Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Другая возможность — использование оптоволоконного кабеля, устраняющего и общую землю и вообще наводки от сети переменного тока. Если компоненты системы слишком простые для применения высокоскоростных интерфейсов (например, микроконтроллерные системы управления), используйте простую оптическую изоляцию. Для интерфейса В8-232, например, можно купить стандартную оптическую развязку. Наконец, в некоторых случаях можно организовать для отдельных компонентов защитное заземление. В больших системах с питанием от сети переменного тока это вполне возможно. В примере с питанием от сетей 256 ° Глава В.
Электромагнитные помехи 208 В/110 В, 208-В оборудование снабжается собственной защитной землей (не соединенной с другими землями в здании). Эта мера не защитит от всплесков напряжения в сети 110 В, но обеспечит некоторую защиту от импульсов в сети 208 В, вызванных промышленным оборудованием, например, кондиционерами. Данное решение приемлемо, если в здании предусмотрено хорошее заземление; в старых постройках понадобится улучшить заземление и линии питания во избежание проблем. На Рис.
8.2 показана одна из систем, где микропроцессорная система соединена с помощью кабеля с платой датчиков, среди которых есть терморезистор. В данном случае цепь усиления сигнала терморезистора располагается на плате микроконтроллера, а терморезистор расположен на некотором расстоянии от платы. Источник питания Териорезистор Рис. 8.2. Система с тсрморсзистором Допустим, величина сигнала терморезистора порядка 1О мВ/'С. При комнатной температуре (25'С) уровень напряжения терморезистора составляет 250 мВ. Проблема в том, что терморезистор соединен с землей на плате датчиков. В результате ток терморезистора и токи земли платы датчиков текут к плате микроконтроллера по одному проводу.
Если токдатчиков будет значительным, появится постоянное смещение между землей платы микроконтроллера и землей платы датчиков. Это приведет к смещению в сигнале с датчика, то есть к ошибкам в измерениях температуры. На Рис. 8.3 показана подобная цепь, но с резисторами на всех линиях. Эти резисторы представляют собой суммы сопротивлений соединительных проводов и контактов разъемов. Допустим, общее сопротивление общего провода составляет 1 Ом. Если ток платы датчиков 50 мА, тогда смещение в цепи земли будет равно 50 мА и 1 Ом = 50 мВ. В результате, в то время как напряжение на терморезисторе 250 мВ, на плате микроконтроллера установится 300 мВ. Разница в 50 мВ соответствует 5'С, то есть ошибка в измерениях составит те же 5'С.
Если на плате датчиков присутствуют какие-либо управляемые исполнительные элементы, например нагреватель, то сигнал с терморезистора будет резко увеличиваться всякий раз, когда нагреватель включается. Это происходит вследс- 8.1. Связь яо земле ° 257 Истонник литания терморезистор проводников и контактов Должно быть 250 ма, в действительности 300 ма Усиленный сигнал терморезистора, напряжением 250 ма Рис. 8.3.
Цепь терморезистора, в которой показано сопротивление проводов терморезистор терморезтмтора Рис. 8.4. Цепь терморсзистора с разделенными землями твие бросков тока при включении нагревателя. Микропроцессор воспримет эти скачки как реальное изменение температуры.
К тому же ошибка измерений также будет меняться при изменении тока платы датчиков. Решение данной проблемы показано на Рис. 8.4. К кабелю добавляется дополнительный провод для земли терморезистора. Теперь сигнал терморезистора не будет зависеть от тока платы датчиков. Дополнительный провод присоединяется к земле только на плате микропроцессора, либо может быть присоединен к одному из входов дифференциального усилителя. В любом случае, по данному проводу не будет протекать значительный ток, и напряжение сдвига на нем и соответствующая ошибка измерений, стануг минимальными. Естественно, такое решение требует дополнительного провода и разъема на плате. В общем, это довольно ценная идея, рожденная из опыта разработчиков аппаратуры, — разделить земли сигналов удаленных приборов.
Сигналы от датчиков величиной в несколько милливольт должны поступать к плате микроконтроллера по отдельным проводам. 258 ° Глава 8, хлектромагнитние помехи 8.1.1. Ток двигателя На Рис. 8.5 показана цепь управления двигателем с ШИМ. Цепь включения драйвера ШИМ содержит сигналы управления и землю. Проблема при таком соединении в том, что при включении драйвера каждый раз будут наблюдаться всплески напряжения в цепи питания.
Поскольку некоторые токи земли ШИМ текут обратно через цепь контроллера, всплески тока приведут к небольшим флуктуациям напряжения на шине земли контроллера двигателя. Если эти напряжения достаточно большие, логика контроллера может интерпретировать их как изменения логических уровней входных сигналов управления. К тому же любые АЦП на плате драйвера воспримут эти наводки как изменения входных сигналов.
Двигатель постоянного тока Рис. 8.5. ШИМ-драйвер двигателя Данную систему можно заставить работать корректно, если снизить сопротивление проводников обратного тока так, чтобы падение напряжения на них было минимальным. Однако такие меры могут оказаться недостаточными, если двигатель потребляет значительные токи, и нужно измерить сигнал на уровне несколько милливольт. Другой вариант построения данной системы показан на Рис. 8.6. Земли цепей питания логики и двигателя проходят отдельно и соединяются в одной точке только в источнике питания. Точка соединения земель — это обычно точка соединения с корпусом прибора. Такое соединение решает указанную проблему но вызывает новую.
При слишком высоком сопротивлении проводов всплески тока ШИМ могут привести к тому, что ШИМ-драйвер будет воспринимать недействительные логические уровни, поскольку потенциал его земли будет меняться относительно потенциала земли управления двигателем. Решением здесь будет снижение сопротивления всех проводов заземления. Со стороны двигателя тогда может понадобиться довольно толстый жгут силовых проводов большого сечения. Другими словами, сечение проводов заземле- 8.1.
Связь по земле ° 259 Двигатель постевннеге тета Рис. 8.6. Контроллер двигателя с разделенными землями ния двигателя следует выбирать, руководствуясь не только максимальным током двигателя, но и уменьшением сопротивления проводов заземления, что приведет к снижению влияния электромагнитных помех. Замечу, что провода выбирают с минимальным погонным сопротивлением' ).
Часто шумы системы возрастают из-за того, что не выполняются требования к заземлению. В больших системах, подсистемы в которых разработаны разными фирмами, заземление зачастую не разведено должным образом. В одной из подсистем может иметь место соединение между логической землей и корпусом прибора, образующее земляную петлю, поскольку корпуса приборов также обычно заземляются. В больших системах необходимо рассматривать заземление всех приборов как отдельный проект с учетом минимизации электромагнитных помех. 8.1.2.
Саионаведенные токовые ошибки Если система управляет несколькими двигателями, то могут возникнуть программные ошибки, связанные с уровнем потенциала земли. Если по компьютерной программе включатся все двигатели одновременно, то возникнет значительный импульс тока, способный создать проблемы в электронных цепях, даже если шины земли обладают достаточно низким импедансом. Решением здесь будет поочередный запуск двигателя и ограничение одновременно работающих двигателей для снижения потребляемого тока. В случаях, когда ток двигателя может принести вред точным измерениям на АЦП, считывание данных лучше производить при выключенном двигателе. Это минимизирует влияние шумов шины земли как источника помех. ~Г Погонное сопротивление — ато еопротиваение ! м провода.
()грим. паут. ред) 260 ° Глава 8. Электромагнитные помехи 8.2. Электростатический разряд Электростатический разряд (е(есггозГайс д1зс)загде, ЕЯ)) — это электрическая искра, например, которая может образоваться, если в холодный сухой день пройтись по ковру, а затем прикоснуться к металлической дверной ручке. Этот тнп высокого напряжения может вывести из строя электронные схемы, воздействуя на их входы, например КМОП интегральные микросхемы, с высоким входным сопротивлением.
Электростатический разряд обычно производит большое количество высокочастотных колебаний большой мощности, поскольку обладает очень малой длительностью импульса, и относится к одному из видов помех. Электронные блоки обычно защищаются от влияния помех от разрядов с помощью ферритовых колец, надетых на сигнальные провода, н фильтров НЧ.
Как и в случае паразитной связи по земле наводка от электростатического разряда может проникнуть в электронный блок по шине земли. Разряд способен нарушить работу даже хорошо защищенных по постоянному току приборов, так как обладает значительной высокочастотной составляющей. Обнаружить и предотвратить помехи от электростатических разрядов можно только тестированием системы с использованием специального тестового генератора, производящего мощные электрические разряды вблизи корпуса прибора. 8.2.1.
Самонаведенный электростатический разряд Если в устройствах с двигателями денге применяются механизмы с ременной педнв нагрева Барабан редачей, шкивами, пластмассовыми редукторами и другими подвижными частями из изолирующих материалов, сушествует потенциальная возможность возникновения самопроизвольного электростатического разряда.
При определенРис. 8.2 Самонаведенный ном подбоРе матеРиалов движУщийса отэлектростатический разряд носительно шкива ремень может образоот вращающегося барабана вать генератор Ван-де-Граафа издяэлектрик (создающий электростатическую поме- ху). На Рис. 8.7 показана реальная система, с которой лене довелось работать, обладающая способностью создавать значительные электростатические разряды. Нагреватель — пластмассовая лента — в этой установке обернута вокруг вращающегося барабана.
Объекты, которые надо было нагреть, располагались под нагревателем, и давле- 8.2. Электростатический разряд ° 261 ние между нагревателем и барабаном производило пломбирование (зеа1(пй асйоп). Проблема заключалась в том, что на стадии разработки кто-то обнаружил, что лучшей теплопередачи можно добиться, заменив проводящий металлический барабан на непроводяший пластмассовый. Это был неудачный пример усовершенствования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
