Effizienz des Erhaltens von differentieller Signalisierung von einseitig geerdeten Wandlern

Dies wird eine konzeptionelle Frage sein. Ich beschäftige mich manchmal mit der Datenerfassung von Wandlern, wie Dehnungsmessstreifen, Beschleunigungsmessern usw. Art von Sensoren. Die meisten dieser Sensoren haben ihre eigenen Präzisionsverstärker. Was ich also mit dem Wandlerausgang meine, ist das verstärkte Sensorsignal. Diese Signale gehen dann zum Eingangsverstärker der Datenerfassung, der einfach ein Differenzverstärker ect ist. Aber meistens sind die Wandlerausgänge unsymmetrisch. Manchmal stoße ich auf alle Arten von Rauschen, Gleichtaktrauschen ect.

Da die differenzielle Signalisierung immun gegen Rauschen ist, habe ich darüber nachgedacht, eine unsymmetrische Signalisierung wie folgt in eine differenzielle Signalisierung umzuwandeln (ich möchte Abbildung 2 implementieren):

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Hier also meine Fragen.

1-) Einige Wandler werden als Differenzsignalwandler hergestellt und verkauft. Sie sind also bereit, an einen Differenzverstärker angeschlossen zu werden. Aber wenn man einen Wandler hat und ihn als Differenzsignal verwenden möchte, wie in meiner Abbildung 2, wäre das eine falsche Behandlung? Ich frage, weil ich, wenn ich das Signal selbst invertiere, um eine differenzielle Signalisierung wie in Abbildung 2 zu erhalten, möglicherweise Rauschen in den invertierten Eingang einführe, indem ich es mit der invertierenden opAmp-Schaltung interagiere, und das wird bei beiden Signalen nicht gleich sein. Meine erste Frage lautet also: Ist es üblich, Single-Ended-Signalisierung in Differential-Ended-Signalisierung (mit dem Ziel der Störfestigkeit) umzuwandeln, wenn der Wandler tatsächlich für Single-Ended-Signalisierung ausgelegt ist?

2-) Wenn diese Methode sinnvoll ist. Hier ist die typische invertierende opAmp-Konfiguration:

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Ich würde R1 und R2 10k wählen. Wie wirkt sich die Eingangsimpedanz des Differenzverstärkers der Datenerfassung auf die Wahl von R1 und R2 hier aus? Ich möchte die Invertierung so genau wie möglich. Gibt es dafür eine opAmp-Kategorie, ein Beispiel wäre toll? Ich möchte zum Beispiel nicht LM741 verwenden.

Antworten (3)

Da die differenzielle Signalisierung immun gegen Rauschen ist

Jede Signalisierung ist anfällig für Rauschen – wie Ihr Empfangsverstärker mit diesen empfangenen Signalen umgeht, bestimmt, wie viel Immunität erreicht werden kann.

Sie können jedoch einen perfekten Differenzverstärker an eine Single-Ended-Quelle (über ein richtig symmetrisches Kabel) anschließen, der Probleme hat. Wenn die Ausgangsimpedanz des Hitzdrahts mehrere zehn Ohm im Vergleich zur Impedanz der 0-Volt-Sendereferenz beträgt, liegt ein sogenanntes „Erdimpedanz- Ungleichgewicht “ vor. Beachten Sie, dass ich Ungleichgewicht sagte .

Wenn Rauschen daherkommt und auf das Kabel "trifft", entwickelt es am heißen Ausgang ein größeres Signal als das, das am 0-Volt-Referenzsignal entwickelt wird. Folgendes meine ich für ein gutes Szenario: -

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Die Signalquelle ist insofern "perfekt", als sie die gleiche niedrige Impedanz für heiße Drähte wie eine 0-Volt-Referenz aufweist. Wenn Rauschen auftritt, trifft es natürlich auf beide Drähte im Kabel, und da beide Drähte ein gleiches Impedanzgleichgewicht zur Erde haben, ist das vom Diff-Amp empfangene Rauschen gleich und kann ganz einfach gelöscht werden.

Wenn die Signalquelle eine Ausgangsimpedanz hat, die nicht Null ist, könnte ein Problem auftreten, das dadurch überwunden werden kann: -

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Jetzt sind die Impedanzen weitgehend gleich - die hinzugefügten Widerstände sind identisch gewählt und "überschwemmen" die Impedanzdifferenz zwischen heißem Draht und 0-Volt-Referenz. Die Balance der Erdimpedanz ist gut und das Rauschen ist auf beiden empfangenen Drähten gleich (vorausgesetzt, Ihr Eingangsverstärker hat auch eine gute Balance der Erdimpedanz am Eingang).

Das Hinzufügen einer Umkehrstufe kann die Sache verschlimmern - halten Sie die Erdimpedanzbalance am sendenden Ende gut und Sie minimieren Probleme, ohne einen Verstärker hinzuzufügen. Natürlich müssen Sie unter extremen Umständen ein größeres Signal übertragen, und dies kann (vorsichtig) mit einem ausgewogenen Puffer erreicht werden. Verwenden Sie einen invertierenden Verstärker und einen nicht invertierenden Verstärker, um das "Gleichgewicht" (für beide Signale gleich) aufrechtzuerhalten - dies stellt weitgehend sicher, dass die Impedanz bei hohen Frequenzen gleich ist.

Mit dem "Original"-Signal und einem Pufferverstärker ist dies nicht möglich, da Sie die Impedanzen nicht relativ zueinander steuern können. Wenn es funktioniert, ist es Glück und keine gute Ingenieurskunst.

Ich glaube, ich verstehe. Wenn ich also einen Single-Ended-Wandler habe, kann ich einen Widerstand zwischen Sensor-GND und Messdifferenzverstärker-GND hinzufügen. Gleiche Impedanzen würden gleiches Rauschen erzeugen und werden subtrahiert. Aber wie kann ich die Impedanz des heißen messen und so einen Vorwiderstand zur Masseverbindung hinzufügen?
Normalerweise fügen Sie jeder Leitung (sagen wir) 100 Ohm hinzu, sodass die 100 Ohm zur dominierenden Impedanz werden. Wenn die Ausgangsimpedanz des Wandlers immer noch dominant ist (lesen Sie das Datenblatt), wird es problematischer; Sie sollten dann den Wandler puffern und die 0-Volt-Referenz puffern. Wenn Pufferverstärker das gleiche Teil sind, erhalten Sie eine Balance und können auch 50 oder 100 Ohm hinzufügen. Wenn der DS es Ihnen nicht sagt, ist es wahrscheinlich am sichersten, eher zu puffern als zu messen.
Dieses 100-Ohm-Szenario gilt nur für einen Traducer, der an einen Kanal angeschlossen ist, richtig? Stellen Sie sich vor, ich habe vier unsymmetrische Wandler, die über BNC-Kabel an vier Datenerfassungskanäle gehen. Ist es in Ordnung, 100 Ohm pro Masse jedes Wandlers hinzuzufügen, da es in diesem Fall jedoch vier 100-Ohm-Widerstände parallel sind? Sollte ich dann 400 Ohm zu jeder Wandlermasse hinzufügen. Oder fügen Sie einfach 100 hm zu AIGND in Reihe des Daq-Systems hinzu? Und wie kann ich in der Praxis ein BNC-Kabel um 100-Ohm-Reihen erweitern? Soll ich es grundsätzlich kürzen? Es tut mir leid zu fragen, dass dies dumm klingen mag, aber ich leide wirklich unter praktischen Informationen.
Sie MÜSSEN jeden Wandler als separate Signal- und Referenzverbindung behandeln. Sie dürfen die Referenzen auf der Empfangsseite nicht zusammenführen. OK, das klingt hart und zwischen 0,5 Metern und 100 Metern Kabel können die Regeln verbogen werden, aber wenn Sie sich immer an die obige Regel halten, werden Sie nicht viel falsch machen.
Bei Single-Ended-DAQ sind die Sensormassen jedoch alle zusammen mit der analogen Eingangsmasse und der Erde verbunden. Am Empfangsende sind die Erdungen mit dem AIGND verbunden. Ich spreche von der Verkabelung von Single-Ended-Sensoren mit einer Single-Ended-DAQ-Karte.
Ihre Frage spricht eindeutig von differentiellen Daq-Eingängen. Unsymmetrische DAQ-Eingänge, die sich eine gemeinsame lokale Erdung teilen, führen zu Problemen und können aufgrund von Impedanzungleichgewichten nicht widerstandsfähig gegen Gleichtaktrauschen gemacht werden.
Mein Unternehmen stellt Mehrkanalsysteme her, die alle unsymmetrische Ausgänge haben. Jeder Kunde, den wir beliefern, verwendet aus den in meiner Antwort angegebenen Gründen vollständig differenzielle Eingänge. Außerdem werden Erdschlussströme vermieden, wenn beide Systeme separate geerdete Erdungspunkte haben. Sehr häufiges Problem in industriellen Anwendungen.
Ich denke, wir verwenden eine Single-Ended-DAQ-Karte. Wenn ich die Masse überprüfe, wenn sie alle an die BNC-Breakoutbox angeschlossen sind, sind ihre Masse alle verbunden und mit der Masse des PC-Motherboards verbunden, die zur Erde führt. Aber die Signalquellen schweben (sie sind nicht mit Erde verbunden, also keine g.loops). Masseschleifen werden vermieden, aber wie Sie sagten, ist Gleichtaktrauschen vorhanden. Der Grund sind die Arten von Sensoren, die sie verwenden. Siehe: vaisala.com/Vaisala%20Documents/Brochures%20and%20Datasheets/… Ist dieser Sensor nicht nur für unsymmetrische Messdaten geeignet?
Für die Rauschunterdrückung (falls es ein Problem ist) sind Differenzialeingänge einzeln erforderlich, zusätzlich muss sichergestellt werden, dass der Treiber einen angemessenen Erdimpedanzausgleich bietet. Lies bitte nochmal meine Antwort
Ich habe jetzt eine neue Frage eröffnet: electronic.stackexchange.com/questions/296158/… Ich würde mich auch über Ihre Meinung freuen. Vielen Dank im Voraus

Das Wichtige bei symmetrischen Leitungen zur Interferenzunterdrückung ist, dass die Quellenimpedanz angepasst ist, nicht dass die Spannung differentiell ist.

Aufgrund dieser Tatsache können Sie fast so gut wie eine aktive Differenzstufe arbeiten, indem Sie einfach die Impedanz zwischen den beiden Beinen am Wandler an Masse anpassen.

Ein Widerstand, der den -a-Zweig am Wandler mit Masse verbindet und so ausgewählt ist, dass er der Ausgangsimpedanz des Sensors entspricht, bewirkt, dass der Differenzeingangsverstärker erhebliche Störungen zurückweist (und am Wandler keine Leistung benötigt).

Man kann sich dieses Zeug als eine Wheatstone-Brücke vorstellen, bei der die Erregerspannung das Rauschen ist und die Signalspannung entweder in einen Zweig oder gegenphasig in beide Zweige in Reihe injiziert wird, woraus wir sehen können, dass die Widerstände bereitgestellt werden übereinstimmen, erhalten Sie eine Auslöschung, auch wenn das Nutzsignal nur auf einem Bein angesteuert wird.

Übrigens reduziert eine hohe Gleichtaktimpedanz am Empfänger die Auswirkungen kleiner Fehlanpassungen in der Quellenimpedanz erheblich.

Wenn Sie mit Audiobandbreiten arbeiten, hat THAT CORP einen ausgezeichneten (patentierten) Bootstrap-Empfänger, der wirklich sehr gut ist. http://www.thatcorp.com/datashts/THAT_1200-Series_Datasheet.pdf

Ich würde auch vorschlagen, dass die Lektüre eines Artikels von Bill Whitlock von Jensen Transformer darüber interessant sein könnte. https://sound-au.com/articles/balanced-interfaces.pdf

Andy war zuerst da!
Aber deine Links sind super, danke!
Schöne Erklärung. Haben Sie auch eine Quelle / einen Link, wie ich die Impedanz einer Leitung messen und eine Impedanzanpassung durchführen kann? Seine einzige Theorie überall.
Impedanzanpassung ist normalerweise ein Begriff, der für Übertragungsleitungen gilt (Leitungen, die bei der interessierenden Frequenz einen erheblichen Bruchteil einer Viertelwellenlänge lang sind). Ich hatte den Eindruck, dass Sie es mit Niederfrequenzsachen zu tun hatten? Um die Impedanz der Niederfrequenzquelle zu messen, messen Sie die Spannung, während Sie zwei verschiedene ohmsche Lasten einschalten, und lösen Sie dann die resultierenden simultanen Gleichungen. Alternativ den Widerstand durch einen Topf ersetzen und einstellen, bis die geladene Spannung die Hälfte der Leerlaufspannung beträgt, dann den Topf trennen und messen, der Topfwiderstand entspricht dem Quellenwiderstand.
ich verstehe was du meinst. Aber was mir Angst macht, ist: Stellen Sie sich vor, die unbekannte Ausgangs- und Leitungsimpedanz des Quellensensors beträgt 100 Ohm, und wenn ich den Poti am Ende der Leitung auf 100 Ohm stelle, kann ich die Quellenimpedanz finden, wenn die Spannung halbiert ist. so weit so gut. aber dann wird die Quelle überlastet, wenn man nur 200 Ohm sieht? oder ist es sicher? Danke

Ich denke nicht, dass Sie es so aus dem Gleichgewicht bringen sollten. Es gibt keine Möglichkeit, die Impedanz beider Signale anzupassen. Ob Sie es wirklich brauchen, beantworten hier andere.

Wenn Sie es selbst tun, sollten Sie einen Single-to-Differential-Wandler wie einen LT6350 verwenden

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Allerdings muss man die Netzteile da drüben holen und gut filtern .

Überprüfen Sie auch, ob Ihre Signalreichweite innerhalb der Reichweite des Geräts liegt.

Wenn es sich um eine industrielle Anwendung handelt, sind möglicherweise solche Umwandlungsgeräte, Vorverstärker, für angemessen überteuerte Kosten auf dem Markt erhältlich.

Würde dieser IC das Problem der Impedanzanpassung überwinden oder wird er dennoch bestehen bleiben?
@doncarlos mit dem entsprechenden RL ist sollte.
Effizienz des Erhaltens von differentieller Signalisierung von einseitig geerdeten Wandlern
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