Шумы - электроника

 Во-второй схеме используется экранированная витая пара, экран которой присоединен к корпусу на обоих концах.Это не опасно,т.к. по экрану сигнал не идет.Дифференциальный усилитель используется,как и раньше,на приемном конце.Если передается логический сигнал,то имеет смысл передавать дифференциальный сигнал(сигнал и его инверсию),как показано на рисунке.

  На радиочастотах подходящий способ подавления синфазного сигнала на приемном конце дает трансформаторная связь;она также облегчает получение дифференциального биполярного сигнала на передающем конце.Трансформаторы также популярны в звуковой аппаратуре,хотя они громоздки и ведут к некоторому искажению сигнала.

 Для очень длинных кабельных линий(измеряемых километрами) полезно принять меры против больших токов в экранах на радиочастотах.Способ достижения этого показан на рис.5.Как было показано выше, дифференциальный усилитель работает с витой парой и на него не влияет напряжение экрана.Путем связи экрана через небольшую катушку индуктивности с корпусом удается сохранить малое напряжение постоянного тока,а большие радиочастотные токи исключить.На .той схеме также показана защита от выхода синфазного напряжения за пределы В.

 Хорошая схема защиты многопроводного кабеля,в котором требуется исключить синфазные наводки,показана на рис.6.Так как у всех сигналов наводка одна и та же,то единственный провод,подключенный к земле на передающем конце,служит для компенсации синфазных сигналов во всех n проводах сигнала. Просто этот сигнал считывается по отношению к земле на приемном конце и используется как опорный входной сигнал для всех n дифференциальных усилителей,работающих с остальными сигналами.

 Приведенные схемы хорошо подавляют синфазные помехи на низких и средних частотах,но против РЧ-помех они могут оказаться неэффективными из-за низкого КОСС в приемном дифференциальном усилителе.

 Плавающий источник сигнала.Та же несогласованность напряжений заземления в разных местах проявляется еще более серьезно на входах низкого уровня,поскольку там сигналы очень малы[6].Если заземлить экран на обоих концах,то разность напряжений заземления появится в качестве сигнала на входе усилителя.Лучше всего отделить экран от заземления в источнике(рис.7).

Изолирующие усилители.Другим решением связанных с заземлением проблем является использование “изолирующего усилителя”.Изолирующие усилители-готовые устройства, предназначенные для передачи аналогового сигнала(с полосой частот,начинающейся от постоянного тока)от схемы с одним опорным уровнем заземления к другой схеме,имеющей совершенно другую землю(рис.8).На практике в некоторых экзотических ситуациях потенциалы этих “земель” могут отличаться на много киловольт.Применение изолирующих усилителей обязательно в медицинской электронике-там,где электроды прикладываются к телу человека,с тем,чтобы полностью изолировать такие контакты от измерительных схем,питающихся непосредственно от сети переменного тока.

 Защита сигнала.Это также способ уменьшения эффектов  входной емкости и утечек при малых сигналах и большом полном сопротивлении.Если мы работаем с сигналами от микроэлектродов или емкостных датчиков с внутренним полным сопротивлением в сотни мегаом,то даже входная емкость в несколько пикпфарад может в этом случае совместно с этим сопротивлением обрразовать фильтр нижних частот со спадом,начинающимся с нескольких герц.К тому же конечное значение сопротивления изоляции в соединительном кабеле легко может на порядки ухудшить рабочие параметры усилителя со сверхнизким током входного сигнала(ток смещения меньше пикоампера) за счет утечек.Обе эти проблемы решаются путем использования защитного электрода(рис.9).

 Внутренний экран соединен с повторителем;это эффективно исключает токи и резистивных,и емкостных утечек за счет нулевой разности потенциалов между сигнальным прроводом и его окружением.Внешний заземленный экран предохраняет от помех защитный электрод;не доставляет хлопот работа повторителя на емкость и утечку между экранами,т.к. у повторителя малое полное выходное сопротивление.

 Этот прием не следует применять чаще,чем это необходимо; имеет смысл ставить повторитель как можно ближе к источнику сигнала,защищая лишь небольшой отрезок кабеля,соединяющий сигнал после повторителя с его низким полным выходным сопротивлением к отдаленному усилителю можно и по обычному экранированному кабелю.

 Методы сужения полосы пропускания.

 Эти меры принимаются для улучшения отношения сигнал/шум. Мы сужаем ширину полосы пропускания и сохраняем тем самым нужный сигнал,сократив одновременно общее количество принимаемых шумовых сигналов.

  Известно несколько методов сужения полосы пропускания, получивших широкое распространение на практике:

-усреднение сигнала,

-переходное усреднение,

-метод интегрирования,

-многоканальное уплотнение,

-амплитудный анализ импульсов,

-детектирование с захватом,

-фазовое детектирование.

Все эти методы предполагают,что сигнал является периодическим[7].

Мы не будем рассматривать эти методы.

Классификация помех в устройствах ЭВМ.

Борьба с помехами приобретае все большую актуальность по многим причинам,вот некоторые из них:

 -рост доли задержек сигналов в линиях связи по сравнению с задержками собственно логических элементов,обусловливаемых конечностью скорости распространения сигналов в линиях связи и переходными поцессами в них,

 - возрастающая зависимость быстродействия ЭВМ,правильности ее функционирования от оптимальности выбора конструктивного исполнения линий связи и принятия соответствующих схемотехнических мер,

 -возрастание взаимного влияния между элементами и линиями связи из-за увеличения плотности размещения элементов компонентов.

1.Линии связи.Линии связи(ЛС) заметно влияют на процессы передачи информации.Влияние ЛС определяется ее типом.В зависимости от соотношения длительности фронта передаваемого сигнала и времени распространения его по ЛС последние подразделяют в случае анализа помех на электрически короткие и электрически длинные линии.

 Линия связи считается электрически короткой линией,если ,

где и -время спада и нарастания передаваемого сигнала

            соответственно;

    l-длина линии связи;

    vp-скорость распространения сигнала в линии связи.

На практике принимают

,

 где e-диэлектрическая постоянная среды;

     С0=300000 км/с.

Линия связи считается электрически длинной линией,если

  .

 Уточним понятие помехи для вычислительного устройства:это внешнее или внутреннее воздействие,приводящее к искажению дискретной информации во время ее хранения,преобразования,обработки и передачи.

2. По характеру воздействия на дискретную информацию помехи в устройствах ЭВМ,выполняемых на ИС,проявляются как задержки передачи импульсов,искажения фронтов импульсов,искажения  уровней передаваемых потенциалов,уменьшение амплитуд передаваемых импульсов,постоянные смещения уровней напряжения питания.

3.По источнику создания помех их целесообразно разделять на помехи внешние,как правили,наводки,создаваемые внешними по отношению к рассматриваемому устройству аппаратами, устройствами,условиями эксплуатации,и помехи внутренние, обусловливаемые конкретным выполнением линий связи в рассматриваемом устройстве.

4.По месту проявления помехи могут быть подразделены на помехи в сигнальных линиях связи и в цепях питания.Видом проявления внутренних помех в электрически коротких ЛС являются задержки сигналов из-за емкостного или индуктивного характера линии связи,емкостные и индуктивные взаимные наводки между сигнальными проводниками,а внутренних помех в электрически длинных ЛС-задержки передачи сигналов, искажения формы передаваемых сигналов из-за отражений, взаимные наводки между линиями связи,затухания сигналов.

Помехи в цепях питания и меры по их уменьшению.

1.К проявлениям помех в цепях питания относят:постоянные смещения уровня шины “земля”,обусловливаемые ее активным сопротивлением;импульсные ЭДС,вызываемые динамическими токами потребления ИС в индуктивности шин “земля” и “питание”,динамическими токами перезаряда “паразитных” емкостей линий связи;периодические колебания напряжения питания,вызываемые реактивным характером цепей питания.

2.Статические помехи в цепях питания.Помехи в цепях питания возможны из-за падения напряжения на активном сопротивлении шин “земля” и “питание” при протекании по ним постоянных токов;возникновения ЭДС самоиндукции в цепи шин питания прри протекании по ним импульсных токов;”медленных” колебательных процессов в шинах питания при “бросках” тока нагрузки.

  Чтобы свести к минимуму “постоянную” помеху,необходимо выбрать такую конструкцию шин “земля”,при которой падение на ней напряжения от постоянного тока было бы меньше наперед заданного допустимого значения Uпом.доп.,рассчитываемого из условия обеспечения помехозащищенности устройства.

 Рассмотрим случай,когда n одинаковых логических элементов имеют одну общую шину “земля”,присоединенную к нулевой точке на одном конце шины(рис.10).Очевидно,что в наихудшем режиме с точки зрения помехозащищенности работает n-й элемент, поскольку его реальная статическая помехозащищенность уменьшается по сравнению с номинальной(паспортной) на значение падения напряжения на шине “земля” в точке его присоединения и для n-го элемента это падение напряжения  составляет максимальное значение U=пом.

 Величина U=пом. приближенно рассчитывается по схеме рис.10б.

 Обозначая через DRш сопротивление участка общей шины “земля” между 2мя расположенными рядом микросхемами,а через Iип- ток потребления одной микросхемы,можно записать:

U=пом.= DRшnIип +DRш(n-1)Iип +...+DRшIип=DRшIип(1+2+...+(n-1)+n)=

=DRшIип(n+1)2.

 Задаваясь из условия обеспечения помехозащищенности устройства допустимым падением напряжения на шине “земля” Uпом.доп.,нетрудно вычислить допустимое сопротивление участка шины “земля” DRшдоп. и сформулировать требования к конструкции шины “земля”:

  DRшдоп.IипUпом.доп. или  DRшдоп.£ 2Uпом.доп/(Iип(n+1)n).

Конструктивными мерами по уменьшению постоянных помех следует считать:

-увеличение сечения шины “земля”;

- увеличение числа заземляющих точек,что уменьшает длину                          общих участков протекания тока элементов(рис.11);

-применение заземленных медных листов,к которым припаиваются все обратные провода ячеек или модулей;

-применение навесных шин питания;

-использование для подвода питания отдельных слоев многослойной печатной платы.

3.Импульсные помехи в цепях питания.Они обусловливаются главным образом кратковременными возрастаниями (“бросками”) токов потребления интегральных микросхем при переключении последних из одного логического состояния в другое и,во-вторых,динамическими токами перезаряда паразитных емкостей сигнальных линий связи (собственных емкостей сигнальных проводников относительно шины “земля”).Эти относительно большие по значению и короткие по длительности токи[8],протекая по шине “земля” цепи питания,вызывают на индуктивности общих шин “земля” импульсные падения напряжения.Последние,приложенные ко входу микросхем, действуют как импульсные помехи.Рассмотрим механизм возникновения импульсных помех для обоих случаев.

  Для изучения причин возникновения импульсных помех из-за бросков тока потребления ИС рассмотрим такую конструкцию шин питания,когда n одинаковых элементов подключены к шинам “питание” и “земля” через некоторое равное расстояние,причем n-1 любых элементов одновременно переключается из одного устойчивого состояния в другое,а на вход одного,например

n-го,элемента(рис.12а) подключен сигнал логического нуля Uвх.

 Перейдем к расчетной эквивалентной схеме(рис.12б):

         DLш-индуктивность участка шины “земля” между 2мя

             расположенными рядом микросхемами,

         iип-переменная составляющая тока потребления,

         Активным сопротивлением шин “земля” пренебрегаем.

 В общем случае ток потребления микросхемы резко возрастает в моменты ее переключения(рис.12в).Идеализируя форму переменной составляющей тока потребления(рис.12г),легко рассчитать ЭДС самоиндукции eпом,возникающую в шине “земля” (ШЗ)при изменении тока потребления:

 eпом=eпомi(t)=eпом1+eпом2+...+eпом(n-1),

где eпомi- ЭДС помехи,возникающей на участке ШЗ,соединяющей i-ю микросхему с (i-1)й микросхемой.

Приближенно |eпом1|= 2DLшDIип,

            |eпом2|= 2DLшDIип,

            ..................

            |eпом(n-1|= 2DLшDIип,где t-время переключения.

С учетом этого имеем:

 eпом=2DLш DIип[(n-1)+(n-2)+...+2+1]/t=2DLш DIип×n(n-1)/t.

Задаваясь допустимым значением импульсной помехи на входе элемента из-за помех по цепи питания eпом.доп,нетрудно

рассчитать допустимое значение индуктивности шины питания ШП,следовательно,сформулировать конструктивные требования к цепям питания:

               DLш.доп £ eпом.доп t/DIип×n(n-1).

Уменьшение импульсной помехи в цепях питания достигается либо выбором элементов с малыми бросками токов при переключении,либо при заданной системе элементов путем уменьшения индуктивности общей шины питания,что,в свою очередь,может быть достигнуто:

-увеличением числа заземляющих точек,

-применением заземленных медных листов,

-использованием для подвода питания многослойной печатной

 платы,

-выбором соответствующей конструции ШП(например,рис.12д),

-применением индивидуальных конденсаторов развязки[9].

Обеспечение помехозащищенности аппаратурных средств вычислительной техники.

1.Уменьшение помех в аппаратуре,собранной на интегральных микросхемах.Для подавления помех,вызванных ударами молнии в силовые линии,переключениями реле,переходными процессами при пуске электродвигателя,электрическими разрядами в аппаратуре или вблизи нее,высокочастотными полями и т.д. необходима тщательная проработка цепей питания, заземления, экранирования, топологии печатных плат с учетом конкретных характеристик интегральных схем.

1	2	3