Неточность измерений, особенно в высокоомных приложениях, часто объясняют неправильным экранированием и плохим заземлением. Действительно, проблемы с экранированием и заземлением нередко приводят к появлению ошибок, но многие разработчики тестовых систем не совсем хорошо понимают, почему. Многие погрешности измерения вызываются токами от внешних полей, наводимыми в измерительные провода. В статье рассматривается, каким образом земляные петли и недостаточное либо отсутствующее электростатическое экранирование могут вызвать протекание паразитных токов или токов помех в измерительных проводах или тестируемых устройствах (device under test, DUT), а также способы распознавания этих токов и предотвращения их влияния на результаты измерения. Вначале, однако, рассмотрим электростатику, что позволит лучше понять источник проблемы.
Обзор электростатики
Электрические заряды или заряженные частицы являются точечными источниками электростатического поля. Силовые линии поля всегда начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Сила взаимодействия между заряженными частицами такова, что разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые – отталкиваются. В электрическом поле запасается энергия; количество энергии пропорционально общему числу силовых линий поля, то есть потоку (или общему заряду). Паразитный ток, наводимый в измерительные проводники, прямо пропорционален напряжённости поля. При любом данном напряжении ёмкость описывает отношение заряда на двух проводящих телах к напряжению между ними. Энергия, запасённая в поле, равняется половине произведения ёмкости на квадрат напряжения:
Везде, где существует напряжение, есть распределение положительных и отрицательных зарядов, даже если один из проводников заземлён.
Напряжения создают высокоимпедансное поле. Токи создают магнитные поля с низким импедансом. Волновой импеданс – это всегда отношение электрического поля к магнитному для любой электромагнитной волны. Экраны работают и на отражение, и на поглощение энергии поля. Если импеданс материала экрана сильно отличается от импеданса поля, преобладает отражение. Если их импедансы близки, возможно только поглощение.
Влияние электростатического поля
Заряды, находящиеся вне измерительной цепи, ответственны за множество проблем, возникающих при измерении. Если в пространстве вокруг неэкранированной измерительной цепи находится неподвижный заряд, между ним и проводниками цепи возникнет электрическое поле, линии которого заканчиваются на зарядах противоположного знака. Это поле способно вызвать протекание постоянного тока утечки через измерительные провода. Если заряд или проводник с распределёнными на нём зарядами перемещаются относительно измерительной цепи, в измерительных проводах будет течь переменный ток
вызванный изменениями ёмкости между зарядом или заряженным проводником и проводами, где C – емкость между зарядом проводника и измерительной цепью.
Внешние проводники под напряжением, отличным от напряжения измерительной цепи, оказывают действие, аналогичное точечным зарядам. Когда напряжение на внешнем проводнике изменяется, ток
также будет течь в измерительную цепь. Обе эти ситуации, то есть и точечные заряды, и изменяющиеся напряжения, будут вносить в измерения помехи и паразитные токи. Любая, оканчивающаяся на проводах, линия электрического поля способна навести ток в измерительную цепь. Электрические поля преобладают среди всех видов помех, кроме тех случаев, когда поблизости от измерительного оборудования текут сильные токи, имеются трансформаторы или иные источники магнитного поля. В идеальном случае, все линии электрического поля от внешних источников должны оканчиваться на экранах или охранных проводниках, минуя измерительные провода. И, обратно, все линии поля, исходящие от самих измерительных цепей и оборудования, должны оканчиваться также на экранах и охранных проводниках, но ни в коем случае не на внешних проводниках или зарядах. Когда линии внешнего поля заканчиваются на экранах или охранных проводниках, а не на измерительных проводах, они не влияют на результаты измерений.
Влияние РЧ излучения
Электромагнитное РЧ излучение распространено повсеместно. Любой проводник соответствующей длины, в том числе кабель, соединяющий прибор с источником измеряемого сигнала, может работать как антенна для этого излучения. Несмотря на то, что частота этого излучения находится за пределами полосы пропускания источника/измерительного прибора, оно вызовет протекание переменного тока вдоль антенны (в нашем случае, вдоль измерительных проводов). Когда эти токи доходят до усилителей внутри прибора, они могут подвергнуться выпрямлению, вызвав смещение нуля при измерении. По этой причине оба провода HI и LO должны быть экранированы, чтобы наведённые токи циркулировали по экранам, а не по самим проводам. Как правило, от этих помех предохраняет защитный экран (который находится снаружи общего экрана цепей прибора). Однако чтобы обеспечить полное экранирование на этих частотах, он не должен иметь никаких отверстий или щелей, линейные размеры которых превышают половину длины волны мешающего излучения.
Влияние магнитного поля
Магнитное взаимодействие не связано с токами в измерительных проводах, а, скорее, с наведением напряжений в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Магнитное поле, в отличие от электрического, имеет низкий импеданс. Проводники, пригодные для электрического экранирования, представляют согласованный импеданс для магнитного поля; в результате, они не способны отражать энергию этого поля от проходящих внутри них измерительных проводников. Чтобы экранировать магнитное поле, или силовые линии поля (поток) должны замыкаться через материал экрана (это хорошо работает при постоянных или медленно меняющихся полях с мю-металлом), либо достаточно толстые стенки экрана должны ослаблять поле, поглощая его энергию [1].
Экранирование
Назначение экранирования – ослабить или устранить влияние токов помех на электрические измерения. Эти токи могут вызываться точечными зарядами, электрическими полями и изменениями напряжений. Например, тело человека всегда заряжено. Провода питающей сети внутри и снаружи лабораторного помещения или производственная среда могут создать переменные электрические поля, которые, в свою очередь, наводят паразитные токи. Когда тестируемые устройства заземляются в точке за пределами измерительного прибора, другой потенциал точки заземления (отличный от прибора) вызывает ещё одно электрическое поле, создающее ток в экранирующих оплётках измерительных кабелей. Межобмоточная ёмкость силового трансформатора прибора замыкает цепь для этого паразитного тока. Грозы и изменения погодных условий могут вызвать изменения электростатического поля. Источники ВЧ излучения также могут вызывать токи в измерительных проводах, приводя к смещениям нуля во входных усилителях измерительных приборов из-за эффекта выпрямления. Даже при хорошей погоде Земля создает относительно верхних слоёв атмосферы электрическое поле с напряжённостью порядка 100 В/м.
 |
||
| Рисунок 1. | Правильное использование экрана в тестирующей системе. Электростатический экран соединён с общим проводом схемы. Обратите внимание, что HI и LO провода тоже экранированы. |
|
Электростатический экран предотвращает влияние внешних электрических полей (с высоким импедансом) на измерительные цепи, становясь эквипотенциальной поверхностью для линий поля и отводя их в сторону от находящихся внутри него измерительных проводов. Чтобы экран не замкнул находящиеся внутри проводники, он соединяется с LO клеммой прибора. Эта схема гарантирует, что на цепи внутри экрана действует только потенциал LO клеммы прибора (Рисунок 1). Чтобы быть эффективным, экран должен охватывать всю измерительную цепь. Конструкция прибора уже должна иметь такой экран везде, где это необходимо, и предусматривать его расширение за пределы прибора. Хотя такой экран полезен для любых измерений, он просто необходим при любых высокоомных измерениях (т.е., свыше 100 кОм). Результирующее напряжение помехи:
где
II – наведённый ток,
R – сопротивление измерения.
Такой экран не препятствует протеканию постоянных или переменных токов между ним самим и измерительными цепями; он даёт защиту только от внешних электрических полей.
Эквипотенциальная защита выполняет все те же функции, что и общий экран, а также предотвращает протекание токов утечек между охранными проводниками и измерительными цепями (Рисунок 2). Охранный проводник – это просто экранирующая оплётка кабеля, напряжение на которой поддерживается равным напряжению измерительной цепи (вместо подключения к LO клемме), что исключает существование электрического поля между ним и измерительной цепью. Такая защита используется в цепях, предназначенных для измерения или создания очень малых токов и, как правило, обязательна при токах менее 1 нА.
 |
||
| Рисунок 2. | Правильное использование эквипотенциальной защиты в тестирующей системе. Обратите внимание, что HI и LO провода также экранированы или защищены, а корпус, закрывающий тестируемое устройство, обеспечивает полное электростатическое экранирование. |
|
При измерении токов 1 нА и менее чувствительный узел должен быть сначала защищён от утечек. Приборы, предназначенные для измерения или создания таких малых токов, уже имеют в своём составе подобную защиту. Добавлять экран к эквипотенциальной защите вокруг узла необязательно, но остальные измерительные цепи должны его иметь. Конфигурация электрометра позволяет использовать общий экран также в качестве защиты, поддерживая потенциал чувствительного узла равным потенциалу «земли» (Рисунок 3).
 |
||
| Рисунок 3. | Пояснение конфигурации экрана и эквипотенциальной защиты в электрометре. | |
Это означает, что самое главное различие между экраном и эквипотенциальной защитой состоит в том, что экран предотвращает влияние внешних полей на результаты измерения, тогда как защита, в добавок, исключает протекание постоянных токов утечки, путём окружения чувствительного узла другим проводником под напряжением, равным напряжению самого узла, как внутри, так и снаружи прибора.
