2.1 Технологические способы

Экранирование

Помехи, вызванные электрическими полями, могут быть значительно уменьшены при помощи соответствующего экранирования датчика и интерфейсных схем, особенно их высокоимпедансных и нелинейных компонентов. Каждый конкретный случай экранирования должен тщательно разрабатываться. При этом очень важно правильно идентифицировать источник помех и способ его связи со схемой. Некорректное экранирование может только ухудшить положение дел и создать новые проблемы.

Экранирование служит для решения двух задач:

- экранирование ограничивает распространение шума в соседние схемы. Здесь возникает проблема, связанная с тем, что отраженные от экранов паразитные сигналы возвращаются назад, и необходимо тщательно продумывать маршрут их "отступления" с учетом контуров заземления и разводки проводов;

- если источники помех находятся внутри самого устройства, экраны размещаются только над критичными участками с целью предотвращения попадания шума на чувствительные элементы детекторов и интерфейсных схем. Для этого экраны выполняются в виде металлических коробов вокруг определенных участков схемы или кабелей с экранировкой вокруг центральных проводников.

На рис. 1 показана схема, поясняющая работу электрического экрана.

Рис 1. Электрическое экранирование

Предположим, что экран обладает нулевым потенциалом. Ток шума в левой части схемы равен in=en/Zc1. С другой стороны экрана ток шума будет практически равен нулю, поскольку в этой части схемы нет никаких источников сигнала. Следовательно, напряжение шума на импедансе Z будет также равно нулю, поэтому чувствительная часть схемы становится эффективно защищенной от источника шума. При этом надо быть уверенным в том, что через экран не течет никакой ток i_э, который может вызвать появление разности потенциалов на сопротивлении экрана, и, соответственно, привести к возникновению дополнительных помех.

Положительные результаты дает заключение всей первичной обмотки силового трансформатора блока питания в электростатический экран из медной фольги (экран не замкнут) и подключение этого экрана к общей шине. Это позволяет снизить уровень импульсных помех на шинах питания усилителей сигналов до -60дБ (до 1?2мВ).

Существует несколько практических правил, которые надо соблюдать при экранировании схем:

- для эффективной работы электростатический экран должен быть подсоединен к внутренней точке защищаемой схемы, имеющей опорный потенциал. Если один из сигнальных выводов микрофона подсоединен к земле, экран также должен быть соединен с землей. Если ни один из выводов микрофона не подключен к точке заземления, заземлять экран бесполезно;

- при использовании экранированных проводов их экранировка должна быть подсоединена к точке с опорным потенциалом только со стороны источника сигнала (рис. 2,а);

- количество независимых экранов, используемых в аудиосистеме, должно быть равно числу микрофонных входов. Каждая сигнальная линия должна иметь свой собственный экран. Экраны разных линий не должны контактировать друг с другом, если только они не используют общий опорный потенциал (сигнальную "землю"). В этом случае все соединения следует выполнять отдельными проводами, подсоединенными к каждому экрану только в одной точке;

- экран следует заземлять только в одной точке, желательно рядом с датчиком. Экранированный кабель никогда нельзя заземлять с двух сторон, поскольку разность потенциалов между двумя точками заземления может привести к возникновению тока в экране, который, используя магнитную связь, может индуцировать паразитное напряжение на центральный проводник;

- если микрофон размещен в экранированном корпусе, а сигнал передается через экранированный кабель (рис. 2,б), их экранировка должна быть подсоединена к корпусу. Нельзя допускать появления токов в экране;

Рис. 2. Подсоединение сигнального кабеля к линии с опорным потенциалом

- для уменьшения индуктивности, подсоединение экрана к земле надо вести короткими проводами. Это особенно важно при одновременной передаче аналоговых и цифровых сигналов.

Экранирование от магнитных полей

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 проникает внутрь экрана, его амплитуда падает экспоненциально. Для построения эффективных магнитных экранов при работе на низких частотах рекомендуется использовать материалы, обладающие высоким коэффициентом магнитной проницаемости. Приведем несколько 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;

- площадь принимающего контура 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.

Силовые кабели и экраны

Для уменьшения уровня помех силовые кабели (3 провода для фаз и нейтральный провод) должны быть заключены в магнитный экран в виде стальной ленты, который заземляется на щите управления. Экран вблизи измерительной линии должен быть без разрывов.

Хороший эффект дает двойной экран для силовых кабелей: гладкая алюминиевая или свинцовая оболочка толщиной 2мм и броня из двух навитых стальных лент толщиной 0,55мм. Это уменьшает уровень синусоидальных помех примерно на 40дБ.

Измерительные кабели и экраны

Основным средством подавления помех нормального вида является применение рациональной кабельной проводки в виде витой пары для сигнальных проводников, заключенных в один или несколько экранов. Витая пара хорошо подавляет индуктивные наводки, а экран устраняет емкостные связи с токонесущими проводниками. Хороший измерительный кабель должен содержать экранированные витые пары проводов, отдельные для каждого сигнала микрофона, динамика или питания. Для увеличения коэффициента подавления помех желательно иметь общий экран в виде сетки и магнитный ленточный экран (при высоком уровне электромагнитных помех).

Был проведен ряд экспериментов по оценке уровня помех в измерительных кабелях. В результате анализа источников помех для рациональной кабельной проводки могут быть рекомендованы кабели с одной и двумя парами витых проводников + ленточный экран + общий экран в виде сетки. Этому требованию удовлетворяет достаточно большое количество кабелей, однако после введения следующих ограничений их останется немного:

1) это должны быть измерительные кабели с рабочим напряжением до 100В и не более (сигнал ±10В, питание 24?36В);

2) верхняя частота сигналов громкоговорящей связи - 10кГц. Поэтому можно использовать кабели с верхней частотой 32?125кГц;