Дифференциальная передача аналогового сигнала в условиях помех

[dimmich]

Нужно передать аналоговый сигнал.
Спектр - сотни килогерц
Амплитуда максимум +/- 20...30 вольт
В приёмном приборе на входе АЦП 12 бит
Источник сигнала и вход прибора - высокоомные.
Передать надо на несколько метров в условиях довольно сильных помех!

Переносной датчик - USB измерительный прибор - USB разъём компьютера

В 2 метрах от компа искровые разряды (свечи зажигания) и электромагнитные импульсы от ВВ трансформаторов. Помехи настолько сильные, что на расстоянии около метра исправный компьютер на i3 виснет. Виснет он даже если к нему только USB мышка подключена, по мышиному проводу вешаются все устройства USB, потом вся винда. Ни о каких измерениях в таких условиях и речи нет. Природу помех я тоже не пойму. То ли магнитное поле от незакороченных магнитопроводов ВВ трансформаторов, то ли электростатика...

В коаксиальном кабеле сигнал сильно искажается во время искровых разрядов, и комп всё равно виснет. Заземление компа и измерительного прибора не помогает, ни на чуть-чуть.

Попробовал удлинить линию связи от датчика до прибора. Спаял тестовую схему для дифференциальной передачи сигнала по витой паре. Получилось! По крайней мере комп не виснет, как ни странно...

Теперь надо делать красивую, грамотную, правильную схему.
В этом и прошу помощи, в доведении её до ума.

---------
Поясню тестовую схему, ту что на чёрном фоне.
Как поётся в песенке: "Я его слепила из того что было".

DC-DC преобразователь для удалённой части схемы (слева) осуществляет гальваноразвязку. Среднюю точку питания (виртуальная земля) делает схема на ОУ, так как не доверяю DC-DC по точности напряжений в его плечах, а точность нуля сказывается на точности измерения. Транзисторы там избыточны, наверное можно было обойтись без них, а может и уменьшить ёмкости электролитов. Не знаю, не экспериментировал.

В приёмной части схемы (справа) у DC-DC нет гальваноразвязки, его применил для создания отрицательного напряжения питания ОУ, в результате получилось двуполярное +/-5V. Совсем мало для передачи сигнала 20...30 вольт, ну для тестов сойдёт.

Экранирование у всех частей схемы нарисовал, но не делал, и так вроде работает, для тестов в более жёстких условиях сойдёт. Кабель связи применил от USB шнура, там проводки не витые, но экранированы фольгой, экран подключил на землю. К сожалению минусовой провод питания USB соединён с экраном USB, что плохо по правилам заземления. Ну тут уж ничего не поделаешь. Если только дополнительно гальванически развязать питание от USB... А надо?

Коэффициенты усиления резисторами ещё не подобрал, значения резисторов указаны условно.

---------
Вопросы накопились и по схемотехнике и по элементной базе:

1) Удивляюсь что помехи сейчас не вешают комп по USB, ведь кабель от USB сейчас гальванически не развязан. Может помехам помешала большая индуктивность длинного тонкого китайского USB кабеля (5 метров)? Хочется же разобраться в корне проблемы, а не просто методом тыка от неё избавиться.

2) Посоветуйте как и чем правильно запитать схемы, и удалённую и приёмную части? На каком конце кабеля теоретически правильно реализовать гальваноразвязку в условиях сильных помех? Какие применить фильтры, где и как их установить, если спектр помех широк? И ещё сейчас сигнал несколько искажён шумами около 70 кГц. Откуда? Подозреваю из-за применения не достаточно хороших DC-DC для питания измерительных схем на ОУ, или из-за хреновой фильтрации. Или и то и другое. Вопрос питания в условиях помех стоит остро.

3) Смещён ноль на выходе. Это наверное потому, что резисторы в виртуальных землях обычные, не повышенной точности применил. Ладно, их подстрою. А со временем или от температуры ноль ведь тоже может плавать? Как с этим борются? Слышал об ОУ с малым дрейфом нуля, это то что мне надо? Или требуются схемотехнические решения? Какие именно? Примеры приведите.

4) Можно упростить схему, применить инструментальные и/или дифференциальные ОУ по входу/выходу. Но какие именно? Поделитесь опытом применения. Корпуса элементов желательно миниатюрные. Чем мельче схема - тем проще экранировать и меньше площадь для сбора помех. Начал было с просмотра ассортимента Linear - голова кипит, не знаю как выбрать.

5) Если реализовать достаточно хорошее питание удалённой схемы будет непросто, или дорого, или громоздко, как вариант рассматриваю батарейное питание удалённой части на литиевой батарейке или аккумуляторе. Работать всё это устройство будет не постоянно, и если применить в удалённой части схемы микропотребляющий повышающий двуполярный DC-DC и инструментальные ОУ, вариант батарейного питания вроде имеет право на жизнь. Но опять же я не имею опыта в микропотребляющей и достойной по параметрам элементной базе. А может вариант батарейного питания тут не катит, так как надо "прокачать" диф.линию сигналом через низкоомные выходы ОУ, а такие ОУ не могут быть микропотребляющими? Я не знаю... Помогайте, коллеги!

--------
Во вложении:
- PNG cкриншот схемы из проги P-CAD
- PNG cкриншот структурной схемы
- (в архиве) SCH файл схемы в формате P-CAD
- (в архиве) DOC файл структурной схемы в формате Word

[raxp]

Виснет он даже если к нему только USB мышка подключена

хреновая экранировка в кабеле, подозреваю, что ее там просто и нет.

Колечки/бусинки из помехоподавляющего феррита на все провода решили бы проблему. Ведь мониторный шнур у вас тоже немалой длины, а на нем этот феррит есть.

как и чем правильно запитать схемы, и удалённую и приёмную части?

развязать гальванически питание и линию связи.

Для аналогового сигнала есть оптопары с сигма-дельта АЦП/ЦАП. Разумеется для ваших уровней делитель нужен.

Спектр - сотни килогерц
Амплитуда максимум +/- 20...30 вольт

что есть аналоговый сигнал, с чего? Его точно нужно оцифровывать или речь о импульсах с энкодера какого?

В приёмном приборе на входе АЦП 12 бит

есть ли возможность вынести приемный блок с АЦП на удаленную сторону? Смысл в том, что развязать цифру гораздо легче (а передать-принять LVDS драйверами), чем аналоговый сигнал.

[dimmich]

хреновая экранировка в кабеле, подозреваю, что ее там просто и нет.
Колечки/бусинки из помехоподавляющего феррита на все провода решили бы проблему. Ведь мониторный шнур у вас тоже немалой длины, а на нем этот феррит есть.

Вешал разъёмные ферриты везде где только можно (в начале и конце кабелей, проводов питания, USB...) - не помогло никак. Поэтому в растерянности, не знаю какого рода помехи.

развязать гальванически питание и линию связи.

Сейчас гальваноразвязка слева, на стороне источника сигнала. Следовательно собранные кабелем помехи идут в прибор и комп. Но вроде не вешают уже комп почему-то... А Вы уверены что следует делать гальваноразвязку на стороне приёмника? Мне видится, помехи будут гальванически связаны тогда с источником сигнала, и возможно будут подмешиваться в сигнал. Это ж вроде не правильно... Если гальванически развязать с обоих сторон - это как-то не правильно будет. Избыточно, не грамотно, и "висящая в воздухе" изолированная часть проводов питания от начала до конца кабеля может накапливать заряд статики, периодически разряжаясь через свою же изоляцию и портя передаваемый сигнал.

Для аналогового сигнала есть оптопары с сигма-дельта АЦП/ЦАП.

Думал в сторону линейных оптопар, например IL300.

Но оно мне надо? Изолировать сигнал. Вроде вид передачи сигнала (дифференциальный) решил проблему, в сигнале отсутствует составляющая внешних помех. Осталась только проблема помех по питанию. Кстати, в левой части схемы (схема на чёрном фоне в первом сообщении) видите - применил LC фильтры, выпаял их из какой-то старенькой материнки. На выводах фильтра - тоже бусинки.

Разумеется для ваших уровней делитель нужен.

А я думал с сигналом 1:1 проще общаться (контролировать при настройке), помехозащищённость сигнала с большим размахом будет выше, а реализовать сие вроде реально. В каталогах встречал операционники с питанием например до +/-40 вольт.

что есть аналоговый сигнал, с чего? Его точно нужно оцифровывать или речь о импульсах с энкодера какого?
есть ли возможность вынести приемный блок с АЦП на удаленную сторону? Смысл в том, что развязать цифру гораздо легче (а передать-принять LVDS драйверами), чем аналоговый сигнал.

Напряжённость электрического поля. Нужно смотреть форму сигнала. Перейти на передачу цифры - не вижу возможности. Позвольте без конкретики по поводу какое оборудование... На компе прога, которая связывается с прибором. Прибор оцифровывает принимаемый сигнал и передаёт в прогу по USB. Цифровать на удалённой стороне своим АЦП - значит нет возможности передать инфу в прогу (прога не увидит свой прибор и откажется работать). Перенести прибор на удалённую сторону и передавать USB в условиях помех - боюсь придётся герметизировать прибор от помех, и бороться с прохождением USB через помехи, и не удобно громоздкий прибор в измеряемой зоне держать. Вобщем много других проблем...

[dimmich]

Главным образом мне бы хотелось, чтобы со мной поделились опытом по поводу построения DC-DC с хорошими характеристиками по пульсациям, с хорошей фильтрацией, и ещё нужен опыт применения современной элементной базы по операционным усилителям. Выбрать ОУ и DC-DC IC из каталога и "ткнуть пальцем в небо" можно конечно, но не хотелось бы учиться только на своих ошибках...

[omercury]

Ну нет возможности передавать цифру, значит нет...
Несколько слов о схеме.
Дифференциальный сигнал делается немного не так, есть специальные диф.усилители, например AD8132, накрайняк можно сделать на двух ОУ, а схему подглядеть здесь или здесь. Кстати, последние я бы порекомендовал нагрузить на кабель, убрав все высокоомные резисторы подальше от кабеля. Только низкоомные, причём терминировать надо с обеих сторон кабеля.
Для гальваноразвязки аналогового диф.сигнала есть ещё вот такие штуки.
Транзисторы в формирователе средней точки не только лишние, они ещё и всё портят в таком включении - нет смещения тока баз и в результате возможно именно они помеху и генерируют.

P.S.
Где шляпа?

[avp94]

Вставлю 2 копейки:
1. Посмотрел бы разводку земли на предмет образования петель.
2. Разделил питающую и сигнальную земли.

[dimmich]

Для гальваноразвязки аналогового диф.сигнала есть ещё вот такие штуки.

Производитель пишет до 100 кГц. Маловасто...

Транзисторы в формирователе средней точки не только лишние, они ещё и всё портят в таком включении - нет смещения тока баз и в результате возможно именно они помеху и генерируют.

Благодарю!
Умнею на глазах
Но ещё много нерешённых вопросов осталось...

Вставлю 2 копейки:
1. Посмотрел бы разводку земли на предмет образования петель.
2. Разделил питающую и сигнальную земли.

1. Петель нет. Душу их в зародыше.
2. Вот тут загвоздка... Я иногда страдаю болезнью миниатюризации. Даже в тестовых образцах.

[omercury]

иногда страдаю болезнью миниатюризации

Надфиль трёхгранный заточите для макетирования.

[avp94]

Петель нет. Душу их в зародыше.

Это хорошо . На всякий случай: а "общий" вход измерительного прибора и grоund компьютера как соотносятся?
P.S. Коряво намекнул, надо так: "общий" вход измерительного прибора и земля его питания развязаны?

[dimmich]

На всякий случай: а "общий" вход измерительного прибора и grоund компьютера как соотносятся?

Дифференциальная пара проводов в передающем кабеле не имеет "общего провода", общий провод не соединяется. Диф.провода изначально гальваноразвязаны от земли компа. Передаётся только сигнал в одном проводе относительно другого провода, дифференциально. Теоретически они могут относительно земли компа иметь любой потенциал.

На входе в приёмную часть у операционника стоит резистор до средней точки питания и резистор ООС, через эти два резистора и подтягивают эти два дифференциальных проводника до нужного потенциала "земли компа", чтобы они не висели совсем "в воздухе", чтоб с их потенциалом мог работать приёмный операционник.

Вот так косвенно, через резисторы, потенциал компа связан с дифференциальной парой. Я рассчитывал, что избавление от общего провода будет большим плюсом в борьбе с помехами.

Надо будет ещё поискать в продаже кабель подходящий. Чтоб внутри две витые пары (питание и сигнал), в экране, не толстый, гибкий и не рвался от малейших натяжений (датчик будет переносной).[/QUOTE]

P.S. Коряво намекнул, надо так: "общий" вход измерительного прибора и земля его питания развязаны?

Да. Полная, честная гальваноразвязка в DC-DC преобразователе. Впрочем схему питания я планирую переработать. Надеюсь в том числе по советам форумчан.

Надфиль трёхгранный заточите для макетирования.

Резак по текстолиту имею. Но данный способ не соотносится с моей текущей болезнью - желанием всё миниатюризировать.

Кстати, всё у меня началось с этой статьи. Навела на правильные мысли. Но чёта даже проверять ту схему из статьи не хочется. Она ж не правильная вроде! Посмотрите на нижний операционник, у него резистор включен от выхода до неинвертирующего входа. Это ж получается не усилитель, а генератор, так как положительная обратная связь.