2 störeinflüsse und schutzmaßnahmen 2... · s. 2-3 2.1 modulation/demodulation wechselsignal...
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S. 2-1
2 Störeinflüsse und Schutzmaßnahmen
2.2.1 Netzstörungen
2.3.2 Abschirmung gegen magnetische Felder
2.3 Schutzmaßnahmen
2.2 Störeinflüsse
2.2.2 Schaltstörungen
2.2.3 Hochfrequenzstörungen
2.1 Modulation und Demodulation
2.3.1 Schutzerde
2.3.3 Abschirmung gegen elektrische Felder
2.2.4 Rauschen
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 2-2
2.1 Modulation/Demodulation
Problem: Störungen auf kleine Messsignale
Offset-Spannung UO bei Verstärkern:
Bipolartechnik: 10 µV…100 µV
FET: 2…5 mV
Die Offset-Spannung zeigt ein zeitliches und thermisches Drift!
Monat
µV
t
UO 52
RGlP
+
-
Ri
ku‘e
=
UO
=
In
Ip
u‘e
ua
RGlN
ud
RGlP
+
-
Ri
ku‘e
=
UO
==
In
Ip
u‘e
ua
RGlN
ud
Bei besonders kleinen Messsignalen kommt die Offsetspannung
in die Größenordnung des Nutzsignals
K
nV
T
UO 20
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 2-3
2.1 Modulation/Demodulation
WechselstromverstärkerWechselsignal
fT > n 50 Hz und fT <fHF
d. h. 500 Hz < fT < 50 kHz
Umformung in einer Wechselspannung vor der Verstärkung
Reduzierung der Übertragungsbandbreite im Vergleich zum
entsprechenden Gleichspannungsverstärker
Reduzierung des Einflusses von Störspannungen (1/f Rauschen)
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S. 2-4
• Genauigkeit besser als 0.25°.
• Anwendung in der Automobilindustrie,
hydroelektrische Servolenkung.
• 20 mm² Fläche, 0,6µm CMOS, AMS, 50%
analog, 50% digitale Logik.
Beispiel aus dem WWW
Trägerfrequenzverfahren zur
ratiometrischen Messung extrem
kleiner Kapazitäten (~10fF).
Kapazitiver Drehwinkelsensor ASIC
[TU Wien]
Messverfahren für Dehnmessstreifen:
• Trägerfrequenz (Carrier frequency) mit
200 Hz bis 50 kHz als Trägerfrequenz
• Gleichspannung
• Konstantstrom
… Das Trägerfrequenzverfahren ist
unempfindlich gegen Thermospannungen,
Gleichtaktstörungen (elektrische
Einstreuungen).
… Unter industriellen Bedingungen, bei
denen oft unter starken Störfeldern
gemessen werden muss, sind
Trägerfrequenzmess-verstärker
vorteilhafter. [Wikipedia]
2.1 Modulation/Demodulation
Prof. Dr.-Ing. O. Kanoun
Professur für Mess- und Sensortechnik
S. 2-5
Beispiel fürs Prinzip
2.1 Modulation/Demodulation
S. 2-6
2.1 Modulation/Demodulation
• Hochpass: Unterdrückung von direktem Signal (Störungen)
• Wechselspannungsverstärker
• Hochpass: Unterdrückung von DC-Signal am Demodulator
• Demodulator: Schalter
• Tiefpass: Unterdrückung höherfreq. Störungen, Mittelwertbildung
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S. 2-7
2.1 Modulation/Demodulation
*
Amplitudenmodulation
)cos(ˆ)( 0 tuUtu
Messsignal
)cos()( ttu TT
)cos()cos(ˆ)cos(
)cos()cos(ˆ)(
0
0
ttutU
ttuUtu
TT
TM
Trägerfrequenzgenerator
Amplitudenmoduliertes Signal
ttu
tUtu TTTM coscos2
ˆcos)( 0
)cos()cos(coscos2
Träger oberes
Seitenband
unteres
Seitenband
UM
T TT
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-10
-5
0
5
10
Amplitudenmodulation
t / ms
u /
V
u(t)
um
(t)
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S. 2-8
2.1 Modulation/Demodulation
ttu
tUtu TTTM coscos2
ˆcos)( 0
Demodulation durch Zweiweggleichrichtung und Tiefpassfilterung
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-10
-5
0
5
10
Amplitudenmodulation
t / ms
u /
V
u(t)
um
(t)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-4
-2
0
2
4
6
8
10Doppelgleichrichtung
t / ms
u / V
u(t)
um
(t)
Phasenselektive Gleichrichtung notwendig, damit
das Wechselsignal die rote Kurve wiedergibt(Signal ähnlich wie auf Folie 6 )
ug(t)
Demodulation Hüllkurve gesucht
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S. 2-9
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-4
-2
0
2
4
6
8
10
Amplitudenmodulation
t / ms
u / V
u(t)
um
(t)
Demodulation durch weitere Multiplikation
)cos()()( ttutu TM
Moduliertes Signal
)cos()( ttu TT
Trägerfrequenzgenerator
ttu
tttutu
T
TTDem
2cos12
1)(
)cos()cos()()(
*
Tiefpassfilterung der doppelten
Trägerfrequenz
2.1 Modulation/Demodulation
)(2
11
0
tudtuT
u
T
DemDem
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S. 2-10
2.1 Modulation/DemodulationAlternative zum Trägerfrequenzverfahren
Chopper-VerfahrenTrägerfrequenzverfahren
Messsignal
Modulations-
signal
Demodulations-
signal
moduliertes
Signal
Demoduliertes
Signal
Modulation mit Sinus Modulation mit Rechteck
(Chopper = Blende)
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S. 2-11
2.2.1 Netzstörungen
2.2 Störeinflüsse
(f=) 50 Hz-Störungen werden induktiv eingekoppelt
Feld eines geraden Leiters
r
r
iµrHµrB
2)()( 0
0
FlAB
)sin(ˆ)( titi
)cos(2
)cos(2ˆ2
)(
2)(
00
0
tr
AfIµtfi
r
µA
t
ti
r
µA
t
BA
ttu
FlFl
FlFl
Induktionsgesetz
u
mVu 5ˆ
A
I
cm
rk 21,2
Für eine zulässige Störung
Ströme bei I = 10 A stören bei einem Radius rk unter 22 cm
Ströme bei I = 100 A stören bei einem Radius rk bei 2 m!!
2410 cmAFl
FlA : Strahlungsfläche
kritischer Radius:
f = 50 Hz
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S. 2-12
2.2.2 Schaltstörungen
r
iµAHµAAB flflfl
20
0
t
ti
rt
ti
r
µA
t
BA
tu flfl
)(1
102)(
2
70
mVu 5Störung
sAt
ti/10
)( 6
Stromänderung
mrk 4021mAFl
Schaltvorgänge breiten sich als Wanderwelle in Nachbarräumen
Messeinrichtungen möglichst weit von Relais und Schützen installieren
Verursacht durch Schaltvorgänge, Thyristoren, Relais,…
In einem 40 m Radius
würde man eine Störung
noch bemerkbar sein!
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S. 2-13
2.2.3 Hochfrequenzstörungen
000
µ
BZHZE
3770
00
µZ
Wellenwiderstand des Raumes
)cos(ˆ)cos(ˆ
0
0 tutEZ
Aµ
tu fl
)sin(ˆ tEE Sinusförmige Welle als HF-Störung
EZ
AµAB fl
fl0
0
EZ
Afµu fl ˆ2ˆ
0
0
mmVE /1ˆ
21mAFl
)(100 BereichUKWMHzf mVu 2ˆ
Rundfunk-Signale stören nicht!
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S. 2-14
2.2.4 Rauschen
• Wann wird rauschen besonders interessant?
– Amplitude kommt in der Nähe des Messsignals
– Elektronik mit optimiertem Energieverbrauch
20log( / )SNR S N
• Signal Leistung
• RauschleistungSignal-Rausch-Verhältnis
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S. 2-15
t
a(t)
Klassifikation unter den analogen Signalen
SchwebungVorübergehend
2.2.4 Rauschen
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S. 2-16
Stationäres Breitbandrauschen mit
verschwindendem linearen
Mittelwert
nichtstationäres Breitbandrauschen mit
zeitveränderlichem quadratischen
Mittelwert
stationäres Breitbandrauschen
mit zeitveränderlichem linearen
Mittelwert
Der Verlauf eines stochastisches Signals ist von statistischen Eigenschaften bestimmt
Stationarität ist mit dem zeitlichen Verhalten statistischer Signalparameter verknüpft
t
t
t
2.2.4 Rauschen
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S. 2-17
• Stochatisches Signal
2.2.4 Rauschen
Kenngrößen: Verteilungsdichtefunktion
x
p(x)
N
xnxhxp
NN
)()()( limlim
)(xn : Anzahl der Amplituden x
N : Gesamtanzahl aller Amplituden
)(xh : Häufigkeit der Amplituden x
t
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S. 2-18
Art des Rauschens
Beim passieren der
Sperrschicht in
einem Halbleiter
Metallische Verunreinigungen im Halbleiter
zufällige Änderungen der Gleichstromparameter
Oberflächeneigenschaften
- kritisch bei niederfrequenten Signalen
- bei CMOS-Technologie > Bipolar-Technologie
2.2.4 Rauschen
Durch Schwingungen
des Atomgitters
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S. 2-19
ErsatzrauschquellenkTRBtuU reffr
4)(22,
Thermisches Rauschen
Schrot-Rauschen
BR
kTtiI reffr
14)(22
,
2.2.4 Rauschen
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S. 2-20
2.3 Schutzmaßnahmen
2.3.1 Schutzerde
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S. 2-21
2.3.2 Abschirmung gegen magnetische Felder
AB
0 Faustregel: 30 Verdrillungen/Meter
Bedingung: Gleichmäßig verteiltes Magnetfeld
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S. 2-22
2.3.3 Abschirmung gegen elektrische Felder
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S. 2-23
2.3.3 Abschirmung gegen elektrische Felder (2)
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S. 2-24
2.3.3 Abschirmung gegen elektrische Felder (3)
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