微弱信号检测课件3(高晋占--清华大学出版)

1、第三章 干扰噪声及其抑制 3. 1 环境干扰噪声 3 . 2 干扰耦合途径 3. 3 屏蔽 3. 4 屏蔽电缆的接地 3. 5 电路接地 3. 6 其它降噪技术31 环境干扰噪声3.1.1 干扰噪声源 1天体噪声：频率很高（GHz 量级），影响不大。2射频噪声：广播电视、雷达, 100 kHz几百MHz,调制或随机， 级。3电力线噪声：(1)电压波动15 %；(2)尖峰：幅度54000 V， 量级，频繁；(3)工频电磁场。4电力器件噪声：变压器、马达、继电器、开关、晶闸管、电焊机、辉光放电、弧光放电、火花放电和电晕放电.Vs 5地电位差噪声6雷电：一次电流达 A，上升时间 ，云 地面感应电场1

2、10kV/m，发射频率50100 MHz 。7机械起源的噪声：（1）摩擦电效应；（2）导 体在磁场中运动；（3）压电效应；（4）颤噪效 应（microphony）。8其它噪声源：(1)电化学噪声；(2)温度变化引起 的噪声；(3)触点噪声。610s13.1.2 干扰噪声的频谱分布3 .2 干扰耦合途径3.2.1 传导耦合与公共阻抗耦合 传导耦合经导线传导引入, 如：如交流电源线、长信号线。公共阻抗耦合：注意公共导线具有分布电容和分布电感。3.2.2 电源耦合 去耦方法： 3.2.3 电场耦合1. 并行导线间分布电容：pFcosh1dDKLC例如：5cm长相距1mm的直径1mm平行导线，pFC2

3、pF2ln3dDKLCdD 时，当。度，较短的一根导线的长；，；导线直径，；导线间的中心距离，mmmmpF1085. 8Kmmmm3LdD式中：2. 导线与平面间的分布电容。距离，导线中心与平面间的；导线的直径和长度，、mmmmhLd。则pF2C例如：5cm长、直径1mm的导线与平面相距1mm，式中：pF4ln18dhLC 3电场耦合噪声CfRjCfRjuViii212ufCRjVfCRiii2, 12上式可简化为若。则交流电压，的为设mVVHzfukRpFCii4 . 1V22050,10,2mV40A4V2iiiRVdtduCisdtdu，则：若3.2.4 磁场耦合ririB701022。

4、距离，空气的导磁率；式中：mr0cos2rmsrmsfABV2电磁感应耦合设平均磁场 的有效值为 ， 的方向与感应平面法线之间的夹角为 ，则ABrmsBABdtdiMv12HdLLHdLLM12ln2 . 012ln20导线间距。平行长度；dLHMmmdcmL072. 0,2,10则例：3经互感耦合非铁磁平行导线之间的互感M式中：HdhLHdhLM14ln1 . 014ln4220。则例：HMmmhmmdcmL016. 0,2,2,10附近的其它低阻抗电路减少互感：4抑制磁场干扰常用方法（a）（b）（c）5. 利用铁磁物质屏蔽双层屏蔽中，外层用中导磁率材料，里层用高导磁率材料。3.2.5 电磁

5、辐射耦合1.直线发射器2. 圆环发射器33 屏蔽(Shielding)3.3.1 场传播与波阻抗磁场强度电场强度HEZW及源特性取决于时为近场，介质波阻抗，时为远场，空气rrrWWWZ2377ZZ2源为大电流低电压时, 近场主要为磁场, 小, 干扰以感性耦合引入，-小-高- , -电-, -大, -容-。HEwZn场的性质取决于源、传播介质及距离n传播介质的波阻抗： n 远场（辐射场）与近场（感应场）n到场源距离,4621mMHzf时，分界点 主要考虑近场问题 为电导。为材料的导磁率，m1fxEExexp0 xHHxexp0dBfxdBxHHEEArrxx13269. 8lg20lg2000为

6、相对电导。为相对导磁率，rr3.3.2 屏蔽层的吸收损耗集肤深度 ：定义为场强衰减到原值37%所需深度，深度x处的电场强度：深度x处的磁场强度：厚度为x的屏蔽层的吸收损耗A为212122ZZZEE211122ZZZHH22121212HHZZEE12ZZ 3.3.3 屏蔽层的反射损耗1垂直入射电场传播系数为：磁场传播系数为：若从绝缘体（例如空气）入射到导体， 则 ，上面两式简化为24wswsstisitZZZZEEEEEE24wswsitZZZZHHwsititZZHHEE4wsititZZHHEER4lg20log20log20wsZZ 2穿过屏蔽层两次反射衰减对于空气中的金属屏蔽层，则将反

7、射损耗表示为分贝，则有 377WZdBfRrrlg10168为到干扰源的距离rdBrfRrrE,lg1032223dBfrRrrM2lg106 .14（1）远场中的反射损耗空气的波阻抗 ，对于空气中的金属屏蔽层：（2）近场中的反射损耗1）电场为主2）磁场为主dBBRASssB3.3.4 屏蔽效果1屏蔽总效果式中：3屏蔽层上的开孔和接缝2多层屏蔽 多次反射的校正项，对平面波和电场可忽略dBdlS324. 屏蔽层上的波导管波导管对磁场的衰减为讨论：（1）高频辐射与低频辐射哪个更难于屏蔽？（2）低频磁场和低频电场哪个更难于屏蔽？（3）高导磁率材料可以增加吸收损耗还是反射损耗？屏蔽效果小结 对于电场和

8、平面波，反射损耗很大；对于低频磁场，反射损耗较小； 厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约9dB的吸收损耗； 磁场比电场更难于屏蔽； 低频磁场要用磁性材料进行屏蔽； 电场、平面波和高频磁场要用良导体材料进行屏蔽； 实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接縫情况，而不是屏蔽材料本身的屏蔽效果; 漏磁场的量取决于屏蔽层上开孔的最大尺寸，而不是取决于开孔的面积；大量的小孔比同样面积的一个大孔漏磁要少。34 屏蔽电缆的接地3.4.1 电缆屏蔽层和芯线之间的耦合ssiLssiMi以全部包围芯线导体，所产生的磁通sLM ssssiLjRLjvv可得1221uCCRjRCjuG12221uCCCuCCRGG时，1

9、221RCujuCCRG时，3.4.2 电缆屏蔽层接地抑制电场耦合噪声1. 平行导线无屏蔽C与R应尽量小。2 平行导线有屏蔽12221uCCCRjRCjuSG1222221uCCCCuCCCRSGSG时，12221RCujuCCCRSG时，C与R应尽量小。01MjiRLjisss1,iLRjjiLMssss得1iiS3.4.3 电缆屏蔽层接地抑制磁场耦合噪声1. S不接地2. S两端接地小回路的电路方程为:高频时， ，感应面积A大为减少，屏蔽效果好。噪声衰减0dB(屏蔽对A及介质性质无影响)利用屏蔽使A低频时只有部分感应电流流经S，使A的减少有限。低频效果不好，且 影响大。3. S一端接地，传

10、感器浮空4屏蔽层混合接地适用场合：干扰磁场为高频，地电位差噪声为低频。特点：无论干扰磁场频率高低，感应电流全部流经S，使A大为减少，干扰衰减达80dB 。 无影响。GuGu5. 其它措施（1） 减少感应面积A（2） 改变敏感回路方向，使敏感回路所在平面与磁力线平行（3）减少干扰源的漏磁（4）信号线远离干扰线3. 5 电路接地（Grounding）3.5.1 电路接地方式1. 串行单点接地333223211iRuuiiRuuiiiRuBCABACBAuuu特点：（1）接线简单，经常使用； （2） , 前放级应置于A； （3）低噪电路不宜，各级功率差异大时 不宜。2. 并行单点接地332211iR

11、uiRuiRuCBA特点：（1）各路地电流不耦合；（2）高频时，各级经分布C及L耦合，适于几M Hz以下。3. 多点接板地4混和接地方式特点：兼顾高频低频。特点：（1）适于高频，板地镀银降低高频阻抗； （2）低频特性劣于单点接地。3.5.2 放大器的地回路时，当产生isnGRRRRuu12,GGsiinuRRRRRRRu221mV95. 0mV101. 0,10,500,121nGGiSuuRkRRRR，则若时，例：当1. 两点接地2单点接地时：且当G2SGi1S2,RRRRRRRGSGsiinuRRRRRRu21。其余参数同前，则若漏电阻nV95. 0,M1nGSuR,; 0,SGnSGRu

12、R若漏电阻则若漏电阻ssiiiiBAsuKRRRRRRRuuKuu2121210：对ssiiKuuRRRRR02121时，、当GiisiinBnAnGuKRRRRRRRuuKuu222111：对00;2121nsGnsiiuRKuuRRRRR，使括号内不为因时，、当。但会加大电场共模噪声，或用传感器浮地法，可加为增大AGiRR3差动放大4. 平衡差动放大采用平衡差动传感器，使信号源、传输线、放大器都平衡。当电路完成对称时, 地电位差 在A、B点只产生共模噪声，不产生差模噪声。Gu平衡差动放大电路中电场干扰与磁场干扰影响：对电场干扰1nu：对磁场干扰为环路面积。：产生感生电动势ABAuunn,2

13、2。屏蔽能有效地减少A生差摸噪声。只产生共摸噪声，不产，若平衡，则121nuCC gGgBgsGgAuuZZZuuuuuZZZuu222111sgGBAABuZZZuuZZZZZZuuu111222111guGu5. 防护屏蔽（Guarding Shields）当差动电路不完全对称时，将屏蔽层接至某一电位 ，以使 只产生共模输入，不产生差模输入。sgGBAABuZZZuuZZZZZZuuu111222111有三种方法：不产生为使,ABGuu大器浮空；，即为传感器接地，放使即平衡法；使GguuZZZZ. 2,. 12121双屏蔽罩电路：代入得和，将令BABAguuuuu2. 3sgGuZZZZZZZZZuu222111111212211ZZZZuuuusBAAB无影响，为防护屏蔽。对的函数，不再是ABGGABuuuu代入(3)得3. 6 其它降噪技术3.6.1 隔离3隔离放大器1 变压器隔离作用：断开地电流环局限：不适于低频及超低频信号局限：线性较差，更适于数字信号 加反馈用于模拟信号2光电隔离01222MjiRLji221221LRjjiiMLL，得由051222GiiiLR，当121