Экранирование: оплётка, корпус и что реально помогает

Датчик света для автоматической шторы я вынес к окну: фоторезистор на трёхметровом шлейфе из перемычек, состыкованных через две колодки. На столе при коротком проводе всё было ровно. На окне график плоттера превратился в пилу: показания гуляли на сорок единиц при ровном пасмурном небе. Вечером, когда на соседней макетке включилась лента, пила сменилась ступеньками с частотой ШИМ. Сама схема включения фоторезистора была из урока про ночной светильник и работала безупречно — врала трёхметровая антенна, которую я собрал своими руками.

В уроке про наводки и шум мы разобрали, что шум делает с числами, и поставили фильтры из конденсаторов и среднего. Здесь следующий слой — экранирование и геометрия проводов. Три врага, которых фильтр не отличит от сигнала: 50 герц от сети, ШИМ-наводки от соседних нагрузок и радиочастота от WiFi-модуля. И три лекарства: укорочение провода, витая пара и экран, заземлённый с одного конца.

Обещаю числа. Укорочение того шлейфа с трёх метров до тридцати сантиметров срезало дрожь с плюс-минус сорока единиц до плюс-минус трёх — и стоило ноль рублей. Остальное — про случаи, когда длина объективно нужна: уличный термометр, датчик в теплице, кабель вдоль силовой проводки.

Первый враг — сеть 50 Гц. Провод датчика рядом с сетевым кабелем или просто рука над макеткой наводят на вход 200-250 милливольт — те самые 40-50 единиц шкалы из урока про наводки. Узнаётся враг по рисунку на графике: пила с периодом ровно 20 миллисекунд. Лечится геометрией, а не кодом: силовая проводка — в сторону, сигнальный провод — короче и свит с землёй.

Второй враг — ШИМ соседей. Плата дёргает светодиоды и ленты частотой 490 Гц на большинстве пинов и 976 Гц на пинах 5 и 6; токи нагрузки текут по своим проводам, их магнитное поле наводится на соседний сигнальный провод пропорционально площади петли между жилой и землёй. Симптом: дрожь возникает и исчезает вместе с ШИМ-нагрузкой, а на плоттере вместо ровной пилы — ступеньки. Лечится разнесением: силовая шина и сигнальная не идут рядом, а провод датчика идёт парой с GND.

Третий враг — радиочастота. WiFi-модуль передаёт пакеты на 2,4 ГГц, и вход АЦП выпрямляет эти всплески на нелинейностях: на графике — редкие иглы, привязанные к передаче. У типовой точки доступа маячки прилетают примерно раз в 100 мс; ESP с активной передачей уплотняет картину. Полностью убрать источник нельзя — модуль нужен проекту. Можно отнести его на 20-30 сантиметров от аналоговой части и закрыть вход экраном.

Экран — это оплётка или фольга вокруг сигнального провода, подключённая к земле. Наводка ложится на экран и уводится в землю, не добираясь до жилы. Тонкость, на которой спотыкаются все, включая меня в первый раз: экран заземляется ОДНИМ концом. Заземлённый с обоих концов, экран превращается в замкнутое кольцо; разность земель платы и датчика гонит по нему уравнивающий ток, и щит становится проводником помехи — греется, шумит и поднимает землю под сигналом. Один конец рвёт петлю: току некуда течь, и экран снова работает щитом.

Где именно заземлять — у приёмника, то есть у платы: наводка с экрана уходит прямо в землю, куда её и тянет вход. Честная оговорка: на радиочастотах профессиональные кабели заземляют с обеих сторон, иногда через конденсаторы; в макетной практике с датчиками на герцы и килогерцы правило одного конца работало у меня без исключений. Второе правило гигиены: оплётка не должна касаться жилы — замкнутый на сигнал экран хуже отсутствия экрана, и проверяется это прозвонкой.

Витая пара — два провода, скрученные между собой с шагом в сантиметр-полтора: я креплю один конец в дрель и делаю около двадцати оборотов на метр. Работает она по двум причинам сразу. Площадь петли между жилой и землёй почти нулевая — магнитная наводка от ШИМ-соседей проваливается на порядок. И наводка 50 Гц ложится на обе жилы одинаково, а приёмник, читающий разность, её вычитает. Скручиваю сигнал с GND — это дешевле любого экранированного кабеля и делается за пять минут; готовые пары можно выдернуть из куска Ethernet-кабеля, там они скручены фабрично.

Длина провода бьёт всё остальное. Мой замер с тем же фоторезистором: 0,3 метра — дрожь плюс-минус три единицы, 3 метра — плюс-минус сорок. Разница в десять раз по дрожи на проводе, который в десять же раз длиннее. Поэтому первое действие с любым шумящим аналоговым датчиком — поднести его к плате и посмотреть на график: дрожь ушла — лечите провод, а не код. Порядок «сначала железо, потом софт» из урока про наводки здесь работает буквально: укорочение — самое дешёвое железо из возможных.

Если датчику объективно нужен длинный кабель — уличный термометр, датчик в теплице — берите экранированный кабель с заземлением одного конца и добавьте RC-цепочку на входе: резистор 10 кОм и конденсатор 100 нФ режут всё выше пары сотен герц, расчёт среза — в уроке про RC-фильтр. Для термистора с его медленным сигналом это бесплатно; для быстрых датчиков считайте честно. Конденсаторы фильтрации из урока про фильтр питания здесь не спасают: они чистят рейку, а не дорогу сигнала.

Мой порядок действий сложился за пару сезонов с шторами и теплицей. Первый шаг — укорочение: бесплатно и даёт порядок величины. Второй — скрутка сигнала с землёй: пять минут и дрель. Третий — экран одним концом, если провод всё ещё длинный или идёт вдоль силовой проводки. Четвёртый — RC на входе. Софт-фильтры из урока про наводки идут пятыми: они сглаживают остатки, но не различают наводку и сигнал — когда амплитуды сравнялись, фильтр сгладит и погоду, и правду.

И про контакт, потому что после скруток и крокодилов лишних соединений становится больше: каждый стык — потенциальный плавающий контакт, а дрожь плохого контакта отлично маскируется под наводку. Прежде чем каять экран, переткните цепочку и пошевелите провод под нагрузкой — методика из урока про плохой контакт. Длинные трассы из отдельных перемычек я заменил цельным проводом — и часть ступенек на графике ушла сама, без всякого экранирования.