Hi All!

Имеются датчики (скажем 2 шт) магнитного поля с дифференциальным выходом. Датчик представляет из себя катушку с предусилителем. Питание предусилителя двуполярное - +/- 12 В. Выход дифференциальный с размахом +/- 10 В. Сооттветственно на разъеме датчика 5 контактов: земля 9 (или ноль, т.к. он "живет" только внутри, ни на какие корпуса не замкнут), +12 В, - 12 В, дифф + и дифф -.
До сих пор мы имели дело только с "честными" АЦП - когда на каждый канал свое АЦП.
В "штатном" режиме датчик работал с немецким логгером у которого на входном разъеме были такие же 5 контактов. Входное сопротивление около 20 кОм.
Имеется блок питания, который от аккумулятора 12 В с помощью DC-DC преобразователя делает двуполярное питание +/- 12 В. Соответственно с него 3 выхода - земля/ноль, +12 В и -12 В. При этом земля от входа изолирована.
С этим блоком питания мы работали с крейтом NI c АЦП NI PXI-4462. Т.к. там на фронт панели "аналоговой земли " нет, то просто подключали диф. выход датчика ко входу АЦП. Входное сопротивление здесь 1 или 10 МОм (не помню точно).
Сейчас мы попытались  подключить это хозяйство к АЦП. Е502 и усилитель питаются от аккумулятора 12 В.
Земля блока питания/датчика заведена на AGND, и на X16 и Y16 заведен дифференциальный выход.
Мы должны получить шумоподобный сигнал размахом несколько сот милливольт с отдельными вольтовыми выбросами. Полоса сигнала - до 60 кГц.
Вот что мы получили.

До 1000-й секунды мы видим нормальный сигнал. За исключением странного линейного дрейфа. Его быть не должно.
А вот после 1000-й секунды такое впечатление, что сигнал начинает кто то резать. И к 1700-й секунде он зарезается окончательно.

Я не спец по аналоговым цепям, но в моем понимании это может быть из-за того, что на стр. 54 мануала написано, что отклонение Y16 от AGND не должено превышать 1 В. А у нас в момент выбросов оно 1 В превышает точно. Может из-за этого "плывет" какая то "средняя точка" и выходит на край диапазона?

Вопрос. Как подключать? "Оторвать" землю/ноль датчика от AGND? Но будет ли это правильно?

Jury

Судя по представленному Вами графику на фоне полезного дифференциального сигнала происходит медленное (в течении 1500 с) увеличение синфазного напряжения, об этом свидетельствует увеличение среднего напряжения полезного сигнала. Когда синфазное напряжение достигает величины приблизительно 1 В аналоговый тракт Е502 входит в насыщение и соответственно полезный сигнал "пропадает". Вся эта ситуация подробно описана в руководстве пользователя пункт 4.6 приведены иллюстрации, объясняющие подключение сигналов и даны пояснения.
   Рекомендую внимательно проверить соединение "земли" вашего датчика со входом AGND модуля Е502, такое поведение синфазного напряжения наиболее вероятно связано именно с отсутствием этой связи.

Hi!

Продолжаю разбираться с подключением....

Я так понимаю, в Вашей терминологии наш датчик можно понимать двояко.
1.  Это "изолированный источник напряжения". Тогда должна работать схема 6.1.2.3. В ней земля датчика оторвана от AGND. Тогда вопрос по этой схеме. Если я пишу 2 канала с частотой оцифровки 100 кГц на канал. Я правильно понимаю, что частота коммутации у меня 200 кГц?
Тогда вопросы:
- Как зависит сопротивление R1 и R2 от частоты коммутации. Или можно сформулировать по другому. Для частоты комутации до 500 кГц какого номинала должен быть этот резистор?
- нужно ли соединять землю датчика с AGND? Ведь если у меня подключено 2 датчика, то их земля общая, т.к. они запитаны от одного источника питания. Чисто интуитивно было бы логично соединить эту землю с AGND.

2. Это "дифференциальный источник напряжения". Тогда схема подключения показана в 4.6 на стр. 55. Там земля датчика соеденина с AGND через резистор Z. Какой номинал должен быть у этого резистора?

Как dвсе таки  правильно подключасть?

Jury

Вы так и не указали какой датчик подключаете, предполагаю, что он строго секретный. Исходя из этого предположения советы опять общие.
1. Схема подключения 6.1.2.3 демонстрирует метод подключения сигнала, когда выход датчика, изолированный дифференциальный, а корпус в подключении не участвует (например, корпус из пластика). В этом случае резисторы R1 и R2 формируют искусственную "землю". Что касается их номинала, то чем выше частота опроса, тем меньше должно быть сопротивление, следуйте рекомендациям данным в п. 6.1.
2. Если на Вашем датчике "земляной" контакт присутствует, то подключайте в соответствии с рекомендациями п. 4.6. Обратите внимание, что в этом пункте буквой Z обозначено сопротивление соединительных проводов (о чём явно сказано в тексте), следовательно, это сопротивление не нормируется, а только учитывается при интерпретации результатов измерений.
    По поводу использования интуиции при подключении датчиков, моё мнение, интуицию не использовать, а следовать указаниям руководства пользователя.

Hi!

Секретов нет. Используем 2 вида.
1. Магнитометр MFS-07, делают немцы, Metronix.

Выдает на выходе +- 10В и если работает на немецкий "родной" логгер ADU-07e - там входное сопротивление около 15-20 кОм.
Что внутри - не знаю.

2. Рамочная антенна. Ее нам делали Нижегородцы. Там рамка диаметром около 1 метра и примерно 40 витков, работает на активный усилитель "двухступенчатый":
Первая ступень:

Вторая ступень:

Выходной каскад второй ступени сделан на операционниках OPA-2604

Поэтому может работать на нагрузку (делитель) 500 Ом с некоторым запасом...

Оба варианта антенн запитываются от DC-DC источника Traco +-12В.

По поводу сопротивления - в разделе 6.1 есть только указание, что "для максимальной частоты коммутатора 2 МГц R1 должно быть меньше или равно 50 Ом". Как R1 зависит от частоты - об этом я ничего не нашел...

Jury

В представленной Вами схеме выходной сигнал предусилителя передаётся на разъём J1 через конденсаторы, то есть рассчитан только на переменную составляющую сигнала. При этом постоянный уровень на входе Е502 оказывается не определён, что Вы и видите по смещению постоянной составляющей. Нужно на входах Е502 фиксировать уровень постоянной составляющей. Сделать это можно двумя способами. Добавить два резистора номиналом от 500 Ом до 1 кОм соединив ими выходы предусилителя с общим проводом. На разъёме J1 (вторая ступень) контакт 2 с 4 и 5 с 6 (можно на ответной части разъёма Е502). Второй вариант – удалить из схемы предусилителя конденсаторы C13 и C14 заменив их перемычками. Далее соединяем разъём J1 с входом Е502 следующим образом – контакт 2 с входом "Y", контакт 5 с входом "X", контакт 6 с входом AGND, режим опроса дифференциальный. Первый вариант доработки предпочтительнее поскольку вход предусилителя отделён от входного трансформатора по постоянному напряжению, что наверняка будет вызывать "плаванье" постоянной составляющей на выходе.
Для подключения магнитометра рекомендации будут такими же, в случае дифференциального подключения входы "Y", "X" и AGND, в случае однополярного на "X" выход, "Y" и AGND соединить на разъёме и присоединить к общему проводу датчика. Если постоянная составляющая будем "уплывать", зафиксировать постоянный уровень с помощью двух резисторов, как было описано ранее. Номинал резисторов придётся подобрать экспериментально, поскольку внутренне устройство магнитометра неизвестно.

Hi!

Спасибо за ответ!
Что считать "постоянным уровнем"? Если это среднее значение напряжения между выходами 2 и 5 за достаточно большой промежуток времени (скажем от нескольких секунд и более) относительно GNDANALOG (выход 4 и 6)  - то по опыту работы с что с магнитометрами, что с рамками, оно минимально - в пределах 10 мВ.

Надо ли в этом случае "уравнивать" постоянный уровень резисторами?

Jury

И... в догонку. Я вот что подумал. Эти резисторы о которых Вы пишите, возможно у нас стоят в немецком регистраторе на входе в АЦП. Только номинал у них 10-20 кОм. И они определяют его входное сопротивление - как раз то о чем говорил нам немец когда то - что входное сопротивление 10 или 20 кОм (уже не помню точно). В общем будем пробовать...
Jury

Другое название "постоянного уровня" - синфазное напряжение, то есть постоянное напряжение смещения одинаковое для обоих входов X и Y.
Обратите внимание, что это напряжение для Е502 ограничено диапазоном плюс-минус один вольт.

Hi!

Так в сухом остатке... Я правильно описал как измерить "синфазное напряжение"? Если нет - то тогда как? Куда подключать виртуальный вольтметр и надо ли усреднять?

Jury

И... в догонку.
Если подключать по "варианту 1", т.е. с резисторами между выходами и AGND. Можно работать на диапазоне +-10 В? Мы не нарушим правила про +- 1В?

Jury

Это не правило, а диапазон допустимых синфазных напряжений. Если в Вашем сигнале не присутствует синфазная составляющая превышающая  +- 1В, то можно работать на диапазоне +-10 В дифференциального сигнала. В базе знаний нашего сайта даны подробные описания обоих терминов: https://www.lcard.ru/lexicon/co_anti_phase_signal

Hi!
Спасибо!
Пошел читать/изучать...
Jury

Владимир, разве это утверждение не противоречит руководству по эксплуатации?

Из приведенной выдержки явно следует, что для диапазона ±10В ограничивается напряжение между фазой Y и AGND, а не синфазное.

    Давайте проведём мысленный эксперимент – между входами "X" и "Y" подключили батарейку, а между входами "Y" и AGND перемычку. Тогда относительно AGND на входе "Y" напряжение равно нулю, на входе "X" напряжение 1,5 В (напряжение на батарейке). Описываем ситуацию другими словами – дифференциальное напряжение "X" - "Y" равно 1,5 В, синфазное напряжение AGND - "X""Y" равно 0 В.
    Теперь добавляем в нашу схему ещё одну батарейку и включаем её между "Y" и AGND. Тогда относительно AGND на входе "Y" напряжение равно 1,5 В, на входе "X" напряжение 3 В (поскольку две батарейки включены последовательно). Описываем ситуацию другими словами – дифференциальное напряжение "X" - "Y" равно 1,5 В, синфазное напряжение AGND - "X""Y" равно 1,5 В поскольку напряжение второй батарейки приложено к обоим входам относительно AGND.
    То есть для приведённого на рисунке случая подключения напряжение, приложенное между AGND и "Y" является СИНФАЗНЫМ напряжением, понятно?

Ну как же так?
В описанном случае синфазное напряжение (Ux+Uy)/2 = (3+1.5)/2 =2.25 В, что явно не равно 1.5 В между Y и AGND.

Hi!

Давайте продолжим Ваш эксперимент.
У батарейки №2 (той которая между Y и AGND) начинаем быстро менять полярность. с частотой, скажем, 100 раз в секунду.
Какое будет синфазное напряжение? Ноль? Или будет меняться в соответствии с полярностью от минус 1.5 В до плюс 1.5 В?

Jury

Вот приятно побеседовать с увлечёнными работой коллегами. Ну что же, давайте разбираться дальше, до полного понимания обсуждаемого явления.
    Для краткости обозначим измеряемое дифференциальное напряжение Vin, а напряжение смещения т.е. синфазное Vcomm.
    Начнём с ответа на второй вопрос – в первом приближении не имеет значения форма и полярность Vcomm. Каково абсолютное значение напряжения в данный момент времени столько и будет. Другими словами, какое напряжение и какой полярности приложите столько и будет в текущий момент времени. Если учитывать более "тонкие" эффекты, то в реальном, устройстве часть переменного Vcomm обязательно преобразуется в Vin из-за не идеальной симметричности физических связей и входов ОУ. Именно поэтому в документации обычно приводится график зависимости подавления Vcomm от частоты, и чем выше частота, тем меньше подавление.
    Теперь по поводу формулы Uсм=(Ux+Uy)/2. Если формально, то формула верна, но это определение можно назвать неудачным в силу того, что оно не выражает основную мысль из определения Vcomm, процитируем – "В электротехнике синфазный сигнал - это идентичная составляющая напряжения, присутствующая на обоих входных клеммах электрического устройства" (скопировал из wiki). Другими словами, это ОДИНАКОВЫЕ напряжения, ПРИЛОЖЕННЫЕ к обоим входам, ключевые слова выделены заглавными. То есть напряжение Vcomm приложено относительно AGND и к Ux и Uy одинаково, и это сразу будет понятно если при этом входы "X" и "Y" соединить вместе (замкнуть). Тогда Uсм=(1,5+1,5)/2=1,5 и это единственный случай когда формула даёт корректный результат. А вычисленное Вами значение 2,25 В сродни средней температуре по больнице, вычислить можно, но практического смысла не имеет. Дело в том, что это напряжение физически ни к чему не приложено.
    Для полного прояснения этой картинки рекомендую ознакомиться с небольшой, но очень толковой заметкой от Moshe Gerstenhaber из Analog Devices в которой описывается эффективная схема измерения малого полезного сигнала на фоне большого синфазного смещения. Вот ссылка на перевод - https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=666033. Это будет взгляд на туже проблему с другой стороны.