干擾噪聲系統(tǒng)基本知識的探討

想像一下，如果電路不工作，隨處添加一個去耦電容(例如0.01 μF陶瓷圓盤電容)，修好了！或者當(dāng)電路傳出噪聲時，一塊屏蔽體就能解決問題：用金屬片把電路包起來，將屏

蔽體“接地”，噪聲馬上消失！

遺憾的是，現(xiàn)實(shí)中沒有這樣的好事。添加0.01μF圓盤電容只會增加噪聲；屏蔽體完全無效，甚至更糟，噪聲會在電路遠(yuǎn)端重新出現(xiàn)。

此專題分兩部分討論，本文是第一部分，旨在幫助您了解并有效處理電子系統(tǒng)中的干擾噪聲。這里我們將考慮拾取噪聲的機(jī)制，因?yàn)榻鉀Q任何噪聲問題的第一步是確定噪聲來源和耦合機(jī)制，然后才能實(shí)施有效解決方案。稍后我們在第二部分將提供具體技術(shù)建議和有效屏蔽靜電和磁耦合噪聲的原則。

我們討論的是何種噪聲？

任何電子系統(tǒng)都存在許多噪聲來源。表現(xiàn)形式主要有三種：發(fā)射噪聲，與原始信號一起接收且無法區(qū)分；內(nèi)生噪聲(例如發(fā)熱產(chǎn)生的約翰遜噪聲、散粒噪聲和爆米花噪聲)，源自構(gòu)成電路的器件；以及干擾噪聲，從電路外部拾取。干擾噪聲可能源于自然干擾(如閃電)，或者從系統(tǒng)內(nèi)或附近的其他電氣設(shè)備(例如電腦、開關(guān)電源、SCR控制加

熱器、無線電發(fā)射機(jī)、開關(guān)觸點(diǎn)等)耦合進(jìn)來。

本文僅探討最后一類，即人為噪聲，這是數(shù)據(jù)采集或測試系統(tǒng)中最普遍存在的系統(tǒng)噪聲。它在低電平電路中最麻煩，系統(tǒng)任何部分均無法逃脫其影響。但它也是會受布線和屏蔽選擇影響的唯一噪聲形式。

假設(shè)和分析工具

盡管完整、精確描述電氣系統(tǒng)特性必然用到麥克斯韋方程組(意味著更多的數(shù)學(xué)計(jì)算)，但大多數(shù)情況下傳統(tǒng)的電路分析仍然很有用。解決這些問題時，要確保電路分析有效，需做如下假設(shè)：

1. 所有電場局限于電容內(nèi)部。

2. 所有磁場局限于電感直接相鄰部分。

3. 電路尺寸相對于所考慮的波長較小。

使用上述假設(shè)，我們可以將噪聲耦合通道模擬為集總電路元件。將耦合兩個電感的磁場模擬為互感?？蓪㈦s散電容模擬為兩個導(dǎo)體，兩者間存在電場。圖1顯示了一個等效電路情況，其中兩根短導(dǎo)線在系統(tǒng)地上彼此相鄰。

圖1. 兩個相鄰導(dǎo)線和接地層的噪聲等效電路。

一旦獲得某一系統(tǒng)的完整噪聲等效電路，問題就成為針對所需參數(shù)求解其中一個網(wǎng)絡(luò)方程式。所有標(biāo)準(zhǔn)線性電路分析技術(shù)均可應(yīng)用，包括節(jié)點(diǎn)方程、環(huán)路方程、矩陣代數(shù)、狀態(tài)變量、疊加、拉普拉斯變換等等。當(dāng)電路超過5和6個節(jié)點(diǎn)時，手動計(jì)算變得困難；此時必須使用計(jì)算機(jī)輔助程序，例如SPICE，以及其他CAD技術(shù)。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師可以適當(dāng)?shù)睾喕僭O(shè)；但其有效性在得到驗(yàn)證前必須始終警惕。

集總元件方法不一定給出精確數(shù)字答案，但可以清晰顯示噪聲與系統(tǒng)參數(shù)的依賴關(guān)系。繪制盡可能詳確的等效電路可以給如何降低噪聲電平提供思路。一旦寫出網(wǎng)絡(luò)方程和CAD程序，便可研究噪聲抑制技術(shù)的定量影響。

雖然所有現(xiàn)代技術(shù)均在進(jìn)步，例如微處理器和開關(guān)電源，但導(dǎo)線仍具有電阻和電感，電容仍存在于真實(shí)世界，這些現(xiàn)象必須認(rèn)真對待。

基本原理

噪聲問題始終牽涉三個因素：噪聲源(線路瞬變、繼電器、磁場等)、耦合介質(zhì)(電容、互感、導(dǎo)線)和接收機(jī)，即易受噪聲影響的電路(圖2)。

圖2. 噪聲拾取始終涉及噪聲源、耦合介質(zhì)和接收機(jī)。

要解決問題，必須消除、削弱或轉(zhuǎn)移這三個因素中的一個或多個。在可以解決問題前，必須徹底弄清這些因素在問題中的作用。如果解決方案不當(dāng)，噪聲問題只會變得更糟！不同噪聲問題需要不同的解決方案；添加電容或屏蔽體并不一定有效。

系統(tǒng)噪聲類型

任何電子系統(tǒng)中的噪聲來源很多，包括計(jì)算機(jī)、風(fēng)扇、電源、相鄰設(shè)備、測試器件，甚至用于抑制噪聲但連接不當(dāng)?shù)钠帘误w和接地線。我們討論的噪聲源和耦合機(jī)制包括下列主題：

●公共阻抗噪聲

●容性耦合噪聲

●磁耦合噪聲

●電力線瞬變

●其他噪聲源

公共阻抗噪聲

顧名思義，公共阻抗噪聲是由數(shù)個電路共有的阻抗引起的。圖3顯示了基本配置，可能發(fā)生于脈沖輸出源和運(yùn)算放大器基準(zhǔn)端子均連接到“接地”點(diǎn)的情況，該點(diǎn)對電源返回端子有明顯阻抗。噪聲電流(電路1的噪聲返回電流)將在阻抗Z兩端產(chǎn)生電壓Vnoise，該電壓對電路2表現(xiàn)為噪聲信號。

圖3. 公共電路阻抗如何產(chǎn)生噪聲。

通常，此類噪聲的重復(fù)率取決于噪聲源速率。實(shí)際波形由阻抗Z的特性決定。例如，如果Z完全是電阻式，噪聲電壓將與噪聲電流成正比，并具有相似形狀(圖4a)。如果Z為R-L-C，噪聲電壓將以頻率1/(2πLC)振鈴，并以L/R (b)確定的速率呈指數(shù)性衰減。

如果在電路中發(fā)現(xiàn)此類噪聲，可以從重復(fù)率和波形很容易地推斷出原由。重復(fù)率將指向噪聲來源，因?yàn)樵肼暸c其來源是同步的。

例如，(c)中所示的噪聲波形(重復(fù)率25kHz，占空比25%)就是包含調(diào)節(jié)環(huán)路并使用脈寬調(diào)制的開關(guān)電源的典型波形。

圖4. 公共阻抗中的噪聲效應(yīng)，(a)電阻，(b)R-L-C電路，(c)開關(guān)噪聲響應(yīng)。

波形有助于確定實(shí)際產(chǎn)生干擾噪聲的阻抗。例如，如果噪聲波形是圖5所示的簡單阻尼正弦波，以下特性可幫助我們推斷Z的性質(zhì)：

● 恒定電阻R與線路串聯(lián)。電壓變化V1是R與電流階躍I1的

乘積。

●振蕩自然頻率f1取決于串聯(lián)的L和并入的C，f = 1/(2πLC)。

●阻尼時間常數(shù)T由L/R決定。

圖5. 欠阻尼R-L-C電路的波形。

容性耦合噪聲

噪聲源至另一電路的容性耦合也會產(chǎn)生噪聲。此類噪聲常見于具有快速升降時間或高頻成分的信號靠近高阻抗電路的情況。雜散電容將信號快速沿耦合至相鄰電路，如圖6的電路模型所示。阻抗Z的性質(zhì)決定響應(yīng)波形。表1列出了典型電容。

圖6. 雜散電容將噪聲耦合至高阻抗電路。

表1. 典型電容。

容性拾取發(fā)生的方式、形狀和大小有多種。下面是幾個示例：

●TTL數(shù)字信號產(chǎn)生快速沿，典型上升時間為10納秒，電壓擺幅為5 V。如果Z是1兆歐電阻，即使0.1pF也會產(chǎn)生5 V尖峰和100納秒的衰減時間常數(shù)。

●兩根相鄰導(dǎo)線間可能產(chǎn)生串?dāng)_。例如，如果兩根導(dǎo)線是10英尺(3米)長度的電纜，電容為40 pF/英尺，則總電容為400 pF。如果在一個導(dǎo)體上施加1 kHz的10 V測試電壓，當(dāng)Z是10 k電阻時，1 kHz的250 mV電壓將耦合至相鄰導(dǎo)線。

●通過公共阻抗在交流電力線上產(chǎn)生的噪聲將耦合至其他電路。常見情況是瞬變通過電源變壓器的繞組間電容耦合。

令人驚奇的是，小小的電容竟能導(dǎo)致嚴(yán)重問題。例如，考慮高抗擾度CMOS邏輯用于工業(yè)電路中的情況，電路中存在2500 V、1.5 MHz噪聲瞬變(IEEE標(biāo)準(zhǔn)472-1974)。假設(shè)CMOS輸入與噪聲源之間僅有0.1 pF的雜散電容，如圖7所示。計(jì)算出的噪聲電壓為2.4 V，穩(wěn)態(tài)下，50 V的初始瞬變將導(dǎo)致邏輯運(yùn)算錯誤，甚至更壞的情況！

圖7. 高壓瞬變從測試發(fā)生器耦合至邏輯。

磁耦合噪聲

電纜載送電流、分配交流電源時，以及機(jī)器、電源變壓器、風(fēng)扇等附近均可發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場。磁耦合電路與容性耦合電路間存在類似的關(guān)系，如圖8和表2所示。

● 噪聲為磁耦合時，電壓噪聲(Vn)表現(xiàn)為與接收機(jī)電路串聯(lián)；而在容性情況下，接收機(jī)與地電壓間產(chǎn)生的電壓噪聲是噪聲電流in在Z中造成的電壓。

●降低接收機(jī)阻抗Z可減少容性耦合噪聲。磁耦合電路則不同；降低Z不會顯著減少電壓噪聲。

圖8. 磁噪聲耦合與容性噪聲耦合的比較。

表2. 容性耦合與磁耦合的特性。

此類比可幫助我們考量容性耦合噪聲與磁耦合噪聲間的差異。

磁場在閉合環(huán)路(單匝)內(nèi)的感應(yīng)電壓Vn由下式給出：

Vn = 2πfBA cosθ×10-8 (1)

單位為伏特，其中f是正弦變化通量密度的頻率，B是通量密度的均方根值(高斯)，A是閉合環(huán)路面積(cm2)，θ是B與面積A的角度。

例如，考慮圖9所示電路。它顯示的是兩個一英尺導(dǎo)體的電壓計(jì)算，導(dǎo)體相隔1英寸，置于10高斯60 Hz磁場內(nèi)(對于風(fēng)扇、電源布線、變壓器很典型)導(dǎo)線內(nèi)最大感應(yīng)電壓為3 mV。
。

上面公式說明，噪聲電壓可通過降低B、A或cosθ來減少。要降低B項(xiàng)，可增加與磁場源的距離，在磁場由流經(jīng)導(dǎo)線對附近的電流引起的情況下，也可絞繞導(dǎo)線，通過交替方向?qū)舸艌鼋抵亮恪?/p>

環(huán)路面積A可通過讓導(dǎo)體彼此更加靠近來縮減。例如，如果本例中的導(dǎo)體相隔0.1(僅靠絕緣分離)，噪聲電壓將減小至0.3 mV。如果將導(dǎo)體絞繞在一起，面積事實(shí)上會減小至很小的正負(fù)增量，從而消除(實(shí)際是抵消)磁噪聲。

cosθ項(xiàng)可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)接收導(dǎo)線相對于磁場的方向來降低。例如，如果導(dǎo)體與磁場垂直，噪聲可降至最低，如果導(dǎo)體在相同電纜內(nèi)一起延伸(θ = 0)，噪聲將達(dá)到最大。

當(dāng)兩個導(dǎo)體并聯(lián)時，在給定互感M下，以角頻率ω = 2πf載送電流I2，均方根感應(yīng)電壓Vn為：

Vn = ωMI2 (2)

圖10. 流經(jīng)電纜屏蔽體的電流引起的磁噪聲。

圖10顯示了運(yùn)用此關(guān)系的情形，并說明僅將屏蔽體一端接地的原因。使用100英尺屏蔽電纜，將高電平低阻抗信號(10V)載送至12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(1 LSB = 2.4 mV)。屏蔽體每

英尺串聯(lián)電阻為0.01歐姆，與導(dǎo)體的互感為0.6μH/英尺，源極和目的地均已接地。兩個接地點(diǎn)間在60 Hz時存在1 V電位，使1安培電流流入1歐姆的屏蔽體總電阻。根據(jù)公式

(2)，導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)噪聲電壓為：

Vn=（2π×0.6×10-6H)(1 A)=23 mV,

即10 LSB，從而將系統(tǒng)有效分辨率降低至9位以下。由于屏蔽體兩端均接地，流入屏蔽體的大電流是產(chǎn)生該噪聲電壓的直接原因。而且，接地點(diǎn)間的1伏特電位只是保守假設(shè)！在重工業(yè)環(huán)境中，接地間電位達(dá)10至50伏特都不罕見。

電力線瞬變

另一類系統(tǒng)噪聲是感性電路(例如繼電器、電磁閥和電機(jī))開啟和關(guān)閉時由高壓瞬變產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)具有高自感的器件關(guān)閉時，塌縮磁場可在電力線上產(chǎn)生頻率從0.1至3兆赫的千伏級瞬變。

除通過容性和電導(dǎo)耦合以及輻射能量在敏感電路內(nèi)產(chǎn)生噪聲外，上述瞬變也會危及設(shè)備和人員。業(yè)界已建立表征特定瞬變波形的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)；不過，設(shè)計(jì)時除了抗噪外，系統(tǒng)也應(yīng)解決對信號的潛在干擾問題。圖11顯示了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的4種典型波形。

其他噪聲源最后，有一組噪聲源可視為混雜的或“古怪的”。

對于高阻抗下的低電平信號，電纜本身也可成為噪聲源。電纜內(nèi)的電介質(zhì)材料上可以產(chǎn)生電荷；如果電介質(zhì)與導(dǎo)體無接觸，除非電纜可保持剛性，否則此電荷將成為電纜內(nèi)的噪聲源。此噪聲高度依賴于電纜的任何運(yùn)動；Belden Corporation曾報告噪聲電平為5至100 mV。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)移動和彎曲RG188同軸電纜時，也觀察到類似特性的噪聲(5至25 mV)。

另一類運(yùn)動相關(guān)噪聲發(fā)生在電纜穿過磁場的情況。當(dāng)電纜切割固定磁通線或者通量密度B變化時，電纜內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這種噪聲在可能使電纜快速運(yùn)動的高振動環(huán)境下很麻煩。如果可以阻止電纜相對于磁場的振動，噪聲便不會出現(xiàn)。

最后，如果儀器儀表靠近廣播電臺或電視臺工作，信號可能受傳輸噪聲影響。除AM、FM和電視發(fā)射機(jī)外，RFI也可能來自CB無線電、業(yè)余無線電、對講機(jī)、尋呼系統(tǒng)等。由于對RF噪聲進(jìn)行整流，高頻噪聲應(yīng)視為直流電路中存在神秘漂移的可能來源；調(diào)查漂移時必須使用寬帶示波器。

總結(jié)

本文詳細(xì)說明了任何電子系統(tǒng)中都會存在的不同類型干擾噪聲。表3列出了上述噪聲源，以及解決噪聲問題的一些有效方法。了解使用降噪技術(shù)前的完整噪聲系統(tǒng)(來源、耦合介質(zhì)、接收機(jī)和關(guān)聯(lián))非常重要。

降噪不需要魔法師一樣的手段，通過工程師的實(shí)踐和分析就能解決。毫無疑問，最有效的方法是預(yù)防，也就是在構(gòu)建系統(tǒng)前應(yīng)用降噪分析和最小化技術(shù)。

我們在第二部分將說明如何正確應(yīng)用屏蔽和防護(hù)技術(shù)來降噪。