Помехи от электростатических и электрических полей могут быть значительно снижены при применении соответствующих экранов. Гораздо сложнее защищаться от магнитных полей, поскольку они проникают внутрь проводящих материалов. Обычный экран, размещенный вокруг проводника и заземленный на одном конце, очень слабо защищает проводник от наведенных магнитными полями напряжений. Когда магнитное поле В0проникает внутрь экрана, его амплитуда падает экспоненциально (рис. 5.52Б). Глубина проникновения поля δ внутрь экрана (скин-слой) соответствует толщине слоя, в котором происходит ослабление магнитного поля на 37% по сравнению с его величиной в воздухе. В таблице 5.5 приведены типовые значения δ для нескоторых типов материалов, определенные на разных частотах. Из таблицы видно, что на высоких частотах для построения эффективных экранов можно использовать практически любой материал, тогда как в нижнем диапазоне — предпочтительнее применять сталь.
Таблица 5.5.Зависимость толщины скин-слоя (в мм) от частоты
Частота
Медь
Алюминий
Сталь
60 Гц
8,5
10,9
0,86
100 Гц
6,6
8,5
0,66
1кГц
2,1
2,7
0,20
10 кГц
0,66
0,84
0,08
100 кГц
0,2
0,3
0,02
1МГц
0,08
0,08
0,008
Источник: [15]
Для построения эффективных магнитных экранов для работы на низких частотах рекомендуется использовать материалы, обладающие высоким коэффициентом магнитной проницаемости, например, мю-металлы. Однако защитные свой-
9-Дж Фрайдси
242 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы
ства таких экранов значительно снижаются с ростом частоты и величины магнитного поля. Поэтому для работы на высоких частотах лучше применять магнитные экраны из толстой стали. Поскольку экранирование от магнитных полей всегда очень сложная задача, при работе на низких частотах всегда надо стремиться снижать магнитные поля; минимизировать площадь магнитного контура, особенно со стороны принимающих устройств; выбирать оптимальную геометрию проводников. Приведем несколько полезных практических рекомендаций:
• Приемные устройства надо располагать, как можно, дальше от источников магнитных полей.
• Нельзя размещать провода параллельно силовым линиям магнитного поля, их следует располагать перпендикулярно.
• Необходимо использовать экран из материала, соответствующего рабочей частоте и величине магнитного поля.
• Поскольку большой ток является источником магнитных полей, для его передачи следует применять скрученные пары проводов. Если в двух проводах токи равны, но противоположно направлены, общее магнитное поле будет нулевым. Для того чтобы этот способ был эффективен, ток должен протекать только по этим проводникам и ни в коем случае не попадать на линии заземления (в противном случае, могут образоваться паразитные контуры заземления).
• Если использовать для подключения источника тока к нагрузке экранированные провода, по их экранировке будет протекать обратный ток i2 (рис. 5.52А). Если ток i2 равен току i1 протекающему в центральном проводнике, но имеет противоположное направление, созданные ими магнитные поля будут взаимно уничтожаться, и суммарное поле будет равно нулю. В этом случае происходит нарушение правила, гласящего, что по экрану не должен течь никакой ток. Однако это правило важно для борьбы с электростатическими помехами, здесь же кабель применяется для борьбы с магнитными наводками. Такой способ экранирования подходит при подключении устройств, для работы которых требуется большой ток, например, электрических моторов.
• Поскольку величина магнитных помех зависит от площади принимающего контура, для уменьшения паразитных наводок из-за напряжений, возникающих за счет магнитной связи, эту площадь надо делать, как можно, более меньшей. Разберемся, что такое принимающий контур. На рис. 5.53 показан датчик,
подсоединенный к цепи нагрузки при помощи двух проводников длиной L, расположенных на расстоянии D друг от друга. Получившаяся прямоугольная область с площадью, равной а = LD, и есть принимающий контур. Напряжение, индуцируемое в этом контуре, пропорционально его площади и косинусу угла между проводниками и вектором магнитной индукции. Поэтому для снижения уровня помех провода следует ориентировать перпендикулярно магнитному полю, а площадь а между ними делать минимально возможной.
Площадь а уменьшается при снижении длины проводников и/или расстояния между ними. Выполнение этих условий осуществляется при использовании скрученных пар проводов или проводников, близко прилегающих друг к другу. Применение скрученных пар предпочтительнее, поскольку их трудно разъединить, и они всегда располагаются вместе. На первый взгляд — это несущественное
5.9. Шумы в датчиках и интерфейсных схемах
требование. Однако на практике может возникнуть следующая ситуация: разработчик грамотно развел провода внутри устройства, а специалист сервис-центра при ремонте нарушил их расположение, что привело к значительному повышению уровня шума. Поэтому одно из основных правил: корректная разводка проводов должна быть защищена от несанкционированного вмешательства посто-
ронних лиц.
Из всего вышесказанного видно, что бороться с магнитными наводками гораздо сложнее, чем с помехами от электрических полей.
Механический шум
Вибрации, вызванные ускорениями, также являются источниками внешних помех в датчиках, поэтому желательно их защищать от этих явлений. Помехи этого типа могут менять передаточные характеристики системы (мультипликативный шум) или приводить к появлению паразитных наводок в цепях датчика (аддитивный шум). Если в состав датчика входят механические компоненты, вибрации, совершаемые вдоль определенных осей с заданной частотой, могут привести к возникновению резонансных явлений. Поэтому для некоторых датчиков ускорение является источником помех. Например, большинство пироэлектрических детекторов также обладают некоторыми пьезоэлектрическими свойствами. Хотя основным назначением таких датчиков является измерение перепадов температур, они реагируют и на резкое изменение некоторых свойств окружающей среды, таких как сильные колебания атмосферного давления, ветер или механические вибрации. Иногда реакция на эти посторонние воздействия настолько сильная, что ее трудно различить от полезного сигнала.
5.9.7 Слои заземления
В течение многих лет слои заземления использовались инженерами—электронщиками и разработчиками печатных плат для борьбы с паразитными наводками [16]. Основное назначение слоев заземления— снижение индуктивности схемы. Согласно основным законам физики магнетизма (раздел 3.3 главы 3) ток /, протекающий в проводнике, приводит к появлению магнитного поля, сила которого пропорциональна величине этого тока и обратно пропорциональна расстоянию г до проводника:
9*
244 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы
Поэтому любой проводник с током всегда окружен магнитным полем. Индуктивность проводника — это мера энергии, накопленной им в индуцированном магнитном поле. Для определения индуктивности необходимо проинтегрировать поле вдоль всей длины проводника, от его поверхности до бесконечности. Однако если в двух близко расположенных проводниках протекают токи, равные по величине, но противоположно направленные, их магнитные поля взаимно уничтожаются. В этом случае мнимая индуктивность проводника становится гораздо ниже. Ток противоположного направления называется обратным током. В этом и заключается основополагающая идея использования слоев заземления, которые создают путь для обратного тока непосредственно под сигнальными проводниками. Обратный ток уходит напрямую в землю, вне зависимости от количества ответвлений от проводника. Ток по обратному пути всегда течет в сторону наименьшего импеданса. В корректно спроектированном слое заземления этот путь расположен прямо под сигнальными проводниками. Часто на практике применяются двухслойные монтажные платы, один слой которых является слоем заземления, а другой отдан под сигнальные линии. В многослойных платах слой заземления, как правило, располагается между двумя или более сигнальными слоями. Кроме снижения индуктивности схемы слои заземления используются для уменьшения резистивных потерь за счет скин-эффекта, возникающего при протекании переменного тока по ровной поверхности проводящего слоя. В дополнение к этому они повышают устойчивость схем при работе на высоких частотах, направляя паразитные сигналы через емкостную связь на землю. Приведем практические рекомендации по использованию слоев заземления:
• Площадь слоев заземления должна быть, как можно, большей. Особенно это важно для частей схемы, работающих с высокими частотами или цифровыми сигналами
• Такие компоненты схем, как выходные резисторы, ИС, транзисторы, развязывающие конденсаторы, имеющие дело с быстро меняющимися токами, необходимо монтировать, как можно, ближе к плате.
• Для подсоединения к общей линии заземления разных компонентов схемы надо использовать отдельные провода для опорных потенциалов и подсоединять их все в одной точке на слое заземления. Это необходимо для предотвращения падения напряжения через токи заземления.
• Длину проводников надо делать, по возможности, очень короткой для максимального снижения индуктивности схемы.