微弱信号的检测第三章干扰噪声和其抑制

1、微弱信号的检测第三章 干扰噪声和其抑制主要内容：一、干扰噪声的认识（三要素） 干扰源 耦合途径 接收器 二、电磁耦合干扰分析方法三、抑制技术与措施干扰源： 本征噪声源、人为噪声源、自然界干扰源 电磁干扰，光电干扰，机械干扰（摩擦起电、导体在磁场中运动、压电效应、震颤效应），其它噪声（电化学作用的化学湿电池，温度变化等） 干扰源耦合通道敏感接收器一、干扰噪声的认识电子系统受到外部电磁干扰电力线雷电电台电视台交流供电电路电动机移动通信设备天体电磁辐射电子设备的干扰对其它电路系统的影响传导噪声电子系统内部不同电路单元之间相互影响的几种形式电场耦合磁场耦合公共阻抗耦合途径传导耦合公共阻抗耦合电源耦合电

2、场耦合磁场耦合电磁辐射耦合传导耦合：通过导体（导线）将噪声耦合进电路中。最典型的例子是噪声通过电源线传入电路。公共阻抗耦合：来自不同电路的电流流经一个公共阻抗时，就会产生公共阻抗噪声耦合。共地阻抗耦合共源阻抗耦合电磁场耦合：只要电荷发生移动，所有的电路元件、导线都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐射。近场时，分别考虑电场和磁场；远场时，电磁联合辐射。电场耦合-由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式,也称容性耦合磁场耦合-由于内部或外部空间电磁场感应的一种耦合方式,也称电感性耦合或互感耦合电磁辐射耦合-电磁场的辐射也会造成干扰耦合，是一种无规则的干扰。这种干扰很容易通过电源线传到系统中去。另当信号

3、传输线较长时，它们能辐射干扰波和接收干扰波，称为大线效应。电磁场耦合分析方法电磁场麦克斯韦方程分析：三个空间变量（x，y，z）和时间（t）的函数，复杂电路等效近似分析技术（集总参数元件）低频电磁干扰的电路等效近似分析技术（集总参数元件,消除空间变量）电场被限定在电容器内部：关注电压磁场被限定在电感器内部：关注电流AB导线是50Hz的220V电源线，分布电容C=2PF，Ri=10KC=2PFdu/dt=2V/sIC du/dt=4A，Vi=iR=40mV容性耦合 Vi有效值1. u为单一频率f的干扰噪声2. u为脉冲数字信号Vi的功率谱密度函数例. 电路中AB导线载有宽度噪声，其功率谱密度S（f

4、）在频率为010KHz范围内为10-6V2/Hz;在此范围外为零，在C=2 pF，Ri=10 K的情况下，试求放大器输出端Vi的有效值。电流磁场电磁感应感生电动势: v=M*di/dt 互感耦合 傅里叶变换如果电流i1的功率谱密度为Si1（f），则i2的功率谱密度为i2的功率为或对于圆形截面长度为L的两条非磁性平行导线，ds为导线间距，其互感为互感与导线直径无关，只取决于导线长度和导线间的间距高频电磁辐射耦合电磁波波长: =波速V/频率f，波速与传播介质有关；在空气中大约3108m/s，1MHz信号的波长300m， 1GHz， =0.3m.近场和远场: 源、介质、距离 r=/2为分界点近场感应

5、场远场辐射场波阻抗：Z=E/H，在远场条件下，E/H大小等于介质的特性阻抗，如空气或自由空间E/H=ZO=377近场条件下：电场和磁场分别考虑，高电压小电流以电场为主；低电压大电流以磁场为主。电场占优：E1/r3、H 1/r2磁场占优：E1/r2、H 1/r3三、抑制电磁干扰的主要技术消除或抑制噪声源 破坏干扰的耦合通道 消除接收电路对干扰的敏感性 采用软件抑制干扰 电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）噪声抑制屏蔽接地平衡滤波隔离阻抗大小控制电缆设计抵消技术1、屏蔽：对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应

6、和辐射。 静电屏蔽+Q+Q+QAAABB用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。电场屏蔽干扰源产生的干扰是以电压形式出现，干扰源与电子设备之间存在容性电场耦合。为消除或抑制这种干扰，要进行电场屏蔽。其设计应遵从的原则是：(1)屏蔽体要尽量靠近受保护物，而且屏蔽体的接地必须良好；(2)屏蔽效果的好坏与屏蔽体的形状有着最直接的关系。屏蔽体如果能够做成全封闭的金属盒最好，但在工程实践中还需要根据实际情况而定；(3)

7、屏蔽体的材料要以良导体为好，对厚度没有严格的要求，只要有足够的强度即可。磁场屏蔽 把磁导率不同的两种介质放到磁场中，在它们的交界面上磁场要发生突变，这时磁场强度B的大小和方向都要发生变化，也就是说，引起了磁感线的折射。图中A为一磁导率很大的软磁材料（如坡莫合金或铁铝合金）做成的罩，放在外磁场中。由于罩壳磁导率比。大得多，所以绝大部分磁场线从罩壳的壁内通过，而罩壳内的空腔中，磁感线是很少的。这就达到了磁屏蔽的目的。一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大

8、，而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。 电磁场屏蔽 单纯的电场或磁场干扰源是很少见的，通常所说的电磁干扰是指电场和磁场同时存在的高频电磁场干扰。2、接地：为保证电工设备正常工作和人身安全而采取的一种用电安全措施。接地通过金属导线与接地装置连接来实现。接地装置将电工设备和其他生产设备上可能产生的漏电流、静电荷以及雷电电流等引入地下，从而避免人身触电和可能发生的火灾、爆炸等事故。3、平衡：根据收发可逆原理，外部空间电磁场可以直接进入双绞线。双绞线无法防止外界电磁场进入,但采用了螺旋扭绞的办法，让两条线接收到的信号“尽量完全一样”，并采用平衡差分信号处理技术，把这种完全一样的“共模信号”抑制掉。

9、4、滤波：对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效的滤除，其基本形式是利用电感器和电容器的频率电抗特性，将电感、电容适当组合在电路中，组成滤波网络完成频率选择。EMI滤波器的基本形式滤波器实质上是一个选频电路。滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。EMI滤波器按所通过信号的频段分为四种：模拟滤波器：利用离散时间系统的特性对输入信号波形或频率进行加工处理。 数字滤波器：在测试系

10、统或专用仪器仪表中作为一种常用的变换装置EMI滤波器按所处理的信号分为两种：EMI滤波器按滤波原理分为三种：反射式滤波器 阻挡EMI信号，通过有用信号吸收式滤波器 吸收不需要的频率成分并将此成分的能量转换成热能耗散出去滤波连接器 在普通电连接器的基础上，经过内部结构改进，增加滤波电路（滤波网络）研制而成。既具备普通电连接器的所有功能，又兼具抑制电磁干扰的特性。滤波前后对比：EMI滤波器成品设计EMI滤波器的注意点频率特性耐压性能额定电流阻抗特性屏蔽可靠性电磁兼容性（EMC）电磁兼容性（EMC，Electro Magnetic Compatibility）是指电器、电子产品能在规定的电磁环境中正

11、常工作，并不对该环境中其他产品产生过量的电磁干扰。这里包含着两个方面的要求：其一是要求产品对外界的电磁干扰具有一定的承受能力；其二是要求产品在正常运行过程中，该产品对周围环境产生的电磁干扰不能超过一定的限度。 在考核家用电器运行的可靠性时，就不仅仅要考虑电器本身的性能，还要考核其对周围环境的承受和干扰程度，这就是电器的电磁兼容问题。 常见的电磁兼容元件各式各样的电容云母电容电解电容高压电容穿心电容法拉电容聚苯电容薄膜电容三端电容器胆电容校正CBB电容独石电容自热变阻电容器不同的电容 不同的效果 未加入滤波措施电 感线圈的品质因数为： Q=L/R电感的离散参数分布电容直流电阻功率电感模压线圈空芯线圈磁环线圈棒状线圈变压器磁性材料 磁性元件 吸收磁珠用于抑制PCB板高频传导干扰夹式磁环：安装方便，用于设备EMI结构优化 扁平吸收环用于数据总线、数字信号线滤波非晶材料烧结铁氧体作为尖峰抑制器使用粉芯材料NiMn软磁材料二极管不同性能不同的应用TVS瞬变二极管芯片热阻与脉冲持续时间关系图TVS伏安特性超快超软恢复二极管反向恢复时间肖特基二极管 用于各种脉冲吸收场合，trr4ns变阻二极管其他常用EMI抑制元件压敏电阻 没有脉冲时呈高阻值状态，一旦响应脉冲电压，立即将电压限制到一定值，阻抗突变为低值 1、高压型压敏电阻 2、高能型压敏电阻 3、纳米添加法 气体放