数字仪器的Guard端用法

李祚亮等：数字仪器的Guard端用法67数字仪器的Guard端用法李祚亮苏欣刘威伟(中国空气动力研究与发展中心校准测试实验室，四川绵阳621000)摘要:数字仪器的Guard端用于屏蔽和保护，防止电流泄露。本文对Guard端按工作原理进行分类，分别介绍了其功能、原理和接线方式，从

而达到提升测量分析技术能力，保证测量正确，提高测量数据准确性。关键词：泄露;Guard ;电压跟随器;测量中图分类号:S477 +. 3 文献标识码：A 国家标准学科分类代码:460. 4030DOI：10. 15988/j.

cnki. 1004 -6941.2018.07.024Usage about Guard Terminal of Digital InstrumentsLi Zuoliang Su Xin Liu Weiweiinstrument

is

used

the

Abstract ：

The

Guard

terminal

of

digital

for

shielding

and

protection

its

function

rent.

This

paper

classifies

the

Guard

terminal

according

to

working

principle，introduces

ple

and

connection

mode

respectively，

so

as

to

improve

the

technical

ability

of

measurement

analysis，

ensure

theaccuracy

of

the

measurement

ds ：

leakage ;

Guard ;

voltage

follower ；

measurement

0引言泄漏电流是测量电路与附近电源、地之间的寄

生电阻、电容通路产生的，它大大降低弱电流测量的

准确度。为了降低泄漏电流，应当使用高质量的绝

缘材料，降低测试环境中的湿度，以及采用保护技

术。一些数字仪器，特别是高位数字仪器，纷纷采

用了保护技术，通过外部Guard端来实现。按工作原理分类，Guard端可分为V -

Guard、Ca­ble -

Guard 和

n -

Guard 三大类。Fluke 5720多功會旨校

在进行电压、电流和电阻的测量过程中，为了避

免形成接地回路电流，V-

Guard与Lo端的连接要

么在源端要么在表端，并且在一个系统中除机壳外

只能有一个接地点。准源

I -

Guard 属于

Cable -

Guard,

Keithley 6220 直流

电流源的

Banana

Jack

Guard 属于

n -

Guard。Inner

shield金属壳是仪器内部电子线路的保护

图1数字电压表测量直流信号源的连接图数字电压表测量直流信号源的连接情况如图1

所示。直流信号源的Lo、Inner

Shield、V-

Guard、机

壳与大地相连，并与数字电压表的V-

Guard相连;

数字电压表的Lo与V -

Guard断开。共模噪声

和通过V -

Guard相连形成一个低电阻通路，对

信号线路1和2没有影响，从而消除了共模噪声对

测量的影响。壳，与机壳绝缘，一方面对内部形成物理保护，另一

方面在交流电源变压器的初级和次级之间形成了一

个电屏蔽层，能够保护模拟电路。V-

Guard —般直

接连接到

Inner

shield,

Cable -

Guard、n -

Guard 与

Inner

shield之间有一定的电阻。1

V-Guard的用法V -

Guard仅仅是仪器内部Inner

shield的外部连接端。收稿日期：018-05-08

682

Cable -

Guard 的用法在电压源或电流源输出端直接连接到一个

电压跟随器，电压跟随器输出端连接到外部Guard

端，且Guard端为高内阻输出，Guard端和Hi端电位

相等，称为Cable -

Guard。Cable -

Guard高内阻输

出是为了防止电路震荡，但驱动能力小。Cable-Guard主要用于在弱电流测试中消除

Hi和Lo端之间的泄露电流。2. 1

Keithely 6220 的

Cable -

Guard 用法6220直流电流源使用Triaxial

Cable测试线，设

置

Triax

Inner

Shield 为

Cable -

Guard 和

Output

Low

为

Earth

Ground，或者设置

Triax

Inner

Shield 为

Ca­ble

Guard 和

Output

Low 为

Lo

Banana

Jack ，

Tri

axial

Cable的黑线就是Cable -

Guard，其电位等于Output

Hi电位。图2中，6220使用Triaxial

Cable测试线输出

100nA 〜1GI!的

DUT。Triaxial

Cable 测试线有连接

Hi、Lo和Cable -

Guard端的三条线：Hi线、Lo线和

Guard线，假设Hi线和Lo线分别与Guard线之间的

泄露电阻、电容为'、^1和A2、Ci2。Cable -

Guard

和Hi端电位相等，Hi端的电流不会通过'2和Ch

进行泄露，而通过'2和的电流则不会经过DUT

且这个电流不是Hi端的电流而是由Cable -

Guard

提供（Cable -Guad端内部的电压跟随器是高阻抗

输人，对Hi端的电流没有影响，Cable -

Guard的输

出电流是由运放供电电源提供的）。因此，流过

DUT的电流^就是620输出电流人。Hi 1〇---------► 100mA图2 6220使用Triaxial

Cable的连接图图3 6220使用测试夹具的连接图测试中，常常使用测试夹具。图3中，6220使

用的测试夹具由一个金属保护板和二个绝缘连接柱《针量与测试技术》2018年第45卷第7期组成，二个绝缘连接柱之间固定一个1GI!的DUT。

Cable -

Guard连接到金属保护板，Hi线和Lo线分

别与金属保护板之间的泄露电阻、电容为'^和Ri2、Ci2。Cable -

Guard和Hi端电位相等，Hi端

的电流不会通过'i和进行泄露，而通过^、ci2

的泄露电流对没有影响。2. 2

Fluke 5720A 的

I -

Guard 用法5720A多功能校准源的I -

Guard测试原理与

Cable -

Guard 相同。5720A在后面板提供了一个电流屏蔽保护端I

-Guard，只有当5720A在交流电流功能下才激活。

当5720A通过长电缆提供低电压的交流电流时，为

了提高精度，需要使用I -

Guard。I -

Guard是电压

驱动，与Output

Hi端电位相等同相，I -

Guard电压

是DUT负载电压、接触电阻电压和电缆损耗的总

和。当I -

Guard连接至Triaxial

Cable的内屏蔽层

时，Triaxial

Cable内屏蔽层使用相同电势的同相电

压包围着输出电流，从而阻塞了潜在的漏泄路径。2. 3

Keithley 2400 的

Cable

Guard 用法图4 2400输出电压的Guard内部连接图2400源表作为电压源输出时有2线或4线输

出，并且能够测量输出电压和电流。2线出输出不

使用Remote端。图4为4线输出电压的Cable -

Guard内部连接

图，电压源输出K，电流表4显示输出电流值，电压

表F通过Sene端测量DUT端电压，表F连续监测

输出电压并且调整Ks输出，Cable -

Guard端与

Sense端电位相等，并连接到Triaxial

Cable内屏蔽层

或测试夹具上以消除泄露电流。比如2400需要输

出lV，s首先输出IV，表K测量为0.99V(由于引

线电阻引起DUT端电压下降），则调整K输出比IV

大一点，通过连续的监测、调整，最终表K的测量电

压为1V，DUT端的电压就是IV。4线电压输出消

除了 2400到DUT之间导线上的电压降，使DUT上

李祚亮等：数字仪器的Guard端用法得到的电压就是2400显示的电压值。3

n -

Guard的用法n -

Guard主要用于电阻网络中某一电阻的测

量，也可作为电压表测量端子进行电压测量。3. 1 2400 的

n -

Guard 用法2400的n -

Guard工作原理为:测量电阻时，恒

流源输出电流到电阻网络，恒流源Hi端和n -

Guard端电位相等，且n -

Guard端为低内阻输出。

n -

Guard低内阻输出，内阻一般为1

n，是为了能够

提供较大的输出电流。2400测量电阻网络中的连接如图5所示，2440

内部恒流源通过Input

Hi输出/s，如果连接n -

Guard的导线电阻心可以忽略，则A和B端电位相

等，忍=0，被测电阻^流过的电流等于，2400就能

准确的测量到^的电阻值。如果心不可忽略，则A

和B端电位不相等，^#0,此时就需要把A端连接

Guard -

Sense 端，Guard -

Sense 用于监测

A 点电

压，并反馈给内部运放调整n -

Guad的输出电压，

通过反复监测和调整使A和B点电位相等。Guard

!-Guard

Sense_

1! $8Input Hi •240010k!20k9!私100! R3L*」_^图5 2400测量网络中电阻的连接图3. 2 6220 的

Banana

Jack

Guard 用法6200 的

Banana

Jack

Guard 和 2400 的

n -

Guard

原理一样，电流源Hi和Banana

Jack

Guard端电位相

等。Banana

Jack

Guard用于测量620输出端Hi的电

压。图6测量6220输出端电压的连接图如图6为用低阻电压表测量6220输出端电压

的连接图。当测量高阻两端电压时，电压表内阻不69足够大的情况下，就需要在Banana

Jack

Guard端进

行电压测量，因为Hi通过电压跟随器连接到Banan-

a

Jack

Guard，电压跟随器是输人阻抗很大而输出阻

抗很低，低阻电压表就能正确的测量被测电阻圪电

压。620的Banana

Jack

Guard端测量电压的技术

指标为±lmV，62〇0的Cable -

Guard端测量电压的

技术指标为10mV。3.3

Fluke 8508A 的

n -

Guard 用法8508A参考级数字多用表的n -

Guard用于电

阻网络中某一电阻的测量。8508A的n -

Guard与

2400的n -

Guard工作原理是不同的。8508A的n -

Guard工作原理为:8508A测量电

阻时，打开Ext

Guard功能，在某电阻档设定输出电

流为^设定，内部恒流源通过Input

Hi输出/s，且/s =

/设定，n

-

Guard端和Input

L〇端电位相等，8508A的

Input

Lo端连接一个Lo端跟随器，Lo端跟随器连续

检测Input

Lo端电压并调整输出电流/s大小，最终

使流过被测电阻的电流等于/设定。图7 8508A测量网络中电阻的连接图图7为8508A测量网络中电阻的连接图，需要

测量电阻网络Ra、R6、&中的圪，&为A点〜n -

Guard端的导线电阻。n -

Guard端和Input

Lo端电

位相等（n -

Guard端和Input

Lo端实际上就是运放

的输入的+和-端），因此A =0;8508A在200n电

阻档设定电流为/设定=10mA，恒流源首先输出/s =

10mA，Lo端跟随器检测Input

Lo端的电流A。#

10mA时，Lo端跟随器调整恒流源/5增加输出，这样

通过Lo端跟随器不断检测和调整A使A。= 10mA，

也就是流过被检电阻^的电流A = 10mA;8508

A通

过Sense端测量到圪两端电压K;8508A最后测量

得到网路电阻中圪电阻为圪=f//A。图7中，改变圪的大小，当圪=150n时，A =

0，A =/设定=10mA，计算得到

A

=A +

(A

=16. 7mA，如果&更小则A将超过16. 7mA，此时测

70得的^值将是错误的，也就是8508A在2001!档最

大输出为16. 7mA。必须注意:根据说明书测量误差公式£ = ( 乂

X

^■)/(

A ，可见越大和^越小则误差越小。一般要求心和A均不小于lk!，'小于1!。4各种数字仪器Guard的内部连接情况不同的数字仪器，V -

Guard与Input

Lo/Output

Lo,Inner

Shield与Ground，它们的连接不尽相同，下

面具体列举了几种数字仪器的控制连接情况。4. 1 5720A的Guard内部连接情况V -

Guard 测量：Ex

Grd 灯不亮

V -

Guard 与

Output

Lo相连，Ex

Grd灯亮则断开；V-

Guard与

Inner

Shield 相连；V-

Guard 与

Ground 用可拆短接

片相连。I -

Guard 测量:原理等同

Cable -

Guard。4. 2

Fluke 5520A多功能校准源的Guard内部连接

情况V -

Guard 测量：Ex

Grd 灯不亮

V -

Guard 与

Output

Lo相连，Ex

Grd灯亮则断开；V -

Guard与

Inner

Shield 相连；Earth 灯不亮

V-

Guard 与

Ground

断开，Eath灯亮则相连。4. 3

HP 3456A和3458A数字多用表的连接情况

V-

Guard 测量：当设置“

Guard

to

Lo ” 时，V-

Guard 与

Input

Lo 相连；V -

Guard 与

Inner

Shield 相

连;V -

Guard 与

Ground 断开。4.4 8508A的Guard内部连接情况V -

Guard 测量:选择

Ext

Grd，V-

Guard 与

In­ner

Shield 相连，

Inner

Shield 与内部模拟地 （ 内部模

拟地是系统中模拟电路零电位的公共基准地线，不

是外部接地端，也不是Input

Lo端）断开;不选择Ext

Grd，V -

Guard是孤立的，Inner

Shield与内部模拟地

相连;V -

Guard和Ground断开。! -

Guard 测量:选择

Ext

Grd，！ -

Guard 与

In­ner

Shield 相连，

Inner

Shield 与 内部模拟地相连，！

-Guard 与

Input

Lo 等电位。4. 5 2400的Guard内部连接情况Cable -

Guard 测量:Cable -

Guard 为高阻输出

内阻为10k!。! -

Guard测量-

Guard为低阻输出内阻为1!。

4. 6 6220的Guard内部连接情况Cable -

Guard 测量：Cable -

Guard 与

Inner

Shield之间有1

k!电阻，Cable -

Guard为高阻输出

内阻为10k!。《针量与测试技术》2018年第45卷第7期测量Cable -

Guard内阻的方法:6220的Cable

-Guad的内阻测量连接如图8所示，在6220输出

人=1nA到' =1G!电阻上，则 '上有IV电压，Hi

端通过一个电压跟随器连接到Cable -

Guard，Cable

-Guad内阻为 '，电压跟随器的输出端G点电压

为1V，在Cable -

Guard和Lo之间串一个电流表A

(有100!内阻）和一个' =900!电阻，测得电流

为忍=91uA，则可算的' =9. 989k!，因此Cable -

Guard 内阻为 10k!。图8

Cable -

Guard的内阻测量连接图Banana

Jack

Guard 测量：原理等同！ -

Guard,

! -

Guard 与

Inner

Shield 之间有 1

k!电阻；Banana

Jack

Guard为低阻输出，内阻测量可以用图8所示

方法进行测量，测得:2uA及以下档位内阻为100!，

20uA档及以上为1!。5结束语并非数字仪器有Guard端，而一些模拟仪器也

有，如测量绝缘电阻的摇表和直流检流计等;有的仪

器有几个Guard端，一个Guard端可能有几个功

能。本文只是列举了几种数字仪器的Guard端用

法，实际使用中必须熟悉Guard的功能、原理和接线

方式，了解Guard端的电压、电流局限性，才能保证

测量正确，提高测量数据准确性。参考文献[1 ] 5700A/5720A

Series

H

calibratior

Operators

Manual.

USA：

Fluke, 1996.[2] 8508A

Reference

Multimeter

Users

Manual.

USA：

Fluke,2002.[3]

Series 200

SourceMeter

User's

Manual.

USA,2007.[4]

Model 6220

DC

Current

Source

Users

Manual.

USA,2008.[5]

Keithley.在使用SMU的安培计时如何降低泄露电流.ht-tp: //www.

keithley.

com.

cn/llm/.作者简介:李祚亮，男，高级工程师。工作单位：中国空气动力研究与

发展中心校准测试实验室。苏欣，刘威伟，中国空气动力研究与发展中心校准测试实验室

(绵阳 621000)。