HF-Signal in einem Nullversuch. Was ist der genaue Mechanismus?

Seit ich versucht habe, mit Elektronik zu experimentieren, bin ich mit dem Problem konfrontiert, dass HF-Rauschen und Signale fast alles umgehen, was ich versuche, sie zu stoppen. Dies begann mit meinen Versuchen, das Rauschen eines einfachen ATX-Netzteils zu filtern, und dies geschah kürzlich noch einmal mit meinen Versuchen, ein 5-MHz-moduliertes Signal bei 1 kHz gleichzurichten.

In Bezug auf das Umschalten des Netzteils in 9.6.8 D heißt es in „Art of Electronics“: „Das Umschaltrauschen kann an einem Punkt stark umgangen werden , aber legen Sie einfach Ihre Oszilloskopsonde ein paar Zentimeter entfernt und sie sind zurück. “ Später (9.9) , zitiert er auch James Bryant als Antwort auf die Frage „Wie kann ich verhindern, dass Schaltnetzteilrauschen meine Schaltungsleistung vernichtet?“, Antwort: „Mit großer Mühe – aber das ist machbar“.

Für sie besteht das Problem darin, dass Schaltnetzteile in einem sehr breiten Frequenzbereich voller Rauschen sind, das auf verschiedene Weise auftritt (siehe Ende von 9.6.8 D).

Meiner Meinung nach, und wie ich weiter unten zu zeigen versuchen werde, ist das Problem viel grundlegender und seine Interpretation ist nicht so leicht zu finden, falls es jemals bearbeitet wurde. Aber mal sehen, was ihr dazu sagt, Jungs!

Dieses Mal habe ich realisiert, was Douglas C. Smith ein Null-Experiment nennt , und zwar auf eine Weise, die leicht reproduziert werden kann und helfen sollte, viele falsche Interpretationen auszuschließen. Hier ist der Versuch:

  • Um die Spule eines Gitters, das bei 5 MHz emittiert, werden 2-3 Windungen elektrischer Drähte gerollt. (siehe 2 Bilder unten). Beachten Sie, dass ein Ende des Drahtes offen bleibt.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

    • Das andere Ende des Drahtes (bei etwa 1,5 m) wird in die Nähe der beiden verbundenen Enden der Zielfernrohrsonde gebracht. Die Sonde ist auf x10 und das Oszilloskop auf 1 mV/div, 1 ms/div eingestellt. Wie erwartet tritt nichts auf, außer einem schwachen Hintergrundrauschen (Bild unten).Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

    • Jetzt berühren die beiden verbundenen Enden der Sonde, ohne etwas zu bewegen, das Ende des Drahtes. Im ersten Bild unten ist der Gittereinbruch auf kontinuierliche Wellenmodulation (CW) eingestellt, und im zweiten Bild ist er so eingestellt, dass er die Trägerwelle bei 1 kHz (MOD) moduliert. Dies lässt keinen Zweifel daran, dass der Netzeinbruch ein Signal im Oszilloskop erzeugt. Wie zu sehen ist, zeigt das Oszilloskop jetzt ein Signal von etwa 2 mV an, das sind 20 mV (da die Sonde x10 ist).Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Frage ist: Durch welchen genauen Mechanismus wird ein Signal durch den Gittereinbruch in der Sonde erzeugt?

Außerdem füge ich hinzu:

  1. Wie beim Wechseln des Netzteils ist es sehr schwierig, dieses Signal zu "stoppen" oder zu korrigieren, oder genauer gesagt, mit dem Oszilloskop zu wissen, ob es gestoppt wurde oder nicht: Schließlich sagt dieses Nullexperiment, dass Sie keine Hoffnung haben, etwas zu lernen der Umfang nein?

  2. Die Ausrichtung der von der Sonde gebildeten Schleife spielt bei diesem Experiment überhaupt keine Rolle: Dies kann beweisen, dass es keinen magnetischen Einfluss durch Luft gibt. Erst ein Kontakt mit dem Draht erzeugt die Wirkung.

Hinweis: Ein Grid Dip ist nicht notwendig, um ein ähnliches Experiment durchzuführen, aber es ist eine gute Wahl, da es mit einer relativ schmalen Bandbreite emittiert. Wenn diese Bedingung gelockert wird, kann dasselbe mit einem lauten ATX-Netzteil, das im MHz-Bereich umschaltet, wie hier durchgeführt werden:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Antworten (3)

Mit Antenneneffekten hat das meines Wissens nichts zu tun; Es ist nur die kapazitive Kopplung des Signals an einen kurzen Draht und das anschließende Verbinden des Endes dieses Drahts über eine Induktivität mit kleinem Wert zurück mit Masse. Der kleine Wert der Induktivität ist das Erdungskabel zwischen Oszilloskop und Sonde, und die vom Oszilloskop gemessene Spannung ist die Spannung an dieser kleinen Induktivität, da der Draht Strom durch sie einspeist: -

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Eine Spule mit 3 Zoll Durchmesser kann wie folgt hergestellt werden: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Und wenn Sie zu diesem Rechner gehen und die Induktivität für eine einzelne Windung schätzen, erhalten Sie ungefähr 170 nH.

Aber die Induktivität zwischen diesen beiden Punkten (in blau)....

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... beträgt etwa 100 nH. Wenn Sie also ein 5-MHz-Signal am verbundenen Ende der Sonde einspeisen, wird eine Erdungsdrahtimpedanz von etwa 3 Ohm angezeigt, und der resultierende Strom fließt (ziemlich) durch die Blindleistung 3 Ohm und erzeugen einen Signalspannungsabfall, den das O-Scope misst.

Versuchen Sie, einen echten 3-Ohm-Widerstand und diese Art der Sondenmessung über den Widerstand zu verwenden, um die Schleifeninduktivität des Erdungskabels zu verringern: -

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Hallo Andy, wo gibt es eine kapazitive Kopplung? Der Draht wird um die Griffspule gerollt und scheint viel mehr eine induktive Kopplung zu sein. Zweitens, warum sollte der Strom zur Erde zurückkehren wollen? Der Draht wird nirgendwo von einem Generator mit Strom versorgt, der mit Masse verbunden ist (dh er schwebt).
Nein, es ist eine kapazitive Kopplung - wenn ein Ende schwebend ist, wird keine Spannung induziert. Ihre Gitter-Dip-Spule hat ein elektrisches Feld, an das sich der Draht ankoppelt. Der Generator ist eine Box, die über der Erde steht und möglicherweise 10 pF bietet. Dito die kapazitive Verbindung mit dem um die GD-Düse gewickelten Draht.
Wenn die gesamte Serienkapazität von Düse und Massekapazität (sagen wir) 5 pF beträgt, ist dies bei 5 MHz eine Impedanz von etwa 6 kOhm. Wenn die "Quellenspannung" (dh die Düse) 10 Vp-p beträgt, dann könnte ein Strom von 1,67 mAp-p fließen und dies würde eine Spannung von 5 mVp-p über einer Spulenreaktanz von 3 Ohm erzeugen.
@MikeTeX Nachdem Sie sich Ihre Bilder angesehen haben, befindet sich der Netzeinbruch direkt auf anderer Hardware (die durchaus geerdet sein könnte). Um dies zu beweisen, versuchen Sie, den batteriebetriebenen Netzeinbruch stärker zu isolieren.
Der Grid Dip wird von der Hauptleitung gespeist und ist daher sicher geerdet. In Bezug auf Ihre Behauptung, dass die Kopplung mit dem Draht kapazitiv ist, bin ich mir nicht sicher, ob dies genau ist: Der Effekt ist stark, wenn der Draht um die Spule gerollt wird, nicht wenn er sich nur in der Nähe der Spule befindet. schließlich fließt bekanntlich ein gewisser Strom durch einen einfachen Draht, der bei HF als Dipolantenne fungiert, auch wenn er an nichts angeschlossen ist.
In Bezug auf Ihren Rat, die Sondenspitze auszutauschen, werde ich das natürlich tun und die Ergebnisse hier posten. Aber ich verstehe nicht wirklich, was Sie mir raten. Kannst du etwas näher ausführen?
@MikeTeX bei 5 MHz und den Drahtlängen, die Sie haben, dominiert die kapazitive Kopplung. Versuchen Sie, ein Stück Zinn- / Aluminiumfolie um die Düse herum zu verwenden, die ungefähr die gleiche Kontaktfläche wie die drei Windungen hat, die Sie haben, und Sie werden sehen, ich bin mir sicher. Die Herstellung der Sondenspitze, wie ich sie gezeigt habe, reduziert die 100 nH drastisch und reduziert die auf dem Oszilloskop sichtbare Spannung dramatisch (wahrscheinlich um mindestens 5: 1). Setzen Sie alternativ einen Ferritkern auf das Erdungskabel der Sonde, um dessen Induktivität zu erhöhen und zu sehen, wie das Signal größer wird.
Bezüglich der Alufolie werde ich das machen. Ich verstehe die Sonde auf dem Bild Ihrer Antwort immer noch nicht und was Sie beabsichtigen, wenn Sie sagen "versuchen Sie es mit einem echten 3-Ohm-Widerstand". Warum gibt es bei der von Ihnen gezeigten Sonde mehrere Drahtwindungen um die Erdungsabschirmung? ist es einfach, einen guten Kontakt mit der Abschirmung herzustellen?
Es geht nur darum, eine gute Verbindung herzustellen. Sobald Sie eine Erdungsfeder an der Oszilloskopsonde verwenden, fällt die Induktivität auf einen Bruchteil ab, sodass der 3-Ohm-Widerstand die gleiche Impedanz ergibt, um eine Spannung darüber zu entwickeln und somit zu beweisen, dass es sich um einen Stromfluss mit hoher Frequenz durch das vorherige Erdungskabel der Oszilloskopsonde handelt.
Und der 3 Ohm Widerstand?
Das habe ich oben hinzugefügt
Andy, du bist der Mann. Ich habe die Experimente ausprobiert und Sie hatten in allem Recht. Für mich sind Sie und thePhoton die Besten der Besten.
@MikeTeX Es ist mir eine Freude zu helfen, wenn Feedback wie dieses eintrifft.
@Andy aka: "Soweit ich sehen kann, hat das nichts mit Antenneneffekten zu tun; es ist nur die kapazitive Kopplung eines Signals an einen kurzen Draht": Nun, die kapazitive Kopplung an einen Draht ist ein Antenneneffekt .
@Curd Ich denke nicht, dass das hier eine nützliche Erklärung ist.

Die Frage ist: Durch welchen genauen Mechanismus wird ein Signal durch den Gittereinbruch in der Sonde erzeugt?

Siehe das Bild unten:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Jedes sich ändernde Magnetfeld, das durch den rot schattierten Bereich geht, induziert eine Spannung, die von der Sonde gemessen wird.

Die Spannung ergibt sich aus dem Faradayschen Induktionsgesetz:

v = ∫ A ∂ B ∂ T D A

EDIT1:

Um Ihre Frage zu beantworten, woher das sich ändernde Magnetfeld kommt:
Der einzelne Draht wirkt als Antenne (z. B. durch seine Kapazität gegen "unendlich"). Das heißt, es fließt HF-Strom durch den Draht, der ein HF-Magnetfeld verursacht. Dieses Feld wird von der Schleife aufgenommen.

EDIT2:
Um Ihre Frage zu beantworten, warum das nur ein Signal ist, wenn Sie die Sonde mit dem Draht berühren:
Der Draht allein ist eine sehr ineffektive Antenne für Ihre HF von 5 MHz (Wellenlänge beträgt mehrere 10 Meter), sodass nicht viel Leistung abgestrahlt wird . Dies ändert sich dramatisch, wenn Sie es an die geerdete Sonde anschließen.
Siehe Bild; Blaue Farbe zeigt den aktuellen Weg und die Stärke an:
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Beachten Sie auch, dass das Verkleinern der Schleife nicht viel dazu beiträgt, das Signal zu minimieren, da das Magnetfeld hauptsächlich durch den Strom erzeugt wird, der durch eine Seite der Schleife fließt. Das meiste Magnetfeld wird also immer durch den Schleifenbereich gehen, egal wie klein Sie versuchen, ihn zu machen.

Übrigens: Wenn Sie an kurzgeschlossenen Sondenanschlüssen ein HF-Spannungssignal haben, wird es meiner Meinung nach sehr schwierig sein, eine andere Erklärung als die Induktion durch ein HF-Magnetfeld zu finden, das durch die von den Anschlussdrähten gebildete Schleife fließt.

Für mich ist Ihre Antwort unbefriedigend: Es gibt keinen Grund, dass durch einen einfachen Kontakt mit dem Ende des Drahtes ein sich änderndes Magnetfeld durch die Schleife induziert wird, insbesondere nachdem ich gezeigt habe, dass selbst wenn die Schleife sehr nahe am Ende des Drahtes liegt Draht (aber ohne Kontakt), wird nichts produziert.
@MikeTeX Was passiert, wenn Sie dieses Kabel einfach an die Masse des Oszilloskops anschließen? Gibt es nicht einen großen (9M) Widerstand zwischen der Oszilloskopspitze und dem Eingang, während die Masse direkt zum Oszilloskop geht?
Das Oszilloskop hat eine Eingangsimpedanz von 1 MOhm (10 pF parallel), und die auf x10 eingestellte Sonde sollte 9 MOhm in Reihe mit der Spitze hinzufügen. Wenn Sie das Kabel einfach an die Masse des Oszilloskops anschließen, passiert nichts sehr Eindeutiges, aber wenn Sie die andere Seite der Sonde mit einer Dipolantenne (wie einem Schraubendreher) verbinden, wird ein gewisses Rauschen erzeugt, aber nicht der oben angegebene deutliche Effekt.
@MikeTeX Was passiert, wenn Sie eine 1X-Sonde verwenden?
@MikeTeX: Der einzelne Draht wirkt als Antenne (z. B. durch seine Kapazität gegen "unendlich"). Das heißt, es geht HF-Strom ein und aus, der ein HF-Magnetfeld verursacht
Wenn ich eine x1-Sonde verwende, wird die Spannung mit 10 multipliziert. Quark, das ist immer noch unzureichend für mich: Außer der Tatsache, dass der Draht wie eine Antenne wirkt, sehe ich nicht, wie dies durch Kontakt mit der Sonde ein Magnetfeld induzieren kann. Ich muss los und bin morgen Abend wieder da. Ich werde dann auf andere Kommentare antworten.
@MikeTeX Ist der Multiplikator genau 10?
@MikeTex: Ich denke, das Verbinden des kurzen Drahtes mit der Sonde erhöht die Effizienz der "Antenne" (weil der Sondenabschirmungsdraht auch zur Antenne wird), wodurch mehr Strom in der "Antenne" fließt und ein stärkeres Magnetfeld aufgenommen wird die Schleife.
@MikeTeX, versuchen Sie dies ... entfernen Sie den Greifer vom Ende der Sonde. Sehen Sie einen kleinen silbernen Ring direkt hinter der scharfen Sondenspitze? Wickeln Sie ein paar Windungen von 26..30-Gauge-Draht darum und befestigen Sie das andere Ende an einer Masse SEHR NAH an dem Knoten, den Sie mit dem Zielfernrohr sondieren möchten. Machen Sie diese Masseverbindung einen halben Zoll oder kürzer. Reduziert das das beobachtete Rauschen?
Curd, Ihr Bild ist irreführend (und zumindest ein Teil Ihrer Interpretation kann durchaus falsch sein): Es ändert sich nichts, wenn ich das Masseende der Sonde an die Plastikspitze binde (dh keine Schleife mehr am Ende). Wenn Ihre Erklärung richtig wäre, sollte dies den Induktionsfluss und damit auch den Effekt zunichte machen. Aber das ist nicht, was passiert. Außerdem schlägt jede Interpretation auf der Grundlage des von der "Sondenantenne" "aufgenommenen" Magnetfelds fehl, da nichts aufgenommen wird, wenn die Sondenschleife sehr nahe am Draht liegt: Ein einfacher Kontakt kann keinen Induktionsfluss aus dem Nichts erzeugen.
Fast fertig. Nächsten Donnerstag werde ich im Labor sein und mit den Extremitäten der Sonde spielen, dann werde ich die Ergebnisse hier posten. Dadurch werden wahrscheinlich viele mögliche Fehlinterpretationen ausgeschlossen.
@MikeTeX: Bitte erkläre, was in meinem Bild irreführend ist. Selbst wenn der beschriebene Effekt nicht die (einzige oder Haupt-)Quelle Ihrer Messungen wäre, würde dies das Bild nicht irreführend machen. Beachten Sie, dass wir nur basierend auf dem, was Sie sagen, mehr oder weniger intelligente Vermutungen anstellen können. Sie haben in Ihrem ursprünglichen Beitrag nicht gesagt, dass das Minimieren des Schleifenbereichs das Signal nicht entfernt. Es scheint, dass Sie auch meinen anderen Kommentar nicht gelesen / verstanden haben, in dem erklärt wird, warum es nur ein Signal gibt, wenn Sie die Sonde testen. SO werde ich es auch der Antwort hinzufügen.
@MikeTex: Übrigens: Ich habe immer noch keine bessere Erklärung für ein Differenzsignal an Ihrer kurzgeschlossenen Sonde als durch Induktion durch die Schleife (wie klein ihre Fläche auch sein mag).
Curd, nur um Sie wissen zu lassen, ich habe die von Andy Aka vorgeschlagenen Experimente durchgeführt (siehe seine Antworten und Kommentare). Er hat in allem Recht, insbesondere erziele ich genau den gleichen Effekt, wenn ich anstelle des Erdungskabels der Sonde einen 2-Ohm-Widerstand einfüge. Außerdem habe ich überprüft, dass der Draht tatsächlich kapazitiv mit der Gitter-Dip-Spule gekoppelt ist, und das Entfernen der Erdungssonde teilt das empfangene Signal durch etwa 10 (wie er vorausgesehen hat). Danke, dass du mir trotzdem geantwortet hast.

Stellen Sie sich einen langen Draht vor, 4 Zoll von einer quadratischen Drahtschleife entfernt (möglicherweise die Oszilloskopsonde + GND-Leitung, wenn auch nicht quadratisch), der eine Fläche von 4 Zoll mal 4 Zoll hat. Der Draht hat einen Strom mit dI / dT von 1 Million Ampere pro Sekunde Welche Spannung wird durch die magnetischen Kräfte in die Schleife induziert?

Vinduce = 2e-7 * Fläche/Entfernung * dI/dT

Vinduce = 2e-7 * 0,1 Meter * 0,1 Meter / 0,1 Meter * 1e6 Ampere/Sekunde

Vinduce = 2e-7 * 0,1 * 1e6 = 2e-8 * 1e+6 = 2e-2 = 0,02 Volt

Analogsystemerf. Ich kenne Induktionsgesetze. Leider ist der Effekt genau gleich, wenn ich die durch die Erdungssonde gebildete Schleife an den Kunststoff der Spitzensonde binde (keine Schleifenfläche mehr). Wie ich in der Frage sagte, gibt es keine magnetische Induktion durch die Luft. Ihre Interpretation ist also wahrscheinlich falsch.
HF-Signal in einem Nullversuch. Was ist der genaue Mechanismus?
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