Уважаемое сообщество, помогите с выбором концепта земли для фотопреобразователя малых токов. Он состоит из блока фотодатчика,фотоусилителя, преобразователя U/F, и цифровой части. Каким образом должно выглядеть заземление всего устройства, чтобы избежать сквозных токов через разъемы земли.

Опишу места откуда приходят разные земли
1. Блок питания, он лежит минусом на земле (а точнее через празитную индукивность, если мерять на чистую землю то видны нехилые всплески)
2. Корпус и GND разьема rs232, который тянет такую же грязную землю из блока питания PC
3. Аналоговый выход фотоусилитля, который подключен к осциллоскопу и принимает от него через коакс. кабель его же землю
4. Фотодатчик (фотодиод с термостабилизацией в корпусе), к нему идет кабель питания и триаксиальный сигнальный кабель. Причем внешний экран триакса может получать землю от металлической конструкции, к которой будет прикручен фотодатчик (Можно, конечно, и изолировать, но емкостная связь будет)
(5.) Заземление на корпус (необязательно, т.к. блок питания дает землю на минусе)

Подскажите концепт как с наименьшими потерями в точности развязать эти земли. В литературе говориться, что разделять земли и делать звезду нехорошо, одна общая земля и внимательно следить за возвратными токами, избегать петель и т.д. Но в моем данном случае устройство сосотоит из одной платы и алюминиевого корпуса, причем на одной стороне разъемы для фотодатчика и аналогово выхода, а на другой все остальное (питание, DB9 штекер RS232). Поетому боюсь делать сплошную полигон земли на плате, ведь если к примеру с одной стороны земля от блока питания, а с другой аналоговый выход, подключенный к осциллоскопу то через всю плату будут течь неукратимые токи НЧ+ВЧ. Боюсь поймать это все на входе фотоусилителя. Скажу что, первый каскад в самом чувствительном диапазоне имеет 1ГОм сопротивление (точнее 100МОм и с помощью Т-образного включения еще в 10 раз увеличивает).

И все это еще осложняеться тем, что напряжение питания 24В преобразуються DC/DC в 5В для цифры и в +/-15В для аналоговой части. Потом из +/-15В через линейный регулятор обрезается до +/-12.

Опишу немного схему. Трансимпедансный первый каскад собран на AD549 с декадой сопротивлений для разных диапазонов и потом еще 10-кратное усиление вторым каскадом. 7 диапазонов, от 0.1нА/В до 100мкА/В U/F. преобразователь AD652 и АVR Atmega16 (32) для управления всем этим.

Буду благодарен за советы и идеи.

Я бы сделал так:
Все "грязные земли" и земля аналогового выхода на одной стороне платы;
Вход фотодатчика и его усилитель на другой стороне;
Усилитель фотодатчика с дифференциальным выходом;
Питание усилителя фотодатчика двухступенчатое, сначала стабилизаторы/фильтры +- 15В с грязной стороны, и +- 12В на чистой стороне;
Если дифференциальный выход для внешнего приемника сигнала неприемлем, то преобразователь дифф сигнала в однополярный на грязной стороне платы.

А что можно предпринять против заземления фотодатчика извне

Есть еще такой способ. Ставится ОУ - повторитель "земли". Его выход - на землю осциллографа. Фактически - дифференциальный выход получается.
А почему у Вас датчик через кабель к усилителю, а не сначала на усилитель, а потом кабель? Низкочастотная схема?
Последовательный выход можно развязать оптикой или спец. изделиями от AD.
Лучше бы Вы схему нарисовали...

Сделал бы так -
1. Датчик с усилителем и фильтрами питания в одной фрезерованной коробке, корпус гальванически отвязан от шасси , полярность выхода или дифф экспериментально.
2. Блок питания на шасси со всей прочей требухой - от него идёт компорт (через оптику) , проводок к блоку 1 , выход на контроль (осцилограф) итд.

А что делать с температурным дрейфом и относительно высокоимпедантным (10кГц-100кГц) выходом ОУ (по сравнению со сплошной землей). Небольшой ток по земле через кабель осциллоскопа будет двигать выход ОУ еще больше чем сплошную землю (поправте пожалуйста, если ошибаюсь)


Это было бы оптимальное решение, но из-за размеров данчика это невозможно. Туда просто не влезет печатная плата, да и к тому же она должна быть круглой 30мм в диаметре, плюс фотодатчик уже имеется, а на новая разработка не выгодна. Компромис, небольшая длина кабеля 3 метра. И режим фотодиода, где течет фототок на низкоимпедансный вход.


Согласен, но не имеет смысла, так как нужна не защита входов а развязка с землей. Просто оптику надо питать, и для большой скорости LED оптрона очень даже прожерлива и создает очень нехорошие токи, которые загрязнят землю. Землю то к ним нужно так или так подводить, если я вас правильно понимаю. Решение через емкость или трансформатор слишком экзотическое да и так же требует питания.


Вот, прошу строго не судить... очень быстро накалякал, но думаю что из этого будет ясно



Не смог прикрепить прикреплялкой с этого форума, она у меня глючит, после загрузки пишет ноль файлов загружено. Так что пришлось выложить так



Конечно, это идеальный вариант, во фрезерованой коробке, но так как планирую до 20 штук таких вот приборов, фрезерование дорого. Надо обойтись обычной коробкой экранирования из луженной жести с крышкой. На одну сторону платы и на другую. А что даст гальваническая отвязка аналогового экрана, он будет летать в воздухе по отношению к общему корпусу, хотя думаю небольшая емкостная связь с корпусом быть должна.
Да и нельзя ее повесить в воздухе, так как кабель фотодатчика и сам фотодатчик экранируються потенциалом этой коробки. (если ошибаюсь, поправте)

На счет выхода, думаю что дифф выход не прокатит, так как очень неудобно, нужно BNC и желательно чтобы масса BNC на корпусе. И на сколько это страшно, если один дифф выход на жилу, а другой на массу BNC? Если BNC будет заземлен извне? Не ухудшит ли это ситуацию?

Что вы подразумеваете под "полярность выхода". Неужели если выход не положительным будет по отношению к массе а отрецательным, то это что-то даст? Слышал что у ОУ, у тех которые смещение через -V компенсируют, нужно очень хорошо это -V развязывать через конденсаторы на землю. А +V можно не так хорошо.

У Вас, мне кажется, классический первый каскад, по схеме приемника тока, на ОУ с малыми вх. токами. С хорошим ОУ, такие схемы даже без экрана работают удовлетворительно. В качестве фототока используется обратный ток диода. В книжках по полупроводникам (типа Степаненко, и в "Искусстве схемотехники") на диод подают запирающий потенциал. В Вашем случае - это положительный потенциал на катоде, который сейчас на земле. (Для того, чтобы на прямую ветку диода ни ногой. На прямой ветке токи гуляют намного большие). Еще В книжках про усилители заряда для пьезодатчиков есть материал. Там похожие проблемы.

Спасибо за ответ. Да, так и есть, схема классическая и привел ее по просьбе. Про то что на прямую "ветку ни ногой" это имеется ввиду прямая пропускная линия? Там ведь до 0.3В ничего не может течь. Буду разбираться, зачем нужно запирать еще дополнительным напряжением. У меня пока работает без запирания, вижу изменения в 0.1 пА, но зашумлено если пересчитать на 100пА, так что по среднему значению можно раличить.

Спасибо всем ответившим. Немного углубились в тему, на самом деле меня интерессует следующее. Конструктивно очень сложно оторвать оплетку триакса фотодиода от корпуса и земли, так же сложно оторвать экран BNC выхода от корпуса и земли. На сколько я понял предпринять что-то не реально. Решение с дифф выходом или повторителем земли, мне кажеться через него все равно будет течь ток и попадать на вход

Напишите что за датчик, с какими параметрами, зачем делается - без этого разговор не получится. Фрезеровать на станке с чпу - примерно 1000р за корпус в партии 50 штук. Если это датчик освещённости лучше взять готовый например у TI или тут недели 2 или 3 назад была тема про такой датчик. Судя по схеме - шуметь будет сильно , но не знаю , насколько это критично.

Похоже, Вас интересуют совсем низкие частоты... Тогда смещение совсем не нужно...
Ток при создании искусственной земли течет в питание. А земля очищается...
В общем виде, проблемы, которые Вас волнуют, не решаются... Иначе, это решение уже давно было бы известно.

Сейчас большинство осциллографов умеют вычитать один канал из другого, вход при этом будет высокоомным и тока практически не будет.
А если дифф выход нужен только для контроля, то можно обойтись дешевым операционником.

Датчики делаем мы сами по требованиям клиентов, устройство очень простое, фотодиод от хамаматцу (размер и параметры зависят от измерений (чувствительности) для которых он нужен клиенту). Фотодиод включен в фотодиодном режиме, см. схему вверху и подключен к жиле и внутреннему экрану триаксиального кабеля. Внешний экран подключен к выточенному цилиндрическому алюминиевому черному (элокс.) корпусу. Важные парапетры отнють не скорость, а стабильность и в некоторых случаях чувствительность (даже можно в некоторых случаях заменить фото-умножитель например). Поэтому датчик оснащен термостатом, который питаеться отдельно и через отдельное гнездо параллельно питанию усилителя. Самое важное в этом датчике это кривая V(lambda), которая очень точно совпадает с нормированной чувствительностью человеческого глаза.

Про корпус уже определился, будут две половинки алюминиевого профиля, сложенные одна на одну и две панельки с торцов, где будут все разъемы. В профиль будет въезжать печатная плата в евро-формате 160х100мм. А экранирование будет не фрезерованное а согнутое из жести с крышечкой, он будет устанавливаться на плате, с обеих сторон.

С чего вы взяли, что будет сильно шуметь? Так как нам после 500Гц сигнал не нужен, да и U/F конвертер интегрирует, там у него 1,5 нФ кондер полимерный стоит. Я уже писал, что основную неприятность составляют иголки преобразователей DC/DC. Они пролазят через питание, да и через выше описанные петли земли. А когда подключаешь осцил, то ситуация ухудшается из-за грязной земли



Да, так и есть. Я никогда не работал со смещением, но после совета почитал и тоже пришел к выводу, что оно не нужно. Меня интересует частный случай решения проблемы, когда и датчик и выход могут лежать на разных землях.



Это верно, так я и меряю загрязненность моей земли, на два канала, а потом math в меню, осцил tectronix. К сожалению это не контрольный выход, пользователь если не доверяет нашему преобразователю, должен иметь возможность подключения своего преобразователя из аналог в цифру. Так что одним осциллоскопом не обойтись. Можно, конечно, предписать только дифф выход, но возникнут сложности, так как не у всех есть дифф вход. Ищется компромис.

Я так понимаю , что датчики Ваш бизнес и потому замена на готовый не рассматривается...

Часто помагает сделать для конвертеров медные экраны и подключить их отдельно к шасси.

Петель по земле следует избегать, поэтому я предлагал вынести датчик в отдельную коробку

Есть изолирующие усилители от TI например.

Ну так используйте высокочастотные DC/DC, 1-2 МГц сейчас не проблема.

Поставьте обычный дифф усилитель между чистой и грязной землей.