FAQ: Я смог подключить устройство так, что оно заработало! - Значит ли это, что я всё правильно сделал?

Это не та практика, которая – "критерий истины". Во-первых, есть множество примеров, когда годами эксплуатировалось изделие, а потом оно вышло из строя, потому что изначально была допущена ошибка подключения. Во-вторых, в самом вопросе отражена нехорошая практика: сначала попробовать подключить, а если не заработает, то тогда уж начать читать документацию. Правда, если Вы следуете логике "я купил изделие – что хочу, то с ним и делаю", то этим случаем техподдержка не занимается :-).

Итак, по-хорошему, перед тем как подключать, сначала нужно прочесть документацию на изделие, хотя бы в той части, где отражены требования к подключению устройства.

Абстрагируясь от конкретного типа устройства сбора данных и управления (далее: изделия), сначала сформулируем, на какие общие правила следует обратить внимание при подключении, а затем сформулируем возможные технические последствия от несоблюдения этих правил.

Основная цель данной статьи – показать пользователю плохо диагностируемые ошибочные ситуации подключения, в которых разные экземпляры оборудования могут вести себя по-разному,  

Общие правила, на которые следует обратить особое внимание при подключении.

1. Оборудование с предусмотренной цепью защитного заземления (например, системный блок компьютера) должно быть заземлено (пояснение см. ниже).
2. При работе с изделием без гальванической изоляции следует осознавать: будут ли пропускаться через изделие сквозные токи со стороны подключаемого оборудования, например, ток цепи защитного заземления от системного блока компьютера. Ведь понятно, что изделие, скорее всего, не было создано для того, чтобы через него заземлялось другое оборудование (пояснение см. ниже).
3. Проверьте, не превышены ли на входах и выходах изделия предельно допустимые напряжения и токи, указанные в документации? Обратите внимание, что предельно допустимые напряжения и токи могут различаться для включенного и выключенного состояния изделия (пояснение см. ниже)
4. Проверьте, не возникают ли ситуации п.2 и п.3 во время определённого порядка присоединения и отсоединения устройств? Если в системе есть цепи защитного заземления, то их присоединяют первыми, а отсоединяют последними. Естественно, проверить это можно только разобравшись в общей схеме соединения всего оборудования (пояснение см. ниже).
5. Для модулей АЦП с независимым дифференциальным входом (LTR24, LTR22) или с входным коммутатором каналов (L-xxx, E14-xxx, x-502, LTR11, LTR114) проверьте, что при дифференциальном подключении каждый канал измерения имеет 3-полюсное подключение по постоянному току цепей X_i,Y_i, AGND к источникам сигналов (пояснение см. ниже). 
6. Для модулей АЦП с входным коммутатором каналов при подключении по схеме "с общей землёй" (L-xxx, E14-xxx, x-502, LTR11, LTR114) удостоверьтесь в том, что к источнику сигнала подсоединены по постоянному току три цепи: AGND, GND32 и  X_i (Y_j) от соответствующего канала АЦП (пояснение см. ниже).
7. Для модулей АЦП с независимым дифференциальным входом (LTR24, LTR22) или с входным коммутатором каналов (L-xxx, E14-xxx, x-502, LTR11, LTR114) проверьте, что для каждого входа АЦП напряжение синфазного сигнала (X_i,Y_i относительно AGND, или X_i, GND32 относительно AGND, или Y_i, GND32 относительно AGND) в Вашей схеме подключения явно определено и не выходит за рабочие границы напряжения синфазного сигнала, согласно документации АЦП (пояснение см. ниже).
8. Для модулей АЦП с входным коммутатором каналов (L-xxx, E14-xxx, x-502, LTR11, LTR114) обязательно проверьте: соответствуют ли настройки каждого канала на дифференциальный режим или режим "с общей землёй" фактической схеме подключения (п.5, п.6), (пояснение см. ниже)?

 
 Внимание! Ошибка подключения вышеуказанных электрических цепей (или несоответствие настроек схеме подключения):

• вовсе не означает, что Вы всегда заметите эту ошибку по неправильным данным от канала измерения (практика – недостаточный критерий истины)
  – это относится к несоблюдению правил подключения во всех вышеуказанных пп. 1-8;
• совсем не означает, то разные экземпляры оборудования обязаны вести себя идентично
  – это относится к несоблюдению правил подключения во всех вышеуказанных пп. 1-8;
• может быть вызвана ещё и тем, что выходное сопротивление по постоянному току указанных цепей очень велико (например, в сигнальной цепи источника сигнала последовательно включён конденсатор, разрывающий цепь по постоянному току, и рабочая точка входа АЦП по постоянному току явно не определена параметрами внешней цепи);
• может быть найдена Вами самостоятельно, если, кроме руководства пользователя на соответствующий модуль АЦП, Вы воспользуетесь также типичными примерами подключения (ссылки приводятся в конце статьи);
• может быть найдена техподдержкой ООО "Л Кард", если Вы предоставите схему соединений оборудования, сообщите тип оборудования (со ссылкой на техданные), а также сообщите используемые настройки оборудования.

Пояснения по возможным техническим следствиям несоблюдения общих правил подключения.

Пояснение к п.1: "Оборудование с предусмотренной цепью защитного заземления (например, системный блок компьютера) должно быть заземлено".

Как показано на рисунке ниже, в типичный стационарный системный блок персонального компьютера (ПК) состоит из блока питания (БП), материнской платы (МП), не изолированных интерфейсов USB,  которые электрически соединены с корпусом ПК.  С1, С2 — это электрические ёмкости сетевого фильтра БП. L,N — цепи фазы и сети ~220V,    — цепь защитного заземления.

Рисунок 1. Типичные соединения цепей фазы, нейтрали сети ~220 В, защитного заземления, корпуса ПК, цепи "общего провода" GND материнской платы (МП) для случая стационарного системного блока ПК.

Если подобное оборудование с предусмотренной, но неподключенной цепью защитного заземления, соединяется в единую систему, то:

• Нарушаются правила электробезопасности из-за вероятно высокой утечки тока фазы сети (L) на корпуса оборудования.
• На корпусах оборудования присутствует переменное напряжение, равное половине фазного напряжения сети (при C1=C2 образуется делитель 1:2 напряжения фазы сети), и соответствующий переменный заряд (сумма зарядов сетевых фильтров всего оборудования). Но в реальной практике системной интеграции оборудования встречаются также устройства, связанные с цепью заземления (осциллографы, датчики, связанные с электропроводным корпусом оборудования, и т.д.). Это создаёт опасность выхода из строя интерфейсов оборудования, поскольку при соединении устройств с разным зарядом относительно цепи заземления, фактически мы разряжаем суммарный заряд сетевых фильтров всего не заземлённого оборудования через соединяемый интерфейс (например, через USB). Даже, если Вам в такой ситуации повезло (явно ничего из строя не вышло), то, несомненно, что такими нештатными воздействиями на оборудования Вы снижаете его ресурс надёжности, а как следствие, повышаете риск возникновения не диагностированных неисправностей (например, могут деградировать технические характеристики оборудования без явной потери функциональности).
• Повышается вероятность сбоев оборудования из-за наличия электромагнитных полей, обусловленной неполноценной работой сетевых фильтров оборудования, и наличием большой синфазной составляющей напряжений (в том числе, скоростных помех из электросети) на не экранированных цепях оборудования. 
• В любом случае, применение оборудования в нештатном режиме эксплуатации (в частности, с неподключенной цепью предусмотренного защитного заземления) не может рассматриваться как постоянный режим эксплуатации. Системный интегратор должен учитывать возможные последствия применения оборудования в нештатном режиме.
• Разные экземпляры оборудования могут вести себя по-разному, поскольку ток утечки "фаза-корпус" и емкость между сетевыми цепями питания и корпусом у разного оборудования могут быть разными (например, у ПК могут быть разные модели БП), как следствие, эти различия могут по-разному влиять на эффекты, связанные с ЭМС и метрологическими характеристиками.

Гораздо менее очевидным случаем является ситуация, когда все соединяемые устройства не имеют цепи защитного заземления (например, система строится на основе портативного ноутбука). Рассмотрение вопросов необходимости и способа образования цепи защитного заземления в подобных системах выходит за рамки общих рекомендаций данной статьи.

Пояснения к п.2. "При работе с изделием без гальванической изоляции следует осознавать: будут ли пропускаться через изделие сквозные токи..."

Смысл термина "сквозные токи" раскрыт в статье по приведённой ссылке. Упрощённо говоря, пропускать через себя сквозные выравнивающие токи соединяемых устройств – это не то назначение измерительного оборудования, ради которого оно создавалось. И здесь справедливы все вышеприведённые аргументы (в примечании к п. 1) против применение оборудования в нештатном режиме эксплуатации (снижение ресурса надёжности, повышение вероятности плохо диагностируемых проблем, повышение вероятности сбоев оборудования). Важно отметить, что "устойчивость к сквозным токам" – это, как правило, не нормируемая характеристика, зависящая от большого количества вторичных технологических параметров, и у разных экземпляров оборудования эта устойчивость для конкретного пути сквозного тока может иметь существенный разброс.    

Пояснения к п. 3. "Проверьте, не превышены ли на входах и выходах изделия предельно допустимые напряжения и токи, указанные в документации..."

Речь идёт о непревышении указанных в документации предельно допустимых напряжений и токов. Системному интегратору следует учитывать: 

• В предельно допустимых условиях метрологические характеристики прибора могут быть существенно хуже, чем при рабочих условиях измерений.
• При постоянной эксплуатации прибора в условиях, близких предельно допустимым, существенно сокращается срок службы прибора и повышается вероятность отказов.

Особо отметим, что, например, указанное в документации на оборудование характеристика электрической прочности изоляции "Испытательное напряжение изоляции 1500 В 50 Гц в течение 1 мин" буквально означает, что при расчёте электробезопасности по соответствующему ГОСТу системный интегратор должен учесть данную характеристику электрической прочности изоляции при расчёте рабочего напряжения между изолированными частями оборудования (практически, это рабочее напряжение окажется многократно меньше, чем 1500 В).

Важно отметить, что производители оборудования не могут гарантировать поведение (скорость и степень деградации характеристик) конкретных экземпляров оборудования при превышении оговорённых предельно допустимые характеристик. 

Пояснения к п.4. "Проверьте, не возникают ли ситуации п.2 и п.3 во время определённого порядка присоединения и отсоединения устройств..."

Если в не обесточенной системе возникает различный порядок присоединения устройств, то перед соединением устройств их потенциалы по отношению к земле должны быть выравнены тем или иным техническим способом (за исключением локальных изолированных устройств с малой собственной ёмкостью, например, датчика изолированного).  При любой конфигурации оборудования рабочие и предельно допустимые напряжения входов-выходов устройств, а также напряжения относительно клеммы заземления оборудования, не должны превышать указанных в документации оборудования. Особо отметим, что любое соединение-разъединение цепи защитного заземления не обесточенного оборудования является, как минимум, некорректным, а, как максимум, опасным действием – для оператора и для оборудования. Цепь защитного заземления всегда должна подсоединяться первой, а отсоединяться последней!        

Пояснения к п.5: "...проверьте, что при дифференциальном подключении каждый канал измерения имеет 3-полюсное подключение по постоянному току цепей X_i,Y_i, AGND к источникам сигналов

Большинство дифференциальных входов модулей АЦП ООО "Л Кард" высокоомны, что позволяет получить минимальное влияние на источник сигнала по постоянному току (в одноканальном режиме для АЦП с входным коммутатором каналов). В то же время, активные входные каскады АЦП имеют собственные источники тока I1, I2 (как показано на рисунке ниже), которые в случае неподключенного входов, могут ненормированным образом смещать собственные постоянные потенциалы соответствующих входов, в том числе, и за пределы рабочих диапазонов входов. Собственный входной ток модуля АЦП общего применения типично имеет наноамперный порядок величины. 

Рисунок 2. К пояснению эквивалентной схемы входных цепей модуля АЦП по постоянному току (направления токов I1, I2 показаны условно). 

Для того, чтобы внешние цепи 3-полюсного подключения АЦП обеспечивали напряжения на входах АЦП внутри рабочих диапазонов, как минимум, необходимо, чтобы эти цепи имели не слишком большое выходное сопротивление по постоянному току (характерное для изолированных цепей). Например, выходное сопротивление дифференциального источника нулевого сигнала по постоянному току может быть описано одной из двух (рисунок 3) эквивалентных электрических схем, состоящих их трёх резисторов, описывающих выходное сопротивление источника сигнала по дифференциальному и синфазному сигналу.

  Рисунок 3. Общий случай эквивалентной электрической схемы дифференциального источника нулевого сигнала по постоянному току.

Важно отметить, что, если в Вашей системе отсутствует явный путь протекания постоянных токов I_AGND, I_X, I_Y, (существуют пути утечки постоянного тока только через изоляционные барьеры), то напряжения на входах X и Y относительно AGND, возможно, будет зависеть от конкретных экземпляров оборудования, отличающихся разными токами утечек изоляции и разными величинами токов  I_AGND, I_X, I_Y, что может привести к тому, что один экземпляр оборудования может находится в рабочем режиме, а другой - вне рабочего режима. С другой стороны, Вы можете в своей системе, для определённости поведения неподключенных входов, использовать соответствующие "резисторы подтяжки", которые можно смонтировать, например, внутри кожуха кабельной части разъёма DB-37F (для большинства модулей АЦП ООО "Л Кард").    

Пояснения к п.6: "Для АЦП с входным коммутатором каналов при подключении по схеме "с общей землёй" (L-xxx, E14-xxx, x-502, LTR11, LTR114) удостоверьтесь в том, что к источнику сигнала подсоединены по постоянному току три цепи: AGND, GND32 и X_i (Y_j) от соответствующего канала АЦП.

Назначение входов модулей АЦП с входным коммутатором каналов и функциональное устройство их входных цепей в режиме коммутации "с общей землёй" объяснено в статье по приведённой ссылке. Активные входные каскады АЦП имеют собственные источники тока I1, I2 (как показано на рисунке 4), которые в случае неподключенного входов, могут ненормированным образом смещать собственные постоянные потенциалы соответствующих входов, в том числе, и за пределы рабочих диапазонов входов. Собственный входной ток модуля АЦП общего применения типично имеет наноамперный порядок величины. 

Рисунок 4. К пояснению эквивалентной схемы входных цепей модуля АЦП по постоянному току (направления токов I1, I2 показаны условно). 

Для того, чтобы внешние цепи 3-полюсного подключения АЦП обеспечивали напряжения на входах АЦП внутри рабочих диапазонов, как минимум, необходимо, чтобы эти цепи имели не слишком большое выходное сопротивление по постоянному току (характерное для изолированных цепей). Например, выходное сопротивление источника нулевого сигнала "с общей землёй" по постоянному току может быть описано простой эквивалентной схемой, состоящей из одного резистора (рисунок 5).

 Рисунок 5. Общий случай эквивалентной электрической схемы по постоянному току источника нулевого сигнала "с общеё землёй" .

Важно отметить, что, если в Вашей системе отсутствует явный путь протекания постоянных токов I_AGND, I_GND32, I_X (существуют пути утечки постоянного тока только через изоляционные барьеры), то напряжения на входах X(Y) и GND32 относительно AGND, возможно, будет зависеть от конкретных экземпляров оборудования, отличающихся разными токами утечек изоляции и разными величинами токов  I_AGND, I_GND32, I_X, что может привести к тому, что один экземпляр оборудования может находится в рабочем режиме, а другой - вне рабочего режима. С другой стороны, Вы можете в своей системе, для определённости поведения неподключенных входов, использовать соответствующие "резисторы подтяжки", которые можно смонтировать, например, внутри кожуха кабельной части разъёма DB-37F.    

Пояснения к п.7:  "...проверьте, что для каждого входа АЦП напряжение синфазного сигнала (X_i,Y_i относительно AGND, или X_i, GND32 относительно AGND, или Y_i, GND32 относительно AGND) в Вашей схеме подключения явно определено и не выходит за рабочие границы напряжения синфазного сигнала, согласно документации АЦП.

Обозначим: U_X , U_Y , U_GND32 – напряжения на соответствующих входах относительно AGND.

Если превышение диапазона напряжения  дифференциального (полезного) сигнала U_S 
U_S = U_X - U_Y    ( U_S = U_X - U_GND32  или U_S = U_Y - U_GND32 в режиме с общей землёй" )
Вы сможете обнаружить явно по показаниям АЦП, то превышение диапазона синфазного сигнала Ucm
U_CM=0,5(U_X + U_Y) относительно AGND  ( U_CM=0,5(U_X + U_GND32) или U_CM=0,5(U_Y + U_GND32) относительно AGND в режиме с общей землёй" )
Вы не сможете явно диагностировать по показаниям АЦП, поскольку синфазная составляющая сигнала является подавляемой составляющей сигнала. В то же время, превышение диапазона синфазного сигнала может вызвать различные линейные и нелинейные искажения сигнала (которые не обязаны быть идентичными в разных экземплярах оборудования). В этой связи, сама схема Вашего подключения (и характеристики присоединяемого оборудования) должны гарантировать непревышение рабочего диапазона синфазного сигнала, указанного документации на модуль АЦП.    

Пояснения к п.8:...соответствуют ли настройки каждого канала на дифференциальный режим или режим "с общей землёй" фактической схеме подключения?

В модулях АЦП с входным коммутатором каналов, если опрашивается неподключенный вход (по причине несоответствия номера канала или режима коммутации), то неподключенный вход сохранит величину заряда от предыдущей фазы коммутации каналов, поскольку отсутствует путь стекания заряда через источник сигнала. По показаниям АЦП Вы не всегда сможете заметить данную ошибку настройки АЦП, хотя качество преобразования сигнала в данном нештатном режиме будет невысоким (и зависеть от разных экземпляров оборудования). В любом случае, для определённости поведения входов рекомендуется соединить все неподключенные входы АЦП с AGND. 

Заключение.

Если Вы обращаетесь в техподдержку с различными проблемами в измерительной системе, то эта статья, как минимум, является обоснованием встречных вопросов техподдержки про схему заземления в Вашей системе, общую схему соединения оборудования и используемые программные настройки. Также эта статья показывает, что слепой метод замены экземпяров оборудования для локализации проблемы может привести к неправильным выводам, если схема соединения оборудования некорректна.  

Читайте также следующие статьи раздела FAQ:

• Модуль E14-140. Типичные примеры подключения.
• Модуль E20-10. Типичные примеры подключения.
• Модуль E-154. Типичные примеры подключения.
• Требования к источникам сигналов АЦП с входным динамическим коммутатором каналов в многоканальном режиме
• Цепи заземления в измерительной системе на основе ПК 
• Ток сквозной по общему проводу
• Почему при подключении АЦП следует учитывать тип источников сигналов?
• Очень высокое межканальное прохождение. Сигнал, поданный на один из каналов АЦП, отображается на другие каналы 
• Моя программа сбора данных и управления устройством заработала! - Значит ли это, что я всё правильно сделал?
• Техподдержка просит меня предоставить электрическую схему соединений! - Что делать и зачем?
• Зачем нужна гальваноразвязка?
• Форум "Л Кард" – специальные схемы подключения (обзор)
• FAQ (ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ)
• ТЕРМИНОЛОГИЯ