探讨干扰噪声系统基本知识

1、探讨：干扰噪声系统基本知识想像一下，如果电路不工作，随处添加一个去耦电容（例如0.01 陶瓷圆盘电容），修好了！或者当电路传出噪声时，一块屏 蔽体就能解决问题：用金属片把电路包起来，将屏蔽体;接地; ，噪声马上消失！遗憾的是，现实中没有这样的好事。添加 0.01 圆盘电容只会 增加噪声；屏蔽体完全无效，甚至更糟，噪声会在电路远端重新 出现。此专题分两部分讨论，本文是第一部分，旨在帮助您了解并 有效处理电子系统中的干扰噪声。这里我们将考虑拾取噪声的机 制，因为解决任何噪声问题的第一步是确定噪声来源和耦合机 制，然后才能实施有效解决方案。稍后我们在第二部分将提供具 体技术建议和有效屏蔽静电和磁耦合

2、噪声的原则。我们讨论的是何种噪声？任何电子系统都存在许多噪声来源。表现形式主要有三种： 发射噪声，与原始信号一起接收且无法区分；内生噪声（例如发 热产生的约翰逊噪声、散粒噪声和爆米花噪声），源自构成电路 的器件；以及干扰噪声，从电路外部拾取。干扰噪声可能源于自 然干扰（如闪电），或者从系统内或附近的其他电气设备（例如 电脑、开关电源、控制加热器、无线电发射机、开关触点等）耦 合进来。本文仅探讨最后一类，即人为噪声，这是数据采集或测试系 统中最普遍存在的系统噪声。它在低电平电路中最麻烦，系统任 何部分均无法逃脱其影响。但它也是会受布线和屏蔽选择影响的 唯一噪声形式。假设和分析工具尽管完整、精确描

3、述电气系统特性必然用到麦克斯韦方程组 （意味着更多的数学计算），但大多数情况下传统的电路分析仍 然很有用。解决这些问题时，要确保电路分析有效，需做如下假 设：1. 所有电场局限于电容内部。2. 所有磁场局限于电感直接相邻部分。3. 电路尺寸相对于所考虑的波长较小。使用上述假设，我们可以将噪声耦合通道模拟为集总电路元 件。将耦合两个电感的磁场模拟为互感。可将杂散电容模拟为两 个导体，两者间存在电场。图 1 显示了一个等效电路情况，其中 两根短导线在系统地上彼此相邻。图 1. 两个相邻导线和接地层的噪声等效电路。一旦获得某一系统的完整噪声等效电路，问题就成为针对所 需参数求解其中一个网络方程式。所

4、有标准线性电路分析技术均 可应用，包括节点方程、环路方程、矩阵代数、状态变量、叠 加、拉普拉斯变换等等。当电路超过 5和 6个节点时，手动计算 变得困难；此时必须使用计算机辅助程序，例如，以及其他技 术。有经验的设计师可以适当地简化假设；但其有效性在得到验 证前必须始终警惕。集总元件方法不一定给出精确数字答案，但可以清晰显示噪 声与系统参数的依赖关系。绘制尽可能详确的等效电路可以给如 何降低噪声电平提供思路。一旦写出网络方程和程序，便可研究 噪声抑制技术的定量影响。虽然所有现代技术均在进步，例如微处理器和开关电源，但 导线仍具有电阻和电感，电容仍存在于真实世界，这些现象必须 认真对待。基本原理

5、噪声问题始终牵涉三个因素：噪声源（线路瞬变、继电器、 磁场等）、耦合介质（电容、互感、导线）和接收机，即易受噪 声影响的电路（图 2）。图 2. 噪声拾取始终涉及噪声源、耦合介质和接收机要解决问题，必须消除、削弱或转移这三个因素中的一个或 多个。在可以解决问题前，必须彻底弄清这些因素在问题中的作 用。如果解决方案不当，噪声问题只会变得更糟！不同噪声问题 需要不同的解决方案；添加电容或屏蔽体并不一定有效。系统噪声类型任何电子系统中的噪声来源很多，包括计算机、风扇、电 源、相邻设备、测试器件，甚至用于抑制噪声但连接不当的屏蔽 体和接地线。我们讨论的噪声源和耦合机制包括下列主题：公共阻抗噪声容性耦合

6、噪声磁耦合噪声电力线瞬变其他噪声源公共阻抗噪声顾名思义，公共阻抗噪声是由数个电路共有的阻抗引起的。 图 3 显示了基本配置，可能发生于脉冲输出源和运算放大器基准 端子均连接到 ; 接地; 点的情况，该点对电源返回端子有明显阻 抗。噪声电流（电路 1 的噪声返回电流）将在阻抗 Z 两端产生电 压，该电压对电路 2 表现为噪声信号。图 3. 公共电路阻抗如何产生噪声。通常，此类噪声的重复率取决于噪声源速率。实际波形由阻 抗 Z 的特性决定。例如，如果 Z 完全是电阻式，噪声电压将与噪 声电流成正比，并具有相似形状（图4a）。如果Z为，噪声电压将以频率1/（ 2）振铃，并以 （b）确定的速率呈指数性

7、衰减。如果在电路中发现此类噪声，可以从重复率和波形很容易地 推断出原由。重复率将指向噪声来源，因为噪声与其来源是同步 的。例如，（c）中所示的噪声波形（重复率 25，占空比25%就 是包含调节环路并使用脉宽调制的开关电源的典型波形。图4.公共阻抗中的噪声效应，（a）电阻，（b）电路，（c ）开关噪声响应。波形有助于确定实际产生干扰噪声的阻抗。例如，如果噪声 波形是图 5 所示的简单阻尼正弦波，以下特性可帮助我们推断 Z 的性质：恒定电阻R与线路串联。电压变化 V1是R与电流阶跃11 的乘积。振荡自然频率fl取决于串联的L和并入的C, f= 1/（ 2）。阻尼时间常数 T 由决定。图 5. 欠阻

8、尼电路的波形。容性耦合噪声噪声源至另一电路的容性耦合也会产生噪声。此类噪声常见 于具有快速升降时间或高频成分的信号靠近高阻抗电路的情况。 杂散电容将信号快速沿耦合至相邻电路，。阻抗Z的性质决定响应波形。表 1 列出了典型电容。图 6. 杂散电容将噪声耦合至高阻抗电路。表 1. 典型电容。容性拾取发生的方式、形状和大小有多种。下面是几个示 例：数字信号产生快速沿，典型上升时间为 10 纳秒，电压摆幅 为5 V。如果Z是1兆欧电阻，即使0.1也会产生5 V尖峰和100 纳秒的衰减时间常数。两根相邻导线间可能产生串扰。例如，如果两根导线是 10 英尺（ 3 米）长度的电缆，电容为 40 英尺，则总电

9、容为 400 。如 果在一个导体上施加1的10 V测试电压，当Z是10 k电阻时，1 的 250 电压将耦合至相邻导线。通过公共阻抗在交流电力线上产生的噪声将耦合至其他电 路。常见情况是瞬变通过电源变压器的绕组间电容耦合。令人惊奇的是，小小的电容竟能导致严重问题。例如，考虑 高抗扰度逻辑用于工业电路中的情况，电路中存在 2500 V、1.5 噪声瞬变（标准 472-1974 ）。假设输入与噪声源之间仅有 0.1 的 杂散电容，。计算出的噪声电压为2.4 V，稳态下，50 V的初始瞬变将导致逻辑运算错误，甚至更坏的情况！图 7. 高压瞬变从测试发生器耦合至逻辑。磁耦合噪声电缆载送电流、分配交流电

10、源时，以及机器、电源变压器、 风扇等附近均可发现强磁场。磁耦合电路与容性耦合电路间存在 类似的关系，。 噪声为磁耦合时，电压噪声（）表现为与接收机电路串 联；而在容性情况下，接收机与地电压间产生的电压噪声是噪声 电流在 Z 中造成的电压。降低接收机阻抗Z可减少容性耦合噪声。磁耦合电路则不 同；降低Z不会显著减少电压噪声。图 8. 磁噪声耦合与容性噪声耦合的比较。表 2. 容性耦合与磁耦合的特性。此类比可帮助我们考量容性耦合噪声与磁耦合噪声间的差 异。磁场在闭合环路（单匝）内的感应电压由下式给出：= 2 ;10-8 （1）单位为伏特，其中 f 是正弦变化通量密度的频率， B 是通量密 度的均方根

11、值（高斯），A是闭合环路面积（2）,;是B与面积A 的角度。例如，考虑图 9 所示电路。它显示的是两个一英尺导体的电 压计算，导体相隔 1 英寸，置于 10高斯 60 磁场内（对于风扇、 电源布线、变压器很典型）导线内最大感应电压为 3 。图 9. 磁噪声幅度示例。上面公式说明，噪声电压可通过降低B、A 或; 来减少。要降低 B 项，可增加与磁场源的距离，在磁场由流经导线对附近的电 流引起的情况下，也可绞绕导线，通过交替方向将净磁场降至7- |零。环路面积 A 可通过让导体彼此更加靠近来缩减。例如，如果 本例中的导体相隔 0.1; （仅靠绝缘分离），噪声电压将减小至 0.3 。如果将导体绞绕在

12、一起，面积事实上会减小至很小的正负 增量，从而消除（实际是抵消）磁噪声。; 项可通过适当调节接收导线相对于磁场的方向来降低。例 如，如果导体与磁场垂直，噪声可降至最低，如果导体在相同电 缆内一起延伸（ ; = 0 ），噪声将达到最大。当两个导体并联时，在给定互感 M下，以角频率；=2载送电 流 I2 ，均方根感应电压为：= 2 （2）图 10. 流经电缆屏蔽体的电流引起的磁噪声。图 10 显示了运用此关系的情形，并说明仅将屏蔽体一端接地 的原因。使用100英尺屏蔽电缆，将高电平低阻抗信号（10V）载 送至 12 位数据采集系统（ 1 = 2.4 ）。屏蔽体每英尺串联电阻为 0.01 欧姆，与导

13、体的互感为 0.6 英尺，源极 和目的地均已接地。两个接地点间在 60 时存在 1 V 电位，使 1 安 培电流流入 1 欧姆的屏蔽体总电阻。根据公式（ 2），导体内的感 应噪声电压为：（2;0.6;10-6H ）（1 A）=23 ，即 10 ，从而将系统有效分辨率降低至 9 位以下。由于屏蔽体 两端均接地，流入屏蔽体的大电流是产生该噪声电压的直接原 因。而且，接地点间的 1 伏特电位只是保守假设！在重工业环境 中，接地间电位达 10至 50伏特都不罕见。电力线瞬变另一类系统噪声是感性电路（例如继电器、电磁阀和电机） 开启和关闭时由高压瞬变产生的噪声。当具有高自感的器件关闭 时，塌缩磁场可在电

14、力线上产生频率从 0.1 至 3 兆赫的千伏级瞬 变。除通过容性和电导耦合以及辐射能量在敏感电路内产生噪声 外，上述瞬变也会危及设备和人员。业界已建立表征特定瞬变波 形的保护标准；不过，设计时除了抗噪外，系统也应解决对信号 的潜在干扰问题。图 11 显示了工业标准中的 4种典型波形。其他噪声源最后，有一组噪声源可视为混杂的或 ; 古怪的 ; 。 对于高阻抗下的低电平信号，电缆本身也可成为噪声源。电 缆内的电介质材料上可以产生电荷；如果电介质与导体无接触， 除非电缆可保持刚性，否则此电荷将成为电缆内的噪声源。此噪 声高度依赖于电缆的任何运动； 曾报告噪声电平为 5 至 100 。在 实验室内移动和弯曲 188 同轴电缆时，也观察到类似特性的噪声 （ 5 至 25 ）。另一类运动相关噪声发生在电缆穿过磁场的情况。当电缆切 割固定磁通线或者通量密度 B 变化时，电缆内产生感应电压。这 种噪声在可能使电缆快速运动的高振动环境下很麻烦。如果可以 阻止电缆相对于磁场的振动，噪声便不会出现。最后，如果仪器仪表靠近广播电台或电视台工作，信号可能 受传输噪声影响。除、和电视发射机外，也可能来自无线电、业 余无线电、对讲机、寻呼系统等。由于对噪声进行整流，高频噪