Loops de blindagem e aterramento

Eu tenho vários equipamentos que precisam estar conectados ao GND (Chassis GND). O problema que estou tendo é que estou conectando uma placa ADC dentro de um computador através de uma caixa de metal com componentes eletrônicos personalizados que se conectam a um criostato (blindagem de metal).

O problema é que, se eu apenas usar meus cabos padrão, o GND do computador será conectado à caixa de metal com a parte eletrônica na qual, por sua vez, será conectada ao metal do criostato. Agora, o computador está conectado ao GND pelo plugue e o criostato está conectado ao GND através de uma grande cinta de metal no GND do edifício. Isso para mim cheira a um caso ruim de um loop de aterramento.

Então, estou pensando que preciso quebrar o escudo em algum lugar de um dos cabos. As perguntas é onde? A eletrônica está amplificando um sinal bastante pequeno do criostato, então acho que quero tentar manter a conexão da blindagem contínua. Eu estava quebrando a blindagem na caixa do cabo que leva aos computadores da ADC. isso é uma boa ideia? Não devo me preocupar se o computador GND e o cryostat GND estão praticamente conectados ao mesmo filtro de linha?

Observe que o GND da eletrônica deve estar flutuando no GND do chassi / edifício.

Sim, parece (um pouco confuso) que você tem um problema de loop de aterramento, e sim, eles podem importar, especialmente ao tentar medir pequenos sinais analógicos. Se todos os aterramentos se conectarem à mesma faixa de saída por meio de cabos de linha relativamente curtos, provavelmente seria bom. No entanto, você diz que essa coisa do criostato (seja lá o que for) está conectada separadamente à construção do terreno, de modo que obviamente não é esse o caso e, portanto, é confuso por que você a trouxe à tona.

Em geral, é bom converter sinais analógicos em digitais o mais próximo possível da fonte e enviar os sinais digitais. São muito mais fáceis de isolar, como optoacopladores, transformadores de pulso, rádio etc. Em outras palavras, uma placa A / D antiquada no computador não é a melhor arquitetura geral do ponto de vista do nível do sistema.

No entanto, observe atentamente o cartão A / D. Provavelmente, pode ser configurado para operação com extremidade única e diferencial. Este é um caso em que você deseja entradas diferenciais. O dispositivo de criostato pode produzir um sinal de referência à terra, mas considera o sinal de saída e de terra como diferencial. Isso subtrairá essencialmente o deslocamento de terra do sinal antes de convertê-lo.

Esse truque funcionará apenas até alguma frequência, provavelmente alguns kHz ou 10s baixos de kHz. Deve funcionar muito bem ao subtrair qualquer sinal de aterramento devido às correntes de retorno da linha de energia de 60 Hz ou 50 Hz nos caminhos de aterramento no loop. Picos agudos no modo comum ainda podem confundir o amplificador diferencial no A / D e aparecer como ruído na saída final. Vale a pena tentar. Se não estiver bom o suficiente, volte e converta para digital no sensor e opte-isole o sinal de telemetria digital.

Há um tutorial sobre loops de terra e outras formas de interferência elétrica no site Loop Slooth .

Este tutorial mostra que os loops de terra se comportam de maneira diferente nas frequências baixa e alta. Em baixas frequências, o que conta é a resistência dos condutores que formam o loop de terra, mas não o layout físico, enquanto nas altas frequências é o contrário, porque em altas frequências o que conta é a indutância, não a resistência. A frequência de cruzamento é dada por R / L, onde R é a resistência do cabo e L é a indutância do circuito.

Essas questões também são discutidas em um artigo da Review of Scientific Instruments (também em um link no site).

O tutorial explica como os laços de terra resultam da distinção entre a lei de Faraday e a lei de Kirchoff (a eletrônica é baseada na lei de Kirchoff, válida apenas para DC, enquanto o mundo real das correntes dependentes do tempo envolve a lei de Faraday). Ele também discute a relação dos loops de terra com outras formas de interferência, como acoplamento indutivo, acoplamento eletrostático e acoplamento radiativo.

1. Geralmente, acredita-se que a principal ameaça de um loop de aterramento seja a existência de uma diferença substancial de CC entre os terra (por exemplo, 0V e 0,3V). Nesse caso, conectar os dois com um fio de baixa resistência pode causar alta corrente e danificar um (ou ambos) dos dispositivos. Pode ser o caso se o consumo atual dos dispositivos tiver ordens de magnitude diferentes entre eles (por exemplo, um motor rotativo conectado a um telefone celular). No entanto, este é o seu caso improvável. Portanto, a queda de DC não deve ser um problema.

2. Os loops de aterramento geralmente são um problema porque agem como transformadores que convertem o campo magnético variável (causado pela operação de dispositivos próximos, como fios da rede elétrica, lâmpadas, interruptores, motores, etc.) em tensão induzida.

Em um caso ideal, se houvesse apenas um par de fios (conectados a uma fonte de energia) próximos uns dos outros em todos os lugares, os loops de corrente seriam os mesmos e a EMF induzida seria a mesma. Assim, medir a diferença de tensão entre os fios em qualquer ponto produziria o mesmo resultado, seja com um campo magnético ou não.

No entanto, na prática isso raramente é o caso, os fios não vão em pares e nem sempre se aproximam. Dessa forma, o ruído aparece (os CEM induzidos em diferentes loops são diferentes).

Do ponto de vista prático, você pode fazer o seguinte: a) garantir que todos os fios se aproximem o máximo possível (não são formados grandes laços de fios isolados). b) garantir que não haja fontes de campo magnético variáveis ​​no tempo (agressores de ruído) nas proximidades.

No seu caso, os dois dispositivos têm conexões diferentes com o terra (rede principal e rede interna), portanto, provavelmente, um loop gigante é formado, o que não é bom.

O nível de ruído real dependerá dos campos magnéticos parasitas que cercam sua configuração. Se não houver fontes fortes de campo magnético variável no tempo em seu laboratório, o loop de aterramento pode não ser um problema.

Quebrar um escudo pode não ser uma boa escolha porque:

1) alterará a impedância do cabo, o que pode ser problemático em altas frequências.

2) O valor do receptor irá flutuar em relação ao valor do driver. Qualquer corrente perdida que apareça no receptor afetará o sinal.