Massefuehrung bei digitalen Bussystemen

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Hallo,

ich stehe vor der Frage, wie ich die Masseführung in einem System
auslegen soll, das aus mehreren Eurokarten besteht, die auf eine
Busplatine aufgesteckt werden (19" Baugruppenträger). Das Ganze muss
sich mit Hobbymitteln realisieren lassen. Doppelseitige Platinen
sind also ok, Multilayer nicht.

Ich habe drei Spannungen (+12, +5, +3.3V) und die Massen dazu. Es gibt
ja nun mehrere Möglichkeiten, wie man das führen kann. Derzeit plane
ich es so (64poliger VG-Stecker, A+C):

  A1: +12V    C1: +12V
  A2:  GND    C2:  GND
  A3:  +5V    C3:  +5V
  A4:  GND    C4:  GND
  A5: +3V3    C5: +3V3
  A6:  GND    C6:  GND

Ist es sinnvoll, die drei Massen getrennt zum Netzteil zu führen und
erst dort zusammenzuschalten? Oder sollte ich nur eine, möglichst dicke
Masseleitung vorsehen, also die Massen auf der Busplatine gar nicht als
Leiterbahnen ausführen, sondern als einseitige Massefläche? Oder sollte
ich zwei Massen vorsehen, die ich getrennt führe, eine für Baugruppen
mit hohem Stromverbrauch, die andere für empfindliche Baugruppen?

Wie hoch der Stromverbrauch auf den einzelnen Platinen sein wird, kann
ich noch nicht genau sagen. Das Ganze soll auch ein bißchen flexibel
bleiben, damit ich experimentieren kann. Ich denke aber, dass keine
Baugruppe mehr als 1A brauchen wird, viele werden mit 100mA auskommen.

Martin

Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen
Martin Klaiber schrieb:
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Welche Signalfrequenzen werden denn auftreten, bzw. welche Logikfamilien
sollen zum Einsatz kommen? Welchem Zweck dienen die 12V, ist das für
analoge Zwecke (z.B. A/D-Wandlung, Verstärker, etc.) wo's auf Störarmut
ankommt?

Da Du mit doppelseitigen Platinen auskommen willst, werden die schnellen
Logikfamilien wohl nicht in Frage kommen. Die Verteilung von drei
Spannungen wird das Layout der eingesteckten Karten nicht so einfach
machen, insbesondere wenn die Massen auch noch getrennt gehalten werden
sollen.

Falls die Logik nicht besonders schnell sein soll und die 12V nicht
besonders störarm sein müssen, würde ich die Massen gemeinsam halten,
auch auf der Busplatine. Die Steckerbelegung ist ok, eine Massefläche
auf der Busplatine ist nur im Bereich der Stromversorgungspins nötig. Im
Signalbereich würde ich stattdessen überlegen, ob man im Layout eine
Masseleitung zwischen jede Signalleitung bekommt, um das Übersprechen
zwischen einzelnen Signalleitungen zu minimieren. Wenn die Busplatine
eine bestimmte Länge überschreitet muß man unter Umständen auch mit
Reflexionen rechnen, dann wird's schwieriger, und man muß auf Impedanzen
achten.

Grundsätzlich ist es immer eine gute Idee, beim Layout eine
Versorgungsspannungsleitung in der Nähe einer entsprechenden
Masseleitung zu führen. Die abgestrahlte Störstrahlung wächst mit der
Fläche der Schleife, die der Stromkreis bildet.

Gruß
Stefan


Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen

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Auf der Busplatine selbst bin ich variabel. Auf den Karten habe ich
Frequenzen bis max. 16MHz (aber nur rund um den Prozessor). Sonst eher
unter 1MHz. Ich würde aber gerne eine zentrale Taktleitung über den
Bus legen, da die Karten einen synchronen Takt brauchen. Ich dachte so
an 1MHz. Sollte ich diese Taktleitung mit Masseleitungen einschließen?

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Tja, wenn ich das schon mal alles überblicken könnte. Wie gesagt, der
Aufbau soll auch als Experimentiersystem dienen, da ich manche Teile
ausprobieren muss, um zu wissen, ob sie sich eignen.

Manche Teile, die ich brauche, gibt's halt nur in 5V-Logik, andere nur
in 3,3V-Logik. Das wird ohnehin noch ein Problem, das alles miteinander
zu verheiraten. Ich denke, auf dem Bus lege ich mich auf 5V fest, für
die Businterfaces auf den Platinen werde ich wohl 74HC nehmen.

Oder sollte ich eher 3,3V als Standard benutzen, also auch auf dem
Bus (für die Daten, usw.)? Eine höhere Spannung bedeutet auch einen
höheren potentiellen Störabstand. Andererseits scheint 5V ja langsam
auszusterben.

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Wird bisher noch nicht benötigt, aber ich will sie schonmal vorsehen,
damit ich später nicht alles umbauen muss.

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Nein, dafür gibt es +/- 15V (oder so) mit eigener Masse auf der anderen
Seite des Steckers.

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Sie müssen nicht getrennt sein, wenn es nichts bringt. Ich bin in
Digitaltechnik nicht so fit, aber bei Analogschaltungen ist es oft
vorteilhaft, wenn man Masseleitungen getrennt hält und nur im Netzteil
zusammenschaltet. Zumindest die Möglichkeit zu haben, ist oft nützlich.

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Ok.


Könnte ich machen, die A-Seite des Steckers ist derzeit noch fast frei.
Aber ich wollte mir auch noch ein bißchen Spielraum für Erweiterungen
offenhalten. Das Übersprechen steigt doch mit der Frequenz, oder? Wenn
ich auf dem Bus mit, sagen wir 100kHz bis 500kHz auskomme, könnte ich
mir dann die Masseleitungen zwischen den Signalleitungen sparen?

Würde eine Massefläche unter den Signalleitungen den gleichen Effekt
haben, wie je eine Masseleitung zwischen den Signalleitungen?

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Theoretisch könnte der Bus so lang werden, wie so ein Baugruppenträger
breit ist. Praktisch vermutlich maximal die Hälfte.

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Schirmen die Masseleitungen auch ab, oder ist das Wunschdenken? Wenn
sie schirmen, wäre es dann besser, ich würde die Pins so beschalten?

   A1:  GND    C1: +12V
   A2: +12V    C2:  GND
   A3:  GND    C3:  +5V
   A4:  +5V    C4:  GND
   A5:  GND    C5: +3V3
   A6: +3V3    C6:  GND

Jede spannungsführende Leiterbahn wäre dann von drei Seiten von Masse
umschlossen. Oder doch am Besten eine Massefläche verwenden und auf
einer Seite des Steckers anschließen?

Martin

Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen
Martin Klaiber schrieb:

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Ist nicht so kritisch bei 1MHz. Bei 16MHz wäre es Pflicht. Da würde ich
mir sogar ein differentielles Taktsignal überlegen.

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 >
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Ok, wenn HC schnell genug ist, dann würde ich 3.3V Logikpegel bzw.
TTL-Pegel als Standard empfehlen (Low ist 0..400mV, High ist 2,4..3,3V).
Das bedeutet, daß man TTL-Eingänge direkt anschließen kann (oder
allgemein alle Logikfamilien, die am Eingang TTL-kompatibel sind, z.B
HCT, ACT). Bei Ausgängen, die auf den Bus treiben sollte man nur
3.3V-Bausteine verwenden, da ansonsten alle daran angeschlossenen
Bausteine 5V-Kompatibel sein müssen, und darauf kann man sich nicht bei
allen Bausteinen verlassen.

Bei Bausteinen, die den Bus treiben, ist außerdem empfehlenswert, die
Logikbausteine so langsam wie möglich zu wählen, oder Serienwidertände
in die Ausgänge zu schalten. Je schneller der Chip ist, desto schneller
schaltet der Ausgang, und je eher bekommt man Ärger mit Reflexionen,
Übersprechen, etc.

Also: Weise Selbstbeschränkung bei den Ausgängen erlaubt maximale
Kompatibilität bei den Eingängen.

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Im Analogfall has Du recht. Bei Digitaltechnik kann's helfen, aber man
ist immer in Gefahr, daß unterschiedliche Massepegel zu Fehlschaltungen
führen (Ground Bounce). Da hier nicht viel Störabstand vorhanden ist,
ist es am besten, wenn man die Masse so "fest" wie möglich macht. Das
bedeutet Vorsicht beim Layout, und ordentliche Abblockkondensatoren.

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Die Masseleitungen müssen nicht unbedingt auch auf den Pins liegen. Ich
dachte eher daran, sie nur auf der Busplatine zwischen die
Signalleitungen zu legen.

Das Übersprechen steigt mit der Frequenz, korrekt. Aber der
entscheidende Punkt hier ist die Flankensteilheit der Signale (die ja
nach Fourier auch wieder einer Frequenz entspricht). Bei entsprechend
limitierter Flankensteilheit kann man in der Tat auf Schirmleitungen
verzichten.

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Der Zweck ist die kapazitive Kopplung zu verringern. Eine Massefläche
hilft da zwar auch, aber wie stark hängt vom Leiterbahnabstand und vom
Abstand der Massefläche ab (Bei Dir dürfte die Massefläche ja einen
Abstand von 1,6mm oder 2,5mm zu den Signalen haben, da sind die
Signalleitungen schon näher beieinander. Auf der anderen Seite ist eine
Massefläche induktionsärmer. Für lange Busplatinen könnte das den
Ausschlag geben.

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Bei einer ganzen Baugruppenbreite wird's schon langsam kritisch mit
Reflexionen, auf jeden Fall bei allem was schneller als 74HC ist.
Serienwiderstände in Bustreiberausgängen sind das mindeste, was Du
vorsehen solltest. Am besten wäre natürlich, wenn man die Impedanz der
Busleitungen kontrollieren könnte (durch Dimensionierung der
Leiterbreiten/Dicken/Abstände), und an den Enden der Busplatine passend
terminieren würde. Aber für Deine Zwecke ist das wohl overkill.
Entscheidend scheint mir zu sein, daß die Steckkarten nicht zu scharfe
Treiber haben, dann kann man im Zweifel später bei einer besonders
langen Busplatine mehr Aufwand treiben.

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Keine schlechte Idee, aber erwarte keine Wunder.

Noch was: Je schneller die Logik wird (schnell im Sinne von steilen
Flanken), je mehr zusätzliche Masseverbindungen sind nötig, und sie
müssen in unmittelbarer Nähe der Signalleitungen liegen. Auf dem Bus
kann es deswegen günstig sein, mit differenziellen Signalen zu arbeiten.
ECL macht das seit Jahr und Tag, aber neuerdings gibt's auch LVDS etc.
Das kann sogar auf doppelseitigen Platinen gehen, man wird aber korrekt
terminieren müssen.

Ich hoffe das hat geholfen...
Gruß
Stefan


Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen

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Ok. Wie mache ich es anders herum? Also bei einer Platine in TTL-Logik,
die Signale auf einen 3,3V-Bus geben will? Ein Spannungsteiler am
Ausgang? Schwierig wird es dann, wenn ich bidirektionale Treiber wie
den 74HC245 einsetzen will. Da kann sowohl die 3,3V-Seite (Bus), wie
die 5V-Seite (Platine) sowohl ein Eingang als auch ein Ausgang sein.

Bei TI habe ich ein Dokument gefunden, das Interfacing zwischen allen
möglichen Logikfamilien beschreibt, aber leider nur für den Fall, dass
beide Bausteine die gleiche Versorgungsspannung haben :-/

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Gibt es HCMOS-Bausteine, die genau das gewährleisten? Die man z.B. mit
3,3V betreiben kann, die aber dennoch TTL-Pegel am Eingang abkönnen?
Wenn ja, dann wären diese Teile genau das Richtige für mich.

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Besteht die Gefahr, dass man sich über die parasitären Induktivitäten
der Leiterbahnen und die Abblockkondensatoren Schwingkreise baut, die
von den steilen Impulsen angeregt werden können?

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Stimmt. Mal schauen, ob ich das hinkriege.

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Ok, hast Du mir eine Größenordnung für den Wert?

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Na, dazu kenne ich mich damit zu wenig aus.

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Das könnte ich ja dennoch machen.

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Ja, Danke, das hat mir sehr geholfen.

Martin

Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen
Martin Klaiber schrieb:

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Da gibt's praktisch beliebig viele Lösungen ;-)

Im einfachsten Fall (geringe Geschwindigkeitsanforderungen) kann man
einen Serienwiderstand in Reihe zum Ausgang des 5V-Chips schalten, und
sich auf die Eingangsschutzdioden des 3,3V-Chips verlassen. 100 Ohm
sollten's schon sein. Bei TTL-Logik (74LS) kann man u.U. sogar den
Widerstand sparen, weil diese aufgrund der Ausgangsbeschaltung sowieso
nicht über 4,2V hinauskommen, und den Rest übernimmt der
Ausgangswiderstand des Treibers. Besser ist's allerdings wenn man für
den Ausgang einen 3,3V-Chip nimmt. Problematisch kann nämlich da auch
die Reihenfolge sein, in der die Spannungsversorgungen
hochkommen/abfallen. Es gibt Chips, die ihrerseits an den Eingängen
5V-tolerant sind, falls man innerhalb der Karte 5V-Logik hat (z.B. 74LV).

Für bidirektionale Bustreiber gibt's ebenfalls 5V-tolerante
3,3V-Bausteine (z.B. SN74LV245A). Die betreibt man mit 3,3V und braucht
sich keine Sorgen zu machen wenn man 5V-Bausteine anschließt. Das hat
den Vorteil, daß alle am Bus sitzenden Bausteine an der gleichen
3,3V-Versorgung hängen und damit gleichzeitig ein-/ausgeschaltet werden.

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Wenn man HCMOS (74HC) mit 3,3V versorgt, sind die Eingänge praktisch
TTL-kompatibel. Ein High-Pegel ist 70%-100% VCC, ein Low-Pegel ist
0%-30% VCC. Das paßt zu TTL. Ebenso ist's mit 74LV.

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Ja. Die Leitungen "klingeln" auf dem Oszillogramm merklich. Man braucht
aber einen schnellen Oszillografen, um etwas zu sehen. Schlimmer noch,
Abblockkondensatoren haben selber parasitäre Induktivitäten und damit
eine Eigenresonanzfrequenz. Bei schneller Logik kommt es daher
inzwischen vor, daß 10nF-Kondensatoren besser abblocken als
100nF-Kondensatoren, obwohl von der Kapazität das Umgekehrte der Fall
sein müßte.

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25-33 Ohm. Einige Bustreiber werden mit eingebauten Serienwiderständen
angeboten.

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Stichworte für die Weiterbildung wären hier: Transmission Line, Microstrip.

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Das ist natürlich am effektivsten, wenn man die Impedanz der
Leiterbahnen kennt...

Das Vorhandensein eines möglichst schnellen Oszilloskops vorausgesetzt,
kannst Du ja mal folgende Übungen machen:

Bau Dir einenen kleinen Oszillator mit schnellem Treiber, z.B. aus einem
Quarzoszillator (Frequenz einstellige MHz) und einem 74AC04 (gut
abblocken!). Du kannst alle 6 Inverter des Treibers parallel schalten,
das gibt schnelle Flanken. Zum Üben kannst Du das Signal in ein Stück
Koaxialkabel einspeisen, das hat nämlich eine definierte Impedanz. An
der Einspeisestelle wird auch das Oszi angeschlossen (T-Stück). Das
andere Ende des Kabels bleibt offen. Jetzt kann man schön Reflexionen
sehen. Die Laufzeit im Kabel ist ca. 20cm/ns, bei 1m Kabel sieht man die
Reflexion auf dem Oszi also bei 10ns (hin+rück), vorausgesetzt das Gerät
ist schnell genug (Anstiegszeit sollte deutlich unter 10ns sein).
Terminiert man das Kabel am offenen Ende korrekt, müßte die Reflexion
verschwinden. Ein Kurzschluß erzeugt eine Reflexion mit umgekehrtem
Vorzeichen (Vorsicht, 74AC04 nicht überlasten! Ggf. Serienwiderstand
verwenden).

Derlei Experimente schärfen den Verstand für Messungen am eigentlichen
"Objekt". Man kann z.B. den Effekt eines Serienwiderstandes im Ausgang
studieren. Man kann auch den Ausgang des 74AC04 auf die Busplatine geben
und dabei mit Terminierungen experimentieren. Korrekte Terminierung kann
man so experimentell ermitteln.

Leider braucht's dafür ein Oszilloskop mit mehr Bandbreite als ein
Voltcraft-Bastelteil. 100MHz würde ich als untere Grenze ansehen. Profis
verwenden für so etwas ein TDR-Gerät (Time Domain Reflectometry), aber
das kostet. Dafür sind die Dinger so schnell, daß man die Stelle, an der
eine Reflexion stattfindet, auf den cm genau auflösen kann.

Gruß
Stefan


Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen
Stefan Heinzmann schrieb:
[...]
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Hab' das mal eben ausprobiert (um sicher zu sein, daß ich keinen Unsinn
erzähle):

10MHz Rechtecksignal (Anstiegszeit etwa 1ns) auf 1m Koaxkabel (50 Ohm)
nicht terminiert erzeugt ein schönes "Treppensignal" am Oszi.
Oszi-Bandbreite 500MHz. Immer noch gut erkennbar bei 80MHz Bandbreite,
allerdings sieht's da deutlich harmloser aus. Ein 20MHz Voltcraft Oszi
sieht nix. Nicht der geringste Hinweis auf ein Problem.

Das "Treppensignal" wäre insbesondere als Taktsignal problematisch, weil
es 10ns lang im undefinierten Pegelbereich zwischen high und low
herumeiert, bevor es sich entschließt, einen definierten Pegel
anzunehmen. Da kann ein Flipflop schon mal doppelt triggern.

Jetzt ist zwar keine Busplatine einen Meter lang, aber eine Rackbreite
ist nicht *so* viel weniger, und auch 5ns können schon reichen, um ein
Flipflop zu narren.

Gruß
Stefan


Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen

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Klasse, das sind genau die Teile, die ich suche. Die Einführung dieser
74LV-Logik ist völlig an mir vorbeigegangen :-/

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[...]

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Hm, ich habe hier leider nur ein älteres Hitachi mit 35MHz. Aber Du
hast mir ja inzwischen viele Tips gegeben, wie ich das Problem im
Ansatz minimieren kann. Ich denke, ich baue mit diesen Informationen
erstmal einen Prototypen und schaue, was bei raus kommt.

Danke soweit, Martin

Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen
Martin Klaiber schrieb:
 > Hallo,
 >
 > ich stehe vor der Frage, wie ich die Masseführung in einem System
 > auslegen soll, das aus mehreren Eurokarten besteht, die auf eine
 > Busplatine aufgesteckt werden (19" Baugruppenträger). Das Ganze muss
 > sich mit Hobbymitteln realisieren lassen. Doppelseitige Platinen
 > sind also ok, Multilayer nicht.

Schaue einmal bei Google unter "ECB-Bus". Das war einmal ein mehr oder
wenig Standard-Backplane-System. So habe ich auch einen
Mehrplatinen-Rechner (modular) aufgebaut. +5V und GND sind jeweils
außen, somit gute breite Leiterbahnen möglich, der Rest ziemlich wild innen.
Dazu habe ich dann einen aktiven Busabschluss (Widerstände und OP) auf
der Backplane gemacht.
Bei Bedarf nähere Infos per Mail.

Gruß,

Jürgen


Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen

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Ich habe mir inzwischen so eine Platine angeschaut. Nicht ganz das, was
ich suche, aber immerhin ein Notnagel, falls ich es nicht hinkriege.

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Ok, ich melde mich, falls ich es doch so mache.

Martin

Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen
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Hallo Martin,

ich würde nur digitale und analoge Masse trennen, so wie Du auch digitale
und analoge Schaltkreise trennst. Die Masse dann möglichst großflächig
auf jeder einzelnen Platine verteilen. Die Versorgungsleitungen werden
dagegen nicht flächig ausgeführt sondern Bus-/Sternförmig.

Haben Deine Platinen Ausgänge an der Vorderseite?
In diesem Fall solltest Du dafür sorgen, daß die Massen
aus den Ausgängen nicht über Kabel wieder verbunden werden,
denn das gibt dann eine riesige Masseschleife und ist
ein beliebter Fehler.

Thiemo


Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen

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Irgendwo muss ich die beiden auch zusammenführen, das mache ich dann
am Besten im Netzteil?

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Ok.


Ja. Eingänge auch. Digital (RS-232 z.B.) und Analog (Ein- und Ausgänge
zu und von den ADC/DAC).

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Was dann gleich zu der Frage führt, was ich mit dem Gehäuse mache. Da
ich einen eingebauten Trafo habe, muss ich alles schutzerden. Müssen
die internen Massen und die Schutzerde miteinander verbunden werden?

Manchmal kann man Brummschleifen dadurch auflösen, dass man diese
Masse/Erde-Verbindung löst, ich weiß bloß nicht, ob das zulässig ist.
Ein Trenntrafo wäre vermutlich die bessere Lösung.

Martin

Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen


Martin Klaiber schrieb:

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Kritisch ist in jedem Fall die Zusammenführung von analoger und digitaler
Masse.

Diese führt man i.A. getrennt und führt sie an der Stelle, an der beide
Massepotentiale gebraucht werden, zusammen. Das ist der A/D-Wandler nebst
umliegender Schaltung. Verbindungspunkt und auch _einziger_ liegt direkt am
Wandler.
Werden die Massepunkt an einer anderen Stelle verbunden, werden die bzgl.
des Wandler-Massepunktes abfallenden Spannungen das Meßergebnis
beeinflussen.

Diese Empfehlung findet sich in so manchem Grundlagenbuch zur uP/Wandler
Architektur und den Datenbüchern der AD-Wandler Hersteller.

Viel Erfolg!

Udo



Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen

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Was macht man denn, wenn man mehrere ADC hat? Genauer: mehrere
Steckkarten mit je einem ADC?

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Stimmt. Zumindest dann, wenn man massebezogen misst. Wenn man ADC mit
Differnzeingängen verwendet, wäre das Massepotential weniger kritisch,
oder? Hm, dann bräuchte ich aber auch einen echten Differenzverstärker
mit zwei Gegentaktausgängen oder Übertrager für die Vorverstärkung :-/
Das wird ja immer komplizierter.

Martin

Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen
Martin Klaiber schrieb:
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Es ist auch kompliziert. Je verteilter das System ist, desto mehr
Probleme dieser Art hat man. Die Chancen sinken rapide, daß man die
Illusion einer einheitlichen Masse aufrecht erhalten kann. Es hilft auch
nichts, durch möglichst "fette" Leitungen den Widerstand
herunterzudrücken, da ziemlich schnell induktive Effekte die Oberhand
gewinnen. Auch ein fingerdickes Kabel hat eine Leitungsinduktivität.

Wann immer man A/D-Wandlung (oder umgekehrt D/A-Wandlung) mit
nichttrivialer Genauigkeit braucht, kommt man nicht darum herum, sich
genau zu überlegen wo die Ströme fließen, auch die unerwünschten, und
welchen Einfluß das auf die Genauigkeit hat. Außerdem sollte man sich
die Bandbreite überlegen. Mehr Bandbreite als nötig heißt auch mehr
Störanfälligkeit als nötig.

Wenn in einem System mit mehreren Karten ADCs verwendet werden, dann
sollte die Verbindung zwischen analoger Masse und digitaler Masse bei
der Stromversorgung erfolgen und nicht auf den Karten. Das heißt daß auf
den Karten ein gewisses Differenzsignal zwischen beiden Massen auftritt.
In den meisten Fällen reicht die Störsicherheit der Digitalsignale aus,
so daß keine Fehler auftreten, obwohl der ADC von der Analogspeisung
versorgt wird und die ansteuernde Schaltung von der Digitalspeisung.
Wenn man z.B. 5V-CMOS-Logikpegel verwendet, dann kann man sich u.U. bis
zu 1V Differenz zwischen den Massen leisten bevor man Datenfehler
bekommt. Wenn das nicht genug ist, muß man ggf. auf der Digitalseite
isolieren, z.B. durch Optokoppler, Impulsübertrager o.Ä.

Mit anderen Worten, da die Digitalseite in der Regel toleranter bzgl.
Störungen ist, sollte man den ADC/DAC von der analogen Seite her versorgen.

Es stimmt zwar, daß ein ADC mit Differenzeingang weniger kritisch bzgl.
Massepotential ist, aber ich würde mich nicht darauf verlassen. Man
müßte sich schon die Gleichtaktunterdrückung ansehen, und wie sie sich
über die Frequenzbereiche hinweg darstellt.

Man braucht nicht unbedingt einen "echten" Differenzverstärker für einen
ADC mit Differenzeingang. Wenn die Frequenzen nicht allzu hoch sind,
dann erhält man auch befriedigende Ergebnisse mit separaten
konventionellen Operationsverstärkern. Echte Differenzverstärker sind
leider noch recht teuer.

Wenn man das zu wandelnde Analogsignal von weiter her heranschaffen muß,
dann muß man sich übrigens sowieso überlegen, wie man das störsicher
bewerkstelligt. Da kann durchaus nochmal eine galvanische Trennung nötig
sein. Oder symmetrische Übertragung. Oder Stromschleife. Es gibt da
einen Haufen Varianten.

Gruß
Stefan


Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen

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Wenn ich auf jeder Karte einen lokalen Bezugspunkt habe, auf den ich
mich jeweils beziehe, wofür brauche ich dann eine eigene Masseleitung
zu jeder Steckkarte? Wenn die Eingangsbuchse und die Masse des ADC
sich auf diese lokale Bezugsmasse beziehen, ist ihnen doch egal, was
zwischen der Karte und dem Netzteil passiert, oder?

Martin

Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen
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Wenn Du die Karten komplett isolieren kannst, ja.  Allerdings gibt es
zwei Probleme: zum einen externe Verbindungen (zB ein 6-kanal Eingang
aus 3 Stereo ADC Karten "basteln" -> externe Verbindung der 3 Karten).

Zum anderen ist die Spannungsversorgung aus dem gemeinsamen Regler
ein globales "analoges Signal" - bereits der erste Kandidat der die
Forderung nach Isolation verletzt.  Je mehr die Masse einer Karte von
der des Netzteils abweicht, desto gestoerter erscheint die Versorgung
(selbst wenn sie stabil ist wie ein Stein).

Merkliche Auswirkungen erwarte ich aber erst wenn man Verbraucher mit
Sensoren kombiniert, zB eine Verstaerkerkarte oder sowas.

Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen
jetmarc schrieb:
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Mit Verlaub, diese Beschreibung führt in die Irre. Sobald externe Geräte
ins Spiel kommen, die ihre eigenen Masse-Arrangements haben, läßt sich
die "reine" Sternpunkt-Lehre sowieso nicht mehr aufrechterhalten.

Nimm z.B. an zwei Geräte sind über ein Kabel miteinander verbunden.
Darin wird ein Analogsignal von Gerät A zu Gerät B übertragen. Dazu
werden im Kabel eine Masseleitung und eine Signalleitung verwendet.
Beide Geräte sind über die Netzleitung mit Erde verbunden
(Schutzleiter). Dabei ist jedes Gerät so ausgelegt, daß die Signalmasse
an einem einzigen Punkt im Gerät mit der Gehäusemasse und damit mit Erde
verbunden ist. Wir haben jetzt eine Masseschleife. Sie führt über die
Erde und die Gehäusemasse beider Geräte, sowie über die Masseleitung im
Signalkabel. Die Konsequenz ist, daß in dieser Schleife Störströme
induziert werden, die über die Masseleitung im Signalkabel fließen. Da
diese Leitung nicht aus Supraleiter besteht, ergibt sich ein
Spannungsabfall, der für den Signalempfänger in Reihe mit dem Nutzsignal
liegt, der also das Nutzsignal stört.

Nota bene: Die vorbildliche Sternverdrahtung innerhalb der Geräte tut
nichts dazu, dieses Problem zu verhindern -- kann es auch nicht.

Was kann man tun?

1.  Man kann versuchen zu verhindern, daß irgendwelche Ströme in der
Masseleitung fließen, so daß auf beiden Seiten der gleiche Pegel herrscht.

2.  Man kann differenzielle Signalisierung verwenden. Da sich diese
nicht auf Masse bezieht, spielen Differenzen im Massesignal keine Rolle
(vorausgesetzt, die Gleichtaktunterdrückung im Empfänger ist gut genug).

3.  Man kann Stromsignale statt Spannungssignale verwenden (Stromschleifen)

Jede dieser Methoden hat ihr Für und Wider, und ihre Untervarianten.
Eine sehr wichtige Variante hängt mit der Kabelschirmung zusammen. Diese
sollte man in der Regel an beiden Enden mit der Gehäusemasse verbinden,
und zwar so direkt wie möglich beim Stecker (Nicht mit der Signalmasse!
Das ist ein sehr verbreiteter Fehler). Der Effekt ist dann, daß die
Masseschleife über Schirm und Gehäusemasse führt. Die Ströme geraten
dann nicht in die interne Masseverkabelung des Geräts, also fließen sie
nicht über die Signalmasseleitungen, wo sie das Nutzsignal stören
würden. Im Grunde bildet dann die Kabelschirmung eine Fortsetzung der
Gerätegehäuse.

Dadurch wird noch nicht zuverlässig verhindert, daß die Signalmassen
zweier Geräte auf verschiedenen Pegeln liegen, insbesonders wenn sie
nicht in unmittelbarer Nähe zueinander stehen. Das geht eigentlich
überhaupt nicht. Selbst wenn man Supraleiter verwenden würde, hätten die
immer noch eine Leitungsinduktivität. Man kommt also unter Umständen
nicht drumherum, den Unterschied irgendwie zu kompensieren. Dazu braucht
man entweder im sendenden Gerät oder im empfangenden Gerät einen
Differenzverstärker oder Übertrager, um die Signalmassen nicht
miteinander verbinden zu müssen -- falls man nicht gleich komplett
differenziell arbeitet.

Der Zweck einer Sternverkabelung innerhalb eines Geräts ist ein anderer:
Man versucht, zu verhindern, daß durch die Masseverdrahtung im
empfindlichen Teil einer Schaltung irgendwelche Ströme fließen, die mit
dem Nutzsignal nichts zu tun haben. Das können Ströme aus
Nachbarschaltungen sein, in welchem Fall die Kanaltrennung leidet, oder
es können induzierte Signale sein, die von Störquellen im Gerät (z.B.
Netzteil) kommen. Von außen kommende Signale sollten ja möglichst schon
vom Gehäuse abgeschirmt sein.

Eine separate Masseleitung von jeder Karte zum Massesternpunkt braucht's
also nicht. Es kann durchaus "Untersternpunkte" geben, die im Gerät
verteilt sind. Es handelt sich also eher um eine "Baumverkabelung" als
eine "Sternverkabelung". Solch ein Untersternpunkt könnte sein z.B. der
Masseübergabepunkt an jedem Kartensteckplatz. Entscheidend ist es,
Schleifen zu vermeiden, und sich bewußt zu werden, wo welche Ströme
fließen (können). In den Teil der Signalmasse, der als Signalreferenz
verwendet wird, gehören weder Ströme der Stromversorgung, noch
Störströme aus Masseschleifen.

Das Thema Masse und Schirmung ist nicht ganz einfach, und es werden
viele Fehler dabei gemacht. Das Problem ist, daß man's hier mit
"Bauteilen" zu tun hat, die nicht im Schaltplan stehen. Eine Leitung ist
eben nicht unbedingt eine direkte Verbindung zwischen zwei Punkten. Der
Begriff "Masse" suggeriert dazu noch, man hätte es mit einem fetten
Stück Metall zu tun, der überall den gleichen Pegel aufweist. Damit kann
man ganz schön daneben liegen. Ein gern gemachter Fehler ist es auch, in
Gleichströmen und Widerständen zu denken. Den Widerstand kann man
beliebig verkleinern, die Induktivität nicht. Auch ein daumendickes
Massekabel hat eine Induktivität. Je höher die Frequenz der Störsignale
ist, desto weniger interessiert der Leitungswiderstand.

Gruß
Stefan


Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen

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Eine Option wäre, dass man diese Erde-Masse-Verbindung bei einem der
Geräte auftrennbar macht. Die Erde-Gehäuse-Verbindung bleibt natürlich
bestehen. Ist so etwas nach VDE erlaubt?

Quoted text here. Click to load it

Warum denn an beiden Enden? Über den Schirm soll doch gar kein Strom
fließen, zumindest nicht von Gerät zu Gerät. Um Störungen abzuleiten,
reicht es doch, wenn der Schirm einseitig mit dem Gehäuse verbunden
ist. Das müsste eigentlich auch die von Dir oben skizzierten Masse-,
bzw. Brummschleifen vermeiden.

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So aufwendig muss es nicht sein. Meine Signalquellen werden zu 99%
Mikrofone sein. Der Mikrofonverstärker kommt entweder in den Griff
des Mikrofons oder auf die Karte. Auf jeden Fall ist kein Mikrofon
mit einem anderen galvanisch verbunden. Ganz selten werde ich evtl.
mit zwei Karten an einem Objekt messen (z.B. Strom und Spannung an
einem Bauteil). Für solche Fälle bräuchte ich dann Differenzeingänge.

Mit vier Widerständen kann man ja aus einem normalen OpAmp einen
Differnzverstärker machen. Würde das für solche Zwecke reichen, oder
bräuchte ich dafür ein Spezialbauteil?

Martin

Re: Massefuehrung bei digitalen Bussystemen
Martin Klaiber schrieb:
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Ja, solange keine berührbaren Teile im Fehlerfall spannungsführend
werden können, ohne daß eine Sicherung ansprechen würde. Mit anderen
Worten, es dürfen aus dem Gehäuse keine nicht-geschützten Teile
herausragen, z.B. Stecker.

Man muß sich allerdings darüber im Klaren sein daß im Gerät zwischen
Gehäuse und Schaltung eine beträchtliche Koppelkapazität vorhanden ist.
Je höherfrequent die Störung ist, desto weniger wird die Auftrennung der
Masse bringen. Für Netzbrumm ist das allerdings recht effektiv.

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Da die Signalmasse doch verbunden werden muß würde dennoch eine
Masseschleife entstehen, und der Fehlerstrom würde diesmal über die
Signalmasse fließen. Das ist noch schlechter.

Die Schirmung an einer Seite aufzutrennen wird oft bei differenzieller
Signalübertragung gemacht. Manche Leute machen sogar eine Regel daraus,
den Schirm nur an einer Seite anzuschließen (one-end-only rule), wobei
dann immer die Diskussion losgeht, an welcher. Wie im Fall oben kann man
dadurch den Netzbrumm recht gut unterdrücken. Die Sache ist aber nicht
besonders effektiv bei hochfrequenten Störungen, z.B. bei
danebengelegtem Handy oder bei Einkopplung von Radiosendern. Im
Gegenteil, man kann so durchaus ein Problem durch ein anderes ersetzen.
Im HF-Bereich wird man kaum irgendwo ein Kabel finden, bei dem der
Schirm an einer Seite abgetrennt wurde. Wer diese Kur anwenden will,
sollte wenigstens durch einen Kondensator (z.B. 10nF) am offenen Ende
die HF zum Gehäuse ableiten, und zwar auf möglichst kurzem Weg.

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Das würde im Normalfall reichen (es sei denn man braucht sehr hohe
Eingangswiderstände, dann muß es ein Instrumentierverstärker sein). Die
Gleichtaktunterdrückung hängt dabei davon ab, wie genau die Widerstände
übereinstimmen. 1%-Widerstände sollten schon sein, damit kann man ohne
weitere Trimmung um die 45dB Gleichtaktunterdrückung erreichen. Wenn's
noch genauer sein muß, dann kann es günstiger sein, auf integrierte
Differenzverstärker zurückzugreifen, z.B. Instrumentierverstärker, aber
wenn sowas nötig ist, dann hat man's entweder mit extrem empfindlichen
Signalen zu tun, oder mit zu viel Störsignal auf dem Leiterpaar, so daß
ich mir überlegen würde, ob nicht was Anderes faul ist, was man vorher
beheben sollte.

Die Eingangsimpedanz des normalen Differenzverstärkers ist übrigens
nicht gleich an beiden Eingängen. Bei besonders langen Kabeln, höheren
Signalfrequenzen und/oder Übertragung mit definierter, angepaßter
Impedanz mag es erforderlich sein, daß auch die Eingangsimpedanz
symmetrisch ist. Das erreicht man entweder mit Übertragern, mit
Instrumentierverstärkern, oder mit der SuperBal-Schaltung.

Ein Mikrofon ist schon von Haus aus eine differenzielle Signalquelle.
Das paßt wunderbar zu differenzieller Übertragung. Bei Gesangsmikrofonen
  ist der Kabelschirm mit dem Metallgehäuse verbunden. Dadurch ist bei
korrekter Masseverkabelung das Metallgehäuse mit der Erde verbunden. Das
führt dazu, daß bei unzureichender Schutzleiterverkabelung Kriechströme
auftreten können, die bei Berührung mit den Lippen ziemlich unangenehm
werden können. Bei Lifeauftritten ist das immer wieder ein Problem,
wegen der oft chaotischen Verkabelung. Auch werden da oft Brummschleifen
ad-hoc durch (manchmal ziemlich planloses) Auftrennen von
Masseverbindungen behoben. Wenn man dabei die Erdung von Geräten
auftrennt, kann man das Leben der Musiker aufs Spiel setzen. Es hat da
schon üble Zwischenfälle gegeben.

Mikrofone sind recht niederohmige, niederpegelige Signalquellen. Das
Hauptproblem wird da die Rauscharmut des Vorverstärkers sein und die
Unterdrückung von HF-Einstreuungen.

Gruß
Stefan


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