ضوضاء الوضع الشائع وضوضاء الوضع التفاضلي في الإرسال عن بُعد للإشارات التناظرية في الأنظمة الموزعة

“في النظام الموزع ، يتم إرسال الإشارات التناظرية ذهابًا وإيابًا عن بُعد بين أجهزة الاستشعار أو الأحمال. في هذه الأنواع من الأنظمة ، حيث تنتقل الإشارات لمسافات طويلة ، يصبح رفض الضوضاء اعتبارًا مهمًا. يمكن للضوضاء أن تقترن بالإشارة ، ونتيجة لذلك ، تفسد البيانات ، مما قد يكون له تأثيرات غير مرغوب فيها. يحتاج النظام إلى الحماية بشكل صحيح ، ومعرفة مقدار وطبيعة الضوضاء المتوقعة يمكن أن تحدد التدابير الوقائية التي يجب اتخاذها لإلغاء أو على الأقل تقليل مستوى الاضطراب البيئي.

“

في النظام الموزع ، يتم إرسال الإشارات التناظرية ذهابًا وإيابًا عن بُعد بين أجهزة الاستشعار أو الأحمال. في هذه الأنواع من الأنظمة ، حيث تنتقل الإشارات لمسافات طويلة ، يصبح رفض الضوضاء اعتبارًا مهمًا. يمكن للضوضاء أن تقترن بالإشارة ، ونتيجة لذلك ، تفسد البيانات ، مما قد يكون له تأثيرات غير مرغوب فيها. يحتاج النظام إلى الحماية بشكل صحيح ، ومعرفة مقدار وطبيعة الضوضاء المتوقعة يمكن أن تحدد التدابير الوقائية التي يجب اتخاذها لإلغاء أو على الأقل تقليل مستوى الاضطراب البيئي.

يوجد بشكل عام نوعان من مصادر الضوضاء أو مصادر التداخل ، ووفقًا للطريقة التي تقترن بها في الإشارة الرئيسية ، يتم تقسيمهما إلى نوعين: ضوضاء النمط الشائع وضوضاء النمط التفاضلي ، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1. مصادر الضوضاء

أقل ضررًا من الاثنين هو ضوضاء الوضع الشائع ، والتي تقترن بكل من إشارة GND للنظام وإشارة الإثارة ، ويرجع ذلك أساسًا إلى تأثير الهوائي ثنائي القطب بين الكابل و GND الحقيقي. لا تؤدي هذه الحالة إلى تدهور الإشارة لأن الضوضاء تقترن في كلتا القناتين في وقت واحد وتكون بنفس الحجم. تكمن المشكلة في أن ضوضاء الوضع الشائع تخلق إزاحات إشارة ترفع GND الحقيقي ، مما ينتج عنه تأثيران غير مرغوب فيهما. أولاً ، إذا تمت الإشارة بشكل غير مباشر إلى GND الحقيقي (على سبيل المثال ، عند حماية المستشعر بعلبة معدنية) ، فقد يشبع الحمل. ثانيًا ، يمكن أن يحدث الانحناء ، مما قد يؤدي إلى تلف المستشعر نتيجة لذلك. تكون ضوضاء الوضع المشترك مزعجة بشكل خاص عند إثارة جسر Wheatstone لأن إشارة الخرج تحتاج إلى معالجتها بواسطة وحدة تحكم ، عادة ما تكون مضخم للأجهزة ، والتي لديها CMRR محدود ويمكنها تضخيم الضوضاء نتيجة لذلك.

يمكن تقليل ضوضاء الوضع الشائع باستخدام مرشح تمرير منخفض مثل مرشح RC ، أو باستخدام خنق الوضع الشائع لتصفية إشارة الإدخال. الأهم من ذلك ، أن ضوضاء الوضع المشترك المخففة بشكل غير متماثل تنتج ضوضاء من الوضع التفاضلي. من الناحية العملية ، مثال على التوهين غير المتماثل هو مرشح التمرير المنخفض ؛ يتم تحقيق تردد القطع باستخدام المقاوم والمكثف ، لكن تردد القطع ليس هو نفسه في الخطين بسبب تفاوتات المكون.

الضجيج الثاني والمزعج هو ضوضاء الوضع التفاضلي ، والتي تقترن بين الإثارة ونظام GND. تقترن هذه الضوضاء بالإشارة بسبب الحلقة الحالية بين نظام GND وكابل الإشارة الذي يعمل كهوائي. في بعض التطبيقات ، مثل التحليل الكيميائي ، يتم وضع المستشعر أحيانًا في غرفة منفصلة عن وحدة التحكم لأسباب تتعلق بالسلامة. ينتج عن هذا الإعداد حلقات حالية تصل إلى عشرات أو مئات الأمتار ، ونتيجة لذلك ، يمكن أن يتسبب أي تدفق مغناطيسي في حدوث ضوضاء حالية في الإشارة ، مما يؤدي إلى إتلاف البيانات. من أجل تقليل تأثير ضوضاء الوضع التفاضلي ، تم إنشاء استخدام مادة الفريت لتصفية إشارة الإشعاع عالية التردد ، واستخدام اتصال نجم بين وحدة التحكم والمستشعر ، وكذلك استخدام كبل محمي.

في كلتا الحالتين ، إذا كانت الضوضاء عالية بدرجة كافية ، فقد يتضرر الجهاز بسبب الإجهاد الكهربائي. هذا صحيح بشكل خاص عندما يكون الحمل عبارة عن محرك أو مصباح فلورسنت ، والذي يشكل مصدرًا قويًا للتوافق / التداخل الكهرومغناطيسي (EMC /) ؛ لسببين ، طبيعة المكونات الكهرومغناطيسية الفيزيائية والإشارة الناتجة. من الممارسات الجيدة استخدام مثبطات EMC / EMI ، مثل أجهزة حماية ESD ، لضمان قدرة النظام على الحفاظ على مستوى معين من الاستقرار.

عند تنفيذ بعض الطرق المذكورة أعلاه ، فإن النتيجة الرئيسية هي السعة المرتبطة بالمكونات. حتى الكابلات تحتوي على سعة طفيلية ، لذلك لا يمكن تجاهلها. السعة الطفيلية تتناسب مع طول ونوع وفئة الكابل ، كما هو موضح في الجدول 1.

الجدول 1. مقارنة بين أنواع الكابلات المختلفة

توفر DACs المدمجة للجهد المؤقت ، مثل AD5683R أو AD5686R ، معدل دوران مرتفع وعرض نطاق ترددي مرتفع واستهلاك أقل للطاقة ، وهو ما أصبح مصدر قلق كبير في الصناعة لعدة أسباب ، مثل تقليل درجة الحرارة وتجميع لوحات الدارات الكهربائية. الكمية (بدون زيادة الطاقة) ، زيادة الفعالية ، إلخ. نتيجة لذلك ، تصبح مقاومة ZO (مقاومة الحلقة المفتوحة) للمكبر الداخلي أكبر (لا يجب الخلط بينها وبين مقاومة الحلقة المغلقة ZOUT) ، مما يحد من سعة التحميل.

إذا تجاوزت السعة المتصلة بإخراج المرجع القيمة المسموح بها ، فستؤثر النتيجة على استقرار المرجع ، مما قد يتسبب في رنين مكبر الصوت والتذبذب.

هناك العديد من الطرق التي يمكن استخدامها لتقليل عدم استقرار المرجع باستخدام DAC للجهد المخزن:

1. طريقة RSHUNT
2. طريقة تعويض شبكة الحمل الخارجي (دائرة snubber)

تتطلب طريقة RSHUNT عددًا قليلاً من المكونات الخارجية والأساس المنطقي وراءها بسيط نسبيًا ؛ يتم عزل المرجع والحمل عن طريق وضع مقاومات منفصلة بين الاثنين.

يضيف RSHUNT صفرًا إلى وظيفة النقل لشبكة التغذية الراجعة ، مما ينتج عنه حلقة مغلقة مستقرة عند الترددات العالية. يجب أن يكون الصفر المختار أقل من عقد واحد على الأقل من الجنيه الإسترليني (كسب منتج النطاق الترددي). تكمن المشكلة هنا في أن مواصفات DAC لا تتضمن هذا الرقم لأنه غير ذي صلة لأن المرجع المرجع الداخلي يعمل كمخزن مؤقت.

في هذه الحالة ، كقاعدة عامة ، يجب عليك اختيار قيمة صغيرة قدر الإمكان لتقليل تأثير المقاومة ؛ وهي بشكل عام في النطاق من 5 إلى 50 Ω. إذا تم استخدام هذه الطريقة ، سينخفض ​​جهد الحمل لأن هذه الطريقة يتم تنفيذها فعليًا كمقسم مقاوم ، مما يؤثر على المواصفات الأخرى مثل انخفاض معدل الدوران ، وزيادة وقت الاستقرار ، وما إلى ذلك. نتيجة لذلك ، سينخفض ​​الأداء العام لـ DAC في جانب الحمل أو المستشعر.

من خلال زيادة قيمة RSHUNT ، تزداد نسبة التخميد (ζ) أيضًا ، مما يجعلها طريقة مناسبة لتشغيل المحرك ؛ ومع ذلك ، عندما تكون سعة الحمولة صغيرة وتكون سكة الجهد منخفضة (مثل إثارة جسر Wheatstone) ، هذه الطريقة هي لا ينصح به لأنه قد يؤدي إلى انخفاض كبير في السعة. يؤدي تقليل نطاق الجهد ، على سبيل المثال ، باستخدام سكة 5 فولت بمقاومة 1 كيلو أوم ، إلى انخفاض بنسبة 2.5٪ تقريبًا ، كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 2. طريقة RSHUNT

لا تقلل طريقة snubber (أو طريقة التحويل RC) من نطاق جهد الحمل وبالتالي فهي طريقة لتطبيقات الجهد المنخفض. الأساس المنطقي وراء هذا النهج مختلف قليلاً. تقلل شبكة snubber مقاومة الحمل بالقرب من تردد التذبذب ، مما يجعل الجزء الحقيقي من الحمل أقل من الجزء التخيلي ، مما يؤدي إلى تغيير المرحلة نتيجة لذلك.

يجب تحديد طريقة اختيار قيم المكونات الصحيحة بشكل تجريبي من خلال تحليل الاستجابة العابرة لـ DAC المتصلة بالحمل.

بشكل عام ، فإن فرضية الحساب هي أن المخزن المؤقت للجنيه الإسترليني أقل من 1 ميجاهرتز. في هذه الحالة ، بافتراض أن السعة الطفيلية للكابل تبلغ 47 نانو فاراد ،

يجب أن تكون المقاومة المثالية أقل من 1 ، فكلما انخفضت قيمة RSNUBBER ، انخفض التجاوز ؛ ولكن من وجهة نظر عملية ، قد نختار أيضًا RSNUBBER = 10.

يجب أن يكون جهاز التنفس أعلى بمقدار الثلث من تردد التذبذب ،

الشكل 3. طريقة العازلة

تعتبر طرق Snubber والتحويل مفيدة لتعويض أو عزل الأحمال السعوية ، مما يحافظ على استقرار DAC عندما يكون الحمل أو المستشعر بحاجة إلى الإثارة عن بُعد.

تعتمد الأمثلة المذكورة أعلاه على AD5683R DAC. يوفر هذا الجهاز أداءً عامًا ممتازًا في حزمة صغيرة جدًا مع 2 LSB INL @ 16 بت ، وقدرة محرك 35 مللي أمبير ، ومرجع جهد متكامل ، ومتانة تصل إلى 4 كيلو فولت ESD ، مما يجعلها حمولة أو DAC مثالية خارج اللوحة إثارة المستشعر.