Primer:

Pretpostavimo da je signal smetnje energetski vod 220 V naizmeničnog napona, 50 Hz, da je ekvivalentni kapacitet kapacitivne sprege 100 pF i da je kolo zatvoreno otporom vrednosti 250 Oma. Rezultatni indukovani napon greške je oko 1 mV, što je manje od 1 LSB (najmanje značajnog bita) u 12-to bitnom sistemu sa opsegom ulaza od 10 V.

Da je impedansa opterećenja 100 kOma, što je moguće ako se radi o naponskom ulazu, indukovana greška bi bila mnogo veća. Ekvivalentno R koje vidi izvor smetnje zavisi ne samo od impedanse opterećenja već i od impedanse izvora i karakteristika mernih kablova. U najgorem slučaju, gde induktivitet provodnika odvaja impedanse izvora i opterećenja, indukovana greška može da dostigne 0.4 V što predstavlja grešku od oko 8% punog opsega.

Strujni signali se obično konvertuju pomoću otpornika male vrednosti u naponske signale na ulazu u sistem za akviziciju podataka. To ne omogućava slabljenje šuma, pošto su i šum i mereni signal proporcionalni istoj impedansi opterećenja.

Ovaj primer ne uzima u obzir povoljnosti koje pruža zaštita signalnih kablova, uzemljenje i filtriranje. Većina problema vezanih za smetnje mogu se rešiti pažljivom primenom nekoliko principa i pravila vezanih za uzemljenje i zaštitu:

	Ne mešati povratne puteve signala (masa signala) i uzemljenja (masa kućišta);
	Minimizirati induktansu kablova;
	Minimizirati struje kroz povratne puteve uzemljenja (masu kućišta);
	Minimizirati antenski efekat;
	Obezbediti, gde god je to moguće, uravnotežene mreže.

 Slika 1. Razlike između povratnih provodnika i uzemljenja

Predlažu se tri različita načina povezivanja i uzemljenja. Kolo na slici 2, dopušta da se povratni provodnik uzemlji u oba kućišta. Ovo, na prvi pogled, deluje kao dobro rešenje, sa tačke gledišta sigurnosti. Međutim, ako postoji potencijalna razlika između dve mase, mora da teče struja izjednačenja. Ta struja, pomnožena sa impedansom provodnika, generiše napon greške ee. Prema tome, napon koji se dovodi na pojačavač nije V1, već V1+ee. To je dopušteno tamo gde je napon signala mnogo veći od potencijalne razlike između masa jednog i drugog kućišta.

Slika 2. Nesimetrična veza, veza sa jednim vodom

Kada je nivo signala nizak i kada postoji velika potencijalna razlika između gornje dve mase, data je pogodnija veza na slici 3. U ovom slučaju, povratni provodnik nije uzemljen kod pojačavača i struja izjednačenja ne može da teče kroz merne kablove. Svaka razlika potencijala između pojedinih masa kućišta javlja se kao zajednički napon ulaza (engl. Common Mode Voltage, CMV). U većini slučajeva, uticaj ovog napona je mali, s tim da bude ispunjen uslov da je napon signala + CMV manji od 10 V (10 V je linearni opseg za većinu OP, INA i PGA pojačavača).

Slika 3. Diferencijalna veza

Ako cena nije ograničavajući faktor, slika 4, pruža najbolje performanse pod svim uslovima. Ubacivanjem izolacionog elementa u kolo za prenos signala, V1 se verno prenosi do pojačavača, pri čemu su isotovremeno prekinute sve direktne električne veze. Kod ovakvog spoja, mogu se priključiti sistemi sa različitim potencijalima kao i potencijalna razlika od nekoliko stotina volti između ulaznih i izlaznih kola. Kada se akviziciona oprema koristi za profesionalna merenja neophodno je koristiti izolacione komponente. ED proizvodi nekoliko vrsta izolacionih pojačavača visokog kvaliteta. 

Slika 4. Veza preko izolacionog pojačavača

Tipovi kablova

Koje tipove provodnika treba upotrebiti za povezivanje sistema? Pre svega da istaknemo da jedan provodnik, u opštem slučaju, ne zadovoljava. Kolo za prenos signala mora da se zatvori, tako da ćemo u ovom delu govoriti isključivo o paricama. Postoje četiri osnovne vrste provodnika, koje se uglavnom koriste za prenos analogno/digitalnih signala: obična parica, oklopljena parica, upredena parica i koaksijalni kabl. Za sve vrste kablova, osim koaksijalnih, kaže se da su uravnoteženi. Koaksijalni kabl se razlikuje od ostalih po tome što povratni provodnik okružuje signalni provodnik u sredini. Spoljni provodnik ne može da se nazove zaštitnim oklopom, jer kroz njega teče struja signala. Značajno je to što signalni i povratni putevi nisu identični. Nasuprot ovome, oklopljeni kabl je okružen posebnim provodnikom (ispravno nazvanim oklopom), koji ne učestvuje u prenošenju struje signala.

Slika 5. Uticaj mernih provodnika na ponašanje CMV signala

Slika 5. prikazuje jedan način vezivanja diferencijalnih signala. Atributi izvora signala podeljeni su da bi odvojeno modelovali uticaj zajedničkog napona ulaza (CMV). Ovde se vidi uticaj simetrije u dovodnim i odvodnim putevima signala. Pod pretpostavkom da je pojačavač savršen, on će reagovati samo na razliku između VA i VB. Ova pozicija nam dozvoljava da analiziramo svaku polovinu kabla posebno i da zatim saberemo rezultate. Z1 je pretežno induktivan, dok je Z2 kapacitivan. U oba slučaja, Z1 i Z2 predstavljaju delitelje napona.

Ako su delitelji u oba dela kabla isti, razlika VA-VB se neće menjati sa promenom CMV napona. Ako je kapacitet predstavljen preko Z2 različit za dve putanje, pojaviće se različiti naponi i pojačavač neće biti u stanju da razlikuje grešku koja potiče od CMV napona od promene samog signala VS.

Kod koaksijalnog kabla, oklop i signalni provodnik imaju značajno različite impedanse prema zemlji. Zbog toga, koaksijalni kabl je namenjen samo za primenu sa nesimetričnim pojačavačima. Treba imati u vidu da čak i savršeno uravnoteženi kablovi mogu da slabe diferencijalne signale.

Nesimetrični izvori se najbolje mogu meriti pomoću diferencijalnog pojačavača. Pogledajte još jednom sliku 3. Da bi se obezbedio visok stepen prigušivanja diferencijalnog signala, neophodni su uravnoteženi provodnici. Jedan od načina koji može da smanji greške koje se javljaju usled kapacitivne sprege jeste da se koristi ekranski vod, tzv. "oklop". U opštem slučaju, malo šta može da se učini da se smanji stvarni kapacitet (u krajnjoj liniji, na dužinu provodnika i fizičke dispozicije ipak može da se utiče). Vrlo je korisno postaviti neki provodni materijal (na potencijalu zemlje) između signalnih provodnika i izvora smetnji. Oklop blokira struju smetnji i preusmerava je u zemlju. U zavisnosti od toga koliko je oklop “savršen”, mogu se postići slabljenja i preko 60 dB. Kada se koristi oklopljeni provodnik, vrlo je važno vezati samo jedan kraj oklopa za zemlju. Spoj treba da se realizuje na strani sistema za akviziciju (ulazni pojačavač, itd). Spajanje obe strane oklopa za zemlju može da dovede do značajnih grešaka usled protoka struja izjednačavanja kroz zemlju. Oklop može da radi na tri različita načina: 

	Tako što "razdvoji" kapacitivno spregnuta električna polja;
	Apsorbuje magnetno polje;
	Odbija zračenje elektromagnetnog polja.

Drugi prilaz sastoji se u upotrebi upredenih parica. Upredeni provodnici pružaju nekoliko prednosti. Upredanje provodnika obezbeđuje homogenu raspodelu kapaciteta. Tako kapacitet prema zemlji, kao i onaj prema spoljnim izvorima postaju uravnoteženi. Ovo efikasno smanjuje kapacitivnu spregu, dok zadržava, visoki stepen prigušenja zajadničkog CMV napona. Kako sa kapacitivnog, tako i sa magnetnog stanovišta, greške se indukuju podjednako u oba provodnika. Posledica toga je poništavanje grešaka u velikoj meri.

Uvek upotrebite oklopljene ili upredene kablove kada radite sa signalima malog nivoa. Kod senzora sa malom impedansom, treba koristiti provodnike sa najvećom praktično mogućom debljinom da bi se smanjili uticaji mernih kablova. S druge strane, provodnici velikog preseka u blizini elemenata za registrovanje temperature teže da odvedu toplotu sa izvora, čime stvaraju grešku u merenju. Ova pojava je poznata pod nazivom “termički šant” i može da bude vrlo značajna kod nekih primena.

Prethodni predlozi su se odnosili na kablove kojima se obezbeđuju jednostruke veze. Kablovi sa više provodnika kojima je moguće spojiti nekoliko kola, takođe postoje u gore opisanim oblicima (upredeni, oklopljeni itd). Koriste se kako okrugli tako i ravni-pljosnati (engl. "flat") kablovi. Zbog blizine različitih parica u kablu sa više provodnika, postoji mogućnost takozvanog “preslušavanja”. Preslušavanje je smetnja koja nastaje usled nepredviđenih kapacitivnih i induktivnih sprezanja između pojedinih signala u kablovskom snopu. I ovde mogu da pomognu upredene parice. Drugi način je da se upotrebi svaki drugi provodnik kao povratni vod, ili najbolje da svaki senzor koristi svoj oklopljeni kabl.

Jedan izvor smetnji o kome do sada nije bilo reči jeste šum koji nastaje usled tribo-električne indukcije. Ovo se odnosi na generisanje napona šuma usled trenja koji nastaje kada se dielektrik jednog provodnika kreće preko različitog materijala. Svi izolatori danas u upotrebi proizvode statičko pražnjenje kada se “taru” o materijal drugačijeg sastava. Na sreću, u većini slučajeva, efekat je malog inteziteta. Ipak, ne treba ga zanemariti kao moguć izvor šuma ako postoji značajno pomeranje mernih kablova, ili ako su prisutne velike vibracije. Postoje posebni kablovi sa niskim nivoom šuma koji koriste grafitna maziva između unutrašnjih površina da umanje ovo trenje.

Rešenje za projektovanje kola sa niskim nivoom šuma zasniva se na predviđanju mogućih izvora šuma i na preduzimanju odgovarajućih mera za prevenciju. Tabela koja je data u nastavku može korisno da posluži za otklanjanje grešaka u postojećem sistemu. Nakon ispravnog povezivanja, zaštite i uzemljenja, može se koristiti ulazno filtriranje da još više poboljša odnos signal/šum. Filtiranje ne sme da se koristi da ispravi pogrešno vezivanje ili instalaciju sistema.

Dužine kablova

Koja je najveća dozvoljena dužina mernog kabla? Na ovo pitanje ne postoji jednostavan odgovor. Broj činioca koji na ovo utiču je veliki. Vrsta izvora signala, nivo signala, vrsta kabla, vrsta izvora šuma, nivo šuma, rastojanje između kabla i izvora šuma, frekventni opseg šuma, opseg učestanosti signala i zahtevana tačnost. Sve su to samo neke od varijabli koje moraju da se uzmu u obzir. Iskustvo nam daje izvestan “osećaj” o tome kako postupiti. Treba imati u vidu da ovde govorimo o tipičnim slučajevima, a stvarna dozvoljena dužina za određenu primenu može biti sasvim različita.

Strujni i naponski signali

Ako je upotrebljen signal od 4÷20 mA, oklopljen provodnik, frekventni opseg ograničen na 10 Hz, zahtevana tačnost 0.5%. "Srednji" nivo šuma, prisutan u industriji. Uspešno se koriste dužine kabla od 1000 do 2000 metara.

Dato: signal ±1 V do ±10 V, oklopljen provodnik, frekventni opseg ograničen na 10 Hz, zahtevana tačnost 0.5%. "Srednji" nivo šuma, prisutan u industriji. Uspešno se koriste dužine kabla do 50 a u nekim slučajevima i do 100 metara maksimalno.

Dato: signal 10 mV do 1 V, oklopljen provodnik, frekventni opseg ograničen na 10 Hz, zahtevana tačnost 0.5%. "Srednji" nivo šuma, prisutan u industriji. Uspesno se koriste dužine kabla do 30 metara maksimalno.

Digitalni signali

Trakasti tip kabla, “srednji” nivo šuma, karakterističan za industrijska postrojenja. Uspešno se koriste dužine kabla do 30 metara. Oklopljeni trakasti kablovi smanjuju refleksiju signala i RSO smetnje. Ponekad su potrebni posebni ulazno izlazni sklopovi da održe integritet signala i da minimiziraju RSO smetnje. Izvesno poboljšanje može da se postigne ako se koriste Šmitova okidna kola da uobliče oslabljene signale viskoih učestanosti.

U nastavku ćemo označiti najvažnije činioce koji utiču na dozvoljenu dužinu signalnog kabla. Ove relacije pokazuju kako različiti parametri deluju na dužinu kabla. To nisu jednačine, i ne smeju se koristiti za izračunavanje dužine kabla.

Uputstvo za otklanjanje šuma