2 Störeinflüsse und Schutzmaßnahmen

Transkript

1 2 Störeinflüsse und Schutzmaßnahmen 2.1 Modulation und Demodulation 2.2 Störeinflüsse Netzstörungen Schaltstörungen Hochfrequenzstörungen Rauschen 2.3 Schutzmaßnahmen Schutzerde Abschirmung gegen magnetische Felder Abschirmung gegen elektrische Felder S. 2-1

2 2.1 Modulation/Demodulation Problem: Störungen auf kleine Messsignale Offset-Spannung U O bei Verstärkern: Bipolartechnik: 1 µv 1 µv FE: 2 5 mv u d I p R GlN U O = u e + - = R i ku e u a I n R GlP Bei besonders kleinen Messsignalen kommt die Offsetspannung in die Größenordnung des Nutzsignals Die Offset-Spannung zeigt ein zeitliches und thermisches Drift! U 2 5 µv O t Monat U O 2 nv K S. 2-2

3 2.1 Modulation/Demodulation Umformung in einer Wechselspannung vor der Verstärkung Reduzierung der Übertragungsbandbreite im Vergleich zum entsprechenden Gleichspannungsverstärker Reduzierung des Einflusses von Störspannungen (1/f Rauschen) Wechselsignal Wechselstromverstärker f > n 5 Hz und f <f HF d. h. 5 Hz < f < 5 khz S. 2-3

4 2.1 Modulation/Demodulation Beispiel aus dem WWW Kapazitiver Drehwinkelsensor ASIC rägerfrequenzverfahren zur ratiometrischen Messung extrem kleiner Kapazitäten (~1fF). Genauigkeit besser als.25. Anwendung in der Automobilindustrie, hydroelektrische Servolenkung. 2 mm² Fläche,,6µm CMOS, AMS, 5% analog, 5% digitale Logik. Messverfahren für Dehnmessstreifen: rägerfrequenz (Carrier frequency) mit 2 Hz bis 5 khz als rägerfrequenz Gleichspannung Konstantstrom Das rägerfrequenzverfahren ist unempfindlich gegen hermospannungen, Gleichtaktstörungen (elektrische Einstreuungen). [U Wien] Unter industriellen Bedingungen, bei denen oft unter starken Störfeldern gemessen werden muss, sind rägerfrequenzmess-verstärker vorteilhafter. [Wikipedia] S. 2-4

5 2.1 Modulation/Demodulation Beispiel fürs Prinzip S. 2-5

6 2.1 Modulation/Demodulation Hochpass: Unterdrückung von direktem Signal (Störungen) Wechselspannungsverstärker Hochpass: Unterdrückung von DC-Signal am Demodulator Demodulator: Schalter iefpass: Unterdrückung höherfreq. Störungen, Mittelwertbildung S. 2-6

7 2.1 Modulation/Demodulation Amplitudenmodulation Messsignal u( t) U uˆ cos( t) * Amplitudenmoduliertes Signal u M ( t) U U uˆ cos( t) cos( t) cos( t) uˆ cos( t) cos( t) rägerfrequenzgenerator u ( t) cos( t) 1 5 Amplitudenmodulation u / V 2cos cos cos( ) cos( ) u M ( t) U cos uˆ 2 t cos t cos räger oberes Seitenband t unteres Seitenband t / ms u(t) u m (t) U M S. 2-7

8 2.1 Modulation/Demodulation u M ( t) U cos uˆ 2 t cos t cos Demodulation Hüllkurve gesucht Demodulation durch Zweiweggleichrichtung und iefpassfilterung 1 Amplitudenmodulation Doppelgleichrichtung 1 8 t 5 6 u / V u / V t / ms u(t) u m (t) -2 u(t) u m g (t) t / ms Phasenselektive Gleichrichtung notwendig, damit das Wechselsignal die rote Kurve wiedergibt (Signal ähnlich wie auf Folie 6 ) S. 2-8

9 2.1 Modulation/Demodulation Demodulation durch weitere Multiplikation Moduliertes Signal u ( t) u( t) cos( t) M 1 8 * rägerfrequenzgenerator u ( t) cos( t) Amplitudenmodulation u Dem ( t) u( t) cos( t) cos( t) u( t) cos 2 t iefpassfilterung der doppelten rägerfrequenz u / V u Dem 1 u Dem dt 1 u( t) 2-2 u(t) u m (t) t / ms S. 2-9

10 2.1 Modulation/Demodulation Alternative zum rägerfrequenzverfahren rägerfrequenzverfahren Chopper-Verfahren Messsignal Modulation mit Sinus Modulation mit Rechteck (Chopper = Blende) moduliertes Signal Modulationssignal Demodulationssignal Demoduliertes Signal S. 2-1

11 2.2 Störeinflüsse Netzstörungen (f=) 5 Hz-Störungen werden induktiv eingekoppelt Feld eines geraden Leiters µ i B( r ) µ H( r ) 2r Induktionsgesetz u( t) t A Fl A µ 2r Fl B t A Fl µ 2r iˆ 2f cos( t) Für eine zulässige Störung B i( t) t µ A Fl 2 I f r uˆ 5 mv f = 5 Hz 4 2 A Fl 1 cm û A Fl cos( t) kritischer Radius: r k 2, 21 cm Ströme bei I = 1 A stören bei einem Radius r k unter 22 cm Ströme bei I = 1 A stören bei einem Radius r k bei 2 m!! I A i( t) iˆ sin( t) r A Fl : Strahlungsfläche S. 2-11

12 2.2.2 Schaltstörungen Verursacht durch Schaltvorgänge, hyristoren, Relais, B A u fl t Störung A 2 A Fl 1m A fl fl µ H B t u 5 mv Stromänderung A i t) t fl A fl µ 2r ( 6 1 µ i 2 r i( t) t A / s 21 1 r i( t t 7 ) r k 4m In einem 4 m Radius würde man eine Störung noch bemerkbar sein! Schaltvorgänge breiten sich als Wanderwelle in Nachbarräumen Messeinrichtungen möglichst weit von Relais und Schützen installieren S. 2-12

13 2.2.3 Hochfrequenzstörungen E Eˆ sin( t) Sinusförmige Welle als HF-Störung E Z B A H fl Z µ Z B µ A fl E Wellenwiderstand des Raumes Z µ 377 µ A u fl Eˆ cos( t) uˆ cos( t) t Z µ 2 f A uˆ fl Eˆ Z E ˆ 1mV/ m f 1 MHz ( UKW Bereich) 2 A Fl 1m uˆ 2 mv Rundfunk-Signale stören nicht! S. 2-13

14 2.2.4 Rauschen Wann wird rauschen besonders interessant? Amplitude kommt in der Nähe des Messsignals Elektronik mit optimiertem Energieverbrauch Signal Leistung Rauschleistung Signal-Rausch-Verhältnis SNR 2log( S / N) S. 2-14

15 2.2.4 Rauschen Klassifikation unter den analogen Signalen a(t) t Schwebung Vorübergehend S. 2-15

16 2.2.4 Rauschen Der Verlauf eines stochastisches Signals ist von statistischen Eigenschaften bestimmt Stationarität ist mit dem zeitlichen Verhalten statistischer Signalparameter verknüpft t Stationäres Breitbandrauschen mit verschwindendem linearen Mittelwert t nichtstationäres Breitbandrauschen mit zeitveränderlichem quadratischen Mittelwert t stationäres Breitbandrauschen mit zeitveränderlichem linearen Mittelwert S. 2-16

17 2.2.4 Rauschen Stochatisches Signal Kenngrößen: Verteilungsdichtefunktion n( x) p( x) lim h( x) lim N N N x h (x) n (x) : Häufigkeit der Amplituden x : Anzahl der Amplituden x N : Gesamtanzahl aller Amplituden p(x) t S. 2-17

18 2.2.4 Rauschen Art des Rauschens Metallische Verunreinigungen im Halbleiter zufällige Änderungen der Gleichstromparameter Oberflächeneigenschaften - kritisch bei niederfrequenten Signalen - bei CMOS-echnologie > Bipolar-echnologie Durch Schwingungen des Atomgitters Beim passieren der Sperrschicht in einem Halbleiter S. 2-18

19 2.2.4 Rauschen Ersatzrauschquellen hermisches Rauschen U 2 r, eff u 2 r ( t) 4kRB 2 2 Ir, eff ir ( t) 4k 1 R B Schrot-Rauschen S. 2-19

20 2.3 Schutzmaßnahmen Schutzerde S. 2-2

21 2.3.2 Abschirmung gegen magnetische Felder B A Bedingung: Gleichmäßig verteiltes Magnetfeld Faustregel: 3 Verdrillungen/Meter S. 2-21

22 2.3.3 Abschirmung gegen elektrische Felder S. 2-22

23 2.3.3 Abschirmung gegen elektrische Felder (2) S. 2-23

24 2.3.3 Abschirmung gegen elektrische Felder (3) S. 2-24