Заземляющие контуры в лаборатории физики

Заземляющие контуры определенно трудно определить, но, по сути, причина, по которой вы получаете шум от контуров заземления, заключается в том, что сами заземляющие соединения имеют импеданс. Идеальные заземляющие соединения должны иметь сопротивление 0 Ом без реактивной составляющей (т. е. без емкости и без индуктивности), а потенциал земли будет точно нулевым по отношению ко всем источникам напряжения в системе. Поскольку вы не используете сверхпроводники для соединения с землей, а везде, где вы подключаетесь, будет немного разный потенциал (поскольку, с точки зрения физики, разные точки «на земле» имеют немного разный заряд), вы должны управлять проводники и заземляющие соединения. Итак, давайте сначала посмотрим на это с точки зрения DC, а затем AC:

Давайте рассматривать серию проводов как резисторы с некоторым низким сопротивлением, а любое соединение с землей как источник напряжения. У вас есть резистор от земли 1 к клемме заземления на измеряемом устройстве, резистор между этой клеммой и клеммой заземления на измерительном устройстве и резистор от этой клеммы к клемме заземления 2.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Как вы можете видеть, при выполнении дифференциального или опорного измерения источника сигнала у вас уже есть ошибка, потому что два отдельных заземления «вводят» смещение постоянного тока («положительная» сторона измерения опущена для ясности). . Причина в том, что подключение к двум разным точкам заземления на самом деле означает подключение к двум разным источникам заряда. Об этом свидетельствуют такие вещи, как способность волочить ноги по земле и набирать заряд, достаточный для удара током о дверную ручку.

Теперь давайте посмотрим на это с точки зрения AC. Как вы знаете, длинные пары проводов можно рассматривать как линии передачи. На заданной длине параллельные участки между проводниками добавляют к общей емкости линии с последовательным сопротивлением проводов. Из-за этого провода, используемые для подключения сигнала к измерительному входу, имеют импеданс. Посмотрите на цепь постоянного тока для заземления и подумайте об этих резисторах как об элементах импеданса. Теперь, с переменным током, у вас есть дополнительное свойство индуцированногонапряжения: Источники переменного напряжения, возникающие из любого количества электромагнитных излучателей, таких как лампы, электрические линии, двигатели и т. д. Поскольку наведенные напряжения возникают по всей длине проводимости, вы можете заметить, что цепь напоминает «петлю». Эта петля имеет импеданс между любыми двумя точками, и в целом эта петля действует как «поглотитель» этого внешнего электромагнитного излучения с различной степенью эффективности, в зависимости от импедансных характеристик элементов петли, а также частот и амплитуд источников излучения. Для некоторых частот петля очень эффективна и может действовать как резонатор. Итак, если мы перерисуем эту цепь постоянного тока как ряд элементов импеданса, вы увидите, что в любой точке для данной частоты есть более легкий путь к земле. Это может быть соединение шума с исходным сигналом,

Чтобы улучшить эту ситуацию, мы можем сделать несколько вещей. Во-первых, для длинных соединений вы хотите использовать экран, который имеет только ОДИН путь к земле. То же самое касается шасси оборудования. Для каждого экрана или шасси вы хотите «связать» их с землей с настолько низким импедансом и сопротивлением, насколько это возможно. Это означает использование толстого провода с коротким путем. Существуют разные точки зрения, с какой стороны следует подключать сигнальный экран, но чаще всего я слышу, что сигнальный экран следует подключать к заземлению измерительного шасси. Причина в том, что очень часто источник сигнала «плавает» и не имеет доступного шасси или заземления. Если источник сигнала плавающий, вы хотите привязать экран сигнального провода к шасси этого устройства, но только еслиэто шасси не имеет «локального» пути заземления (т. е. соединения с землей на этом устройстве). В противном случае этот конец экрана не должен быть подключен. Чтобы экран не соприкасался с местной землей, обычно вы оставляете небольшой отрезок провода открытым, но он должен быть очень коротким (менее 1 дюйма или 3 см). Вы можете думать о экране как об антенне, которая поглощает внешнее электромагнитное излучение до того, как оно попадет в ваши сигнальные провода, и этот шум погружается в землю, а не на ваш измерительный вход.

Кроме того, помимо проблем с заземлением, вы также хотите рассмотреть особое свойство измерительных устройств: отклонение синфазного сигнала. Это относится в первую очередь к дифференциальным измерениям. Принцип работы дифференциальных измерений заключается в измерении разности напряжений между двумя проводами (а не экраном). Если вы скрутите провода вместе так, чтобы они имели достаточно тугое, равномерное распределение поворотов крутки, любой шум, связанный с парой, будет распределен равномерно и, следовательно, одинаковым. Поскольку измерение берется как разница между напряжениями на двух проводах, шумовой сигнал эффективно подавляется, поскольку Vnoise - Vnoise = 0.

Надеюсь, все это поможет вам понять. Я рад что-нибудь уточнить :)