Пытаюсь сделать предусилитель для акселерометра с зарядовым несимметричным выходом KD29 от MMF со стандартным кабелем длиной 1,5м (см. KD29.pdf).
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Сначала сделал стандартную схему усилителя заряда с заземленным входом:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Всё работало нормально, но только на столе. Как только воткнул акселерометр в землю и включился рядом компрессор, то сразу полезла наводка 50Гц на выходе усилителя, при выключении компрессора наводка исчезает.
Насколько я понял, проблема в образовавщейся земляной петле. Для решения проблемы предлагается сделать незаземленный вход:
Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители.pdf стр. 81, рис. 3.20
bo0464.pdf стр. 3, Fig.3
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Сделал вот такую схему:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Здесь на входе стоит высокоомный повторитель с незаземленным входом с коэффициентом усиления 2 на U1A для сигнала акселерометра и повторитель с коэффициентом усиления 2 для синфазного напряжения на U3 (разностный усилитель), затем оба сигнала подаются на инструментальный усилитель U4, где синфазное напряжение должно вычитаться.
Просимулировал схему в PSpice, вроде бы должна была работать с подавлнием синфазной помехи 70дБ:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Но на деле, когда я собрал и проверил, то оказалось, что в точке с желтым маркером на рисунке Floating input chg amp.png присутствует постоянное напряжение 600мВ, хотя должно быть опорное напряжение 2,5В.
Сам предусилитель на U1A в режиме с заземленным входом работает нормально.
Даташиты на микросхемы:
http://datasheets.maximintegrated.com/en/d...475-MAX4489.pdf
http://www.analog.com/static/imported-file...AD8276_8277.pdf
http://www.analog.com/static/imported-file...eets/AD8226.pdf
В чем может быть проблема?

Для начала прверить схему и убрать закоротку пинов 1 и 2 / U3

Схему я прозванивал, вроде бы ничего не коротило, проверю еще раз.
Закоротка пинов 1 и 2 у U3 сделана для того, чтобы сделать вход U1A незаземленным, как предложено в Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители.pdf стр. 81, рис. 3.20.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Т.е. здесь получается Rfloat из двух резисторов на входе микросхемы U3 по 40кОм в качестве двух резисторов Rfloat по 5МОм и плюс еще повторителя напряжения с коэфициенто усиления 2.

Нашел в чем была проблема: усилитель U1A сдох. После замены стало работать нормально.
Возникла еще проблема с тем, что у акселерометра на деле было намного болшее сопротивление, чем в моей модели (нашел для акселерометра 4383 от B&K R = 20 ГОм), поэтому пришлось еще в паралель к акселерометру поставить 200 МОм, иначе усилитель насыщался.
Сейчас вроде бы работает, но вот появился шум на выходе, пока думаю, что с этим делать.
UPD:
Я поставил 200МОм не паралельно, а между сигнальной линией акселерометра и опорным напряжением. Для варианта с заземленным входом это паралельно акселерометру, а потом я убрал перемычку замыкающую корпус акселерометра на опорное напряжение. чтобы проверить вариант с незаземленным входом, но забыл про то, что 200МОм соединяются имено с опорным напряжением.

Похоже, что с высокоомным повторителем в качестве предусилителя для акселерометра в данном случае работать нельзя.
Не знаю, где я ошибся при симуляции: либо модель U3 неправильная, либо я ошибся с электрической моделью системы, но на деле получается, что напряжение на выходе U1A делится на резисторах R4+R6 и внутренних резисторах U3 и на выходе U3 получается напряжение 4/5 от выходного напряжения U1A. В PSpice на выходе U3 была только чистая наводка от источника V4 без сигнала от акселерометра V3.
Попробую сделать именно усилитель заряда.

Я правильно понимаю, что вот эту схему:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нужно реализовывать вот так?
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Для точности вместо резисторов R10 и R11 по 10МОм и микросхемы X2 использовать разностный усилитель AD8277.
UPD:
Проверил схему:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Работает нормально, с усилением G=1 у AD8220 шум на выходе 60mVp-p в основном в диапазоне 45-55кГц, в диапазоне <45кГц шум ниже на 40дБ, а в диапазоне >55кГц шум ниже на 20дБ. Примерно соответствует АЧХ акселерометра KD29.
Остается проверить схему на подавление наводки 50Гц.

На мой взгляд получается подмешивание к земле ошибки U3 в подавлении синфазного входного напряженя.
Если эту ошибку использовать не надо, то с тем же успехом можно заземлить (под землей мы понимаем среднюю точку) неинвертирующий вход U4 и убрать U3.

Если я правильно понял, то вот так?
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Тогда уже получается заземленный усилитель и наводка 50Гц не подавляется, U4 в таком включении просто бесполезен.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Посмотрел еще, этот шум 45-55кГц - это наводка, а не из-за резонансной частоты акселерометра, как я подумал сначала.
Из-за нелинейности частотных характеристик операционников на входе появляется ошибка при вычитании на выходном инструментальном усилителе.
Кроме того, у усилителя AD8277 падает усиление на ВЧ раньше, чем у MAX4477 и получается, что ВЧ не подавляется, получаются помехи за-за наводки на 650кГц и 1,3МГц тоже довольно высокого уровня.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Посмотрел более подробно, из-за разных ФЧХ входных операционников для частоты 650кГЦ получается временная задержка между сигналами на их выходе в 300нс.
Из-за этого, когда на выходах входных операционников помеха 50Гц уровня 100mVp-p, то на выходе инструментального усилителя получается помеха 50Гц 5mVp-p, т.е. ослабление помехи на 26дБ.
Думаю попробовать использовать вместо MAX4477 и AD8277 на входе два MAX4477 и точные резисторы 10кОм 0,1%.

UPD:
Хотя, посмотрел еще раз в микрокапе схему:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Получается всё-равно не очень с подавлением помехи - 36дБ.

UPD:
Может кто-нибудь объяснить, как именно подразумевается реализация этой схемы:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
отсюда: Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители.pdf стр. 81, рис. 3.20
Т.к. если делать схему напрямую как указано выше, то на втором операционнике полный шум из-за контуров заземления будет вычитаться из половины шума из-за контуров заземления, который получается на делителе 5МОм-5МОм.
Или подразумевалось сделать вот так?
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

UPD:
Проверил схему:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Получилось подавление помехи на 44,5дБ.

Что касается самоё последней схемы, источником проблемы является паразитная ёмкость между землёй и отрицательным входом X1, из-за неё X1 усиливает синфазное напряжение несколько больше, чем в 1 раз. Нужно пытаться минимизировать паразитную ёмкость, и, видимо, поставить перед "-" X3 буфер с компенсирующим подстраиваемым усилением чуть больше 1.

R2 Зашунтировать конденсатором микрофарад в 10.
Почему 50 герц приложено только к одному проводу кабеля?

Спасибо за замечание. Попробую для начала уменьшить паразитную емкость, вырезав слой земли под инвертирующим входом.Нажмите для просмотра прикрепленного файла


R2 у меня зашунтирован 0,1мк||10мк, просто для симуляции я это не указывал.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла
отсюда: Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители.pdf стр. 78.

Но ведь 50 герц это наводка на кабель.

Насколько я понял, в данном случае помеха 50 Гц возникает из-за контура заземления:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
http://mmf.de/accelerometer_cabling.htm
Именно электромагнитная наводка на кабель незначительна.
Я пробовал на деле такие ситуации:
1. Клал акселерометр на паралон коробки, в которой хранился акселерометр:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
помехи 50Гц не было.
2. Клал акселерометр на землю - помеха была.
3. Втыкал акселерометр с зондом probe:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
в землю - помеха была еще больше, чем во втором случае.

Если датчик не изолирован от земли, то можно сделать гальваничевкую развязку вашего усилителя от оборудования к которому он подключается, и разные потенциалы двух точек земли уже не будут связаны через усилитель - помеха подавится этак более 100 dB, при грамотной развязке.

Спасибо понятно.



Или использовать симметричный выход. Но кабель возможо понадобится другой.

Или другой вариант. На приемном конце входные цепи развязать по земле с остальной частью схемы и передавать сигнал от входвых цепей к остальной части схемы в симметричном виде.

Суть устройства - оцифровать аналоговый сигнал от акселерометра и отправить данные на компьютер.
Если делать гальваническую развязку, то можно гальванически развязать питание аналоговой части и АЦП от цифровой части, которая будет без развязки подключена к USB ПК и поставить опторазвязку для цифровых линий между АЦП и микроконтроллером.
Почитаю по поводу гальванической развязки, пока что не полностью понимаю, как поможет гальваническая развязка.

Из акселерометра с несимметричным выходом не получится сделать акселерометр с симметричным выходом.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Как здесь?
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Но выходной сигнал акселерометра не нарпряжение, а заряд и на входе обязательно нужен усилитель заряда.

Я имел ввиду после операционного усилителя, когда сигнал превратился в напряжение.

Но это будет усложнением схемы и без особой необходимости не стоит этого делать.




Как сделать из однополярного сигнала симметричный:
на одном операционнике делается повторитель, а на другом инвертор. оба подключены к сигналу, а между выходами операционников будет симметричный сигнал правда усиленый в два раза, но это исправимо.

С преобразованием сигнала из несимметричного к симметричному понятно, вопрос в том, как развязать входные цепи по земле с остальной частью схемы, чтобы исключить помеху:

Первый вариант. Преобразовать сигнал в симметричный (при этом его можно усилить, что улучшит помехозащищенность) и передавать по кабелю. Передавать по кабелю землю при этом не обязательно, хотя можно, тогда кабель будет трехжильный или две жилы и экран.


Второй вариант на приемном конце землю кабеля соединить с землей входной цепи, которая преобразует сигнал в симметричный. Важно, чтобы земля кабеля и земля выходных цепей не были соединены между собой (или соединить их через резистор без конденсатора параллельно резистору). Симметричный сигнал передать в выходные цепи, а там можно преобразовать назад в сигнал относительно земли.
Цель в обоих случаях передавать сигнал между звенящими землями по паре. В паре сигнал представлен двумя проводами, а не является сигналом относительно земли, поэтому звон по земле не будет добавлен к сигналу.

В данном случае сделать не получится из-за конструктивных особенностей датчика.

По сути получается вот это:

Ничего не дало.
Тогда остается только добавление еще ОУ для подстройки задержки сигнала и усиления сигнала.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Только дошло. Так у вас датчик находится на другом конце кабеля!
Если вы не найдете способа разместить пару операционников на стороне датчика, то есть только один способ извежать наводку -- изоляция датчика и кабеля от земли прибора.

Я имел ввиду, что если Х1 и Х3 находятся на стороне датчика, что я бы сделал (во всяком случае мне это сразу пришло в голову), то добавление еше двух операционных усилителей решило бы проблему.

Хотя второй способ, предложеный мной работает тоже. Делаем две земли одна та, что была использована в схеме, а другая особая. Назовем ее входной землей. Операционники Х1, Х3 и два, которые производят дифференциальный сигнал с выхода Х3 используют входную землю. Входная земля соединена с землей устройства, где расположен датчик через кабель, а с реальой землей измерительного устройства через резистор (дроссель). Сопротивление кабеля и сопротивление этого резистора образуют делитель, ослабляющий 50герцовый паразитный сигнал. Если сделать отдельный источник питания для входных цепей, то земли соединять не надо вообще и 50 герц будут ослаблены значительно. Только защитить входы с кабеля.

Сигнал передается в дифференциальном виде к выходным цепям. Землю соединять не требуется.

Проблема с размещением предусилителя сразу на выходе датчика в том, что сложно достать разьемы UNF 10-32, а также, даже если найти разъемы, этот предусилитель, подключенный напрямую к датчику, будет мешать измерениям:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Вообще, есть специальные IEPE акселерометры со встроенным предусилителем, но у меня акселерометр с зарядовым выходом.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Попробую сделать гальваническую развязку схемы.

Гальваническая развязка не обязательна. Она может внести необходимость индивидуально калибровать каждое устройство. Можно передавать дифференциальный сигнал.


Есть еще один способ. Промодулировать сигнал скажем 100 килогерцовым меандром и отфильтровать. Но это надо делать на входной земле.
Преимущество этого способа в том, что сигнал пойдет через конденсаторы.
Недостаток -- надо предпринимать меры при измерении.

У меня задача стоит в оцифровке сигнала от акселерометра и передаче его на ПК, поэтому гальваническую развязку питания аналоговой части и АЦП, а также опторазвязку цифровых линий между АЦП и микроконтроллером будет сделать не сложно и ничего калибровать не нужно.

По цифровым линиям 50 герц тоже не пролезут.