El problema del pin 1 en audio, conexión a tierra en estrella y malla, y prácticas contradictorias de puesta a tierra en sistemas de audio y digitales

Recientemente me encontré con el concepto de "Problema del pin 1" conocido en la electrónica de audio profesional. Parece sencillo al principio, pero se vuelve confuso cuando se trata de la puesta a tierra. Permítanme describir el problema desde el principio.

Problema de pin 1

Muchos ingenieros de audio creen que el problema del pin 1 es el culpable de varios problemas de EMI/EMC en el audio.

Problema de pin 1

Es decir, el Pin 1, blindaje, de un conector XLR, a menudo se conecta a la tierra del circuito en la PCB. Se argumenta que una cantidad significativa de energía de RF viajará a la PCB y se conectará a la tierra del circuito, lo que hará que el escudo/chasis sea ineficaz y que el equipo de audio sea más susceptible a problemas de interferencia.

En su lugar, el diseñador debe intentar seguir el estándar AES48 especificado por Audio Engineering Society: en ningún caso se permite que el pin 1 conecte la tierra del circuito (si hay un chasis de metal). En su lugar, el pin 1 debe estar conectado directamente al chasis. La conexión a tierra del circuito y el chasis aún están delimitados, pero en un punto de conexión a tierra en estrella común, no en el conector XLR.

Por ejemplo, Jim Brown (Presidente del Comité Técnico de AES sobre EMC, quien creo que es un experto en este tema), describe el problema en Pin 1 Revisited .

Pin 1: ejemplo equivocado

Fig. 1 : este es el clásico problema del pin 1 de RF en un micrófono. El blindaje del cable va al gabinete, pero a través de un cable lo suficientemente largo para tener una reactancia inductiva significativa en VHF. La caída en la inductancia se acopla a la señal de referencia cero, donde se suma a la señal.

Pin 2: ejemplo correcto

Fig. 2 : una configuración de circuito que evita un problema con el pin 1. El escudo va directamente al recinto de blindaje. El común de referencia de la señal también va al recinto blindado, pero no hay impedancia común.

AES48-2005

Luego comencé a leer la especificación completa del estándar AES48-2005 . La norma lo deja claro,

AES48-2005

  1. El pin 1 debe conectarse directamente al chasis, no a la tierra del circuito.

  2. Las tierras de todos los circuitos de filtro EMI que son responsables de bloquear los ruidos en el conector de entrada/salida (si lo hay), deben conectarse directamente al chasis, no a la tierra del circuito.

  3. La conexión a tierra de seguridad, la conexión a tierra del chasis y la conexión a tierra del circuito están conectadas a un punto de conexión a tierra en estrella común.

Hasta ahora, todo bien.

Contradicción

Hasta que encontré prácticas contradictorias en el sistema digital. Cuando se le preguntó a Henry Ott (el destacado gurú de EMC en la industria, que creo que es un experto en este tema) sobre la conexión a tierra y la conexión a tierra, su respuesta fue:

P:

I. Me interesa mucho el tema de la forma correcta de conectar la tierra del circuito al chasis. Por lo general, tenemos orificios para tornillos de montaje en la placa que se conectan al chasis. ¿Debo atar los orificios de los tornillos de montaje al plano de tierra del circuito o dejarlos solo como tierra del chasis y atarlos a la tierra del circuito en un solo punto, digamos en la fuente de alimentación? Si los conecto al plano de tierra, ¿debo atar solo uno al plano de tierra (si es uno, cuál), o todos ellos al plano de tierra?

II. Una segunda pregunta involucra una PCB de señal mixta, ¿debería la tierra del chasis conectarse a la tierra analógica, la tierra digital, o dejarse como tierra del chasis y atarse solo en un punto, digamos en la tierra de la fuente de alimentación?

A:

I: Primero le diré lo que no debe hacer, es decir, hacer una conexión de un solo punto entre la tierra del circuito y la tierra del chasis en la fuente de alimentación.

En la mayoría de los casos, la conexión a tierra del circuito debe conectarse al chasis con una conexión de baja inductancia en el área de E/S de la placa. En algunos casos, es posible que se deban realizar conexiones adicionales del circuito al chasis, pero estas se suman a la que se encuentra en el área de E/S, no en su lugar.

La mejor manera de entender esto es considerar la tierra del circuito como un generador de voltaje de ruido (como resultado de la impedancia finita de la tierra y las corrientes lógicas que fluyen a través de la tierra). Este ruido de tierra impulsará una corriente de ruido de modo común de alta frecuencia fuera de los cables y hará que se irradien. Sin embargo, si la conexión a tierra del circuito está conectada al chasis en el área de E/S, esta corriente de ruido se desviará al chasis y no fluirá hacia los cables. Esta conexión a tierra del circuito al chasis debe ser una conexión de muy baja inductancia para desviar las corrientes de ruido de alta frecuencia; esto generalmente requiere múltiples conexiones cortas en el área de E/S.

II. Cuando se trata de una PCB de señal mixta, la conexión a tierra del circuito al chasis normalmente debe realizarse en la sección digital de la placa, siguiendo el procedimiento explicado en 1.

(el subrayado es mío)

Además, en la pregunta EE.SE, ¿debería conectarse la tierra del chasis a la tierra digital? , la respuesta superior es,

Lo he hecho de varias maneras, pero la forma que parece funcionar mejor para mí es la misma que lo hacen las placas base de PC. Cada orificio de montaje en la PCB conecta la señal gnd (también conocida como tierra digital) directamente al chasis de metal a través de un tornillo y un separador de metal.

Para conectores con blindaje, ese blindaje se conecta al chasis de metal a través de una conexión lo más corta posible. Idealmente, la protección del conector estaría tocando el chasis; de lo contrario, habría un tornillo de montaje en la placa de circuito impreso lo más cerca posible del conector. La idea aquí es que cualquier ruido o descarga estática permanezca en el escudo/chasis y nunca llegue al interior de la caja o al PCB. A veces eso no es posible, por lo que si llega a la PCB, querrá sacarlo de la PCB lo más rápido posible.

Permítanme aclarar esto: para una placa de circuito impreso con conectores, la señal GND se conecta a la caja de metal mediante orificios de montaje. Chasis GND está conectado a la caja de metal mediante orificios de montaje. Chasis GND y Signal GND NO están conectados juntos en la PCB, sino que usan la carcasa de metal para esa conexión.

mi razonamiento

Parece que las prácticas de puesta a tierra/conexión son muy diferentes en los sistemas de audio y digitales. Los expertos de ambos sistemas reconocen que una unión de baja impedancia, libre de impedancia inductiva, entre la tierra del circuito y la tierra del chasis es esencial, pero no están de acuerdo en su implementación.

El mundo digital cree que la conexión a tierra del circuito y el chasis deben estar delimitados con una conexión en el área de E/S de la placa, porque esta conexión sería una conexión de baja impedancia . Detiene la radiación de ruido, porque el ruido se desviará al chasis. Los diseñadores digitales también creen que se puede obtener el mejor resultado usando una conexión a tierra de malla , uno puede obtener el mejor resultado usando múltiples tornillos de montaje para unir la conexión a tierra del circuito al chasis y forma una conexión de muy baja impedancia.

El mundo del audio cree que la conexión a tierra del circuito y el chasis nunca deben unirse en el conector de audio, ya que esta conexión sería una conexión de alta impedancia o crearía una ruta de impedancia común , la existencia de esta ruta de impedancia común hace que el dispositivo sea ineficaz desde protegiéndose del ruido de alta frecuencia. Los diseñadores de audio también creen que se puede obtener el mejor resultado utilizando una conexión a tierra en estrella para eliminar cualquier diferencia de potencial de conexión a tierra.

Parece que la frecuencia de los sistemas que operan es la causa de la contradicción. Un sistema de audio se enfoca en protegerse de la interferencia externa y evitar zumbidos y zumbidos, pero un sistema digital se enfoca en proteger al mundo exterior de su propia interferencia. Por lo tanto, los sistemas analógicos de baja frecuencia deben seguir la práctica de EMC de audio, pero los sistemas digitales de alta velocidad deben seguir la práctica de EMC digital.

Pregunta

  1. ¿Es correcto mi propio análisis?

  2. El estándar AES48 solo menciona la conexión a tierra en estrella: la conexión a tierra de protección de la red eléctrica, la conexión a tierra del circuito y el chasis deben conectarse en un punto común de conexión a tierra en estrella. ¿Qué pasaría cuando uso una conexión a tierra de malla (como la placa base de una computadora) para unir el chasis y la conexión a tierra del circuito, se considera bueno o malo en audio?

  3. Las cosas no son negras y mientras tanto. Hoy en día, un sistema de audio profesional a menudo también contiene un sistema digital de alta velocidad. En este caso, uno se ve obligado a elegir romper la práctica recomendada del sistema de audio o el sistema digital. ¿Qué tengo que hacer? ¿Quizás la tierra digital y la tierra analógica, con sus respectivos conectores, pueden tratarse por separado, cada uno siguiendo las mejores prácticas de su propio mundo?

¿Puede alguien que tenga experiencia profesional tanto en sistemas analógicos/audio como digitales ayudar a arrojar algo de luz sobre este problema?

Debe analizar las soluciones en el contexto del problema que están tratando de resolver. En el sistema de audio, la placa es la víctima y hay señales de agresor afuera. En el mundo digital, el tablero es el agresor y el mundo exterior es la víctima. A pesar de la reciprocidad entre la transmisión y la recepción de ganancia, ¿hace eso alguna diferencia? Tenga en cuenta también que el audio está balanceado, pero los sistemas digitales son de un solo extremo.
No olvide el estándar AES54-1-2008, que dice "No debe haber conexión de CC entre el contacto de protección designado y cualquier cubierta conductora". 🤦 (Dice que se haga una conexión de RF entre la carcasa y el escudo, pero no una conexión de CC/audio/60 Hz).
@endolith Así es. Después de leer Henry Ott, creo que ahora lo entendí completamente. El audio analógico es de bajo nivel y baja frecuencia, por lo tanto: (1) Debido a los bucles de tierra de 50/60 Hz, no es deseable una tierra de múltiples puntos. (2) Es posible hacer que la corriente LF siga su rastro. Por lo tanto, estrella de tierra. La lógica digital es de alto nivel y alta frecuencia, por lo que (1) el bucle de tierra no es una preocupación importante y (2) NO es práctico enrutar la corriente de RF, solo para reducir la impedancia de la ruta de retorno, por lo tanto, la conexión a tierra. Finalmente, cuando tiene tanto AF como RF, puede usar muchos condensadores para crear un circuito abierto de CC y un cortocircuito de RF, el enfoque AES.

Respuestas (3)

Odio la palabra 'tierra', ¡cubre tantas cosas ligeramente diferentes!

Lo que los chicos de audio quieren decir con 'tierra', al menos dentro de las actividades principales de una placa, es realmente 'referencia de señal', que puede o no ser lo mismo que la tierra del chasis, pero que casi con seguridad no debería transportar corriente de pantallas de cable o formando bucles con el chasis. El problema es que, por ejemplo, con un nivel de audio de 2 V, si desea un nivel de ruido de 100 dB por debajo, está tratando de tener menos de 20 uV de ruido en esa red, lo que significa que no puede fluir mucha corriente. La gente de audio inteligente hace todo tipo de juegos pseudo diferenciales al ser muy selectivos acerca de dónde exactamente se realizan las conexiones de referencia.

En el borde de la placa, normalmente tiene sus filtros RFI y los que SÍ necesitan una conexión directa al chasis (idealmente a la carcasa del conector), pero si comparte esta conexión con la señal de referencia, inherentemente tiene una pequeña pieza de cobre que lleva corriente de la pantalla del cable y definiendo el potencial neto de referencia en relación con el chasis, ese trozo de cobre tiene inductancia, por lo que la corriente de la pantalla desarrolla voltaje a través de él, la red de referencia tiene capacitancia para el caso, por lo que termina con rf fluyendo en la red de referencia (que suele ser muy corto en la frecuencia de audio, ¡2,4 GHz no tanto!).

A los chicos digitales en su mayoría no les importa que el nivel de ruido UV entre en sus redes (¡el rebote en el suelo en los chips es mucho más que eso!). Entonces, para ellos, atar todo a todo lo demás y hacer muchos bucles pequeños que tienen poca área es una gran ganancia, reduce la radiación y también reduce el acoplamiento.

Por cierto, FUERA de la red de referencia de la placa, la malla también es una ganancia neta para el audio, solo debe evitar que las corrientes de pantalla produzcan caídas de voltaje en la red de referencia de audio interna. Véase, por ejemplo, los artículos de Tony Walderons sobre el diseño de sistemas de audio sin interferencias, muchos bucles de baja impedancia.

¿Qué hacer en un tablero de señales mixtas? Decisiones, decisiones... En general, prefiero un solo plano de tierra y hago la conexión a tierra jerárquica si hay audio sensible en reproducción, a veces un plano con una rendija, pero NO se permite que ningún rastro cruce la rendija, piense en términos del hecho. esa corriente fluye en bucles en la proporción de la conductancia y no te equivocarás demasiado.

¿Por qué es importante el voltaje de la referencia de la señal del circuito en relación con el chasis?
¿Porque generalmente las etapas de entrada y salida tienen un rango de modo común limitado?
¿Cómo se traduce una diferencia de voltaje entre la tierra de la señal/blindaje del cable y el chasis en ese punto en un voltaje de modo común con respecto a la tierra de la señal? El receptor en ese ejemplo se refiere a la tierra de la señal, no (directamente) al chasis.
@hddh, los receptores tienen un rango de modo común finito, la pantalla del cable une los dos chasis y desea colocar la referencia interna del receptor en algún lugar cerca de la salida de modo común de los transmisores para maximizar la oscilación de voltaje disponible, conectándolo al chasis hace esto . Además, esta conexión Z baja minimiza el acoplamiento capacitivo de la carcasa a la red de referencia.
Estoy de acuerdo con el acoplamiento capacitivo. Y estoy de acuerdo en que los receptores tienen un rango de modo común finito. Simplemente no tengo claro por qué un voltaje de tierra de señal y blindaje de cable con chasis se traducirá en un voltaje de modo común con señal a tierra. Para que quede claro, me refiero a esta imagen.
@hddh Esa impedancia común en la parte inferior derecha conduce la corriente de la pantalla del cable y, por lo tanto, desarrolla una caída de voltaje debido a su impedancia. Dado que el chasis está en un extremo de este y la referencia de un solo extremo está conectada al otro, se producirá un voltaje entre el chasis y la señal de referencia y, por lo tanto, fluirán corrientes capacitivas en la señal de referencia. En esta era de teléfonos celulares con interfaces wifi de 5 GHz, no se necesita mucha longitud común para que sea una impedancia significativa. La coleta dentro de la caja que actúa como una antena es otro tema ligeramente diferente.
Mmm. Estoy de acuerdo en que las corrientes capacitivas son malas. Sin embargo, no es obvio para mí que el chasis tenga un voltaje diferente. Claro, si todas las corrientes de RF fluyeran a través de esa inductancia, habría un voltaje a través de ella, pero ¿por qué "eligen" fluir a través de la inductancia cuando su impedancia es tan alta? Preferirían fluir hacia el circuito en sí, lo que me parece el verdadero problema. Si elimina la conexión con el chasis (o el propio chasis), seguirá teniendo este problema.

¿Es correcto mi propio análisis?

Me parece bien. Estoy de acuerdo con su análisis. Por lo general, las reglas de diseño de un sistema no funcionarán con un sistema diferente con objetivos diferentes.

La compatibilidad electromagnética es un arte, no una ciencia. Es un arte porque muchas veces muchos parámetros no se pueden medir (principalmente debido a limitaciones de tiempo) en sistemas muy diferentes con diferentes requisitos. Un diseñador utiliza las mejores prácticas en un sistema muy complejo, sería difícil que una sola regla determinara el diseño.

El estándar AES48 solo menciona la conexión a tierra en estrella: la conexión a tierra de protección de la red eléctrica, la conexión a tierra del circuito y el chasis deben conectarse en un punto común de conexión a tierra en estrella. ¿Qué pasaría cuando uso una conexión a tierra de malla (como la placa base de una computadora) para unir el chasis y la conexión a tierra del circuito, se considera bueno o malo en audio?

El problema con las conexiones a tierra (he descubierto) es que hace que sea muy difícil controlar las corrientes o saber de dónde vienen. Con un solo punto a tierra, puede desconectar los cables y encontrar la fuente fácilmente.

Las cosas no son negras y mientras tanto. Hoy en día, un sistema de audio profesional a menudo también contiene un sistema digital de alta velocidad. En este caso, uno se ve obligado a elegir romper la práctica recomendada del sistema de audio o el sistema digital. ¿Qué tengo que hacer? ¿Quizás la tierra digital y la tierra analógica, con sus respectivos conectores, pueden tratarse por separado, cada uno siguiendo las mejores prácticas de su propio mundo?

Depende del costo del sistema, en los sistemas de gama alta (donde el costo no es un gran problema) se puede emplear el aislamiento para evitar que las corrientes creen problemas. Si no se puede usar el aislamiento, se pueden usar las mejores prácticas de EMC.

Muchas veces, las corrientes en una PCB se pueden dirigir mediante una buena ubicación de los componentes (si tiene una sola conexión a tierra)

Pasé algunos años en pro-audio (en el momento en que los sistemas comenzaban a contener más y más bloques digitales, tanto para DSP como para control) y realmente nunca encontré una respuesta clara o definitiva a esto.

En la construcción de grandes sistemas (me refiero a un rack de equipo central con desde 10 hasta varios cientos de unidades externas, que a menudo eran alimentadas por el rack central), para las principales transmisiones y teatros que tenían experiencia en este tipo de cosas, las prácticas básicas que aprendí eran:

  1. mantenga el chasis y la tierra técnica separados en todas partes. Los escudos generalmente estaban conectados al chasis.
  2. Proporcione múltiples lugares donde los dos puedan conectarse, al menos en la fuente de alimentación central y cada módulo externo. Cuando el sistema fue probado y aprobado, puede comenzar con todo unido y, si hay problemas específicos, experimentar para encontrar una solución local.
  3. ¡En un sistema profesional, no envía audio desequilibrado entre equipos! Además, es posible que haya transformadores de audio de alta calidad que no solo proporcionen una CMR excelente, sino que también brinden mucha protección contra los daños causados ​​por transitorios, errores humanos, etc. Esto hace que el problema sea mucho menos grave de lo que parece inicialmente.

Debo decir que el primer análisis dado (independientemente del pedigrí de su autor) me parece un poco sospechoso. ¿Por qué la capacitancia del circuito a la caja desapareció repentinamente en el segundo diagrama? Todo lo que realmente sucedió aquí es que el punto de conexión de la tecnología 0V al chasis se movió un poco, pero sin ningún detalle físico del mundo real, esto parece no tener sentido. (Por supuesto, en la práctica puede haber muchos XLR, o tal vez conectores multivía con muchas señales balanceadas, por lo que el diagrama no es de mucha utilidad de todos modos).

Tenga en cuenta que en el mundo moderno, las señales analógicas ya no se enrutan mucho entre los equipos, a menos que sea un estudio de grabación analógico de la vieja escuela (todavía existen). En estos días, cuando vas a ver a una banda en un festival, es probable que las señales del escenario a la mesa de sonido pasen por ethernet, posiblemente fibra, usando Dante o similar. (Sé que esto está fuera del tema de la pregunta, pero solo señalo que, hasta cierto punto, esta discusión se ha vuelto bastante académica. Una vez que pasa de la transmisión de señal de audio analógica a digital, sus requisitos de inmunidad al ruido se reducen en varios órdenes de magnitud.)

Finalmente, vale la pena señalar que, en un sistema de señal mixta, donde un microcontrolador vive junto con el audio analógico, los problemas de mantener el ruido digital fuera del analógico localmente son significativos. En estos días, nuevamente esto se vuelve más fácil ya que su bloque "digital" puede ser solo uno o dos circuitos integrados. En los días en que esto no era así (por ejemplo, las primeras reverberaciones digitales), se emplearon muchos trucos, como sincronizar la frecuencia de muestreo con la conmutación de la fuente de alimentación y las entradas/salidas optoaisladas de los convertidores, y MUCHO metal físico y aire entre bloques.

El problema del pin 1 en audio, conexión a tierra en estrella y malla, y prácticas contradictorias de puesta a tierra en sistemas de audio y digitales
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