Перешкоди та боротьба з ними
Перешкода – сторонній сигнал, що обурює, спотворює корисну інформацію. Перешкоди здебільшого виникають у навколишньому середовищі внаслідок різних фізичних явищ. Якщо в точці спостереження сигналуs(t)реєструється його значенняx(t)разом із перешкодоюv(t)у вигляді:
s(t)=x(t)+v(t), то перешкоду називають адитивною.
Існує і мультиплікативний вид перешкодиs(t)=x(t)*v(t).
Перешкоди можуть бути випадковими та детермінованими.
Детерміновані перешкоди мають постійні або періодично повторювані параметри, на відміну від випадкових. Детерміновані перешкоди характеризуються тимчасовими функціями, амплітудно- та фазочастотними спектрами.
Випадкові перешкоди – шуми, пов'язані з тепловими флуктуаціями параметрів елементів, з нестійкими у часі та просторі фізичними процесами. Для опису випадкових перешкод використовують кореляційні функції, енергетичні спектральні діаграми.
Перешкоди викликає два види спотворення сигналу. По-перше, перешкода може накластися на сигнал, змінюючи його форму. По-друге, перешкода може вивести пристрій за межі динамічного діапазону і викликати нелінійні спотворення сигналу або навіть привести пристрій в зону нечутливості до сигналу (режим насичення) або пошкодження вхідних пристроїв.
Розрізняють внутрішні та зовнішні перешкоди.
Внутрішні перешкоди виникають у результаті ненавмисної передачі частини енергії сигналу частини пристрою з більшим рівнем сигналу в частину з меншим рівнем сигналу (паразитні зворотні зв'язки).
Зовнішні перешкоди можуть виникати через наявність у каналі зв'язку інших супутніх сигналів або зовнішнього середовища: промислові перешкоди, атмосферні перешкоди,електростатичні перешкоди.
Діапазон частот цих перешкод може бути дуже широким від нуля до декількох мегагерц.
Перешкоди можуть бути також природними та штучними.
Боротьба з перешкодами починається з виявлення джерела перешкоди та складання схеми заміщення, що моделює перешкоду. Далі розробляються заходи боротьби.
Для зниження рівня перешкод застосовуються заходи захисту як у джерелах перешкод, і у приймачах. Існують державні стандарти на електромагнітну сумісність різних промислових та електронних пристроїв.
Перешкода з'являється у сигналі внаслідок зв'язку пристрою з сигналом та джерел перешкод. Розрізняють три види зв'язку:
- гальванічний (кондуктивний) зв'язок.
Індуктивний зв'язоквиникає при наведенні ЕРС у проводах пристрою з сигналом внаслідок явища електромагнітної індукції. Для цього мають бути:
- джерело змінного магнітного поля (джерело перешкоди) та
-замкнутий контур із провідником у пристрої з корисним сигналом.
На рис. 7.6 прямокутниками умовно позначені джерело сигналу (ліворуч) та приймач сигналу (праворуч), з'єднані проводами. У замкнутому контурі, утвореному проводами (у лівій частині рис.7.6), утворюється ЕРСe(t) перешкоди, яка залежить від швидкості та амплітуди зміни магнітного потоку Φ(t):
Тутs -площі контуру,B(t) – середнє значення магнітної індукції у контурі.
Існують чотири способи боротьби з електромагнітною перешкодою, які застосовують залежно від конкретних умов.
Перший спосіб- екранування пристрою від змінних магнітних полів шляхом приміщення пристрою в оболонку з феромагнітного матеріалу з високою магнітною проникністю. Це призводить до зменшення значеннямагнітної індукції та магнітного потоку в контурі.
Другий спосіб- зменшення площі контуруs, в якому наводиться ЕРС самоіндукції. Для цього провідники у пристрої розміщують із малою дистанцією, як у правій частині рис.7.6.
Рис.7.6. Зменшення магнітного потоку при зближенні дротів.
Третій спосіб- скручування (звивання) провідників (вита пара). В цьому випадку в окремих петляхs1,s2…джгута створюються складові ЕРС різних знаків та їх сума на всій площіsнаближається до нуля (рис.7.7 ).
Рис.7.7. У звитих провідниках різних ділянках виникають складові ЕРС протилежних напрямів.
Четвертий спосіб- використання коаксіального кабелю, який складається з циліндричної плетеної мідної оболонки («екрана») та центрального мідного дроту («жили»), розділених пластиковим ізолятором. На рис.7.8 екран кабелю зображено пунктирною лінією
Рис.7.8. Коаксіальний кабель у змінному магнітному полі.
ЕРС у контурі, утвореного оболонкою та житлової коаксіального кабелю визначається сумою складовихe1(t) таe2(t). Останні створюються змінами потоків через, відповідно, майданчикиs1 іs2. При цьому щодо оболонки ці ЕРС мають протилежні напрямки (зазначені знаками ٠і+). Тому в контурі сума ЕРС дорівнює нулю.
Ємнісний зв'язоквиникає через розподілені ємності між проводами та елементами. Цей вид перешкоди можна легко спостерігати на екрані осцилограф, якщо торкнутися сигнального проводу, підключеного до входу осцилографа. На рис.7.9. представлена схема, в якій є зовнішня лініяAзі змінною напругоюU1(наприклад, фазний провід мережі зчастотою 50 Гц) і лініяBз вимірювальним сигналомU2частотоюf.
Обидві лінії мають на схемі ліворуч джерела та праворуч приймачі з деякими опорами. Між проводамиAтаBє розподілена ємність, яка на схемі відображена еквівалентним елементомCп.
Рис.7.9. Виникнення перешкод через розподілені ємності.
Джерело в мережіU1створює на дротіBнапруга адитивної перешкодиUП. Значення напруги перешкоди залежить від ємнісного опору і, отже, від ємностіСП. Зі збільшенням ємностіCп (наприклад, зі збільшенням довжини проводів або зі зменшенням відстані між лініямиAіB) амплітуда перешкоди збільшується.
Якщо лініюBзробити коаксіальною із заземленим екраном як на спрощеній схемі рис.7.10, то напруга цієї перешкоди впаде до нуля.
Рис.7.10. Усунення перешкод через розподілені ємності за допомогою коаксіального кабелю.
Зауважимо, що на рис.7.10 заземлення зроблено в одній спільній точці. Це важливо. Потрібно, щоб струми, викликані паразитними ємностями, не викликали падіння напруги на проводах, що з'єднують частини пристрою з сигналом.
У реальних системах індуктивні та ємнісні перешкоди можуть виникати одночасно. На рис.7.10 заземлення екрану коаксіального кабелю влаштовано лише у одній точці. Якщо екран заземлити у двох точках як у рис.7.11, то утворюється замкнутий контурabcd, у якому змінне магнітне поле створить перешкоду як ЭРС електромагнітної індукції.
Рис.7.11. Неправильне повторне заземлення екрану коаксіального кабелю, що призводить до індуктивних перешкод.
Кондуктивний зв'язоквиникає, наприклад, коликілька споживачів отримують електричну енергію від джерела живлення (рис.7.12). Тут два підсилювальні пристрої У1 і У2 живляться від одного джерела постійної напруги І. Загалом для обох підсилювачів проводіabструм дорівнює сумі струмів підсилювачів. Змінна складоваi2(t) струму підсилювача У2 створює на опорі дротиRabзмінну складову напругиua(t)=Ea-Rab i2(t). Частина цієї напруги через резистори, що встановлюють режими транзисторів постійного струму, потрапить на вхід У1 і утворює перешкоду.
Рис.7.12. Схема виникнення перешкод у загальних ланцюгах живлення електронних пристроїв.
Боротьба з цими перешкодами ведеться шляхом зменшення опору проводів (збільшення діаметра проводів, застосування шин великого перерізу) та встановленням фільтруючих елементів (наприклад, конденсатора фільтраCф як на рис. 7.12).
Потужним засобом боротьби із перешкодами є фільтрація (селекція) сигналу. Сучасні методи фільтрації дозволяють звуження смуги пропускання пристроїв зменшити енергію перешкоди. Фільтрування сигналів здійснюється виборчими підсилювачами-фільтрами.
p align="justify"> Важливим кількісним показником електронної системи є відношення амплітуди сигналу до шуму. У якісних системах воно має бути значно більшим за 1.
Якщо форма сигналу відома, то із застосуванням кореляційних методів обробки сигналу вдається отримати корисну інформацію навіть у випадках, коли енергія перешкоди перевищує енергію сигналу, тобто. коли відношення сигналу до шуму менше ніж 1.
Сучасні методи боротьби з перешкодами в електронних пристроях полягають у зниженні потужності перешкод у пристроях, що створюють перешкоди, та у захисті електронних пристроїв –електромагнітне та електростатичне екранування, заземлення, селекція та обробка сигналу.
Насамкінець зауважимо, що для всіх електронних пристроїв існують державні та міждержавні норми на рівень допустимих перешкод, створюваних цими пристроями. Приклади можна знайти в технічному описі різних електронних пристроїв.
Для зниження рівня цих перешкод застосовують екранування пристроїв та встановлення фільтрів у проводах живлення (див. приклад на рис.7.13). Такий же фільтр застосовується в портативних пристроях для розмноження мережевих розеток, які називаються мережевими фільтрами.
Рис.7.13. Схема простого мережевого фільтра для придушення високочастотних перешкод з мережі до приймача та від приймача до мережі.
На рис.7.14. наведено схему моделі такого фільтра та його амплітудно-частотну характеристику.
Рис.7.14. Мережевий фільтр та його АЧХ.
На АЧХ мережевого фільтра рис. 7.14 видно, що він суттєво зменшує рівень перешкод з мережі при частотах більше 100кГц.