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):
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.
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.
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?
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.
Wird bisher noch nicht benötigt, aber ich will sie schonmal vorsehen, damit ich später nicht alles umbauen muss.
Nein, dafür gibt es +/- 15V (oder so) mit eigener Masse auf der anderen Seite des Steckers.
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.
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?
Theoretisch könnte der Bus so lang werden, wie so ein Baugruppenträger breit ist. Praktisch vermutlich maximal die Hälfte.
Schirmen die Masseleitungen auch ab, oder ist das Wunschdenken? Wenn sie schirmen, wäre es dann besser, ich würde die Pins so beschalten?
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?
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.
Ist nicht so kritisch bei 1MHz. Bei 16MHz wäre es Pflicht. Da würde ich mir sogar ein differentielles Taktsignal überlegen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 :-/
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.
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?
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.
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.
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.
25-33 Ohm. Einige Bustreiber werden mit eingebauten Serienwiderständen angeboten.
Stichworte für die Weiterbildung wären hier: Transmission Line, Microstrip.
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.
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.
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.
Irgendwo muss ich die beiden auch zusammenführen, das mache ich dann am Besten im Netzteil?
Ok.
Ja. Eingänge auch. Digital (RS-232 z.B.) und Analog (Ein- und Ausgänge zu und von den ADC/DAC).
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.
Klasse, das sind genau die Teile, die ich suche. Die Einführung dieser
74LV-Logik ist völlig an mir vorbeigegangen :-/
[...]
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.
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.
Was macht man denn, wenn man mehrere ADC hat? Genauer: mehrere Steckkarten mit je einem ADC?
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.
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.
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?
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.
warum konzentrierst Du die so auf einer Seite des Steckers... Ich gehe mal davon aus, dass die Spannungen schon aus einem "sauberen" Netzteil kommen und nicht zu große Rippel haben. Wenn Du die Spannungen alle mit kleinen Kondensatörchen (4µ7, dann pufferts auch noch ein bisserl und
100n zum Kurzschließen der HF) beschaltest und die Grounds alle zusammen dann sind die für HF alle gleich. Dann kann sich der Störstrom schön verteilen und hebt sich in der Mitte des Steckers auf (rechte Faust Regel, oder sowas). Damit hast Du auf jeden Fall am wenigsten Probleme. Zur Übersprechdämpfung kann GND zwischen den Signalleitungen helfen, aber bei den von Dir beschriebenen Frequenzen sollte das eh kein Prob sein. An den ganzen ICs solltest Du natürlich irgendwelche Block- Kondensatoren einbauen (100n oder 10n). Bei allen von mir genannten Kondensatoren sollte man aber auf jeden Fall keramische Varianten verwenden, da die den kleinsten Serien-Widerstand haben. Wenn Du die Kiste Störsicher machn willst, würde ich über eine GND-Plain nachdenken, das macht's einfach dicht... Natürlich nur, wenn Du platz hast... Ansonsten auf jeden Fall oben und unten und in der Mitte auch noch mal viel GND hinlegen (wg. der o.g. Kompensation)
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Thomas
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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?
Man kann versuchen zu verhindern, daß irgendwelche Ströme in der Masseleitung fließen, so daß auf beiden Seiten der gleiche Pegel herrscht.
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).
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.
Weil ich auch noch Analogbauteile auf manchen Karten habe, und beide Spannungsversorgungen trennen will. Auf der anderen Seite des Steckers liegen also die 'analogen' Spannungen (+/- 12..15V). Das muss man so nicht machen, aber ich finde diese räumliche Trennung übersichtlicher und elektrisch schadet es sicher nicht.
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