapaa torjua häiriöitä. Estetään häiriöiden syntyminen. Katkaistaan häiriöiden etenemistie 3. Parannetaan häiriönsietoa Toimiva maadoitus on ensiarvoisen tärkeä Keinoja (esim.): Johdinten ja piirien järjestely Symmetrointi Suodatus, eri taajuuksien erottelu Modulaation käyttö Analogia-digitaalimuunnos Maadoitus Maadoituksen tehtävät: Tehdä laite turvalliseksi käyttäjälleen Tarjota sama maapotentiaali järjestelmän eri osille Estää laitteiden vaurioituminen vikatilanteissa Muuntamo Suurjänniteverkko maadoituselektrodi Talokeskus L N G Pistorasia vaihejohto 0-johto (neutral) suojamaa L N G ukkosenjohdatin antenniverkko puhelinverkko vesijohtoverkko viemäri talon metallirakenteet Maadoitus Eri maadoitukset: suojamaa ja verkon 0-johdin Verkon 0-johdin (Sininen) on osa virtapiiriä ja tarjoaa paluutien kulutuskojeen virralle Suojamaa (KeVi) on normaalitilanteessa virraton Turvallinen reitti vikavirroille Molemmat on kytketty maapotentiaaliin Signaalimaa = Jännitteen referenssitaso eri laitteille (voi olla kelluva) Suureen arvo on verrannollinen poikkeamaan referenssitasosta Suojamaata käytetään usein signaalimaana Esimerkkejä: mittalaitteet, AV-laitteet... Johtimet epäideaalisia (resistanssia, induktanssia) absoluuttista referenssitasoa ei ole
Maadoitus Maadoitus Maadoitustapoja (esim.) (piirielementtien kytkentä referenssipisteeseen) Sarjaankytketty maadoitus (yleensä huonoin vaihtoehto) Rinnankytketty maadoitus (puumaiset verkot) Monipistemaadoitus (suurilla taajuuksilla) Sarjaankytketty Rinnankytketty Maasilmukat Maasilmukka syntyy, kun järjestelmä on kytketty useammasta kuin yhdestä pisteestä maapotentiaaliin Seuraus: maapotentiaali (referenssitaso) järjestelmän eri osissa vaihtelee häiriö Syy: maajohtimien virrat resistanssi (induktanssi) = jännite Mittalaitteiden teholähteet 50 Hz häiriö Suuret silmukat induktiiviset häiriöt Suodattimien ym. synnyttämät kapasitiiviset virrat Eri maiden käyttö referensseinä Kuvat: ABB:n TTT-käsikirja Maadoitus Maadoitus R S Maasilmukoiden katkaisu (esimerkkejä) Eroitusmuuntaja C L R L h Kuristin I maasilmukka Laitekoteloiden välisen maajohdon resistanssi (impedanssi) muuttaa maasilmukassa kiertävän virran laitekoteloiden väliseksi häiriöjännitteeksi Optoerotin Staattinen suoja Kuvat: ABB:n TTT-käsikirja
Johdinten ja piirien järjestely Kapasitiivisesti kytkeytyvän häiriön pienentäminen Pienennetään johdinten välistä kapasitanssia Johtimien etäisyys ja suunta Metallikotelointi = sähköstaattinen suojaus Johdinten sijoitus lähelle maatasoa Johdinten ja piirien järjestely Sähköstaattinen suojaus: maadoitettu metallikotelo, -häkki tai -punos, jonka sisällä johto, laite, laitteen osa tai kokonainen huone on (esim. koaksiaalikaapeli) Suojaa kapasitiiviselta kytkeytymiseltä (sekä sähkömagnettiselta kentältä) Esimerkki: muuntajan käämien välinen kapasitiivinen kytkeytyminen voidaan estää käämien välisellä maadoitetulla metallifoliolla (staattinen suoja) Kapasitiivisesti kytkeytyvää häiriötä voidaan pienentää käyttämällä mahdollisimman matalia impedanssitasoja Johdinten ja piirien järjestely Induktiivisesti kytkeytyvän häiriön pienentäminen Pienennetään johdinten välistä induktanssia Vältetään pitkiä yhdensuuntaisia johdotuksia Signaalijohdot ja niihin liittyvät maadoitusjohdot (paluujohdot) vierekkäin Hyvin suojatut kaapelit Kierretyt parikaapelit Symmetrointi Tiivis metallinen laitekotelo Symmetrointi Symmetrisessä kytkennässä Signaali välitetään + ja - kanavien jännite-erona (differential-mode) Vahvistuu erovahvistimessa Häiriö h kytkeytyy (pääosin) samalla tavoin yhteismuotoisena (common-mode) molempiin kanaviin Kumoutuu erovahvistimessa Signaali Epäsymmetrinen kytkentä out=a (+h) Symmetrinen kytkentä + - + - out=a ( +- -) Erovahvistin h Häiriö Huom: jännite-ero myös muuntajalla tms. h
Symmetrointi Symmetrisen jännitteen vaimennusta kuvataan: CMR, eli yhteismuotoisen jännitteen vaimennus CMRR, eli yhteismuotoisen jännitteen vaimennussuhde Käytännön erovahvistimien vaimennus yhteismuotoiselle jännitteelle ei ole ääretön: CMRR = = A + A A A e y e e y Määritellään: y tai CMR = A y CMR ja CMRR CMR ja CMRR pienenevät taajuuden kasvaessa Riittävän suuri yhteismuotoinen jännite kyllästää piirin Symmetrointi Mikäli mittapiirissä on epäsymmetriaa, muuttuu yhteismoutoinen jännite eromuotoiseksi ja järjestelmän CMRR ja CMR pienenevät Kuvat: Burr-Brown Suodatus Kohinan ja häiriöiden vaikutusta mittaukseen voidaan pienentää kaventamalla taajuuskaistaa Kohinajännitteen tai -virran tehollisarvo riippuu mittauksen kaistanleveydestä. Terminen kohina: Raekohina: Valkoinen kohina yleisesti: u n = 4kTRB I n = Häiriöille kaistanleveysriippuvuus usein voimakkaampi. Häiriö voi olla kokonaan kaistan ulkopuolella Impulssihäiriö: û h ei = A B B dc u n = A B=kaistanleveys B Kohinattoman signaalin tehon P s ja kohinatehon P n suhde: P s SNR = 0log Pn [ db] tai signaalin tehollisarvon V RMS ja kohinan tehollisarvon e n suhde: V RMS SNR = 0log en [ db] Suodatus Muistin virkistykseksi: signaali-kohinasuhde Signaali-kohinasuhdetta laskettaessa sisällytetään kohinaan usein kaikki ei-toivottu signaali - myös häiriöt
Suodatus Menetelmiä signaali-kohinasuhteen parantamiseksi: Aktiiviset ja passiiviset suotimet Rajoituksena ajan ja ympäristön vaikutus komponenttiarvoihin. Keskiarvoistus Jaksolliset signaalit, voidaan tehdä digitaalisesti. Korrelaatiotekniikka Jaksolliset signaalit, tehdään digitaalisesti. Vaiheherkkä ilmaisu, lock-in vahvistin Signaalin modulointi Suotimen kaistanleveys ei voi olla signaalin kaistanleveyttä pienempi. Keskiarvoistus Mittaus mahdollista toistaa (tai mitattava ilmiö on luonteeltaan toistuva) signaali-kohinasuhdetta voi parantaa keskiarvoistamalla Esimerkki: Multichannel scaler Muistiavaruus jonne voidaan tallentaa (esim. 3 bit) lukuja Muistipaikkaan tallennetaan pulssien lukumäärä (= laskuri) Aktiivista muistipaikkaa voidaan vaihtaa askelittain tai ulkopuolisella osoituksella (esim. ajan funktiona) Esimerkki signaalista: suuri määrä satunnaisia kohinapulsseja n k joiden joukossa signaalipulsseja n s (n s << n k ) Keskiarvoistus Signaali-kohinasuhde Pulsseja kerätään usean toiston aikana Signaalipulssit kertyvät samoihin muistipaikkoihin jokaisen toiston aikana Kohinapulssit kertyvät kaikkiin muistipaikkoihin Signaalin havaitsemisen kannalta kohinapulssien kokonaismäärällä ei ole merkitystä: signaali-kohinasuhde määräytyy kohinapulssien lukumäärän hajonnasta keskiarvonsa ympärillä Eli: signaali n s t, kohina (n k t) signaali-kohinasuhde paranee t -riippuvasti keskiarvoistusajan funktiona Keskiarvoistus Mössbauerresonanssi Co 57:n lähettämän gammasäteilyn absorptio Fe 57 kalvossa n s = 0. n k = 0.4
Keskiarvoistus Kaistanleveys Keskiarvoistettaessa aika t on mittauksen kaistanleveys karkeasti f=/t Vertaa: sinisignaalin keskiarvoistus Signaali-kohinasuhde Kohinan tehotiheys = p k [W/Hz] Signaalin teho = P s Signaali-kohinasuhde = 0log(P s t/p n ) amplitudille saadaan t -riippuus (kuten edellä) Modulointi Häiriöt ja kohina eivät ole jakautuneet tasaisesti eri taajuuksille /f-kohina Suurin osa häiriöistä alle MHz:n taajuuksilla Häiriöiden ja kohinan vuoksi AC-signaalin amplitudin pieni muutos on paljon helpompi mitata, kuin DC-signaalin tason pieni muutos. Tämän vuoksi monissa mittauksissa käytetään moduloituja signaaleja Moduloimalla mittaus siirretään esim. DC:ltä korkeammille taajuuksille Modulointi Lock-in -vahvistin Vaiheherkkä ilmaisu on eräs kokeellisen fysiikan tärkeimmistä mittausmenetelmistä. Lock-in vahvistin siirtää mittauksen suuremmille taajuuksille moduloimalla Kaistanleveys on mahdollista valita hyvin pieneksi. Kaistanleveys voi olla esim. mhz. Signaali-kohinasuhde paranee Häiriöiden vaikutus pienenee Mahdollistaa nv-tasoisten signaalien mittauksen, sekä mittaukset kohinaisissa ympäristöissä.
Lock-in -vahvistin Lock-in -vahvistin Miksi käyttää lock-in vahvistinta? Esimerkki: mitataan 0 nv RMS / 0 khz siniaaltoa Vahvistus 000 signaali: 000 0 nv = 0 µv Tavallinen mittausvahvistin: Kohina 5 nv/ Hz, kaistanleveys 00 khz kohina: 000 5 nv/ Hz (00 khz) =.6 mv Sama mittausvahvistin + hyvä suodatin: Kaistanleveys 00 Hz kohina: 000 5 nv/ Hz (00 Hz) = 50 µv Lock-in vahvistin: Kaistanleveys esim. 0 mhz, vahvistus ja kohina kuten ed. kohina: 000 5 nv/ Hz (0.0 Hz) = 0.5 µv signaali-kohinasuhde: 6 db Oskillaattori Moduloitu valonlähde (LED) Mittaus Vaiheensiirto (viive) φ Sekoitin Alipäästösuodin Anturi (fotodiodi) lostulo Sekoitin (mikseri) Sekoitin muuttaa signaalin taajuuden siten, että signaalin informaatio säilyy Perustapaus: analoginen kertoja sin( ωt) sekoitin sin( ω t + ϕ ) sin( ω t) sin( ω t + ϕ ) = [ cos( ω t ω t ϕ ) cos( ω t + ω t + ϕ )] Sekoitin on epälineaarinen komponentti Digitaalisissa lock-in vahvistimissa signaali näytteistetään ja tulo lasketaan prosessorilla Erotaajuus Summataajuus Lock-in -vahvistimen toiminta Sigaalit: Modulointisignaali ja referenssisignaali samalla taajuudella u = sin( ωt) u = sin( ω t + ϕ ) m m r Näiden tulo kertojalla: Erikoistapaus, koska molemmat samalla taajuudella m r um ur = ( cos( ϕ ) cos(ω t + ϕ) ) Alipäästösuodatus: Poistetaan toinen harmoninen (+ korkeammat harmoniset) m r u m ur = cos( ϕ ) =Vaiheherkän ilmaisun perusyhtälö r Säädettävä vaihe-ero Vaihe-erosta riippuva DC-termi
Lock-in -vahvistimen toiminta Lock-in -vahvistimen signaalit Mitä lock-in vahvistin mittaa? Lock-in vahvistin kertoo sisääntulevan signaalin (mahdollisiman) puhtaalla siniaallolla Alipäästösuodatin keskiarvoistaa tuloksen kahden siniaallon tulon keskiarvo on nolla, elleivät signaalit ole tasan samalla taajuudella Eli: lock-in vahvistimen DC-ulostulo on verrannollinen sisääntulevan signaalin siihen komponenttiin, jonka taajuus on sama kuin referenssitaajuus Oskillaattori Moduloitu valonlähde (LED).0 Mittaus Vaiheensiirto (viive) φ 4 Sekoitin Alipäästösuodin Anturi (fotodiodi) 0,5 0,4 0,3 0, 0, 0,0-0, 4 lostulo 0 4 6 8 0 Aika [s] 0.8 0.6 0.4 0. 0-0 - 0.0-4 -4 0 4 6 8 0 Aika [s] 0 4 6 8 0 Aika [s] 0 4 6 8 0 Aika [s] Lock-in -vahvistimen signaalit Vaiheensiirto (viive) Sekoitin Alipäästösuodin Oskillaattori φ lostulo 0,5 0,4 Moduloitu valonlähde (LED) Mittaus Anturi (fotodiodi) 0,3 0, 0, 0,0-0, DC-signaali 0 4 6 8 0 Aika [s] 000 000 000 00 0 00 0 00 0 0 000 000 Taajuus [Hz] 0 000 000 Taajuus [Hz] 0 000 000 Taajuus [Hz]