Programma SIEL week 5 EMC Filters Modulatie/Demodulatie

EMC = ElektroMagnetische Compatibiliteit = Wat is EMC? EMC = ElektroMagnetische Compatibiliteit = Bevredigend functioneren in de omgeving Kunnen meten van het ‘nuttig signaal’ Afleiden van storingen van buiten Geen storingen naar buiten ‘zenden’ Beveiliging t.a.v. overspanning/blikseminslag

Enige achtergronden van EMC Wat wel, wat niet? WEL: Enige achtergronden van EMC Vuistregels voor aarding en bekabeling zwakstroom signalen NIET: Meten/Testen van EMC Beveiliging voor overspanning/blikseminslag Normen voor installatie en CE EMC is een uitgebreid vakgebied. Hier wordt slechts een deel behandeld. Zeer aanbevolen literatuur is: Goedbloed: Elektromagnetische Compatabiliteit, Kluwer SIEL0405 week 5

De stoorsituatie SIEL0405 week 5

Inter-EMC en Intra-EMC SIEL0405 week 5

Sensorsysteem met storingen SIEL0405 week 5

Vergelijking met draagbare radio Een radio gebruikt een antenne om signalen van buiten naar binnen te geleiden. FM-signalen komen als EM-straling op de spriet-antenne. Van de spriet-antenne komen de FM-signalen door geleiding binnen de radiokast. Binnenin zit een ferriet-antenne. Deze vangt direct EM-straling op van AM-signalen. SIEL0405 week 5

Overdracht via geleiding Capacitieve overdracht Inductieve overdracht Stoorwegen Overdracht via geleiding Capacitieve overdracht Inductieve overdracht Straling SIEL0405 week 5

Belangrijke begrippen Differential Mode signalen (DM): het ‘nuttige signaal’. Common Mode signalen (CM): storingen t.g.v. antenne-werking v.d. kabel. Signaalaarde (SA): het referentieniveau voor de nuttige signalen. Dikwijls onderscheiden in: ‘digitale aarde’ en ‘analoge aarde’ Veiligheidsaarde (VA): de aarde t.b.v. veilig gebruik van apparatuur. Door een kabeldoorsnede zijn de DM-stromen netto 0. De CM-stromen zijn netto niet 0. SIEL0405 week 5

Meten van CM- en DM-stromen Goedbloed: Elektromagnetische Compatibiliteit Men gebruikt bij voorkeur een stroomtang, die om een kabel (of een aantal kabels tegelijk) kan worden geklipt. SIEL0405 week 5

Meting van de stroom door een printspoor Goedbloed SIEL0405 week 5

Inductiestromen werken hun ontstaan tegen. Wet van Faraday Inductiestromen werken hun ontstaan tegen. In een stroomkring ontstaat derhalve een Uind met: Indien ohmse weerstand laag: De aardlus vormt een raamantenne. Stel dat de omvatte flux Φ verandert met een bepaalde frequentie ω, dan ontstaan in de lus inductiestromen en spanningen, evenredig met Φ. Deze inductiestromen/spanningen vormen de common mode Icm en Ucm. Hiervan geven de common mode stromen de meeste problemen. Maatregelen: Oppervlak klein houden: aardgeleider langs de kabel laten lopen. Zelfinductie groot maken (ferrietkraal). Het hele systeem: sensor + kabel + signaalverwerkende apparatuur op een punt verbinden met de veiligheidsaarde VA. Dit lukt vaak niet in verband met de verplichte veiligheidsaarding van diverse onderdelen. Lusweerstand groot maken, b.v. door de sensor te latenzweven of de lus onderbreken. Er blijft echter dan nog door parasitaire capacitieve koppeling een (veel kleinere) stroom Iind lopen. Er blijft een inductiespanning Uind maar deze hoeft de meting niet te beinvloeden, mits CMRR aan de ontvangzijde voldoende groot is. SIEL0405 week 5

Aardlus De aardlus werkt als een raamantenne. Hoe groter het oppervlak, des te gevoeliger voor wisselende magneetvelden, en deze ontstaan door wisselende stromen ‘in de buurt’. Oplossing: de referentie met het signaal mee laten lopen en op een plaats aan de veiligheidsaarde verbinden. Als dit niet kan vanwege aardingsvoorschriften van beide kastjes, zorg dan voor een laagohmige verbinding tussen beide aardpunten, die in de buurt loopt van de signaalkabel. SIEL0405 week 5

Soorten kabels Bij zuivere symmetrie (z.g. ‘balanced system’) geven de beide takken elk 1/2 Icm. Dit geeft aan de versterkerzijde weliswaar een common mode spanning Ucm=1/4 R.Icm op beide aansluitpunten, maar een verschilversterker met goede CMRR geeft deze niet door naar de uitgang. Dit geldt echter niet meer als de Icm zich niet gelijkelijk verdeelt over beide aders. Stel dat de onderste kabel is geaard, dan loopt alle Icm alleen over de onderste geaarde geleider. Er ontstaat nu rechts een stoorspanning Hierin is de transferimpedantie Deze heeft een ohmse en een inductieve component: M is de wederzijdse inductie tussen de beide aders. Je kunt dit als volgt voorstellen: Als door de ene ader de stroom Icm toeneemt met ΔIcm, zal de omvatte flux veranderen. Vanwege de inductiewet gaat dan in de andere ader een stroompje lopen dat deze verandering tegenwerkt. Dit stroompje loopt tegengesteld aan ΔIcm. Het resultaat is een DM-stroompje, dat tot een afwijking leidt van de DM spanning. Bij symmetrie ontstaan in beide aders dezelfde effecten, en dus geen netto DM-resultaat. In fig. b is de aarding asymmetrisch. Alle CM-stromen lopen nu door de buitenmantel. Om te zorgen dat dit niet tot een DM-spanning leidt, moet de transferimpedantie laag zijn. Dus: R klein: ohmse weerstand van de kabelmantel laag houden, en M klein: wederzijdse inductie beperken. SIEL0405 week 5

Magnetische krachtlijnen in coaxkabel In een coaxkabel is de wederzijdse inductie M klein, omdat het magneetveld van de stromen in de mantel niet doordringt tot de binnenste ader. Zorg dus ook bij de aansluitingen voor goede coaxverbindingen!! SIEL0405 week 5

Transferimpedanties van enkele kabels Goedbloed SIEL0405 week 5

Enkele maatregelen voor storingsonderdrukking Goede verbinding van de referenties. (‘signaalaarde’). ‘Met het signaal mee aarden’ Zorg zo mogelijk voor symmetrie t.a.v. signaalaarde Bij gebruik coax: zorg voor goede aansluiting van de mantel. Geen losse bedrading laten zitten. Zorg voor een goede CMRR aan ontvangzijde. Bandbreedte niet groter dan nodig (filteren) Draaggolf: Kies freq gebied waar weinig storing is. Galvanische scheiding (opto-couplers, glasvezel). SIEL0405 week 5

Parallelle geleider Bij gebruik van een coax-kabel loopt alle Icm over de mantel. Deze storing van ‘verdund’ worden door de de mantel van een laagohmige parallelgeleider te voorzien. SIEL0405 week 5

Magnetische flux bij kabel met plaat Beide aders Bij hoge frequenties kunnen de beide aders van de kabel als een enkele goede geleider worden beschouwd. Bij hoge frequenties zijn vooral de inductieve effecten belangrijk. De CM-stromen gaan daardoor voor het grootste deel door de parallelgeleidende plaat lopen. Omdat het vooral gaat om inductieve effecten is de vorm van de plaat daarbij van meer belang dan de ohmse weerstand. SIEL0405 week 5

Magnetisch veld rond een goot Bij een goot is het effect van afleiding van de CM-stromen nog groter dan bij een plaat. Daarom kabelgoten gebruiken als parallelgeleiders, kabelmantel aan uiteinden, en bij bochten, goed verbinden met de goot. Nog beter dan een goot is een gesloten metalen buis. Dit wordt afscherming genoemd. Eng: guard. Zorg voor goed verbinding van de afscherming met de kast. De common mode stromen lopen immers via de afscherming, en moeten zo direct mogelijk naar de kast worden afgeleid. SIEL0405 week 5

Vuistregels voor laagfreq. signalen (< 100 kHz) Sensorleiding zo mogelijk laten zweven of symmetrisch aarden (balanced system) Afscherming voor hoge frequenties met een guard. Deze aan beide zijden aarden aan ‘signaalaarde’ Bandbreedte niet groter dan nodig (RC-filter toepassen) SIEL0405 week 5

Bescherming apparatuur Stoorstromen worden zo buiten het apparaat gehouden. Er resteert echter nog een common mode stroom IM. Deze hang samen met de zelfinductie van de kring. De zelfinductie groot maken b.v. door ferrietkraal. SIEL0405 week 5

Aansluiting coaxkabel

EMC-kast Speciale voorzieningen: Alle kastpanelen rondom verbinden. Alle aansluitingen aan achterzijde. Netvoeding met RC-filter naar de kast. Kabelmantels rondom aansluiten op de kast. SIEL0405 week 5

Overspraak door geleiding SIEL0405 week 5

Puntkoppeling SIEL0405 week 5

Getwiste kabel Goedbloed SIEL0405 week 5

Inductieve overspraak SIEL0405 week 5

Common-mode spoel Goedbloed Door toepassen van een ferrietkraal om een kabel krijgt men een hoge zelfinductie voor CM-stromen, terwijl dit geen invloed heeft op de DM-stromen. In de praktijk wordt de kabel meerdere keren om de ferrietkraal gewikkeld. SIEL0405 week 5

VA niet als referentie-aarde mee laten lopen. Suggesties VA niet als referentie-aarde mee laten lopen. Digitale en analoge aarde apart houden, Fysiek scheiden van kabelbomen met HF sterke stromen en sensorsignalen SIEL0405 week 5

Fasegevoelige Detectie (FGD) Filters ’Ideale filters’ Laagdoorlaat filter LDF Hoogdoorlaatfilter HDF Bandfilter BDF Bandsperfilter BSF Reele filters Fasegevoelige Detectie (FGD)

Signalen met ruis Door de turbulenties in het water tijdens het vullenis het ruisniveau niet constant. Het signaal van de druksensor bevat ruis. SIEL0405 week 5

Signaal of storing? In de praktijk is het niet altijd duidelijk welk deel van een meetsignaal opgevat moet worden als storing en welk deel als het ‘zuivere’ signaal. SIEL0405 week 5

Werking van een ‘ideaal’ laagdoorlaatfilter (1) Filteren is nooit ideaal, omdat onvermijdelijk een deel van het ‘zuivere’ signaal wordt weggefilterd. Daarom moet altijd worden geprobeerd om eerst het signaal op andere wijze zoveel mogelijk vrij te maken van storing en ruis. Als eventueel toch nog gefilterd moet worden, behoeft dit niet zo zwaar in te grijpen. SIEL0405 week 5

Werking van een ‘ideaal’ laagdoorlaatfilter (2) Een blokgolf wordt vervormd door een laagdoorlaatfilter, ook al is de frequentie van het blokgolf binnen het doorlaatgebied. Dat komt omdat de hogere harmonischen wel worden uitgefilterd. SIEL0405 week 5

‘Ideaal’ hoogdoorlaatfilter Het signaal links bevat een laagfrequente storing, ook wel drift genoemd. Deze wordt volledig verwijderd door het ‘ideale’ hoogdoorlaatfilter. SIEL0405 week 5

‘Ideaal’ bandfilter Het gestoorde signaal links bevat drie frequenties. Het bandfilter laat alleen de middelste (de gewenste) frequentie door. SIEL0405 week 5

‘Ideaal’ sperfilter Een sperfilter (Eng: notch filter) dient om een enkele frequentie te onderdrukken. SIEL0405 week 5

Bodediagram van een 1e orde LDF Een 1e orde filter geeft geen volledige onderdrukking van de frequenties buiten de doorlaatband. Let bij deze bodediagrammen op het volgende: 1. Het amplitude-diagram is dubbellogaritmisch. De vertikale schaal is logaritmisch verdeeld of in decibel (db). 2. De helling in een dubbellog grafiek stelt de macht van ω voor. 3. De fasekarakteristiek is enkellogaritmisch. SIEL0405 week 5

Filters van hogere orde De onderdrukking van ongewenste frequenties is beter voor hogere orde filters. SIEL0405 week 5

Werking van een 1e orde LDF De werking van een reeel laagdoorlaatfilter. Hier blijkt dat de stoorfrequenties niet volledig worden onderdrukt. Bovendien wordt de blokgolf vervormd, omdat hogere harmonischen niet worden doorgelaten. SIEL0405 week 5

1e orde HDF SIEL0405 week 5

Bodediagram 2e orde bandfilter SIEL0405 week 5

Bodediagram van 2e orde sperfilter SIEL0405 week 5

Modulatie-demodulatie De storing die na de modulatie in het signaal komt, is niet synchroon met de oscillatorfrequentie. De demodulator is zodanig opgebouwd, dat niet-synchrone signalen worden onderdrukt. (Zie fasegevoeldige detectie) SIEL0405 week 5

Signalen bij modulatie/demodulatie Merk op dat de nietsynchrone storing wordt onderdrukt. SIEL0405 week 5

Werking van een FGD Een fasegevoelige detecotr (FGD) kan worden opgevat alsof het de absolute waarde neemt van het signaal. Een FGD kan worden verkregen door een blokgolf te genereren tussen (+1 en -1), die synchroon is met de draaggolf, en het signaal daarmee te vermenigvuldigen. Een FGD wordt ook wel een synchrone detector genoemd. Engels: Phase Sensitive Detector (PSD). SIEL0405 week 5

Fasegevoelig detectie-systeem Door de hoogfrequent modulatie ligt het meetsignaal in een vrij nauwe band rond de draaggolf-frequentie. Daardoor kan een bandfilter met dezelfde frequentie als de draaggolf worden gebruikt, om de meeste storing te onderdrukken. De FGD kan (in theorie) alleen signalen doorlaten die synchrooon verlopen met de draagolf. Door de demodulatie wordt ook de draaggolf onderdrukt. Het laatste restje daarvan wordt met een gewoon LDF nog verder verzwakt. SIEL0405 week 5

FGD met onjuiste fase De blokgolf die door de ontvanger wordt opgewekt moet synchroon zijn met de draaggolf van de zender, en tevens de juiste fase hebben. Anders wordt het signaal verzwakt. In geval van telecommunicatie wordt door de ontvanger een synchrone frequentie opgewekt, die afgeleid wordt uit het ontvangen signaal. Dit gebeurt met een regelsysteem, z.g. Phase Locked Loop (PLL). Deze wordt dikwijls ook gebruikt voor het in resonantie brengen van een sensor. SIEL0405 week 5

Spanningsgestuurde oscillator (VCO) Uit: Regtien: Instrumentele Elektronica De integrator ontvangt aan de ingang het ingangssignaal, hier aangeduid met Uref1. Hierdoor neemt de uitgang lineair toe. De Schmitt-trigger zal bij een bepaalde waarde omklappen, bepaald door Uref2. Via het stuurcircuit wordt de sluitschakelaar bediend, welke de condensator kortsluit. Hierdoor gaat de uitgangsspanning van de integrator snel naar 0, en de cyclus begint opnieuw. Aan de uitgang van de integrator ontstaat zo een zaagtand u0, en aan de uitgang van de Schmitt-trigger krijg je een blokgolf us. Als Uref1 een variabele ingangsspanning is, ontstaat een z.g. Voltage Controlled Oscillator (VCO). De frequentie wordt mede bepaald door de waarde van R en C. Als men hiervoor een sensor zou gebruiken, zoals een resistieve resp. een capacitieve sensor, verkrijgt men een frequentie, die direct afhangt van de meetwaarde van de sensor. Je hebt op deze manier dus een sensor, die als uitgangssignaal een frequentie heeft. Aangezien de informatie is gelegen in de frequentie, en niet in de precieze waarde van de golfvorm, krijg je hiermee een robuust signaal, dat storingsvrij is te transporteren en met een digitale counter zeer nauwkeurig is te meten. In de praktijk gebruikt men ook wel oscillatoren van andere gedaante, die zich b.v. beter lenen voor een verschilmeting. Zie b.v. de Universal Transducer Interface (UTI) van TU-Delft en firma Smartec. SIEL0405 week 5

Phase Locked Loop (PLL) Invloed van buiten fin Faseverschil-detector fout Loop-filter VCO resonator regelaar proces Een PLL wordt gebruikt voor allerlei doeleinden in de meettechniek en elektronica. Het is een regelsysteem, dat als ingangswaarde een signaal heeft met frequentie fin. Het uitgangssignaal is een signaal met frequentie fout, dat synchroon is met fin. Dat betekent dat tussen fout en fin een vast faseverschil bestaat. Eventuele afwijkingen van de fase worden gemeten in de fasedetector, en via het loopfilter wordt de frequentie van de VCO bijgestuurd. Voor de VCO zijn diverse interessante mogelijkheden: a. Telecommunicatie: Voor ontvangst van signalen die gemoduleerd zijn op een draaggolf. De PLL zal locken op de draaggolf van het ingangssignaal. Het verkregen signaal fout is nu synchroon met de draaggolf, en men kan de draaggolf verwijderen m.b.v. een fasegevoelige detector. De resonator is in dit geval niet nodig. b. Motorsturing: Een motor met incrementele encoder op de as. Een ingangsspanning op de motor resulteert in een toerental en dus een frequentie. Het systeem is dus op te vatten als een VCO. Met een dergelijke PLL kan men motoren synchroon laten lopen, of, met enige toevoegingen, in een vaste verhouding van de toerentallen. c. Resonantie-circuit: Hiervoor is geen ingangssignaal nodig. Als de resonator uit fase raakt met de aandrijffrequentie, wordt deze laatste bijgestuurd. Voor sensoren is het interessant om een resonator te ontwerpen, die gevoelig is voor de te meten grootheid. Een verandering van de resonantiefrequentie stuurt de VCO bij, waardoor het geheel in resonantie blijft. De frequentie is weer te meten met een digitale counter. Een voorbeeld hiervan is een SAW-device, dat als resonator dienst doet. In de optica werkt men met frequenties van het licht. Een resonator kan b.v. zijn een optische fibre, of een bepaald traject waar het licht passeert. De optische weglengte, en dus de fase van het uittredende licht, is afhankelijk van de te meten grootheid, zoals verplaatsing, druk, rek, vochtigheid e.d. Een voorbeeld van een optische VCO is een laser, waarvan het licht hoogfrequent wordt gemoduleerd. Hierdoor ontstaat een afstembare laser, waarvan de lichtfrequentie, en dus de golflengte kan worden aangepast aan de eigenschappen van het meettraject. SIEL0405 week 5