第三章干扰噪声及其抑制2015..ppt

微弱信号检测,3干扰噪声及其抑制(如疾病与防治)(电磁兼容性EMC）,3.1环境干扰噪声（what？）3.1.1干扰噪声源(1)电力线噪声:尖峰脉冲，工频电磁场，电网电压波动(2)电器设备噪声:放电（辉光、弧光、火花、电晕）噪声(3)射频噪声(4)接地电位差噪声(共模)(5)雷电噪声(6)天体噪声(7)机械噪声:摩擦、压电、颤噪等效应噪声，导体在磁场中的运动(8)其他噪声:电化学、温度、触点等噪声,1,3干扰噪声及其抑制,3.1环境干扰噪声3.1.2干扰噪声的谱分布（疾病的特点分布）,2,3干扰噪声及其抑制,3.2干扰耦合途径（如何传播？）3.2.1传导耦合与公共阻抗耦合(1)传导耦合:(长)导线传导引入干扰噪声有效方法:去耦和滤波(2)公共阻抗耦合:如公共电源、地线等,3,交流电阻或有效电阻(EffectiveResistance),P107电阻量的概念,利用合适的接地措施,3干扰噪声及其抑制,3.2干扰耦合途径3.2.2（交流）电源耦合,4,抑制方法输入滤波；选择低噪声、低输出阻抗的电源,P108压敏电阻的作用及其原理,金属箔屏蔽层,不共地,滤波抑制射频干扰,3干扰噪声及其抑制,3.2干扰耦合途径3.2.3电场耦合（容性耦合）,5,数字信号经电场耦合的波形,信号的频率,输入阻抗,电场耦合噪声一般表现为导线对地的电压,3干扰噪声及其抑制,3.2干扰耦合途径3.2.3电场耦合,5,噪声源功率谱,放大器器输入端的噪声源功率谱,放大器的输入阻抗是非常关键的?,3干扰噪声及其抑制,3.2干扰耦合途径3.2.4磁场耦合（电感性耦合或互感耦合）(1)电磁感应耦合(2)互感耦合,6,相关的计算公式及简单计算见书P113,3干扰噪声及其抑制,3.2干扰耦合途径3.2.4磁场耦合(1)电磁感应耦合(2)互感耦合,7,互感耦合还要受到附近的第三个电路导体的影响.第三个电路导体的阻抗越低,则对互感的影响越大.,3干扰噪声及其抑制,3.2干扰耦合途径3.2.4磁场耦合(1)电磁感应耦合(2)互感耦合(3)磁场耦合干扰的抑制（同电场耦合的不同）,8,磁场耦合噪声一般表现为与信号相串联的感生电压,3干扰噪声及其抑制,3.2干扰耦合途径3.2.4磁场耦合(1)电磁感应耦合(2)互感耦合(3)磁场耦合干扰的抑制,8,磁屏蔽（漏磁）,3干扰噪声及其抑制,3.2干扰耦合途径3.2.5电磁辐射耦合（射频噪音和天体噪音的主要耦合方式）,9,直线发射器,圆环发射器,频率越高,电磁辐射场的强度越高,利用导体屏蔽罩来抑制,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝(最有效的手段,高导电或导磁材料)3.3.1场传播与波阻抗(1)波阻抗及随距离的变化,10,波阻抗,感应场,辐射场,过度区,在靠近干扰源的地方，场的性质主要取决于干扰源的性质，在远离传播介质。,结论:,近场:当干扰源小电流高电压时,近场以电场为主,波阻抗较高为,干扰主要以容性耦合引入;当干扰源为大电流低电压时,近场以磁场为主,波阻抗较低,干扰主要以感性耦合引入;波阻抗的定义，特征阻抗等参见P119-121,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.1场传播与波阻抗(2)小型发射天线的辐射场,11,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.1场传播与波阻抗(3)介质的波阻抗,12,空气中近场波阻抗,介质中平面波波阻抗,导体中,绝缘体中,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.2屏蔽层的吸收损耗,13,介质内电磁波强度(深度x),吸收损耗,参数理解,集肤深度,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.3屏蔽层的反射损耗(1)电磁波在界面处的反射与透射,14,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.3屏蔽层的反射损耗(2)电磁波穿透屏蔽层（两种损耗）,15,结论,1:对电场的反射衰减主要发生在从空气到金属的入射面.2:对磁场的反射衰减主要发生在从金属到空气的出射面.因此对电场的屏蔽可以利用很薄的金属材料,而对磁场的屏蔽还要利用高导磁率材料的吸收作用.,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.3屏蔽层的反射损耗(3)反射损耗,16,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.3屏蔽层的反射损耗(3)远场（平面波）反射损耗,17,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.3屏蔽层的反射损耗(4)近场反射损耗,18,电场为主,磁场为主,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.4屏蔽效果(1)屏蔽总效果,19,当吸收损耗A足够大(屏蔽层的厚度xs和电、磁导率足够大)时，由于屏蔽层内多次反射而产生的校正系数Bs可以忽略。,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.4屏蔽效果(2)多层屏蔽,20,解释原因？,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.4屏蔽效果(3)屏蔽层上的开孔和接缝,21,漏磁,3干扰噪声及其抑制,3.3屏敝3.3.4屏蔽效果(4)屏蔽层上的波导管：,22,(5)屏蔽效果小结P129,将开口作成波导管干扰场衰减大,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.1电缆屏蔽层与芯线间的耦合(1)耦合模型:参数的定义,23,is产生的磁通,屏蔽层与芯线间的互感,定义,Vi=jwMis,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地(屏蔽层单点接地,WHY?)3.4.1电缆屏蔽层与芯线间的耦合(2)屏蔽层截止频率fc,24,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地(屏蔽层单点接地,WHY?)3.4.1电缆屏蔽层与芯线间的耦合(2)屏蔽层截止频率fc：物理意义,24,屏蔽层电流引起的输入噪声,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.2接地抑制电场耦合噪声（减小耦合电容）(1)无屏敝导线间的容性耦合,25,与频率无关,与频率成线性,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.2接地抑制电场耦合噪声(1)无屏敝导线间的容性耦合,25,结论与措施容性耦合的敏感度取决于分布电容放大器接收到的干扰噪声强度正比于噪声源的强度高阻输入回路电场耦合的影响更为严重,信号线远离干扰线,避免平行布线,且信号线越短越好.采取措施克服电场干扰前置放大器的输入阻抗应尽量小,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.2接地抑制电场耦合噪声(2)有屏敝导线间的容性耦合,26,公式形式相似,但参数有变化,较小（裸露部分）,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.2接地抑制电场耦合噪声(2)有屏敝导线间的容性耦合,26,注意只有把屏蔽层连接到电路地时屏蔽才会更有效.应该避免杂散(噪声)电流流过屏蔽层.当有多个独立屏蔽时,应串联后再连接到信号地.,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.3接地抑制磁场耦合噪声（改变感生电流的路径，减小感应面积，接地方式很关键）(1)信号两端接地,屏蔽不接地或单点接地,27,对噪声磁场仅存在吸收（涡流）和反射衰减,结论:在这种情况下,屏蔽层除了对干扰磁场的吸收衰减和反射衰减外,屏蔽层没有产生附加的衰减作用,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.3接地抑制磁场耦合噪声(2)信号和屏蔽层均两端接地,28,感应电流流回信号线有两个通路：经屏蔽层，经地线,当,时,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.3接地抑制磁场耦合噪声(2)信号和屏蔽层均两端接地,28,iG0区域,iG0时的面积,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.3接地抑制磁场耦合噪声(3)信号和屏蔽层均两端接地的缺限,29,信号不接地时的等效电路,高频噪声影响严重,同时地电位差的影响很严重,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.3接地抑制磁场耦合噪声(4)信号和屏蔽层均单点接地,30,不会引入地电位差,通常当频率低于1MHZ时采用此接法,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.3接地抑制磁场耦合噪声(5)屏蔽层混合接地,31,通常高频时采用此接法:屏蔽层多点接地(分段),以克服集肤效应引起的屏蔽层阻抗的增加,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.4屏蔽层接地点的选择(1)放大器接地信号源浮空：屏蔽层连接到放大器的公共端,32,3干扰噪声及其抑制,3.4屏敝电缆的接地3.4.4屏蔽层接地的选择(2)放大器浮空信号源接地屏蔽层连接到信号源的公共端,32,3.5电路接地“地”的概念？等电位点,3干扰噪声及其抑制,为什么？接地目的：减少多个电路的电流流经公共阻抗产生的噪声电；：减少信号回路感应磁场噪音的面积；：消除地电位差,采用的常见措施：采用低功耗器件，减少流经地的电流；：电源滤波，使电流变得平滑；：地线加粗，面积加大，减少阻抗。但注意高频的集肤效应。,3干扰噪声及其抑制,3.5电路接地3.5.1电路的接地方式(1)串行单点接地,33,大功率回路对小功率回路影响极大，微弱信号检测电路切不可采用这种接地方式。尤其是模、数混合电路。,3干扰噪声及其抑制,3.5电路接地3.5.1电路的接地方式(2)并行单点接地,34,低频特性较好(1MHz以下适用)，但各接地回路存在天线效应，高频回路辐射明显，也易受高频噪声干扰。成本高，布线难,3干扰噪声及其抑制,3.5电路接地3.5.1电路的接地方式(3)多点接板地：集肤效应的存在注重的是表面积而不是厚度,35,高频接地阻抗小，但低频特性不如单点并行接地。,尽量短,3干扰噪声及其抑制,3.5电路接地3.5.1电路的接地方式(4)混合接地方式（上面良种方法的融合）,36,高频特性与多点接地板相当，低频相当于单点并行接地。（解释为什么）,3干扰噪声及其抑制,3.5电路接地3.5.2放大器输入信号回路接地(1)两点接地,37,解决办法如下：,3干扰噪声及其抑制,3.5电路接地3.5.2放大器输入信号回路接地(2)单点接地,38,只存在共模干扰。因为与输入信号回路不会发生偶合,3干扰噪声及其抑制,3.5电路接地3.5.2放大器输入信号回路接地(3)差动放大（必须分别接地的情况）,39,0,3干扰噪声及其抑制,3.5电路接地3.5.2放大器输入信号回路接地(4)平衡差动放大,40,3干扰噪声及其抑制,3.5电路接地3.5.2放大器输入信号回路接地(5)防护屏蔽原理,41,3干扰噪声及其抑制,3.5电路接地3.5.2放大器输入信号回路接地(5)防护屏蔽放大器浮空式防护屏蔽,42,电池供电,?,3干扰噪声及其抑制,3.5电路接地3.5.2放大器输入信号回路接地(5)防护屏蔽双屏蔽罩,43,3干扰噪声及其抑制,3.6其他噪声抑制技术3.6.1隔离(1)变压器隔离,44,电位差不会形成放大器输入端的共模噪声,3干扰噪声及其抑制,3.6其他噪声抑制技术3.6.1隔离(2)光电耦合隔离,45,注意：速度、线性度、传光比、频率等,3干扰噪声及其抑制,3.6其他噪声抑制技术3.6.1隔离(3)隔离放大器,46,3干扰噪声及其抑制,3.6其他噪声抑制技术3.6.2纵向扼流变压器(1)信号回路,47,L2较大,拐点频率较低,i1i2iG0,与无关,抑制共模干扰,3干扰噪声及其抑制,3.6其他噪声抑制技术3.6.2纵向扼流变压器(2)地回路,48,L较大拐点频率较低,3干扰噪声及其抑制,3.6其他噪声抑制技术3.6.3信号线和电源线滤波,4