- •Часть 1 Введение
- •Классификация физических величин
- •Размер физических величин. “Истинное значение” физических величин
- •Основной постулат и аксиома теории измерений
- •Теоретические модели материальных объектов, явлений и процессов
- •Физические модели
- •Математические модели
- •Погрешности теоретических моделей
- •Общая характеристика понятия “измерение” (сведения из метрологии)
- •Классификация измерений
- •Измерение как физический процесс
- •Методы измерений как методы сравнения с мерой
- •Функциональная блок-схема метода
- •2.3. Мостовой метод
- •3. Разностный метод
- •3.1. Нулевые методы
- •4. Метод развёртывающей компенсации
- •Часть 2 Измерительные преобразования физических величин
- •Функциональная блок-схема:
- •Реализации: к лассификация измерительных преобразователей
- •Примеры динамических преобразователей
- •Статические характеристики и статические погрешности си
- •Характеристики воздействия (влияния) окружающей среды и объектов на си
- •Полосы и интервалы неопределённости чувствительности си
- •Си с аддитивной погрешностью (погрешность нуля)
- •Си с мультипликативной погрешностью
- •С и с аддитивной и мультипликативной погрешностями
- •Измерение больших величин
- •Формулы статических погрешностей средств измерений
- •Полный и рабочий диапазоны средств измерений
- •Динамические погрешности средств измерений
- •Динамическая погрешность интегрирующего звена
- •Причины аддитивных погрешностей си
- •Влияние сухого трения на подвижные элементы си
- •Конструкция си
- •Контактная разность потенциалов и термоэлектричество
- •Контактная разность потенциалов
- •Термоэлектрический ток
- •Помехи, возникающие из-за плохого заземления
- •Причины мультипликативных погрешностей си
- •“Старение” и нестабильность параметров си
- •Нелинейность функции преобразования
- •Геометрическая нелинейность
- •Физическая нелинейность
- •Токи утечки
- •Меры активной и пассивной защиты
- •Часть 3 Физика случайных процессов, определяющих минимальную погрешность измерений
- •Возможности органов зрения человека
- •Естественные пределы измерений
- •Соотношения неопределенности Гейзенберга
- •Естественная спектральная ширина линий излучения
- •Абсолютная граница точности измерения интенсивности и фазы электромагнитных сигналов
- •Фотонный шум когерентного излучения
- •Эквивалентная шумовая температура излучения
- •Электрические помехи, флуктуации и шумы
- •Физика внутренних неравновесных электрических шумов Дробовой шум
- •Шум генерации - рекомбинации
- •Импульсный шум
- •Физика внутренних равновесных шумов Статистическая модель тепловых флуктуаций в равновесных системах Математическая модель флуктуаций
- •Простейшая физическая модель равновесных флуктуаций
- •Основная формула расчета дисперсии флуктуации
- •Влияние флуктуаций на порог чувствительности приборов
- •Примеры расчета тепловых флуктуаций механических величин Скорость свободного тела
- •Колебания математического маятника
- •Повороты упруго подвешенного зеркальца
- •Смещения пружинных весов
- •Тепловые флуктуации в электрическом колебательном контуре
- •Корреляционная функция и спектральная плотность мощности шума
- •Флуктуационно-диссипационная теорема
- •Формулы Найквиста
- •Спектральная плотность флуктуации напряжения и тока в колебательном контуре
- •Эквивалентная температура нетепловых шумов
- •Часть 4 Внешние электромагнитные шумы и помехи и методы их уменьшения
- •Емкостная связь (емкостная наводка помехи)
- •Индуктивная связь (индуктивная наводка помехи)
- •Экранирование проводников от магнитных полей Особенности проводящего экрана без тока
- •Особенности проводящего экрана с током
- •Магнитная связь между экрана с током и заключенным в него проводником
- •Использование проводящего экрана с током в качестве сигнального проводника
- •Защита пространства от излучения проводника с током
- •Анализ различных схем защиты сигнальной цепи путем экранирования
- •Сравнение коаксиального кабеля и экранированной витой пары
- •Особенности экрана в виде оплетки
- •Влияние неоднородности тока в экране
- •Избирательное экранирование
- •Подавление шумов в сигнальной цепи методом ее симметрирования
- •Дополнительные методы шумоподавления Развязка по питанию
- •Развязывающие фильтры
- •Защита от излучения высокочастотных шумящих элементов и схем
- •Шумы цифровых схем
- •Часть 5 Применение экранов из тонколистовых металлов
- •Ближнее и дальнее электромагнитное поле
- •Эффективность экранирования
- •Полное характеристическое сопротивление и сопротивление экрана
- •Потери на поглощение
- •Потери на отражение
- •Суммарные потери на поглощение и отражение для магнитного поля
- •Влияние отверстий на эффективность экранирования
- •Влияние щелей и отверстий
- •Использование волновода на частоте ниже частоты среза
- •Влияние круглых отверстий
- •Использование проводящих прокладок для уменьшения излучения в зазорах
- •Шумовые характеристики контактов и их защита
- •Тлеющий разряд
- •Дуговой разряд
- •Сравнение цепей переменного и постоянного тока
- •Материал контактов
- •Индуктивные нагрузки
- •Принципы защиты контактов
- •Подавление переходных процессов при индуктивных нагрузках
- •Цепи защиты контактов при индуктивных нагрузках Цепь с емкостью
- •Цепь с емкостью и резистором
- •Цепь с емкостью, резистором и диодом
- •Защита контактов при резистивной нагрузке
- •Рекомендации по выбору цепей защиты контактов
- •Паспортные данные на контакты
- •Согласование сопротивлений генераторных ип
- •Согласование сопротивлений параметрических преобразователей
- •Принципиальное различие информационных и энергетических цепей
- •Использование согласующих трансформаторов
- •Метод отрицательной обратной связи
- •Метод уменьшения ширины полосы пропускания
- •Эквивалентная полоса частот пропускания шумов
- •Метод усреднения (накопления) сигнала
- •Метод фильтрации сигнала и шума
- •Случай: ωсигн≠ωшум
- •Проблемы создания оптимального фильтра
- •Метод переноса спектра полезного сигнала
- •Метод фазового детектирования
- •Метод синхронного детектирования Функциональная блок-схема метода:
- •Погрешность интегрирования шумов с помощью rc - цепочки
- •Метод модуляции коэффициента преобразования си
- •Применение модуляции сигнала для увеличения его помехозащищенности
- •Метод дифференциального включения двух ип
- •Метод коррекции элементов си
- •Методы уменьшения влияния окружающей среды и условий изменения
- •Организация измерений
Дополнительные методы шумоподавления Развязка по питанию
В большинстве электронных систем источник питания постоянного тока и система распределения питания являются общими для многих схем. Поэтому очень важно спроектировать систему питания по постоянному току так, чтобы между подключенными к нему схемами не было канала для связи по шумам. Цель системы распределения питания состоит в том, чтобы обеспечить все нагрузки как можно более стабильным напряжением в условиях изменения потребляемых ими токов. Любое изменение тока в нагрузке, не должно создавать переменного напряжения на шинах питания.
Реальные источники питания обладают конечным внутренним сопротивлением. На рис.1 схематически показана типичная схема разводки питания. Источник постоянной э.д.с. (батарея, сетевой источник или преобразователь) соединен с переменной нагрузкой парой проводников.
Параллельно нагрузке может быть также подключен шунтирующий конденсатор развязки С. Внутреннее сопротивление Rг источника питания является функцией стабилизирующих свойств источника питания. Это сопротивление можно уменьшить, улучшив стабилизацию напряжения источника питания. Резистор R представляет собой сопротивление предохранителя; элементы Rл, Lл и Сл – распределенные сопротивление, индуктивность и емкость линии связи, используемой для подключения источника питания к нагрузке; Uш – генератор напряжения с сосредоточенными параметрами, отображающий шумы, наводимые в проводах от других схем. Шунтирующий конденсатор С обладает паразитными сопротивлением Rс и индуктивностью Lс. Резистор Rн является нагрузкой.
Наведенное напряжение шумов Uш можно свести к минимуму, воспользовавшись методами, рассмотренными ранее. Влияние конденсатора развязки обсуждается в одном из следующих разделов.
Рассмотрим метод уменьшения влияния бросков тока и, как следствие, бросков изменения падения напряжения на сопротивлении Rг при внезапных резких изменениях тока, потребляемого нагрузкой. В этом случае влияние конденсатора С. Оно будет рассмотрено позже.
Если принять, что изменение тока в нагрузке произошло мгновенно, то изменение тока в нагрузке произойдет через некоторое время, определяемое скоростью передачи возмущения. Эта скорость является функцией волнового сопротивления Z0 линии передачи . Тогда изменение напряжения на нагрузке равно .
Предположение о мгновенном характере изменения тока выполняется для цифровых схем, но для аналоговых схем оно не всегда справедливо. Однако даже в случае аналоговых схем волновое сопротивление линии питания от источника постоянного тока можно использовать как критерий для сравнения шумовых характеристик различных систем разводки питания.
Следовательно, чтобы уменьшить шумы в цепи питания, необходимо иметь малое волновое сопротивление линии питания. Для этого нужно иметь большую емкость и малую индуктивность цепи.
Индуктивность можно уменьшить, используя вместо проводника с круглым сечением проводник с прямоугольным поперечным сечением располагая два таких проводника возможно ближе друг к другу. И то, и другое увеличивает также емкость линии. Емкость увеличивается и при изоляции проводников материалом с высоким значением диэлектрической проницаемости.
Н а рис.2 приведены формулы для определения волнового сопротивления проводников с различной формой сечения при разном взаимном расположении. Эти формулы можно использовать даже тогда, когда указанные неравенства не выполняются. В этом случае получаются завышенные значения Z0, поскольку в уравнениях не учитываются краевые эффекты.
Значения относительной диэлектрической проницаемости различных материалов приводятся в таблице. Оптимальной была бы линия распределения питания, состоящая из возможно более широких плоских параллельных проводников, расположенных как можно ближе один над другим.
Ч тобы продемонстрировать трудности, возникающие при попытке получить систему разводки питания с очень низким импедансом полезно разобрать несколько численных примеров. Сначала рассмотрим два провода равного круглого сечения, разнесенные на 1,5 диаметра и разделенные диэлектриком из тефлона. Волновое сопротивление равно .
Если бы диэлектриком был воздух, волновое сопротивление составило бы 115 Ом.
В качестве второго примера возьмем два плоских параллельных проводника толщиной 70 мкм и шириной 1,27 мм, расположенных рядом на печатной плате, изготовленных с применением эпоксидной смолы в качестве наполнителя защитных покрытий. Если при этом расстояние между ними равно 1,27 мм, волновое сопротивление составит .
При воздушном диэлектрике волновое сопротивление было бы равно 131 Ом. Фактически его величина будет находиться где-то между двумя этими значениями, поскольку на печатной схеме часть поля распространяется по воздуху, а часть – по эпоксидной смоле.
Оба приведенных примера являются обычными для практики, и ни одна из рассмотренных в них конфигурация не обеспечивает очень низкого значения волнового сопротивления линии передачи. Однако, если два плоских проводника шириной 6,35 мм расположить один над другим и разделить тонкой (толщиной 127 мкм) майларовой пленкой, волновое сопротивление будет равно , т. е. указанная конфигурация проводников обеспечивает линию разводки питания с очень малым волновым сопротивлением. Выпускаемые шины такого типа пригодны для использования с интегральными схемами, размещаемыми на печатных платах (рис.2).
Т