2 Störeinflüsse und Schutzmaßnahmen 2... · S. 2-3 2.1 Modulation/Demodulation Wechselsignal...

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



S. 2-3


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)



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]




S. 2-5

Beispiel fürs Prinzip


S. 2-6


• Hochpass: Unterdrückung von direktem Signal (Störungen)

• Wechselspannungsverstärker

• Hochpass: Unterdrückung von DC-Signal am Demodulator

• Demodulator: Schalter

• Tiefpass: Unterdrückung höherfreq. Störungen, Mittelwertbildung



S. 2-7


*

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


t / ms

u /

V

u(t)

um

(t)



S. 2-8


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


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



S. 2-9

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-4

-2

0

2

4

6

8

10


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

11

0

tudtuT

u

T

DemDem



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)



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



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!



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!



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



S. 2-15

t

a(t)

Klassifikation unter den analogen Signalen

SchwebungVorübergehend

2.2.4 Rauschen



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



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



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



S. 2-19

ErsatzrauschquellenkTRBtuU reffr

4)(22,

Thermisches Rauschen

Schrot-Rauschen

BR

kTtiI reffr

14)(22

,

2.2.4 Rauschen



S. 2-20

2.3 Schutzmaßnahmen

2.3.1 Schutzerde



S. 2-21

2.3.2 Abschirmung gegen magnetische Felder

AB

0 Faustregel: 30 Verdrillungen/Meter

Bedingung: Gleichmäßig verteiltes Magnetfeld



S. 2-22

2.3.3 Abschirmung gegen elektrische Felder



S. 2-23

2.3.3 Abschirmung gegen elektrische Felder (2)



S. 2-24

2.3.3 Abschirmung gegen elektrische Felder (3)



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