Das Pin-1-Problem in Audio, Stern- und Maschenerde und widersprüchliche Erdungspraktiken in Audio- und Digitalsystemen

Ich bin kürzlich auf das in der Pro-Audio-Elektronik bekannte Konzept des "Pin 1-Problems" gestoßen. Es scheint zunächst einfach, wird aber verwirrend, wenn es um die Erdung geht. Lassen Sie mich das Problem von Anfang an beschreiben.

Pin-1-Problem

Viele Audioingenieure glauben, dass das Pin-1-Problem die Ursache für verschiedene EMI/EMV-Probleme im Audiobereich ist.

Pin-1-Problem

Pin 1, Abschirmung, eines XLR-Steckers ist nämlich oft mit der Schaltungserde auf der Leiterplatte verbunden. Es wird argumentiert, dass eine erhebliche Menge an HF-Energie zur Leiterplatte wandert und in die Schaltungserde eingekoppelt wird, wodurch die Abschirmung/das Gehäuse unwirksam wird und die Audiogeräte anfälliger für Interferenzprobleme werden.

Stattdessen sollte der Designer versuchen, dem von der Audio Engineering Society spezifizierten AES48-Standard zu folgen: Pin 1 darf unter keinen Umständen mit der Schaltungsmasse verbunden werden (wenn ein Metallgehäuse vorhanden ist). Stattdessen sollte Pin 1 direkt am Chassis verbunden werden. Die Schaltungsmasse und das Chassis sind weiterhin verbunden, jedoch an einem gemeinsamen Sternerdungspunkt, nicht am XLR-Anschluss.

Beispielsweise beschreibt Jim Brown (Vorsitzender des AES Technical Committee on EMC, der meines Erachtens ein Experte auf diesem Gebiet ist) das Problem in Pin 1 Revisited .

Pin 1: falsches Beispiel

Abb. 1 – Dies ist das klassische HF-Pin-1-Problem in einem Mikrofon. Die Kabelabschirmung geht zum Gehäuse, aber durch einen Draht, der lang genug ist, um eine signifikante induktive Reaktanz bei VHF zu haben. Der Abfall über der Induktivität wird mit der Signalnullreferenz gekoppelt, wo er dem Signal hinzugefügt wird.

Pin 2: richtiges Beispiel

Abb. 2 – Eine Schaltungskonfiguration, die ein Pin-1-Problem vermeidet. Der Schirm geht direkt auf das Abschirmgehäuse. Das Bezugspotential des Signals geht ebenfalls zum Abschirmgehäuse, aber es gibt keine gemeinsame Impedanz.

AES48-2005

Dann fing ich an, die vollständige Spezifikation des AES48-2005-Standards zu lesen . Die Norm macht deutlich,

AES48-2005

  1. Pin 1 sollte direkt mit dem Chassis verbunden werden, nicht mit der Schaltungserde.

  2. Die Erdungen aller EMI-Filterkreise, die für das Blockieren von Rauschen am Eingangs-/Ausgangsanschluss (falls vorhanden) verantwortlich sind, sollten direkt mit dem Gehäuse verbunden werden, nicht mit der Schaltungsmasse.

  3. Die Sicherheitserde, Gehäuseerde und Schaltungserde sind an einem gemeinsamen sternförmigen Erdungspunkt verbunden.

So weit, ist es gut.

Widerspruch

Bis ich widersprüchliche Praktiken im digitalen System fand. Als Henry Ott (der prominente EMV-Guru in der Branche, von dem ich glaube, dass er ein Experte auf diesem Gebiet ist) nach Erdung und Begrenzung gefragt wurde, war seine Antwort :

Q:

I. Ich interessiere mich sehr für das Thema, wie die Schaltungsmasse richtig mit dem Chassis verbunden wird. Wir haben normalerweise Befestigungsschraubenlöcher auf der Platine, die mit dem Chassis verbunden sind. Soll ich die Löcher für die Befestigungsschrauben mit der Erdungsebene des Schaltkreises verbinden oder sie nur als Gehäuseerde belassen und sie nur an einem Punkt mit der Schaltkreiserde verbinden, z. B. am Netzteil? Wenn ich sie mit der Grundplatte verbinde, sollte ich nur eine mit der Grundplatte verbinden (wenn eine, welche) oder alle mit der Grundplatte?

II. Eine zweite Frage bezieht sich auf eine Mixed-Signal-Leiterplatte. Sollte die Gehäusemasse mit der analogen Masse, der digitalen Masse verbunden werden oder als Gehäusemasse belassen und nur an einem Punkt verbunden werden, beispielsweise an der Stromversorgungsmasse?

A:

I: Zuerst werde ich Ihnen sagen, was Sie nicht tun sollten, nämlich eine Einpunktverbindung zwischen der Schaltungsmasse und der Gehäusemasse am Netzteil herzustellen.

In den meisten Fällen sollte die Schaltungsmasse mit einer niederinduktiven Verbindung im I/O-Bereich der Platine mit dem Chassis verbunden werden. In manchen Fällen müssen zusätzliche Stromkreis-zu-Chassis-Verbindungen hergestellt werden, aber diese sind zusätzlich zu denen im I/O-Bereich, nicht an deren Stelle.

Der beste Weg, dies zu verstehen, besteht darin, die Schaltungserde als Rauschspannungsgenerator zu betrachten (als Ergebnis der endlichen Erdungsimpedanz und der durch die Erde fließenden Logikströme). Dieses Erdrauschen treibt einen hochfrequenten Gleichtakt-Störstrom aus den Kabeln und bewirkt, dass sie abstrahlen. Wenn jedoch die Schaltungsmasse im E/A-Bereich mit dem Chassis verbunden ist, wird dieser Störstrom zum Chassis abgeleitet und fließt nicht auf den Kabeln ab. Diese Schaltungsmasse-Masse-Verbindung muss eine sehr niederinduktive Verbindung sein, um die hochfrequenten Störströme abzuleiten – dies erfordert normalerweise mehrere kurze Verbindungen im I/O-Bereich.

II. Wenn es sich um eine Mixed-Signal-Leiterplatte handelt, sollte die Masseverbindung zwischen Schaltung und Gehäuse normalerweise im Digitalbereich der Platine hergestellt werden, wobei weiterhin das in 1. beschriebene Verfahren zu befolgen ist.

(Hervorhebung von mir)

Auch in der EE.SE-Frage Sollte die Gehäusemasse an die digitale Masse angeschlossen werden? , die Top-Antwort lautet:

Ich habe es auf verschiedene Arten gemacht, aber die Art und Weise, die für mich am besten zu funktionieren scheint, ist die gleiche Art und Weise, wie es PC-Motherboards tun. Jedes Montageloch auf der Platine verbindet das Signal gnd (auch bekannt als digitale Masse) direkt mit dem Metallgehäuse durch eine Schraube und einen Metallabstandshalter.

Bei Steckverbindern mit Abschirmung wird diese Abschirmung über eine möglichst kurze Verbindung mit dem Metallchassis verbunden. Idealerweise würde die Steckerabschirmung das Gehäuse berühren, ansonsten wäre eine Befestigungsschraube auf der Platine so nah wie möglich am Stecker. Die Idee dabei ist, dass Rauschen oder statische Entladungen auf der Abschirmung/dem Gehäuse bleiben und niemals in das Gehäuse oder auf die Leiterplatte gelangen. Manchmal ist das nicht möglich. Wenn es also auf die Leiterplatte gelangt, möchten Sie es so schnell wie möglich von der Leiterplatte entfernen.

Lassen Sie mich das klarstellen: Bei einer Leiterplatte mit Steckverbindern ist Signal GND über Befestigungslöcher mit dem Metallgehäuse verbunden. Chassis GND ist über Befestigungslöcher mit dem Metallgehäuse verbunden. Chassis-GND und Signal-GND sind NICHT auf der Platine miteinander verbunden, sondern verwenden stattdessen das Metallgehäuse für diese Verbindung.

Meine Begründung

Es scheint, dass die Erdungs-/Verbindungspraktiken in Audio- und Digitalsystemen sehr unterschiedlich sind. Experten beider Systeme erkennen an, dass eine niederohmige Verbindung ohne induktive Impedanz zwischen Schaltungsmasse und Gehäusemasse unerlässlich ist, sind sich jedoch nicht über deren Umsetzung einig.

Die digitale Welt glaubt, dass die Schaltungsmasse und das Chassis mit einer Verbindung im I/O-Bereich der Platine verbunden werden sollten , da diese Verbindung eine niederohmige Verbindung wäre . Es stoppt die Schallabstrahlung, da der Lärm zum Chassis umgeleitet wird. Digitaldesigner glauben auch, dass man das beste Ergebnis mit einer Maschenmasse erzielen kann, man kann das beste Ergebnis erzielen, indem man mehrere Befestigungsschrauben verwendet, um die Schaltungsmasse mit dem Gehäuse zu verbinden, und eine Verbindung mit sehr niedriger Impedanz bildet.

Die Audiowelt glaubt, dass die Schaltungsmasse und das Chassis niemals am Audioanschluss verbunden werden sollten, da diese Verbindung eine hochohmige Verbindung wäre oder einen gemeinsamen Impedanzpfad schaffen würde , die Existenz dieses gemeinsamen Impedanzpfads macht das Gerät unwirksam Abschirmung von hochfrequentem Rauschen. Audio-Designer glauben auch, dass man das beste Ergebnis erzielen kann, wenn man eine Sternerde verwendet , um jeden Unterschied des Erdpotentials zu eliminieren.

Es scheint, dass die Frequenz der Systeme, auf denen gearbeitet wird, die Ursache des Widerspruchs ist. Ein Audiosystem konzentriert sich darauf, sich selbst vor externen Störungen abzuschirmen und Brummen und Brummen zu vermeiden, aber ein digitales System legt Wert darauf, die Außenwelt vor seinen eigenen Störungen abzuschirmen. Daher sollten niederfrequente analoge Systeme der Audio-EMV-Praxis folgen, aber digitale Hochgeschwindigkeitssysteme sollten der digitalen EMV-Praxis folgen?

Frage

  1. Ist meine eigene Analyse richtig?

  2. Der AES48-Standard erwähnt nur Sternerdung: Schutzerde des Netzes, Schaltungserde und des Chassis sollten an einem gemeinsamen Sternerdungspunkt verbunden werden. Was würde passieren, wenn ich eine Maschenerde (wie ein Computer-Motherboard) verwende, um das Gehäuse und die Schaltungserde zu verbinden, wird es als gut oder schlecht für Audio angesehen?

  3. Die Dinge sind nicht schwarz und weiß. Heutzutage enthält ein professionelles Audiosystem oft auch ein digitales Hochgeschwindigkeitssystem. In diesem Fall ist man gezwungen, entweder die empfohlene Praxis des Audiosystems oder das digitale System zu brechen. Was soll ich machen? Vielleicht können die digitale Masse und die analoge Masse mit ihren jeweiligen Anschlüssen separat behandelt werden, jeder folgt den besten Praktiken seiner eigenen Welt?

Kann jemand, der professionelle Erfahrung sowohl mit analogen/Audio- als auch mit digitalen Systemen hat, helfen, etwas Licht in dieses Problem zu bringen?

Sie müssen Lösungen im Kontext des Problems analysieren, das sie zu lösen versuchen. Im Audiosystem ist das Board das Opfer, und draußen gibt es Angreifersignale. In der digitalen Welt ist der Vorstand der Angreifer und die Außenwelt das Opfer. Macht das trotz der Reziprozität zwischen Sende- und Empfangsverstärkung einen Unterschied? Beachten Sie auch, dass Audio symmetrisch ist, aber digitale Systeme unsymmetrisch sind.
Vergessen Sie nicht den AES54-1-2008-Standard, der besagt: „Es darf keine Gleichstromverbindung zwischen dem vorgesehenen Schirmkontakt und einer leitfähigen Hülle bestehen.“ 🤦 (Es heißt, eine HF-Verbindung zwischen Hülle und Abschirmung herzustellen, aber keine DC/Audio/60-Hz-Verbindung.)
@endolith Das stimmt. Nachdem ich Henry Ott gelesen habe, glaube ich, dass ich es jetzt vollständig verstanden habe. Analoges Audio hat einen niedrigen Pegel und eine niedrige Frequenz, daher: (1) Aufgrund von 50/60-Hz-Erdungsschleifen ist eine Mehrpunkterdung unerwünscht. (2) Es ist möglich, LF auf Strom zu setzen, um Ihrer Spur zu folgen. Also Sternboden. Die digitale Logik ist hochpegelig und hochfrequent, daher ist (1) die Erdungsschleife kein großes Problem, und (2) es ist NICHT praktikabel, HF-Strom zu leiten, nur um die Impedanz des Rückwegs zu verringern, also die Maschenmasse. Wenn Sie schließlich sowohl AF als auch HF haben, können Sie viele Kondensatoren verwenden, um einen DC-Unterbrechungs- und HF-Kurzschluss zu erzeugen, den AES-Ansatz.

Antworten (3)

Ich hasse das Wort „Boden“, es deckt sooo viele leicht unterschiedliche Dinge ab!

Was die Audio-Jungs zumindest innerhalb der Hauptaufgaben einer Platine mit „Masse“ meinen, ist wirklich „Signalreferenz“, die mit Gehäusemasse identisch sein kann oder nicht, aber mit ziemlicher Sicherheit keinen Strom von Kabelschirmen oder führen sollte Schleifenbildung mit dem Fahrgestell. Das Problem ist, dass Sie bei beispielsweise einem 2-V-Audiopegel versuchen, weniger als 20 uV Rauschen in diesem Netz zu haben, wenn Sie ein Grundrauschen von 100 dB wünschen, was bedeutet, dass nicht viel Strom fließen kann. Kluge Audio-Leute machen alle möglichen Pseudo-Differential-Spiele, indem sie sehr wählerisch sind, wo genau Referenzverbindungen hergestellt werden.

Am Rand der Platine haben Sie normalerweise Ihre RFI-Filter und solche, die eine direkte Verbindung zum Chassis benötigen (idealerweise zum Steckergehäuse), aber wenn Sie diese Verbindung mit der Signalreferenz teilen, haben Sie von Natur aus ein kleines Stück Kupfer Kabelschirmstrom und Definition des Referenznetzpotentials relativ zum Chassis, dieses Kupferstück hat eine Induktivität, sodass der Schirmstrom eine Spannung darüber entwickelt, das Referenznetz hat eine Kapazität zum Gehäuse, sodass am Ende HF im Referenznetz fließt (welches ist typischerweise bei Audiofrequenz sehr kurz, 2,4 GHz nicht so sehr!).

Die digitalen Jungs kümmern sich meistens nicht darum, dass Rauschen auf uV-Pegel in ihre Netze gelangt (Bodenreflexion auf den Chips ist viel mehr als das!). Für sie also alles an alles andere zu binden und viele kleine Schleifen zu machen, die wenig Fläche haben, ist ein massiver Gewinn, reduziert die Strahlung und reduziert auch die Kopplung.

Übrigens ist Mesh AUSSERHALB des Board-Referenznetzes auch ein Nettogewinn für Audio, Sie müssen nur die Schirmströme davon abhalten, Spannungsabfälle im internen Audio-Referenznetz zu erzeugen. Siehe zum Beispiel Tony Walderons Papiere zum Entwerfen von störungsfreien Audiosystemen, viele Schleifen mit niedriger Impedanz.

Was ist auf einem Mixed-Signal-Board zu tun? Entscheidungen, Entscheidungen ... Im Allgemeinen bevorzuge ich eine einzelne Masseebene und mache die hierarchische Erdungssache, wenn empfindliches Audio im Spiel ist, manchmal eine Ebene mit einem Schlitz, aber KEINE Spur darf den Schlitz überqueren, denken Sie an die Tatsache Dieser Strom fließt in Schleifen im Verhältnis der Leitfähigkeit und Sie werden nicht allzu schrecklich falsch liegen.

Warum spielt die Spannung der Schaltungssignalreferenz relativ zum Chassis eine Rolle?
Weil normalerweise die Ein- und Ausgangsstufen einen begrenzten Gleichtaktbereich haben?
Wie übersetzt sich eine Spannungsdifferenz zwischen der Signalmasse/Kabelabschirmung und dem Chassis an diesem Punkt in eine Gleichtaktspannung bezüglich der Signalmasse? Der Empfänger in diesem Beispiel ist auf die Signalmasse bezogen, nicht (direkt) auf das Chassis.
@hddh, Empfänger haben einen endlichen Gleichtaktbereich, der Kabelschirm verbindet die beiden Chassis miteinander, und Sie möchten die interne Referenz des Empfängers irgendwo in der Nähe des Gleichtaktausgangs des Senders platzieren, um den verfügbaren Spannungshub zu maximieren, indem Sie ihn an das Chassis anschließen . Außerdem minimiert diese niedrige Z-Verbindung die kapazitive Kopplung vom Gehäuse zum Referenznetz.
Ich stimme der kapazitiven Kopplung zu. Und ich stimme zu, dass Empfänger einen endlichen Gleichtaktbereich haben. Mir ist nur nicht klar, warum eine Spannung von Signalmasse und Kabelschirm gegenüber dem Chassis in eine Gleichtaktspannung gegenüber Signalmasse übersetzt wird. Um klar zu sein, ich beziehe mich auf dieses Bild
@hddh Diese gemeinsame Impedanz unten rechts trägt den Kabelschirmstrom und entwickelt somit aufgrund ihrer Impedanz einen Spannungsabfall. Da das Chassis an einem Ende davon und die Single-Ended-Referenz mit dem anderen verbunden ist, wird zwischen dem Chassis und der Signalreferenz eine Spannung erzeugt, und daher fließen kapazitive Ströme in der Signalreferenz. Im Zeitalter von Mobiltelefonen mit 5-GHz-WLAN-Schnittstellen braucht es nicht viel gemeinsame Länge, um eine signifikante Impedanz zu sein. Der Pigtail in der Box, der als Antenne fungiert, ist ein weiteres etwas anderes Problem.
Hmmm. Ich stimme zu, dass kapazitive Ströme schlecht sind. Es ist mir jedoch nicht klar, dass das Chassis eine andere Spannung haben würde. Sicher, wenn alle HF-Ströme durch diese Induktivität fließen würden, würde eine Spannung darüber anliegen - aber warum sollten sie sich dafür entscheiden, durch die Induktivität zu fließen, wenn ihre Impedanz so hoch ist? Sie würden lieber in den Stromkreis selbst fließen, was mir wie das eigentliche Problem erscheint. Wenn Sie die Verbindung zum Gehäuse (oder zum Gehäuse selbst) entfernen, besteht dieses Problem weiterhin.

Ist meine eigene Analyse richtig?

Sieht gut für mich aus. Ich stimme Ihrer Analyse zu. Normalerweise funktionieren die Designregeln eines Systems nicht mit einem anderen System mit anderen Zielen.

Elektromagnetische Verträglichkeit ist eine Kunst, keine Wissenschaft. Es ist eine Kunst, weil oft viele Parameter nicht messbar sind (meistens aus Zeitgründen) auf sehr unterschiedlichen Systemen mit unterschiedlichen Anforderungen. Ein Designer verwendet Best Practices für ein sehr komplexes System, es wäre schwierig, das Design durch eine einzige Regel zu bestimmen.

Der AES48-Standard erwähnt nur Sternerdung: Schutzerde des Netzes, Schaltungserde und des Chassis sollten an einem gemeinsamen Sternerdungspunkt verbunden werden. Was würde passieren, wenn ich eine Maschenerde (wie ein Computer-Motherboard) verwende, um das Gehäuse und die Schaltungserde zu verbinden, wird es als gut oder schlecht für Audio angesehen?

Das Problem mit Mesh Grounds (wie ich gefunden habe) ist, dass es wirklich schwierig ist, Ströme zu kontrollieren oder zu wissen, woher sie kommen. Mit einem einzelnen Erdungspunkt können Sie Kabel trennen und die Quelle leicht finden.

Die Dinge sind nicht schwarz und weiß. Heutzutage enthält ein professionelles Audiosystem oft auch ein digitales Hochgeschwindigkeitssystem. In diesem Fall ist man gezwungen, entweder die empfohlene Praxis des Audiosystems oder das digitale System zu brechen. Was soll ich machen? Vielleicht können die digitale Masse und die analoge Masse mit ihren jeweiligen Anschlüssen separat behandelt werden, jeder folgt den besten Praktiken seiner eigenen Welt?

Abhängig von den Kosten des Systems kann in High-End-Systemen (wo die Kosten kein so großes Problem darstellen) eine Isolierung eingesetzt werden, um zu verhindern, dass Ströme Probleme verursachen. Wenn die Isolierung nicht verwendet werden kann, kann die bewährte EMV verwendet werden.

Viele Male können Ströme auf einer Leiterplatte durch eine gute Platzierung der Komponenten geleitet werden (wenn Sie eine einzige Masse haben).

Ich habe einige Jahre im Pro-Audio-Bereich verbracht (zu der Zeit, als Systeme begannen, immer mehr digitale Blöcke zu enthalten, sowohl für DSP als auch für die Steuerung), und ich bin nie wirklich auf eine klare oder endgültige Antwort darauf gestoßen.

Beim Bau großer Systeme (damit meine ich ein zentrales Equipment-Rack mit 10 bis mehreren hundert externen Einheiten, die oft vom zentralen Rack mit Strom versorgt werden) für große Rundfunkanstalten und Theater, die Erfahrung mit solchen Dingen hatten, lernte ich die grundlegenden Praktiken war:

  1. Chassis und technische Masse überall getrennt halten. Abschirmungen wurden im Allgemeinen mit dem Chassis verbunden.
  2. Stellen Sie mehrere Stellen bereit, an denen die beiden angeschlossen werden könnten, zumindest am zentralen Netzteil und an jedem externen Modul. Wenn das System getestet und abgemeldet wurde, können Sie damit beginnen, dass alles verbunden ist, und bei spezifischen Problemen experimentieren, um eine lokale Lösung zu finden.
  3. In einem Pro-System senden Sie kein unsymmetrisches Audio zwischen Geräten! Darüber hinaus kann es durchaus hochwertige Audiotransformatoren geben, die nicht nur ein hervorragendes CMR liefern, sondern auch einen hohen Schutz gegen Schäden durch Transienten, menschliche Fehler usw. bieten. Dies macht das Problem viel weniger schwerwiegend, als es zunächst scheint.

Ich muss sagen, dass mir die erste gegebene Analyse (unabhängig vom Stammbaum ihres Autors) ein wenig faul erscheint. Warum ist die Kapazität von Schaltung zu Gehäuse im zweiten Diagramm plötzlich verschwunden? Alles, was hier wirklich passiert ist, ist, dass sich der Verbindungspunkt von Tech 0V zu Chassis ein wenig verschoben hat, aber ohne physische, reale Details scheint dies bedeutungslos zu sein. (Natürlich kann es in der Praxis viele XLRs oder vielleicht Mehrwegeanschlüsse mit vielen symmetrischen Signalen geben, daher ist das Diagramm sowieso nicht von großem Nutzen.)

Beachten Sie, dass in der modernen Welt analoge Signale nicht mehr oft zwischen Geräten geroutet werden, es sei denn, Sie sind ein analoges Aufnahmestudio der alten Schule (es gibt sie noch). Wenn Sie heutzutage eine Band auf einem Festival besuchen, gehen die Signale von der Bühne zum Sounddesk wahrscheinlich über Ethernet, möglicherweise Glasfaser, mit Dante oder ähnlichem. (Ich weiß, dass dies vom Thema der Frage abweicht, aber ich möchte nur darauf hinweisen, dass diese Diskussion in gewissem Maße ziemlich akademisch geworden ist. Sobald Sie von der analogen zur digitalen Audiosignalübertragung wechseln, verringern sich Ihre Anforderungen an die Störfestigkeit um mehrere Größenordnungen Größe.)

Schließlich ist es erwähnenswert, dass in einem Mixed-Signal-System, in dem ein Mikrocontroller neben analogem Audio lebt, die Probleme, digitales Rauschen lokal aus dem analogen herauszuhalten, erheblich sind. Heutzutage wird dies wieder einfacher, da Ihr "digitaler" Block möglicherweise nur aus einem oder zwei ICs besteht. In den Tagen, als dies nicht so war (z. B. frühe digitale Reverbs), wurden viele Tricks angewendet, wie z. B. das Synchronisieren der Abtastfrequenz mit der Stromversorgung und der optoisolierten Ein-/Ausgänge mit Wandlern - und viel physisches Metall und Luft zwischen den Blöcken.

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