Masseschleifen in einem Physiklabor

Masseschleifen können definitiv schwer zu erkennen sein, aber im Wesentlichen liegt der Grund für Rauschen in Masseschleifen darin, dass Masseverbindungen selbst eine Impedanz haben. Perfekte Masseverbindungen wären 0 Ohm ohne reaktive Komponente (dh keine Kapazität und keine Induktivität), und die Masse hätte genau 0 Spannungspotential in Bezug auf alle Spannungsquellen im System. Da Sie keine Supraleiter verwenden, um eine Verbindung zur Erde herzustellen, und überall, wo Sie eine Verbindung herstellen, ein leicht unterschiedliches Potential vorhanden ist (weil aus physikalischer Sicht verschiedene Punkte "am Boden" eine leicht unterschiedliche Ladung haben), müssen Sie dies verwalten Leiter und Masseverbindungen. Betrachten wir das also zuerst aus der DC-Perspektive, dann aus der AC-Perspektive:

Betrachten wir eine Reihe von Drähten als Widerstände mit geringem Widerstand und jede Erdverbindung als Spannungsquelle. Sie haben einen Widerstand von Masse 1 zum Masseanschluss des zu messenden Geräts, einen Widerstand zwischen diesem Anschluss und dem Masseanschluss des Messgeräts und einen Widerstand von diesem Anschluss zum Masseanschluss 2.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Wie Sie sehen können, haben Sie bereits einen Fehler, wenn Sie entweder eine differentielle oder eine referenzierte Messung an einer Signalquelle durchführen, da die beiden separaten Erdungsverbindungen einen DC-Offset „injizieren“ (die „positive“ Seite der Messung wird der Übersichtlichkeit halber weggelassen). . Der Grund dafür ist, dass das Verbinden mit zwei verschiedenen Massepunkten tatsächlich das Verbinden mit zwei verschiedenen Ladungsquellen ist. Dies zeigt sich beispielsweise darin, dass Sie Ihre Füße über den Boden ziehen und genug Ladung aufnehmen können, um von einem Türgriff einen Schock zu erleiden.

Betrachten wir dies nun aus der AC-Perspektive. Wie Sie vielleicht wissen, können lange Drahtpaare als Übertragungsleitungen betrachtet werden. Über eine gegebene Länge addieren sich die parallelen Bereiche zwischen Leitern zu einer Gesamtkapazität in der Leitung mit dem Serienwiderstand der Drähte. Aus diesem Grund haben die Drähte, die zum Anschluss des Signals an den Messeingang verwendet werden, eine Impedanz. Betrachten Sie den Gleichstromkreis nach Masseverbindungen und stellen Sie sich diese Widerstände als Impedanzelemente vor. Jetzt haben Sie mit AC eine zusätzliche Eigenschaft von InduziertSpannungen: Wechselspannungsquellen, die von einer beliebigen Anzahl elektromagnetischer Strahler stammen, wie z. B. Lampen, elektrische Leitungen, Motoren usw. Da induzierte Spannungen über die gesamte Leitungslänge auftreten, können Sie feststellen, dass der Stromkreis einer "Schleife" ähnelt. Diese Schleife hat eine Impedanz zwischen zwei beliebigen Punkten, und insgesamt wirkt diese Schleife als "Absorber" dieser externen EM-Strahlung mit unterschiedlichem Wirkungsgrad, abhängig von den Impedanzeigenschaften der Schleifenelemente und den Frequenzen und Amplituden der Strahlungsquellen. Für einige Frequenzen ist die Schleife sehr effizient und kann als Resonator wirken. Wenn wir also diesen Gleichstromkreis als eine Reihe von Impedanzelementen neu zeichnen, können Sie sehen, dass es an jedem Punkt für eine bestimmte Frequenz einen einfacheren Weg zur Erde gibt. Dies könnte darin bestehen, das Rauschen an das Originalsignal zu koppeln,

Um diese Situation zu verbessern, gibt es einige Dinge, die wir tun können. Erstens möchten Sie für lange Verbindungen eine Abschirmung verwenden, die nur EINEN Pfad zur Erde hat. Gleiches gilt für Gerätechassis. Für jede Abschirmung oder jedes Chassis möchten Sie diese mit so geringer Impedanz und Widerstand wie möglich mit der Erde "verbinden". Das bedeutet, dicken Draht mit kurzem Weg zu verwenden. Es gibt verschiedene Denkrichtungen, auf welcher Seite Sie die Signalabschirmung anschließen sollten, aber die, die ich am häufigsten höre, ist, die Signalabschirmung mit der Masse des Messchassis zu verbinden. Der Grund dafür ist, dass die Signalquelle sehr oft "schwebend" ist und kein leicht verfügbares Chassis oder Erdung hat. Wenn die Signalquelle erdfrei ist, möchten Sie die Abschirmung des Signalkabels an das Chassis dieses Geräts binden, aber nur wenndieses Chassis hat keinen "lokalen" Erdungspfad (dh eine Erdungsverbindung an diesem Gerät). Andernfalls sollte dieses Ende des Schirms nicht angeschlossen werden. Um zu verhindern, dass die Abschirmung mit einer lokalen Masse in Kontakt kommt, lassen Sie normalerweise ein kleines Stück Draht frei, aber dies sollte eine sehr kurze (weniger als 1 Zoll oder 3 cm) Expositionslänge sein. Sie können sich die Abschirmung als eine Antenne vorstellen, die EM-Strahlung von außen absorbiert, bevor sie in Ihre Signalkabel eindringen kann, und dieses Rauschen auf den Boden und nicht auf Ihren Messeingang sinkt.

Abgesehen von Masseproblemen möchten Sie auch eine bestimmte Eigenschaft von Messgeräten betrachten: die Gleichtaktunterdrückung. Dies gilt vor allem für Differenzmessungen. Differenzialmessungen funktionieren so, dass die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Drähten (nicht der Abschirmung) gemessen wird. Wenn Sie die Drähte so miteinander verdrillen, dass sie eine ziemlich enge, gleichmäßige Verteilung der Verdrillungsdrehungen aufweisen, wird jedes in das Paar eingekoppelte Rauschen gleichmäßig verteilt und daher gleich. Da die Messung als Differenz zwischen der Spannung an den beiden Drähten genommen wird, wird ein Rauschsignal effektiv gelöscht, da Vnoise - Vnoise = 0.

Hoffe, das alles hilft mit Ihrem Verständnis. Ich kläre gerne alles auf :)