Conexión a tierra en señales diferenciales

¿Necesito una conexión a tierra cuando conecto señales diferenciales entre dos sistemas?

Estaba pensando que esto no debería ser necesario, pero ¿cómo se comportará el voltaje de modo común en el extremo receptor? Sin conectar la tierra entre los dos sistemas, sondeo las entradas en el extremo receptor y observo que las entradas se montan en un pico de 10 V a 60 Hz (probablemente interferencia de la línea de alimentación). Como hay un límite de modo común de +/- 5V en la entrada de recepción, esto probablemente causa el comportamiento errático que ahora estoy experimentando.

¿Ayudará una conexión a tierra en ambos sistemas? ¿O todavía se necesita una conexión a tierra para conectar las señales diferenciales?

Hay 3 tipos principales de receptores utilizados para detectar "señales diferenciales":

DC señales diferenciales acopladas

RS-485, RS-422, CANbus, LVDS, USB, SATA, PCI Express, etc. conectan directamente las señales diferenciales al chip del receptor - "acoplado a CC". Ellos requieren una conexión a tierra para mantener la señal en el extremo receptor del autobús dentro del rango de modo común del chip receptor.

A menudo, tales sistemas dejan de funcionar cuando la compensación de voltaje es superior a unos pocos voltios, y pueden dañarse permanentemente si la compensación de voltaje llega a unas pocas docenas de voltios. (Es decir, la compensación de voltaje entre el sistema "tierra" en un extremo del cable y el sistema "tierra" en el otro extremo del cable).

A menudo, 2 cajas con un cable entre ellas que llevan dicho protocolo (o un protocolo de un solo extremo, como SPI o RS232) parecen funcionar bien en el laboratorio, uno al lado del otro, pero tienen comunicación intermitente o dejan de comunicarse por completo cuando se colocan en el campo con largas distancias entre ellos. Cuando eso sucede, la gente a menudo termina comprando 2 "aisladores" que utilizan internamente uno de los siguientes enfoques, y colocando el cable largo entre esos aisladores.

señales diferenciales acopladas al optoaislador

Los sistemas como MIDI conectan señales diferenciales más o menos al LED de un optoaislador en el receptor.

Con un diseño adecuado, sistemas similares pueden funcionar, y a veces funcionan bien, con kilovoltios de compensación entre la "conexión a tierra" del sistema en un extremo del cable y la "conexión a tierra" del sistema en el otro extremo del cable.

señales diferenciales acopladas por transformador y por condensador

Audio analógico, LonWorks (a) , etc. conectan señales diferenciales a condensadores de bloqueo de CC.

Ethernet, etc. conecta señales diferenciales a transformadores de bloqueo de CC.

Los receptores de banda ancha por línea de alimentación suelen tener condensadores de bloqueo de CC y transformadores de bloqueo de CC.

Con un diseño adecuado, pueden y a veces funcionan bien con kilovoltios de compensación entre la "conexión a tierra" del sistema en un extremo del cable y la "conexión a tierra" del sistema en el otro extremo del cable.

Estos sistemas bloquean la compensación de CC con un transformador o condensadores o ambos para transportar la señal a través del límite de aislamiento. (Para reducir EMI y proteger contra eventos de descarga de cable, muchos sistemas también conectan cada cable con resistencias o condensadores o ambos, una terminación de CA Bob Smith, a la tierra del chasis (b) (c) (d) ( Intel AP- 434 ); a menudo con condensadores adicionales para soportar la alimentación a través de Ethernet (e) .)

Dichos voltajes de compensación son la razón principal detrás del " capacitor de 2kV en ethernet ".

Diferencial sobre un cable

¿Cómo se logra esto normalmente en la práctica?

Al enviar Ethernet, LonWorks, datos optoaislados, etc. a través de un cable, no se requiere un cable a tierra. Todos los cables en el cable se pueden usar para la transmisión de datos. (Los sistemas PoE a menudo terminan juntando las dos tierras del sistema de todos modos; los sistemas que no son PoE permiten que las dos tierras del sistema floten separadas).

Al enviar RS-485, CANbus, etc. a través de un cable, por lo general, al menos 1 cable en el cable está reservado para el cable de tierra, que tira de la tierra del sistema en un extremo del cable y la tierra del sistema en el otro extremo del cable. cable más cerca: con suerte lo suficientemente cerca como para permitir la comunicación o al menos para evitar daños permanentes.

Muchas personas usan exactamente el mismo cable CAT5 (sin blindaje) con enchufes estándar RJ45 en ambos extremos para ambos tipos de sistemas.

Cuando se usa un cable blindado, algunas personas son muy cuidadosas al diseñar el sistema con el zócalo donde ese cable se conecta para tener una "tierra de chasis" / "tierra de armazón" separada y conectarlo al blindaje del cable, y separarlo del "tierra de datos" / "tierra de señal" en, por ejemplo, el pin 9 de un conector DB9 que transporta datos RS232. Otras personas simplemente conectan todos los terrenos juntos. No voy a decir más aquí sobre esa furiosa controversia.

Si usó un transformador en un extremo, la tierra estaría aislada, en cuyo caso no necesitaría un cable de tierra entre ellos.

Pero, en teoría, creo que también podría hacer un circuito sin transformador que solo utilizara controladores idénticos en ambos terminales con condensadores. Entonces estaría completamente aislado. Pero en la práctica, la impedancia de ambos terminales de salida tendría que coincidir exactamente. Y el receptor tendría que tener un buen CMR. Entonces creo que el ruido de fondo básicamente se cancelaría. Y podría funcionar mejor si la señal se transmitiera fuera de fase en ambos cables en lugar de simplemente poner la señal en un cable.

Pero en la práctica, probablemente sea algo dudoso. Si desea el máximo aislamiento de tierra y un gran CMRR, entonces los transformadores gobiernan. De lo contrario, necesita un tercer cable para que ambos circuitos estén empujando / tirando contra un voltaje de referencia común (tierra) para que cualquier ruido en ese cable no importe (sin considerar la resistencia / inductancia del cable).

Aunque es diferencial, es necesario restringir el rango de modo común. Para eso está el terreno común; mantiene las referencias algo iguales para que el modo común no esté influenciado por un Tx flotante, Rx o ambos.

Por supuesto, al agregar esa conexión, puede crear un bucle de tierra. Vea aquí para detalles sobre eso: Ground Loop para una conexión balanceada