Виды помех: 15. Виды радиопомех – Понятие о помехах и методы борьбы с ними — Викиучебник — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

15. Виды радиопомех

радиопомеха-воздействие электромагнитной энергии на прием радиоволн, вызванное одним или несколькими излучениями, в том числе радиацией, индукцией, и проявляющееся в любом ухудшении качества связи, ошибках или потерях информации, которых можно было бы избежать при отсутствии воздействия такой энергии.

Внешние помехи принимаются антенной вместе с полезным сигналом и создаются: а) электромагнитными процессами, происходящими в атмосфере, ионосфере и космическом пространстве; б) электроустановками и соседними р/станциями; в) средствами постановки преднамеренных помех.

Внутренние помехи локализованы в различных элементах системы радиосвязи (флуктуационные шумы ламп и полупроводниковых приборов, нестабильность питающих напряжений и т.п.). Характеристики внутренних помех приемного устройства обычно пересчитываются к его входу.

Внутренние и внешние помехи являются аддитивными, когда на входе ПрУ сигнал представляется в виде:

x(t)=S(t)+n(t)

где S(t) — передаваемый сигнал, n(t) — помеха. Аддитивные помехи: флуктуационные, импульсные и синусоидальные.

А. К Флуктуационным помехам (ФП) относятся шумы приемника и шумы среды распространения сигнала. Их спектр на входе ПУ обычно шире полосы пропускания ПУ. Плотность вероятности ФП часто является нормальной. В большинстве случаев ее принимают как аддитивный БГШ.

Б. Импульсные помехи представляют собой непериодическую последовательность одиночных радиоимпульсов и создаются атмосферными и промышленными источниками помех. (В некоторых случаях посторонними каналами связи).

В. Синусоидальные помехи (СП) — помехи, сосредоточенные по спектру (ширина их спектра мала по сравнению с полосой пропускания приемного тракта). Источники СП:

станции преднамеренных помех;
генераторы ВЧ сигналов;
радиостанции эталонных частот. К синусоидальным можно отнести комбинированные помехи внутри самого приемника.
Разному, в том числе принято различать помехи внешние и внутренние, пассивные и активные, гладкие и импульсные. Их можно также классифицировать по природе происхождения: промышленные,
Атмосферные, космические, помехи мешающих радиостанций и внутренние помехи радиоустройств.
Промышленные помехи создаются в результате работы сравнительно близко расположенных к радиоустройствам электродвигателей, релейно-контактных мощных систем, аппаратов дуговой электросварки, электроплавильных печей, рентгеновской аппаратуры « множества других различных электрических устройств,, вызывая возникновение в окружающем пространстве электромагнитных полей различной частоты и интенсивности. Эти поля и оказывают мешающее действие для нормальной работы чувствительных радиотехнических устройств и систем.
Атмосферные помехи создаются естественными электромагнитными процессами в земной атмосфере, например, грозовыми разрядами. Эти помехи также представляют собой электромагнитные поля различной частоты и интенсивности.
Космические помехи вызываются электромагнитными излучениями и процессами за пределами земной атмосферы.
Помехи мешающих радиостанций создаются обычными радиовещательными и специальными станциями помех, а также постоянно действующими источниками электромагнитного излучения ¦ постоянной частоты или спектра частот и волн.
Внутренние помехи радиоустройства появляются в том же самом радиоустройстве, нормальной работе которого они мешают. Эти помехи могут быть самого разнообразного происхождения, в том числе от. искрообразующих контактов вследствие наличия паразитных электромагнитных полей силовых трансформаторов и дросселей сглаживающих фильтров, из-за собственных шумов электронных ламп и травзисторов, тепловых шумов резисторов и т. д. Немаловажное значение в образование внутренних помех имеют паразитные индуктивные и емкостные связи между отдельными цепями устройства («наводки»).
Активными помехами принято называть те, которые вызваны активными естественными или искусственными источниками электромагнитных колебаний. Что касается пассивных помех, то к ним относятся те помехи, которые обусловлены в основном природными явлениями и не связаны с действием посторонних источников электромагнитных волн. К пассивным помехам, например, можно отнести явления феддинга (замирания сигнала) волн, спорадическое (внезапное) поглощение радиоволн, возникновение радиоэха и т. п. В радиоустройствах, действие которых не связано с распространением радиоволн, например, усилителях и им подобных устройствах, почти нет надобности учитывать пассивные радиопомехи. Только в отдельных случаях с ними приходится считаться, как косвенными причинами возникновения активных помех.
Гладкими помехами принято называть такие, которые создают почти неизменяющееся по величине напряжение по-мех Un. Точнее говоря, когда максимальная амплитуда помех не превышает среднее их значение больше чем в 3 4 раза. Импульс-
Н ы е же помехи могут создавать кратковременные амплитуды в десятки раз большие, чем их среднее значение. К гладким помехам, например, относятся флуктуационные шумы (ламп, транзисторов.
Резисторов). — Атмосферные помехи могут быть как гладкими, так и импульсными, проявляясь в виде шорохов и тресков. Промышленные помехи чаще всего имеют импульсный характер. Причем их воздействие на радиотехническое устройство почти любого вида значительно резче сказывается на его работе по сравнению с действием гладких помех. Это обусловлено тем, что импульсные помехи вызывают собственные колебания резонансных цепей устройства. Такие колебания затухают не мгновенно и могут распространяться далее по блокам радиоустройства.

Классификация помех

Измерительные сигналы редко присутствуют в средствах измерений в чистом виде. Практически всегда на них накладываются помехи.

Под помехой понимается сигнал, однородный с измерительным и действующий одновременно с ним. Его присутствие приводит к появлению погрешности измерения. Классификация помех возможна по ряду признаков.

По месту возникновения помехи делятся на внешние и внутренние. Причиной возникновения внешних помех являются природные процессы и работа различных технических устройств. Последние создают так называемые индустриальные помехи. Внутренние помехи обусловлены процессами, происходящими при работе самого средства измерений.

В зависимости от вида включения источников помехи и измерительного сигнала в эквивалентных схемах средств измерений

различают помехи общего вида (синфазные) и помехи нормального (последовательные) вида.

Источник помехи общего вида включен между общими точками (корпусами) схем объекта измерений и СИ. Источник помехи нормального вида включен последовательно во входную цепь СИ.

По виду частотного спектра помехи делятся на белый и розовый шумы. Спектральные составляющие белого шума равномерно распределены по всему частотному диапазону. У розового шума спектральная мощность, приходящаяся на декаду частоты, постоянна.

По основным свойствам помехи можно разделить на три вида: флуктуационные, сосредоточенные и импульсные.

Флуктуационные помехи представляют собой хаотическое, беспорядочное изменение во времени сигнала, однородного с измеряемым, в каком-либо месте средства измерений. Такие помехи часто называют шумом.

Пример — внутренние шумы измерительных электронных усилителей. Различают следующие виды шумов:

• тепловой (шум Джонсона), по своим свойствам близкий к белому шуму. Тепловой шум генерируется любым резистором, находящимся в измерительной цепи. Значение его состоит в том, что он устанавливает нижнюю границу напряжения шумов любого измерительного преобразователя, имеющего выходное сопротивление;

• дробовый, обусловленный движением электронов — дискретных носителей электрического тока. Он имеет равномерный спектр, т. е. является белым;

• фликкер-шум. К данному виду относят шумы, у которых спектральная мощность на декаду частоты примерно постоянна, т. е. розовые шумы, например шум постоянного резистора, пропорциональный протекающему через него току, шум тока базы транзистора и др.

Влияние флуктуационной помехи уменьшается при усреднении суммы измерительного сигнала и помехи. Максимальное уменьшение влияния флуктуационной помехи на результат измерения возможно в том случае, когда спектральная плотность помехи постоянна в пределах полосы пропускания средства измерений, т.е. помеха имеет характер белого шума.

Сосредоточенными

называют помехи, основная часть мощности которых сосредоточена на отдельных участках диапазона частот, меньших полосы пропускания СИ. Помехи, наводимые в измерительных цепях СИ от промышленной силовой сети частотой 50 Гц, являются сосредоточенными. Эффективность их подавления в значительной мере определяется достоверностью априорных данных о частотном спектре.

Импульсными помехами называется регулярная или хаотическая последовательность импульсных сигналов, однородных с измерительным сигналом. Источниками таких помех являются цифровые и коммутируюшие элементы СИ или работающего рядом с ними устройства. Характерный пример импульсных помех — помехи от устройств зажигания двигателей внутреннего сгорания. Импульсные и сосредоточенные помехи часто называют наводками.

Поскольку основным следствием действия помехи является появление погрешности измерения, то стараются устранить или, по крайней мере, ослабить их действие на средства измерений. Для устранения влияния помех целесообразно, если это возможно, исключить причины их возникновения. Способы борьбы с помехами в значительной мере зависят от их спектрального состава, вида измерительного сигнала и помехи.

Виды помех и способы их устранения

Круг вопросов, рассматриваемых при проектировании комплекса технических средств охраны (КТСО), включающего также системы видеонаблюдения, должен быть достаточно широк: от техники заземления до разновидностей защиты — от электромагнитных помех, шумов, генерируемых элементами КТСО и сопряженными система-ми, до “стыкуемости” аппаратуры; от принципов построения систем электропитания (в том числе резервного) до выбора материалов экранирующих корпусов; от технологии выполнения монтажных работ до номенклатуры кабельной продукции, комплектующих

Вся аппаратура, входящая в КТСО, должна иметь не только электромагнитную совместимость, но и стыковаться по своим электрическим параметрам. Следует подвергнуть серьезному анализу электромагнитную обстановку объекта в части определения или прогнозирования уровня электромагнитных помех от оборудования и аппаратуры смежных систем обеспечения безопасности и жизнедеятельности здания: трансформаторных подстанций, приточно-вытяжной вентиляции, систем и способов освещения помещений и территории, мощных потребителей электроэнергии, источников бесперебойного электропитания, систем оповещения и связи, мест проведения периодических работ с применением электросварки. Собственно прогнозирование уровня электромагнитной обстановки должно быть выполнено с учетом возможности возникновения аварийных ситуаций в вышеуказанных системах (узлах) и дать возможность предусмотреть спосбызащиты наиболее чувствительной аппаратуры от последствий влияния аварийных ситуаций на работоспособность и безотказность КТСО.

Источники шумов и шумы, наводимые на провода и кабельные линии

Основным примером такого вида связи являются шумы, проникающие в устройства по проводам сетевого электропитания. В случае если невозможно контролировать сеть или к сети подключают другую аппаратуру (мощный энергопотребитель) возникает необходимость в развязке проводов сети. Тогда уже стоит вопрос о резервировании электропитания систем ССТV. В этих целях используют источники бесперебойного электропитания компьютеров (типа UPS) или источники для охранно-пожарной аппаратуры. Проблемы при этом остаются прежние: различные напряжения, требуемые для электропитания составных частей системы видеонаблюдения, жесткие требования к верхним порогам выходных напряжений, условия электромагнитной совместимости и т.п. Добавляются требования обеспечения минимального времени резервирования электропитания ССТV – 0,5 часа, согласно ГОСТ Р 51558–2000, а на практике необходимо резервирование электропитания на значительно большее время.

Связь через общее сопротивление

Связь через общее сопротивление встречается там, где токи от двух различных устройств проходят через одно сопротивление. При этом падение напряжения, создаваемое каждым из устройств на конкретном участке сопротивления, является для другой системы источником помехи, и чем больше потребление, тем выше амплитуда помехи.

Электромагнитные поля

Еще один вид связи представляет собой излучение электромагнитных полей. Эффективность экранирования зависит от: частоты излучения, конфигурации экрана, положения внутри экрана измерительной точки, вида ослабляемого поля, вектора его распространения и поляризации. Опуская прикладные и промежуточные теоретические выкладки, можно сделать выводы, определяющие эффективность экранирования:

для электрических полей и плоских волн потери при их отражении очень велики;
для низкочастотных магнитных полей потери при их отражении очень малы;
экран толщиной, равной глубине скин-слоя, обеспечивает потери на поглощение примерно 9 дБ;
магнитные поля труднее поддаются экранированию, чем электрические;
для защиты от низкочастотных магнитных полей следует применять магнитные материалы;
для защиты от электрических полей, плоских волн и высокочастотных магнитных полей следует применять экран из качественного проводника;
реальная эффективность экранирования, достигаемая на практике, обычно определяется утечками в швах и соединениях, а не собственно эффективностью применяемого материала;
величину утечки определяет максимальный линейный размер отверстия, а не его площадь;
утечка через большое количество маленьких отверстий меньше, чем через одно отверстие той же площади;
наличие на рынке услуг аппаратуры, которая не создает помехи, столь же необходимо, как и наличие аппаратуры, защищающей от помех;
подавлением шумов следует заниматься на возможно более ранней стадии проектирования КТСО;
шумы возникают в следующих случаях: при наличии наводки по проводам, при осуществлении связи через общее сопротивление, а также при наличии электромагнитного излучения;
металлы, используемые в сигнальных цепях и контактирующие друг с другом, должны быть гальванически совместимыми;
универсальный метод решения большинства проблем борьбы с электромагнитными помехами и шумами существует далеко не всегда, обычно используются несколько способов одновременно.

Заземление

Заземление – один из основных способов уменьшения нежелательных шумов и наводок, приводящих к сбоям в работе видеосистемы или выходу из строя аппаратуры. Грамотное заземление и экранирование может решить значительную часть проблем шумопо
давления. Надежно заземленная система (комплекс) должна быть спроектирована таким образом, чтобы она работала как единая цель.

Проектирование систем с качественным заземлением преследует две основные цели: первая — минимизировать напряжение шумов, возникающих при прохождении токов от двух или более единиц аппаратуры через общее сопротивление земли; вторая — исключить образование контуров заземления, чувствительных к магнитным полям и разностям потенциалов “земли”. Надо помнить, однако, что неправильно выполненное заземление само может стать основной причиной возникающих шумов и помех.

Защитное заземление

Из соображений без опасности корпус аппаратуры, так же как и вся система, должен быть заземлен. При возникновении пробоя (аварийная ситуация) ток через шину заземления проходит, можно сказать, молниеносна, что приводит к разрыванию цепи защитными устройствами. Поскольку через защитное заземление ток нагрузки не течет, на нем не возникает падение напряжения и подключенные к нему корпуса аппаратуры всегда находятся под потенциалом земли. При этом нейтраль и шину защитного заземления следует соединять только в одной точке. Эту точку следует выбирать таким образом, чтобы она была как можно ближе к распределительному щитку.

Сигнальные “земли”

Сигнальные “земли” делятся, в основном, на два класса: заземление в одной или нескольких точках.

При более глубоком рассмотрении методов заземления необходимо помнить о следующем:

все проводники имеют конечный импеданс, состоящий обычно из сопротивления и индуктивности;
разнесенные в пространстве точки заземления редко имеют одинаковый потенциал.

Силовая “земля” практически не годится для организации или в качестве сигнальной “земли”. Напряжение, измеряемое между двумя точками земли, в типичных случаях составляет сотни милливольт, а иногда и единицы вольт. Это напряжение достаточно велико для цепей с сигналами низкого уровня. С точки зрения шумов наиболее нежелательным является заземление с общей шиной или общим проводом. При использовании такой схемы наиболее критичное устройство (с наибольшим потреблением тока) следует подключать как можно ближе к точке первичного заземления.

Схему подключения с раздельными землями (параллельное включение) наиболее предпочтительно применять на низких частотах (рис. 1), поскольку при этом нет перекрестных связей между возвратными токами различных устройств. Однако эта схема подключения достаточно громоздка с технической точки зрения, так как в большом комплексе для нее требуется непомерно большое количество проводов. Другое ограничение схемы раздельного заземления проявляется при высоких частотах, где индуктивности заземляющих проводников увеличивают импеданс земли, создают индуктивную связь между заземляющими шинами. Паразитные емкости между проводниками заземления также образуют связи между “землями” устройств. На еще более высоких частотах импеданс заземляющих проводников может быть достаточно большим, и они будут работать как антенны, излучающие шумы.

Система заземления в нескольких точках

Для минимизации импеданса земли на высоких частотах применяются многоточечные схемы заземления (рис. 2). В этой схеме устройства подключаются, по возможности, к ближайшей заземленной шине с малым импедансом, при этом сопротивления R1ER3 и индуктивности L1EL3 должны быть как можно меньше. Увеличение толщины заземляющего проводника (поверхности) не влияет на высокочастотный импеданс, поскольку вследствие скин-эффекта ток течет только по его поверхности.

Практические системы заземления

Большинство практических схем заземления представляют собой комбинацию последовательного и параллельного заземления в одной точке. Такая комбинация обычно диктуется компромиссным решением между необходимостью выполнения критериев по электрическим шумам (наводкам) и задачей избежать увеличения сложности проводного монтажа сверх необходимой. Ключ к успешному совмещению этих факторов лежит в выборочной группировке заземляющих проводов, такой, чтобы схемы с достаточно различающимися уровнями потребляемой мощности не имели общего возвратного провода земли. Таким образом, группы слаботочных устройств могут иметь общий возвратный провод “земли”, тогда как другие группы устройств подключаются к “земле” другим возвратным проводником.

В большинстве интегрированных комплексах необходимо как минимум четыре возвратных проводника “земли” (рис. 3), исключая нейтраль и провод защитного заземления.

Использование такой конфигурации схемы заземления интегрированного комплекса безопасности и систем жизнеобеспечения здания (объекта) может значительно уменьшить проблемы неустойчивости работы отдельных подсистем.

Кроме двух перечисленных методов борьбы с помехами (экранирование и заземление) существуют такие, как:

балансировка;
фильтрация;
изоляция;
разнесение и ориентация;
регулировка величины полного сопротивления;
выбор номенклатуры кабельной продукции;
снижение амплитуды пускового тока;
минимизация энергопотребления;
программно-аппаратный метод.

Рассмотренные методы шумоподавления применимы как к аналоговым, так и к цифровым системам, в том числе в системам видеонаблюдения.

Виды помех и искажений

Качество передачи цифровых сигналов, прежде всего, определяется безошибочностью принятой информации. Ошибки на приеме возникают из-за помех, изменяющих форму сигнала так, что регенератор не может с достоверностью установить его истинное значение (в предельном случае — идентифицировать «1» и «0»).

На сигналы воздействуют помехи трех типов: линейные, собственные и интерференционные (межсимвольные).Межсимвольные помехи иногда называют межсимвольными искажениями.

Линейные помехи ВОЛС (помехи от линейных переходов) — результат воздействия параллельно работающих систем передачи. Их значение определяется переходными затуханиями в кабеле и количеством параллельно работающих систем передачи. Спектр этих помех неравномерен — близок к спектру линейного сигнала. В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) эти помехи практически отсутствуют.

Собственные помехи ВОЛС – помехи определяемые свойствами корректирующего усилителя линейного регенератора, эти помехи имеют относительно равномерное спектральное распределение.

Интерференционные (межсимвольные) помехи ВОЛС – помехи, возникающие из-за линейных искажений в среде передачи, точнее из-за ограничения спектра передаваемого сигнала сверху (помехи I рода) и снизу (помехи II рода).

В ВОЛС межсимвольные помехи возникают в результате дисперсии. Различают межмодовую дисперсию, хроматическую, состоящую из материальной и волноводной, и поляризационную.

Рассмотрим механизм воздействия межсимвольных помех на примере передачи сигналов по кабелю с металлическими парами. Такие кабели являются распределенными системами и характеризуются четырьмя первичными параметрами (отнесенными к одному километру длины кабеля): сопротивлением проводов R, емкостью между проводами С, индуктивностью проводов L и проводимостью изоляции G. Для анализа в первом приближении достаточно учесть первые два параметра, в результате чего кабельный участок длиной 1 км моделируется простейшим фильтром нижних частот (рис. 4.2, а) с постоянной времени причем Тогда

Рис. 4.2. Форма импульса при прохождении через ФНЧ

Форма прямоугольного импульса приобретает вид, показанный на рис. 4.2, б. «Хвост» импульса является помехой для последующего. Эта межсимвольная помеха является помехой I рода.

Если учесть все четыре параметра кабеля и то, что они распределенные, форма искаженного импульса оказывается близка к гауссовой, причем по мере увеличения длины кабельного участка растет τв и , следовательно, высота импульса становится меньше, а длительность больше (рис. 4.3). Но в любом случае помехи I рода, определяемые небольшой постоянной τв, действуют лишь на ближайший импульс.

Рис. 4.3. Влияние кабельного участка на форму прямоугольного импульса

Дисперсия в ВОЛС приводит к искажению импульсов, которые, как и в кабеле с металлическими жилами, приобретают форму, близкую к гауссовой.

На рис. 4.4 показано взаимное влияние импульсов при искажениях I рода и наложение на эти импульсы флуктуационной помехи (степень затенения условно показывает плотность вероятности мгновенных значений помехи).

Рис. 4.4. Сложение флуктуационных помех и межсимвольных помех I рода

Из рисунка видно, что идентификация нулевого импульса (между двумя единичными) в этих условиях практически невозможна.

Помехи II рода в тракте определяются элементами, ограничивающими спектр сигнала снизу (образующими фильтр верхних частот ФВЧ). В кабелях с металлическими парами такими элементами являются прежде всего линейные трансформаторы. В ВОСП — аналогичную роль играют разделительные конденсаторы электрической части трактов. Для этих случаев тракт в первом приближении аппроксимируется дифференциальным звеном с параметрами

если в тракте разделительный конденсатор, или

если в тракт включен линейный трансформатор с индуктивностью первичной обмотки, равной L1 (рис. 4.5, а, б).

Рис. 4.5. Форма импульса при прохождении через ФВЧ

В этих формулах Rcи Rн сопротивления источника сигнала и нагрузки рассматриваемой цепи, соответственно. Тогда

и форма прямоугольного импульса приобретает вид, показанный на рис. 4.5, в. Поскольку

искажения II рода гораздо опаснее, так как влияние данного импульса распространяется на многие последующие такты. На рис. 4.6 показано влияние межсимвольных помех II рода на сигналы с высокой (рис. 4.6, а) и низкой плотностью (рис. 4.6,б) единиц. Очевидно, что при высокой плотности единиц происходит смещение импульсной последовательности вниз (постоянная составляющая сигнала подавляется).

Рис. 4.6. Искажения II рода при высокой (а), низкой плотности единиц (б)

При этом вершины импульсов приближаются к порогу решения и их идентификация становится затруднительной. Если плотность единиц в сигнале невелика, постоянная составляющая будет также мала и ее подавление не приведет к заметным искажениям.

Виды помех

Проектирование современных систем автоматизации сопряжено с некоторыми сложностями, возникающими ещё на этапе коммутации датчиков с измерительными приборами. Часто появляются непредвиденные проблемы, возникновение которых предсказать очень сложно, и для их решения требуется проведение экспериментов. Между тем отдельные условия, при которых возникают помехи, равно как и способы их устранения, хорошо изучены и с успехом применяются на практике.

Понимание причин появления помех позволяет уже на стадии проектирования систем автоматизации осуществить правильный выбор и оптимальное размещение оборудования, обеспечить должную защиту при экранировании и разводке кабелей, что в конечном итоге ускоряет внедрение системы на энергетическом объекте.

Воздействия посредством системы кондуктивных связей.
Влияние неэквипотенциальности заземляющих устройств.
Наводки через взаимную индуктивность между проводниками.
Электромагнитные высокочастотные наводки.
Наводки через ёмкостные связи проводников.

Применяемые источники информационных сигналов (датчики для измерения температуры, влажности, давления, веса и пр.) могут быть иметь заземление (Рис.1а) или устанавливаться без него (Рис.1б).

Рис. 1. Примеры заземлённых (а) и незаземлённых (б) источников

К незаземленным или по-другому плавающим источникам сигналов относятся обычные батарейки, термопары, датчики на основе пьезоэлектрического эффекта, изолированные операционные усилители. При отсутствии заземления в качестве сигналов используется разность потенциалов, возникающая между выводами источника сигнала (V1). При этом потенциал выводов источника, измеренный относительно «земли» (Vс), считается паразитной или синфазной помехой и он не должен сказываться на точности результатов проведённых измерений. Если один из выводов заземленного источника соединён с заземляющим устройством, то на другом выводе измерение напряжения осуществляется относительно «земли».

Если заземлить один из выводов плавающего источника, тогда можно получить заземлённый источник сигнала. Обратное превращение (из заземленного в плавающий) выполнить на практике довольно проблематично: очень часто конструкция датчика или сама схема преобразования измеренного показателя в сигнал не позволяет осуществить данную операцию. Поэтому конструкция и схемотехника плавающих источников намного сложнее, чем у заземленных. Кроме источников сигнала, основанных на изменении напряжения, существуют аналогичные источники, работающие на изменении силы тока.

Аналогично, данные источники могут быть плавающими или имеющими заземление. Приемник сигнала (к примеру, система для сбора информации) может измерять сигнал относительно заземляющего устройства или относительно другого входа. В первом случае получим приемник сигналов с недифференциальным или по-другому одиночным входом (Рис. 2 а), в другом случае будет дифференциальный приемник сигнала (Рис. 2 б).

Рис. 2. Приёмник сигнала с недифференциальным (одиночным) входом (а) и дифференциальным (б).

Дифференциальный приёмник сигнала позволяет измерять разность потенциалов, возникающую между двумя проводниками. Разность потенциалов рассчитывается относительно «земли» (общего провода) приемника. У дифференциального приемника сигналов есть 3 входа: два входа для получения сигналов и один общий вход (заземление). Необходимо отметить, что «земля» источника и «земля» приемника сигнала имеют отличающуюся разность потенциалов. Поэтому следует считать, то это разные «земли» и на последующих схемах для них будут предусмотрены различающиеся условные обозначения.

Современные дифференциальные приемники могут иметь конструкцию, основанную на применении изолированного источника питания или конструкцию на основе использования схемы вычитателя, который позволяет определять разность потенциалов, возникающую между двумя узлами в электрической цепи (сигнал дифференциального типа). В качестве примеров приемников с одиночным входом можно привести такие приборы, как тестеры, системы для сбора данных на основе мобильных компьютеров или малогабаритные осциллографы с автономным питанием.

Примерами приемников дифференциального типа, созданными на основе вычитателя, являются схемы, включающие инструментальный дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала. Несовершенство приемников дифференциального типа заключается в следующем: на выход приемника, кроме дифференциального сигнала, попадает более слабый синфазный сигнал, а коэффициент передачи данного сигнала, имеющий название «коэффициент ослабления синфазного сигнала KCMRR», в несколько раз меньше, чем у дифференциального сигнала.

Для промышленных систем автоматизации наибольший интерес представляет коэффициент подавления синфазного сигнала, имеющий частоту 50 Гц и представляющий собой электромагнитную наводку от сети с рабочим напряжением 220 или 380 В. Напряжение на выходе из дифференциального приемника (рис. 2б) определяется по следующей формуле:

Следует заметить, что нельзя создать дифференциальный приемник сигнала из двух одиночных приемников при помощи обычного вычитания сигналов на их выходах (Рис. 3).

Рис. 3. Пример недопустимой схемы для усилителя с дифференциальным входом

Предположим, что мы взяли 2 усилителя с одиночным входом (2 канала из многоканальной платы ввода, снабженная одиночными входами) и поставили цель выделить дифференциальный сигнал при помощи вычитания напряжений V1 и V2. Представленная ситуация изображена в схематичном виде на Рис. 3. Для данной схемы можно записать следующее выражение:

В идеальном случае, когда коэффициенты усиления K1 и K2 и K0 имеют равные значения, можно получить дифференциальный приемник сигнала:

В реальности между фактическими коэффициентами усиления приемников и теоретическим значением K0 существует погрешность g, определяемая по формуле:

Расчётная погрешность включает инструментальную погрешность приемников сигнала, напряжение смещения нуля, шумы при работе электронных приборов и другие виды погрешностей.

В случае наибольшей погрешности на выходе (экстремальное значение погрешности) примем значения погрешностей равными по абсолютной величине g и разными по знаку. Тогда выражение (3) примет вид:

Подставляя данные значения в (2), получим:

Следовательно, в схеме, представленной на Рис. 3 сумма погрешностей усилителей, имеющих одиночный вход (2 g), перемножается на отношение значений синфазного сигнала и дифференциального. Измеряя сигналы, исходящие от термопар и других датчиков, данное соотношение может составлять нескольких порядков. Следовательно, погрешность измерения дифференциального сигнала подобным методом будет тоже на несколько порядков больше.

Рассмотрим интересный пример. Предположим, что нам потребовалось получить дифференциальный сигнал, обладающий разрешающей способностью 12 бит (в данном случае отношение погрешности к сигналу составляет 1/4096). Также предположим, что искомая погрешность определяется синфазной помехой и равна gc,

Поэтому требуется разрешающая способность не меньше чем 17 бит. При соотношении между синфазным и дифференциальным сигналом, составляющим 10 к 1, для достижения разрешающей способности в 12 бит, необходим усилитель с разрешающей способностью 17 бит. Следовательно, при измерении разности двух напряжений, надо усиливать потенциал V1, который измеряется относительно потенциала V1, но, ни в коем случае относительно заземляющего проводника. Данный принцип лежит в основе конструкционной схемы многих высокоточных усилителей с дифференциальным входом.

Измерение напряжения на заземленных источниках

Далее рассмотрим случай, когда для измерения напряжения заземленного источника сигнала e1 (Рис. 4) используется заземленный приемник.

Рис. 4. В разных точках существует различное напряжение заземлённого источника

Так как, заземление источника и приемника сигнала разнесены в пространстве, то у них будет разный потенциал и, соответственно, различное обозначение на приведенной схеме. Разность потенциалов между «землей» источника и приёмника сигнала равняется Vg.

Согласно общепризнанной теореме об эквивалентном генераторе данная разность потенциалов может быть представлена на приведённой схеме источником напряжения

где Rg – сопротивление «земли»,
Ig – ток, проходящий через сопротивление (рис. 5)

Рис. 5. Разность потенциалов между «землёй» источника сигнала и его приёмника равноценна последовательному подключению источника напряжения и источника сигнала

Напряжение, приложенное к входу приемника Vin , получается равным сумме напряжений источника сигнала и разности потенциалов между двумя заземляющими проводами. В этом случае результат проведенных измерений, выполненных по указанной схеме, будет включать дополнительную погрешность Vg . Если источник сигнала и приемник сигнала располагаются рядом или если напряжение сигнала будет усилено, тогда величина погрешности окажется в допустимых пределах.

Положение можно улучшить, если использовать для соединения заземляющего провода приемника и источника сигнала медный проводник с небольшим сопротивлением (Рис. 6).

Рис. 6. Сопротивление проводника, соединяющего заземление источника и приемника сигнала, имеет конечное значение

Но это не позволяет полностью исключить паразитное напряжение Vg, так как индуктивный ток, возникающий по причине разности потенциалов между заземляющими проводниками, будет проходить по проводу, соединяющему «земли». Чаще всего, главными компонентами этого тока считается помеха (частота 50 Гц) и электродвижущая сила, наведённая электромагнитными полями с высокой частотой. В этом случае основная роль отводится индуктивности проводника, для устранения которой необходимо использование в схеме дифференциального приемника.

Максимальная точность измерения сигнала для заземленного источника, получается по схеме, приведённой на Рис. 7. Наличие дифференциального приёмника сигнала позволяет добиться уменьшения синфазного напряжения помехи Vg в KCMRR раз.

Рис. 7. Для измерения сигнала от заземленного источника используется дифференциальный приёмник

Необходимо отметить, что на приведенной схеме (Рис. 7) не следует соединять один из входов с заземлением приёмника, так как в этом случае получится схема с одиночным входом (См. рис. 6) и характерными недостатками.

Измерение напряжения у незаземленных источников

Для точного измерения напряжения плавающих (незаземлённых) источников сигнала можно использовать приёмники с одиночным или дифференциальным входом. Но при использовании приёмников второго типа следует обращать внимание на значение синфазного сигнала, которое должно находиться в пределах рабочего диапазона. Величина сопротивления между любым дифференциальным входом и заземляющим проводником может быть значительной, что приведёт к падению напряжения свыше 10 вольт даже при небольшом токе помехи. При этом приёмник сигнала перейдёт в режим насыщения.

В состав тока помехи могут входить следующие токи: входные токи смещения от приёмника дифференциального типа и ток паразитной ёмкостной связи от источника помехи. Для снижения негативного воздействия от данного эффекта следует соединить через резисторы входы дифференциального приёмника и заземляющий проводник (Рис. 8). При значительном внутреннем сопротивлении источника сигнала применяют резисторы с одинаковым значением сопротивления.

При невысоком внутреннем сопротивлении источника (термопары и другие датчики) можно использовать один резистор, так как разница сопротивлений не играет большой роли. Если источник и приёмник сигнала соединены при помощи развязывающих конденсаторов, то в этом случае характеристики резисторов должны быть идентичными. При проведении особо точных измерений подобные резисторы обеспечивают отличную симметрию дифференциальной пары проводов и способствуют улучшению эффекта компенсации, возникающего от синфазной помехи.

Рис. 8. Применение резисторов для устранения причины насыщения дифференциального приёмника

Для снижения величины синфазного сигнала подбирают резисторы с минимальным сопротивлением, которое должно на порядок и более превышать значение внутреннего сопротивления источника сигнала. Данное требование позволяет исключить погрешность при проведении измерений. Например, для термопар значение сопротивлений находится в стандартном диапазоне от 10 до 100 кОм. Приемники сигнала с дифференциальным входом имеют лучшую защиту от помех по сравнению с приёмниками, где используется только один вход.

Выбор конкретного типа приёмника зависит от требований к системе и фактических условий их применения. В ходе проведённого эксперимента сравнивались величины помех для приемников обоих типов. Для источника сигнала использовался терморезистор с R = 20 кОм и проводник длиной пять метров (витая пара). Дифференциальный приёмник был представлен инструментальным комплексом, состоящим из цифрового усилителя RL 4DA200 и системы по сбору информации RealLab! (RLDA).

По результатам эксперимента было установлено, что если вместо одиночного включения применять дифференциальное, то данном случае можно снизить среднеквадратичную величину напряжения помехи в 136 раз. Полученный эффект объясняется принципом работы дифференциального усилителя, который ослабляет помехи с учётом коэффициента подавления синфазного сигнала (в
KCMRR раз). Между тем усилитель, имеющий всего один вход, воспринимает помеху без ослабления.

В итоге можно резюмировать, что приемники с одиночным входом применяются при соблюдении следующих условий:

Небольшое расстояние между приёмником и источником сигнала (несколько метров).
Достаточная величина сигнала (порядка 1 В) или при наличии усилителя.
При использовании проводника с низкоомным сопротивлением для соединения выводов «земля» источника и приёмника сигнала в одной точке.
При невыполнении этих условий, необходимо всегда использовать приемники сигнала с дифференциальным входом.

К одной из причин появления погрешности при передаче сигнала относится падение напряжения Vg в пределах участка провода, который является общим для сигнала и определенной нагрузки (см. Рис. 9). Подобная паразитная связь именуется резистивной (кондуктивной). В качестве нагрузки может выступить цифровая схема и заземляющий проводник, а также любой случайный провод, замкнувший «землю» и корпус оборудования, через который проходит ток INN от источника eNN.

Например, стандартная схема из нескольких операционных усилителей, приводит к падению напряжения свыше 1 мВ на проводе длиной всего 0,2 метра. Это вполне сравнимо со значением МЗР двенадцатиразрядного приемника сигнала. Также определённые проблемы могут возникнуть от цифровой схемы, работающей во время передачи сигнала аналогового типа. В этом случае, результатирующее напряжение Vin будет равно сумме напряжения помехи Vg и напряжения источника сигнала e1.

Рис. 9. Паразитный ток Is, проходящий по общей части заземляющего провода, вызывает падение напряжения Vg

Для решения этой проблемы необходимо следующее: заземление приемника и источника сигнала выполняется отдельным изолированным проводником, который предназначается только для этого цели (Рис. 10).

Рис. 10. Для решения проблемы с падением напряжения необходимо соединить заземляющий провод источника и приёмника сигнала с помощью отдельного проводника

Для предупреждения появления проблемы с падением напряжения следует делать различия в таких специфических терминах, как «цифровая земля», «аналоговая земля» и «сигнальная земля». Для обустройства правильного заземления необходимо использовать разные провода, которые допускается соединять исключительно в одной точке. Также ни в коем случае нельзя применять сигнальные цепи для питания любой аппаратуры, даже небольшой мощности.

Индуктивные и емкостные связи

Сделаем предположение, что вблизи от сигнального провода находится другой провод, по которому проходит электрический ток с амплитудой IN (Рис. 11). Вследствие возникновения эффекта электромагнитной индукции в пределах сигнального провода появится напряжение помехи VM . Если ток примет синусоидальную форму, то амплитуда напряжения помехи, наводимая на сигнальном проводе, будет вычисляться по формуле

Значение взаимной индуктивности будет пропорционально площади витка, пересекаемого магнитным полем, которое образуется при прохождении тока IN . Под термином «виток» в данном контексте понимается контур, по которому проходит ток, вызванный электродвижущей силой помехи.

Рис. 11. Пути движения индуктивной и ёмкостной помехи, исходящей от источника eN

На Рис. 11 данный контур образован при помощи сигнального провода, входного сопротивления приёмника сигнала, заземляющего провода и выходного сопротивления источника сигнала. Для снижения взаимной индуктивности необходимо уменьшить площадь контура до минимальных размеров, что означает максимально близкое расположение сигнального и заземляющего провода. Чтобы уменьшить эффективную площадь витка, его следует расположить в плоскости, которая перпендикулярна плоскости контура с током, являющегося источником помех.

По формуле (6) следует, что рост индуктивной наводки происходит при увеличении частоты и практически отсутствует при постоянном токе. На Рис. 11 напряжение помехи и источник сигнала имеют последовательное подключение, что вносит в результат измерений аддитивную погрешность. При Rin стремящимся к бесконечности напряжение на входе приемника не зависит от сопротивления источника сигнала и определяется по формуле:

Ёмкостная наводка полностью определяется значением внутреннего сопротивления Ri источника сигнала:

Как следует из формулы 7, при RI равным нулю ёмкостная помеха также будет отсутствовать. Но в действительности у сигнального проводника имеется небольшое резистивное и индуктивное сопротивление, на котором возникает падение напряжения помехи. Это не даёт возможность для полного устранения причины ёмкостной наводки при помощи источника, обладающего низким внутренним сопротивлением. Поэтому нужно обязательно учитывать индуктивность сигнального провода при появлении высокочастотных помех, которые могут вызвать искажение сигнала.

Порядок величин сопротивлений и виды типовых источников сигнала приведены в таблице 1.

Таблица 1. Типовые датчики, используемые в качестве источника сигнала.

Датчики с большим внутренним сопротивлением или имеющие небольшое напряжение сигнала, необходимо устанавливать вблизи усилителя сигнала, чтобы обеспечить совместную работу. В этом случае к приёмнику будет поступать усиленный сигнал. Но чтобы устранить индуктивную наводку, в качестве носителя сигнала вместо напряжения должен использоваться именно ток (Рис. 12). Идеальный источник тока не зависит от характера применяемой нагрузки и от величины наведенной электродвижущей силы.

Рис. 12. Канал передачи сигнала при помощи тока более устойчив к воздействию индуктивных наводок электромагнитного характера

Таким образом, для эффективного уменьшения ёмкостной наводки следует передавать сигнал посредством идеального источника напряжения. Для существенного снижения индуктивной наводки можно использовать идеальный источника тока. В каждом конкретном случае выбор типа носителя информации зависит от преобладающей помехи. Если источник помехи характеризуется большим напряжением, то будут преобладать ёмкостные наводки. Если в качестве источника помехи выступает мощное силовое оборудование потребляющее значительные токи, тогда будут заметны индуктивные помехи.

Следует отметить, что в техническом плане намного труднее экранировать магнитную наводку. Попытки совместить все достоинства передачи сигналами различной формы приводит к тому, что для передачи информации требуется сигнал значительной мощности. Из этого следует вывод, что величина погрешности, вносимая помехами в результаты проведенных измерений, определяется отношением между мощностью сигнала и помехи. Аналогичный вывод можно получить из формулы (6): если сопротивление источника сигнала и нагрузки будет бесконечно малой величиной, то и напряжение будет бесконечно малой величиной, и тогда напряжение помехи также будет стремиться к нулю.

Паразитные связи в линиях дифференциального типа

Эффективное средство для устранения индуктивных и ёмкостных связей – источники сигнала, обладающие дифференциальным токовым выходом и приемники сигнала с низкоомным дифференциальным (токовым) входом (См. Рис.13). Так как информация передается в форме тока, поэтому индуктивная наводка незначительна. Благодаря прекрасной симметрии линии передачи емкостная наводка является синфазной и в значительной степени подавляется входным дифференциальным приемником. Для создания дополнительной защиты применяется экранирование линии. В этих источниках токи имеют противоположное направление и равны друг другу по абсолютной величине.

Рис. 13. Источник и приёмник тока дифференциального типа

Для обеспечения должного качества передачи сигнальные провода выполняются в виде «витой пары» с экранированной поверхностью. В этом случае обеспечивается оптимальная согласованность продольных импедансов, а также импеданса на заземляющий проводник. Из-за различий в длине проводов и разницы в частотных характеристиках импедансов проводников возможно возникновение синфазных помех высокой частоты. Для улучшения согласованности линий в витой паре следует применять провода, которые предназначены для инструментальных измерений.

Использование вместо одной двух витых пар соединенных последовательно, позволяет повысить точность передачи сигнала и уменьшить продольный импеданс в проводниках. К удачным примерам дифференциального способа передачи сигнала можно отнести пару, которая включает токовый передатчик SSM2142 и приемник SSM2141 (Analog Devices) дифференциального типа. Данная пара характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала равным 100 дБ (частота 60 Гц) и способна работать с нагрузкой 600 Ом, создавая наибольшее падение напряжения порядка 10 В.

Для предотвращения ситуации, когда выходные каскады источников тока насыщаются разностью токов (I1 -I2) можно применять способ, идентичный с тем, что представлен на Рис.8. Однако в этом случае резисторы должны соединяться с заземлением источника сигнала.

Характерная особенность токовых каналов передачи информации заключается в том, что в соответствии с формулой (7) при значительном сопротивлении приёмника и источника сигнала относительно заземляющего провода напряжение ёмкостной наводки будет максимальным. Использование в схеме резисторов, предназначенных для заземления тока помехи (Рис. 8), несколько улучшает положение, однако такие резисторы не могут иметь очень малое сопротивление, поскольку это способствует увеличению влияния их рассогласования на погрешность передачи тока.

Экранирование сигнальных проводников

Для экранирования сигнального провода используются различные методы, учитывающие пути прохождения помех. Электростатический экран в форме проводящей трубки позволяет полностью устранить неблагоприятное воздействие паразитной ёмкостной связи. Для защиты от влияния магнитного поля применяются материалы с повышенной магнитной проницаемостью.

При подключении электростатического экрана его нельзя одновременно подключать к заземлению приемника и источника, так как в этом случае через экран будет идти ток, вызванный разностью потенциалов на заземляющих проводах (Рис. 14). Если разность потенциалов достигнет нескольких вольт, сила тока может достигать нескольких ампер. Также этот ток вызывает индуктивные наводки на других проводах, находящихся рядом или расположенных внутри экрана. При неточном центрировании проводов внутри защитного экрана могут возникнуть наводки значительной величины. Таким образом электростатический экран необходимо заземлять лишь со стороны источника сигнала.

Рис. 14. Пример неверной схемы заземления электростатического экрана

В общем случае рекомендуется гибридное заземление (Рис. 15) – наиболее популярный способ заземления при передаче широкополосного сигнала от отдалённого источника с большим сопротивлением. В этой схеме ёмкость CHF способствует ослаблению высокочастотной составляющей электромагнитной помехи. Таким образом, ток низкой частоты, вызывающий индуктивную наводку, имеет небольшое значение, а заземление высокочастотных электромагнитных наводок осуществляется через ёмкость CHF.

Рис. 15. Пример правильной схемы заземления экрана при использовании отдалённого источника сигнала с высоким внутренним сопротивлением

Экран для надёжной защиты от паразитных индуктивных связей изготовить намного сложнее, чем классический электростатический экран. Для этой цели требуется специальный материал с повышенной магнитной проницаемостью и значительной толщиной, заметно превосходящей параметры электростатических экранов. В частотном диапазоне менее 100 кГц можно применять экраны из стали или пермаллоя. При более высоких частотах лучше всего подойдут медные или алюминиевые экраны.

Экранирование магнитной составляющей помехи представляет особую сложность, поэтому повышенное внимание необходимо уделить снижению до приемлемой величины индуктивности сигнального провода и правильному выбору оптимальной схемы подключения приемника и передатчика сигнала.

Рис. 16. Схема подключения усилителя и экрана, обеспечивающая среднеквадратичную амплитуду помехи 15 мкВ.

Рис. 17. Схема подключения усилителя и экрана, обеспечивающая среднеквадратичную амплитуду помехи 61 мкВ.

Рис. 18. Схема подключения усилителя и экрана, обеспечивающая среднеквадратичную амплитуду помехи 78 мкВ.

Рис. 19. Схема подключения усилителя и экрана, обеспечивающая среднеквадратичную амплитуду помехи 3 584 мкВ.

Если у источника сигнала отсутствует защитное заземление (характерная ситуация для большинства температурных датчиков), то электростатический защитный экран применяется совместно с усилителем дифференциального типа и резисторами на входе. Заземление экрана выполняется по схеме приведённой на Рис.16.

При экспериментальном сравнении различных вариантов подключения источника сигнала, в качестве которого применялся терморезистор с R= 20 кОм, через экранированную витую пару L = 3,5 м (Рис. 20) были получены следующие результаты.

Отказ от использования защитного экранирования при использовании дифференциального включения повышает амплитуду помехи в четыре раза (Рис. 17).
Применение одиночного подключения вместо дифференциального увеличивает амплитуду помехи в пять раз (Рис. 18).
Отказ от экранирования при одиночном подключении приводит к тому, что амплитуда помехи возрастает в 230 раз (Рис. 19).

Рис. 20. Вид помехи, возникающей при схеме включения по Рис. 16.

На этих рисунках показаны среднеквадратические величины амплитуды напряжения помех в частотном диапазоне от 0,010 до 5 Гц.

Электромагнитные высокочастотные помехи связаны с работой мощных радиоэлектронных устройств, таких как телерадиопередатчики, сотовые и мобильные радиотелефоны, коллекторные электродвигатели и генераторы, тиристорные преобразователи, электросварочное и другое электротехническое оборудование. Электромагнитные помехи с частотой более 100 кГц лежат вне пределов частотного диапазона измерительных систем, между тем подобные помехи могут быть выпрямлены или смещены в диапазон более низких частот. Данное свойство связано с нелинейными характеристиками транзисторов и диодов, находящихся внутри микросхем или находящихся на измерительных платах.

В современных особо чувствительных системах могут возникать паразитные напряжения связанные с проявлением:

Термоэлектрического эффекта при контакте разнородных металлов,
Трибоэлектрического эффекта при трении диэлектриков между собой.
Пьезоэлектрического эффекта при изменении давления.
Эффекта электростатического (электромагнитного) микрофона.

Подобные источники помех встречаются редко, о них часто забывают и поэтому они также представляют определенную опасность.

Практическое решение проблем электромагнитных помех

Для практического решения проблем с электромагнитными помехами необходимо определить источник помех. Вначале следует произвести измерение уровня помех отдельно в каждом элементе: в приёмнике сигнала, в источнике сигнала и в кабеле, связывающем приёмник с источником. Для корректной проверки приемника используется провод минимально допустимой длины: при помощи провода соединяют вход приёмника и заземляющее устройство. Все входы многоканальной системы должны быть заземлены. На выходе получим собственные шумы, генерируемые приемником сигнала.

Цель проверки – убедиться в соответствии уровня шумов значениям, указанным в спецификации на изделие. Возможная причина повышенного уровня шумов связана с источником помех, оказывающих влияние на фунционирование платы измерительного устройства или некорректное подключение питающих и заземляющих проводов. Измерение уровня помех, возникающих в кабеле, выполняется по следующей схеме. Кабель подключается к системе сбора данных, закорачивается со стороны источника сигнала (так обеспечивается нулевое внутреннее сопротивление источника сигнала).

Причина значительных различий в уровне помех может быть связана с недостаточно низким сопротивлением источника сигнала. Чтобы уменьшить сопротивление следует применять подходящий согласующий усилитель или подобрать другой способ передачи сигнала, отличающийся повышенной устойчивостью к помехам. Измерение степени помех источника сигнала выполняется при помощи проводника небольшой длины, который соединяет источник сигнала с входом приёмника. Для установления источника помех применяется спектральный анализ помехи.

Для обеспечения повышенной точности передачи сигнала, следует для передачи каждого сигнала использовать собственную экранированную пару. При изготовлении витой пары промышленного применения особое внимание уделяется обеспечению симметрии импедансов проводов в витой паре и равномерность АЧХ в полосе рабочих частот. Достижение равномерности амплитудно-частотной характеристики позволяет компенсировать асимметрию линий и снизить влияние паразитных наводок. При защите кабеля от паразитных электромагнитных наводок следует обеспечить минимально допустимый шаг скрутки проводов в витой паре и наименьшую площадь петель, возникающих при подключении проводника к источнику и приёмнику сигнала.

Если к точности передачи сигнала предъявляются невысокие требования, тогда можно применять в общем экране сигнальные провода с витой парой или обычные, не витые провода. Но при этом следует учитывать, что в кабеле могут возникнуть помехи от ёмкостного, индуктивного или кондуктивного взаимовлияния проводников. В отдельных случаях, когда полоса частот сигнала меньше частотного диапазона приёмника или при заранее известных параметрах сигнала, можно уменьшать помехи за счет установки на входе системы аналоговых фильтров.

Помехи с частотой 50 (60) Гц ослабляются фильтрами третьего порядка, которые имеют наклон амплитудно-частотной характеристики в полосе заграждения – 60 дБ на декаду. При измерениях на частотах вблизи граничных значений частот фильтра, необходимо учитывать неизбежные погрешности коэффициента передачи фильтра, возникающие в полосе пропускания. Дальнейшее уменьшение уровня помех возможно за счет применения цифровой фильтрации. Однако возможности цифровой фильтрации ограничены мощностью и быстродействием системы по сбору информации, разрядностью используемого аналого-цифрового преобразователя и временем для проведения измерения. Поэтому цифровая фильтрация в настоящее время не может полностью заменить аналоговые фильтры.

Проблема защиты промышленных систем автоматизации от воздействия паразитных помех заслуживает особого внимания. Выбор ошибочной схемы подключения источника сигнала, некорректная разводка кабелей, недочёты в системе заземления и экранирования могут сказаться на работоспособности электронных компонентов даже особо надёжной и очень дорогой системы. Но если понять причины возникновения помех и выбрать правильную методику защиты автоматизированных систем, то можно достигнуть приемлемых результатов при использовании стандартного оборудования по доступной цене.

16.1. Виды помех

В зависимости от подверженности воздействия помех все виды информации, отображаемой непрерывными сигналами можно разбить на 2 группы:

1) Передача речевых сигналов, программ вещания и звукового сопровождения программ телевидения;

2) Передача неподвижных и движущихся изображений.

К качеству передачи первой группы предъявляются два требования, заключающихся в сохранении натуральности звучания и разборчивости речи.

Существует формантная теория разборчивости речи, разработанных для аддитивных помех.

В соответствии эта теория при расчёте разборчивости на отдельных частотах спектра речи определяет превышение сигнала над помехами затем определяет формальную разборчивость на этих частотах потом суммируется по всем частотам. Далее по известным кривым пересчета определяются разборчивость звуков, слогов, слов или фраз.

Зная артикуляции слогов, можно судить и об артикуляции звуков, слов, фраз, т.к. между существует определённая зависимость. Например коэффициенту артикуляции слогов равному 0,5 соответствует артикуляция фраз порядка 0,98.

Флуктуационные помехив телефонных каналах и каналах вещания и звукового сопровождения программ телевидения воспринимаются шорох, а резкие выбросы напряжения, как щелчки. Эти явления маскируют звуковые сигналы, снижая коэффициент артикуляции. Однако мешающие воздействие флуктуационных помех несколько сглаживаются благодаря неодинаковой частотной зависимости чувствительности уха и воспроизводящих приборов. Чтобы учесть это различие при оценки меньшего воздействия, флуктуационные помехи, имеющие равномерный спектр, пропускают через ток называемыйпсофометрическийвзвешивающий фильтр. Помехи измеренные таким образом, называютпсофометрическими,в отличие от взвешенных помех, измеренных без указанного фильтра. По рекомендациям МККТТ частотные характеристики псофометрических фильтров таковы, что средний уровень не взвешенных помех превышает уровень псофометрических помех на 2,5 дБ в стандартных телефонных каналах и на 5 дБ в каналах вещания. Эту разность называют псофометрическими коэффициентами.

Пример: P_псоф= 10⁴пВт (в точке с Р_аб=0) – помехи едва различимы

P_псоф= 10⁵пВт – разборчивость еще достаточна

P_псоф= 10⁶пВт – разборчивость речи становится

недостаточной

Для обеспечения качества передачи нужно чтобы внятные помехи маскировались остальными видами помех. Для этого необходимо чтобы переходных затуханий было 65 – 70 дБ защищенность (при a_r=7 дб) было 58 дБ. В каналах вещания 74 дБ.

Селективные помехисоздают фон, имеющий восприятию звуковых сигналов. Мешающие воздействие определяется не только мощностью селективных помех но зависит от того какая частота. Особенно опасна в средних частях частотного диапазона.

Импульсные помехипрослушиваются как отдельные щелчки и трески и значительного влияния не оказывают.

Кратковременные перерывы.Воздействие определяется особенность строения человеческого уха, голосовых связок, психологии говорящего и слушающего, а также техническими возможностями средств коммутации. Длительность звуков человеческой речи колеблется в пределах от 25 до 250 мс. Не менее существенным фактором является и постоянная слуха, характеризующая свойства органов слуха воспринимать слитно звуки, интервал между которыми не превышает 30÷50 мс. Эти факторы определяют нижние границы кратковременных перерывов (25 – 30 мс.).

Однако при такой длится хотя и снижается коэффициент артикуляции, качество передачи речи не очень снижается из-за большей внутренней избыточности речи. Резкое ухудшение качества телефонных переговоров наблюдается только при появлении перерывов свыше 300 мс. При этом может быть ложный отбой, а также абоненты «потеряв» друг-друга начинают задавать встречные вопросы.

Передача изображений.Для получения точного воспроизведения передаваемого изображения необходимо поддерживать строго одинаковую скорость разложения изображения на элементы при передаче и скорость воссоединения элементов на приёме.

Скорость разложения движущегося изображения на элементы должна быть значительно больше, чем скорость передачи неподвижных изображений. Достаточно 16-20 снимков за 1 минуту.

Мешающие воздействие помех при передаче TVсигналов несколько сглаживается вследствие неодинакового характера частотной зависимости чувствительности глаза и воспроизводящих приборов.

Для TVсоотношение сигнал/помеха определяется как отношение напряжения видеосигнала при передаче белого поля кU_пом. Разность уровней сигнала и помех в конце гипотетический цепи длиной 2500 км. должен быть не менее 52 дБ.

Передача дискретных электрических сигналов

Верность характеризуется верностью отсутствия ошибки

Р_ош. Р_пр=1-Р_ош

Величина потерь достоверности в каналах связи зависит от соотношения мощности сигнала и суммы мощности флуктуационных и селективных помех. В проводных каналах связи величина этого соотношения достаточна велика. Основные потери определяются наличием в каналах импульсных помех и кратковременных перерывов.

8 Лекция Основные виды помех и способы их устранения. Экранирование. Заземление.

Цель: изучение основных видов помех и способов их устранения.

Задачи:

1. Рассмотреть основные виды помех.

2. Изучить понятие экранирования.

3. Изучить понятие заземления.

4. Изучить классификацию экранов.

Учебная информация

Основные виды помех и способы их устранения.

Помехи бывают: магнитные, электрические, кондуктивные.

Причиной возникновения магнитных помех является протекание переменного тока в проводниках и катушках индуктивности. Электрические поля возникают за счет емкостных связей при протекании тока частотой выше 10МГц. Кондуктивные помехи возникают в результате наличия общих цепей питания или нагрузки основного — полезного и наводимого — вредного сигнала. При наличии вредных связей электрических цепей, находящихся в магнитных и электрических полях, или проводной связи цепей питания и нагрузочных сопротивлений неизбежно снижается устойчивость работы ЭВА. Меры создания помехоустойчивости РЭА находят отражение в принципиальных электрических схемах, осуществляются конструктивно созданием экранирующих элементов НК и помехоустойчивого монтажа. Основные методы, применяемые для борьбы с помехами – экранирование и заземление.

Экранирование.

Экран представляет собой металлическую перегородку, разделяющую две области пространства, и предназначен для регулирования распространения электрических и магнитных полей от одной из этих областей к другой.

Главное назначение экрана — ослабление напряженности электрического (Е) или магнитного полей (Н).

Различают экраны с внутренним источником помех и экраны внешнего электромагнитного поля, во внутренней полости которых помещаются чувствительные к помехам узлы. На рис. представлена классификация экранов.

Эффективность экранирования — это уменьшение напряженностей магнитного и (или) электрического полей. Количественно определяется коэффициентом экранирования (в децибеллах):

— для электрического поля — для магнитного поля

Рис.4

Выражения для расчета эффективности электромагнитного экранирования различны для различных диапазонов частот внешних полей.

Форма экрана влияет в первую очередь на характеристическое сопротивление среды вблизи него и, как следствие, на эффективность экранирования, а также на резонансные свойства, а именно, на значение частоты, на которой происходит резкое увеличение магнитного или электрического поля внутри экрана.

Материал экрана оказывает наибольшее влияние на эффективность экранирования. Величиной, характеризующей экранирующее действие материала, является глубина проникновения δ (на какой глубине напряженность электрического поля уменьшается).

Для электромагнитного экранирования используются тонколистовые и фольгированные материалы толщиной от 0,01 до 0,05мм. Широко применяются сеточные экраны.

Заземление.

Заземление — преднамеренное электрическое соединение с землей или эквивалентом механических корпусов, сооружений, установок и т.п.

Элемент заземления — элемент в цепи заземления, обеспечивающий соединение (разъемное или неразъемное) и электрический контакт с определенным стабильным переходным сопротивлением.

Каждый заземленный элемент должен быть присоединен к заземляющему устройству посредством отдельного ответвления, не допускается последовательное включение нескольких заземляемых элементов. В заземляющих устройствах используются конкретные соединения двух видов: разборные и неразборные.

В разборных элементах заземления, контактирующие поверхности должны иметь коррозионностойкие и электропроводящие покрытия.

В разборных устройствах для создания надежного контакта между элементами используются резьбовые соединения, затяжка в которых производится винтом или гайкой.

Элементы заземления должны располагаться в легкодоступных местах для обеспечения удобства монтажа и проверки переходного сопротивления контактов. Для внешнего контроля переходного сопротивления контактов в блоках и приборах необходимо предусматривать специальные места контроля, которые должны располагаться на минимально возможном расстоянии от элементов заземления и в местах, удобных для замера.

Вопросы для самопроверки:

Какие виды помех Вы знаете?
Поясните основные способы устранения помех.
Что такое экранирование, эффективность экранирования?
По каким признакам классифицируются экраны?
Что такое заземление? Как конструктивно реализуется?

Виды помех: 15. Виды радиопомех – Понятие о помехах и методы борьбы с ними — Викиучебник