Ch09 第九章 干扰与噪声.ppt

1、机械工业出版社,机械电子工程原理,第九章 干扰与噪声,2,基本概念,干扰是指外部因素对系统施加影响而造成的随机效果。 噪声被看作一种幅度和频率都随机变化的信号，它们可能是系统内部电场和电磁场造成的，也可能是材料的热效应等物理过程在电路元件内部产生的。 机电系统工作时，往往受到外部因素的干扰，内部也产生对外的干扰。研究这两方面问题的新兴学科称为电磁兼容性学科。 电磁兼容指两种以上设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态。,3,电磁干扰,电磁干扰是任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。 电磁干扰可能是电磁噪声、无用信号或传播介质自身的变化所引起的。

2、 电磁噪声是指一种并不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合，例如电气设备运行中经常产生的放电噪声、浪涌噪声、振荡噪声，这些噪声不携带任何有用信息。 无用信号是指一些功能性的信号，例如广播、电视、雷达等信号，本身是有用的，但如果干扰其它设备的正常工作，则对被干扰的设备而言它们是无用信号。,4,9.1 电磁干扰和噪声的分类,按电磁干扰的来源分类：电磁干扰按照其来源可以分为自然干扰和人为干扰。 自然干扰是指各种自然界电磁现象的产生电磁干扰，包括：大气噪声，如雷电；太阳噪声，如太阳黑子活动时产生的磁暴；来自银河系或其它河外星系的宇宙射线噪声；以及静电放电等。 人为干扰是指由电气电子设备和

3、其它人工装置所产生电磁干扰。这些干扰包括功能性的无用信号和非功能性的电磁噪声。,5,容易产生人为干扰的设备,1) 家用电器和民用设备： 有触点电器；使用整流子电动机的机器；家用电力半导体器件装置。 2) 高频设备： 工业用高频设备；高频医疗设备。 3) 电力设备： 电力传动设备；晶闸管组成的变流装置；电力传输设备；电气化铁道系统。 4) 内燃机点火系统、发电机、电压调节器、电刷等。 5) 无线电发射和接收设备、移动通信系统、广播、电视、雷达、导航设备等。 6) 高速数字电路设备、计算机、嵌入式处理器、各种可编程序器件及其相关设备。 7) 其他：如摩擦生电，磁盘驱动器转速抖动，核爆炸造成的电磁冲

4、击等。,6,按电磁干扰的发生机理分类,放电噪声 放电时回路里伴随着脉冲电流或浪涌电流，这是产生电磁噪声的根源，同时火花和电晕本身也会向外辐射不同频率的噪声，或在附近形成感应电磁场。 接触噪声 接触噪声是由于触点间接触电阻发生变化而产生的， 过渡现象的噪声 反射现象的噪声 反射现象指空间电磁波传播时遇到障碍物被反射并与原信号叠加， 非功能性噪声 无用信号,7,按噪声的发生机理分类,热噪声 散粒噪声 闪变噪声 天体或宇宙射线噪声,8,热噪声,导体内电子的热随机运动会在导体两端造成电压随机波动。这种噪声信号的功率可表示如下 Pn4kTB 式中，Pn为噪声功率，单位为W；k 为波尔兹曼常数；T为热力学

5、温度；B为带宽。 热噪声功率Pn还可用一个等效噪声电压源或等效噪声电流源和一个噪声电阻表示,9,散粒噪声,在半导体器件中有一种载流子越过势垒的随机运动，这一随机运动导致器件输出信号里的噪声成分。用噪声电流表示如下： in2=2qIDCB 式中，q为电子电荷，q=1.610-19C；IDC为通过势垒的电流；B 为信号带宽。 对于二极管 IDC =Isexp(qVj/KT)1 式中，Is为反向漏电流；Uj为结电压。,10,闪变噪声,闪变噪声又称频闪噪声、低频噪声，是由电荷载体在不连续介质中运动所产生的，用一次函数近似表示，闪变噪声与频率成反比，且主要在100Hz以下。用闪变电流描述闪变噪声的公式如

6、下： if2=KIDCB(1/f) 式中，K为常数，因器件而定；IDC为介质中的直流电流；B为带宽；f 为频率。,11,天体或宇宙射线噪声,天体或宇宙射线噪声的来源多种多样，其总声级称为天电噪声温度。 通常天电噪声比别的噪声级低，除非系统的接收天线之类的装置直接对准强大的天体射电源。在微波波段天电噪声温度最低，这个波段里有一个低噪声窗口，微波通讯就利用这个窗口。,12,按噪声的频谱特点分类,白噪声 白噪声的特点是在很宽的频率范围上功率谱密度是个常数。如果这个白噪声信号的幅度呈高斯分布，就称为高斯白噪声。热噪声和散粒噪声都是高斯白噪声。 有色噪声 有些噪声的功率谱密度不是常数，这种噪声称为有色噪

7、声。,13,噪声因子,噪声因子NF用来表示系统内部产生的噪声强度。它着眼于输入端信噪比SNRin与输出端信噪比SNRout的比较。 NF=10lg(SNRin/SNRout),14,9.2 干扰的传播途径,干扰的传输途径有两种： 1）通过导体传导，也称传导传播；传导传播是通过传输导线以电流的方式传播。 2）通过空间辐射，也称辐射传播。辐射传播主要以电磁耦合的形式或以电磁波发射的方式传播。 工程中，这两种传播途径也简称“路”的途径和“场”的途径。 经由“路”的途径，干扰可以通过导线传输，即通过设备的信号线、控制线进入系统的输入端口，也可能通过电源线、地线直接侵入敏感设备，这种干扰称为传导干扰。

8、经由“场”的途径，干扰源周围空间存在着的电场和磁场，会对附近的敏感设备产生干扰，这种干扰称近场耦合干扰；干扰能量也可能以电磁波的形式向远处传输，从而影响远处的敏感设备，这种干扰称为远场辐射干扰。,15,干扰通过导线传输到输入端口,差模电流和共模电流 干扰电流在导线上传输时有两种方式：共模方式和差模方式。 一对导线上的电流如果大小相等，方向相反，称为差模电流，造成差模电流的信号称为差模信号。有用信号电流电压多已被人为地以差模方式传输。 一对导线上如果流过的电流方向相同，称为共模电流。 由于传输信号用的两条导线往往绞合在一起或平行，电磁干扰往往对两条导线作用同等，所以干扰在传输线上常以共模方式出现

9、。如果干扰对两条导线作用不相等，也可以以差模方式出现。另外，共模电流会因传输线或电路的不对称而在输入阻抗上形成差模电压降，从而对电路造成干扰。,16,差模电流和共模电流,共模电流和差模电流的等效电路如图所示,17,差模电压Udm和共模电压Ucm,输入电压U1和U2可表示为它们两者之和或两者之差 U1= (U1U2)/2(U1U2)/2 U2= (U1U2)/2(U1U2)/2 差模电压Udm和共模电压Ucm可表示为 Udm=(U1U2) Ucm=(U1U2)/2,18,共模抑制比,系统输出电压为 Uodm=GddUdmGcdUcm Uocm=GdcUdmGccUcm 式中，Gdd为差模差模增益

10、；Gcd为共模差模增益；Gdc为差模共模增益；Gcc为共模共模增益。 共模抑制比(CMRR)定义为： CMRR=20lg(GddGcd) 改善共模抑制比的措施有：把两个输入信号分别对地隔离；把放大器输入端调平衡；增加防护电路和屏蔽。,19,干扰通过共阻抗耦合,当多个设备或元器件共用电源线和地线时，电源阻抗和地线阻抗就是这些设备或元器件的公共阻抗。 设备或元器件之间会通过公共阻抗产生相互干扰。由共用电源引入的干扰称共电源阻抗干扰，共用地线引入的干扰称共地线阻抗干扰。,20,共电源阻抗耦合,通常电源是多个电路共用的。理想的电源内阻抗为零，不存在共电源阻抗。但实际电源总有一定的内阻抗值Zs，在大电流

11、或高频率输出的场合不能忽略，如图所示。 避免共电源阻抗干扰的方法是在设备和器件的供电点处加接滤波器或加去耦电容器，给设备和器件提供一个高频噪声通道，不让它传导到电源中去。,21,共地线阻抗耦合,理想的地线阻抗为零，但实际上地线存在着一定的阻抗Zg，各个电路会经由地线相互干扰，见图所示。地线电阻通常很小，可以忽略，主要是地线电感的感抗在高频时较大。,22,干扰通过空间传播,干扰通过空间传播实质上是干扰源的电磁能量以场的形式向四周空间传播。干扰源可以是电场源，也可以是磁场源。 按场源的距离和场源发出电磁能的波长，可分为近场和远场。判定近场或远场的准则是距场源的距离r与场源辐射出的波长的关系：若r/

12、2，视为近场；若r/2，作远场处理。 因为波长与时变电磁场的频率成反比，所以工程实际中常以干扰源的频率作为重要依据，结合距离因素，判断干扰源的性质。,23,近场感应干扰,近场又称感应耦合场。近场又区分为电场和磁场。 当干扰源是高电压、小电流时，其辐射场主要表现为电场。当干扰源具有低电压和大电流时，其辐射场主要表现为磁场。 在系统内部，特别是同一设备内，由于距离近，各部分电路之间的相互干扰常用近场耦合方式处理。 近场干扰的分析比较复杂，电场和磁场不易互相转换，需要分别测量和计算。,24,远场辐射干扰,远场又称辐射场，对于距离较远的系统间的电磁兼容问题一般都用远场来分析。 远场的电场强度和磁场强度

13、都以1/r的速率随距场源的距离r减小。 远场辐射比较容易分析和测量，只需测量电场就能算出磁场；反之，测量到磁场可以计算出电场。干扰源向周围空间的远场辐射可以根据天线与电波传播理论来计算。,25,9.3 干扰对敏感设备的影响,敏感度门限 设备的敏感度门限是衡量设备抗干扰能力的指标，一台设备的敏感度门限定义为：使设备产生不希望的响应或造成其性能降低的最小干扰电平。 一种设备的敏感度门限越低说明这种设备的抗干扰能力越差。 工程中，每一类设备对特定的干扰源能耐受的输入信噪比由试验测定，据此可确定该类设备对该种干扰的敏感度门限，提出对干扰强度的限制值。或者反过来，在既定的干扰强度下设法降低设备的敏感性。

14、,26,干扰对模拟电路的影响,为了定量描述由输入端进入的干扰对模拟设备的影响，引入输入信噪比(SNR)的概念。 信噪比的定义是：在一个参考电阻上所通过的信号功率与噪声功率之比。参考电阻的阻值通常是1欧姆。 SNR=10lg(Vsig2/ en2) 式中，en为噪声电压；Vsig为信号电压。 在输入端有噪声存在时，一个系统加工、传递信号的能力可以用输入信噪比表示。输入信噪比直接影响到系统所能检测出的最弱信号水平。,27,干扰对数字电路的影响,数字电路只有低电位和高电位二种基本状态。当干扰超过容限时，数字电路会错误翻转，这种容限就是敏感度门限。 常用三种噪声容限描述数字电路的敏感度门限： 直流噪声

15、容限； 交流噪声容限； 噪声能量容限。,28,9.4 干扰的抑制和防护技术,系统设计时，应事先了解系统工作的电磁环境，有针对性地采取干扰抑制和防护措施。 降低干扰强度和降低设备对干扰的敏感性同等重要 。 在输入端可采用各种技术减少噪声干扰，如光纤传输、隔离、改善共模抑制比、平衡输入、光电耦合等。滤波、屏蔽和接地也是最常用的技术。 电磁感应引起的干扰比静电引起的干扰难消除得多，当系统本身各部分的电流形成干扰磁场源的时候消除尤其困难。,29,输入端传导防护,线缆传输能力 光导纤维的主要材料成分是石英，不受电磁干扰，并且通带宽。因此光纤传输是解决电磁干扰的最佳办法。随着光-电接合部的耦合损耗的改进，

16、光纤及其相关器件正在逐渐普及。 抗共模干扰能力 在传输线对中插入共模扼流圈可抑制共模高频噪声，如图所示。,30,平衡传输线路的模型,外界干扰在传输线上引入的噪声对两根传输线来说是共模信号，在其一端的两个接口采用阻抗匹配的平衡差分式驱动器输入差分信号，可以抑止共模干扰，并达到很高的传输速率。带有滤波器的连接器也可克服传输线上的共模干扰。,31,输入端隔离,输入端隔离的目的是切断信号源与输入端的回路，使干扰电流不能流通。 隔离变压器可在低频场合使用。 光电耦合器广泛用于脉冲数字电路的隔离，但在模拟电路中由于线性度差而受到限制。近年来光电耦合隔离放大器在模拟电路中日益广泛应用。,32,滤波,信号通道

17、中，对于已知频率特性的噪声，可以用滤波器滤除与有用信号频率不重叠的噪声频率。 开关电源工作时产生很强的噪声，通过电源线以共模或差模方式向外传导，也向周围空间辐射。抑制传导的方法之一是在开关电源的交流输入侧插入共模和差模滤波器，防止噪声传入电网。 共模和差模滤波器也可合起来成为电源滤波器,33,屏蔽与防护,屏蔽可以切断辐射电磁噪声的传输途径，抑制电磁噪声沿着空间的传播。通常用金属材料或磁性材料把需屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外的电磁场相互隔离。 如果目的是防止噪声源向外辐射场，则应该屏蔽噪声源，这种方法称主动屏蔽。 如果目的是防止敏感设备受噪声辐射场的干扰，则应该屏蔽敏感设备，这种方法称被动屏

18、蔽。 静电干扰是由杂散电容和寄生电容而引起的。杂散电容和寄生电容给干扰信号提供了通道。屏蔽和防护的作用就是减少或清除这些杂散电容和寄生电容的影响。,34,屏蔽与防护,对于远场与近场、高频与低频、电场与磁场，屏蔽方法大不相同。 电场屏蔽的必要措施是高导电率导体和恰当的接地。低频磁场的屏蔽采用高导磁率的铁磁性材料，如硅钢片或坡莫合金。这些材料的导磁率和磁滞损耗等性能会随磁场交变频率升高而恶化，所以高频场合中仍采用金属良导体，屏蔽导体中的涡流产生的磁场与要屏蔽的原磁场恰反向，可抵消原磁场。,35,全屏蔽,屏蔽罩与罩内电气元件之间仍存在杂散电容，因此罩内电路的地还要在若干点处与屏蔽罩相接，以去除可能存

19、在的反馈通道。 一定要确保内部地的这若干点都接在屏蔽罩上的同一点处，以防屏蔽罩上的电流回路产生共模信号。,36,部分屏蔽,由图可见，如果系统的一个输入端接地，那么只能做到部分屏蔽，无法实现全屏蔽。这种情形下干扰源经过电缆屏蔽层和接地线形成回路，同时，任何时变磁场也会在此环路中感应出附加电压和电流。,屏蔽双绞线,37,采用差动输入级和双芯电缆改进的部分屏蔽,采用了双芯屏蔽电缆和一个差动输入级，这就可以消除地回路并改善共模抑制比。,38,具有防护电路的部分屏蔽,防护电路采用双层屏蔽盒，或者在印制电路板上留下屏蔽铜箔作为屏蔽层，并与屏蔽盒连接起来，能够进一步改进系统的性能。防护电路受共模信号的驱动，

20、防止了电流在其它信号端子和地之间流通。,39,有源屏蔽,图中的双层屏蔽电缆和缓冲放大器构成所谓有源屏蔽，这种有源屏蔽能够减少上述屏蔽层感生电流的干扰。在这里，内屏蔽层上的电压被强迫等于信号电压，电缆芯线与内屏蔽层之间的电容也随之无效。,40,接地,理想的地提供一个等电位线或等电位面。 接地的目的有三个： 一是为了保证设备的正常工作； 二是信号传输也常常需要有一根线接地，作为基准电位，传输信号的大小与该基谁电位相比较，这类地线称工作地线，也可称为系统地线、信号地线；在很多情况下，对设备进行屏蔽时，只有与接地相结合，屏蔽才能得到应有的效果，这类地线称屏蔽地线； 三是为了保护人身和设备的安全，免遭雷

21、击、漏电、静电等危害，这类地线在强电设备上很重要，称保护地线。,41,接地,无论用何种导线接地，地线的阻抗都不会是零。系统中如果有多个接地点，诸接地点之间存在地线阻抗。当地回路中存在电磁干扰时，地线阻抗不容忽略。 除用隔离变压器、高频共模扼流圈和光电耦合切断地回路之外，在电子设备中一定要注意工作地线的正确接法，否则非但起不到抑制干扰的作用，反而可能产生干扰。 理想的地或大地不仅是电位的参考点，它还给系统提供了一个公共的返回通道。但是，在实际系统中，地并不总是等电位的。必须建立安全可靠的地线和接地装置。,42,地回路的共模电压和差模电压,系统在信号源一端和测量仪器一端分别接地，两个接地点之间存在

22、一个地阻抗Rearth。地通道里的杂散电流在地阻抗Rearth形成的电压就是共模电压Vcm。若R1R2，Vcm就会造成不相等的输入线电流和不相等的电压降，成为差模输入信号。这一差模信号在测量中造成的误差称为串模压差。,43,接地的隔离,在有些场合，为了保证操作人员和设备的安全，信号源和测量仪表之间不允许有同一接地点。有些场合中，要找到信号源与测量系统的同一接地点很不方便。在这些场合中，必须采用某些手段断开任何可能的大地回路。 图中给出了一种措施。在数据传输线上采用变压器或隔离放大器，或采用光导纤维和遥测技术等方法能够切断大地回路。,44,9.5 系统内部器件产生的干扰及其抑制,在干扰源处采取措

23、施，抑制干扰的产生，往往可以取得事半功倍的效果。 机电系统中某些器件工作时会产生电磁干扰，最常见的电磁干扰有 晶闸管产生的高次谐波 电感性负载断开 负载接通 机械式触点的抖动等等 这里根据干扰的发生机理给出一些针对性的抑制措施。,45,晶闸管产生的噪声及其抑制,晶闸管构成的变流装置是十分强烈的噪声源。晶闸管变流装置产生的噪声主要表现在以下几个方面： 1) 使电网中的谐波含量大大增加 2) 使电网电压产生严重陷落 3) 使电网电压产生波动 4) 使电网的无功损耗增大 5) 产生高频噪声,46,晶闸管产生的噪声及其抑制,针对晶闸管变流装置产生的干扰可以从低频和高频两个方面采取抑制措施。 减少谐波和

24、提高功率因数的措施 : 限制接入电网的晶闸管变流装置的容量。 尽可能采用脉波数高的变流装置。 高频噪声的抑制措施 在晶闸管支路中串入几H至几十H的电感或套上磁环。 在晶闸管的阳极和阴极间并联RC吸收支路。 采用高频滤波器。 采用屏蔽方法。,47,电感负载切断时产生的瞬变噪声及其抑制,直流回路中电感负载切断时会产生瞬变噪声。当开关突然断开时，电流的急剧变化di/dt会在电感性负载中产生极高的感生电势。这个电势加在开关两端，开关的两触点间将产生放电现象。 交流回路中，如果不恰在电流过零时刻切断电流，电感负载也会产生放电噪声 。 电感负载的保护网络 在电感负载两端并联放电通路，目的是为了在切断回路时

25、给电感存储的能量提供一条释放的通路，避免产生触点间的火花放电和脉冲噪声。 晶闸管过零开关 过零开关能在电源电压波形过零时接通负载，而且能在负载电压或电流波形过零时断开负载，实现无噪声通断。,48,负载接通时的冲击电流,电容性负载在接通电源时，由于电容上的电压急剧增大，du/dt很大，所以将产生相当大的冲击电流。 大型电感性负载在接通时的冲击电流，可达正常状态下的610倍。 即使是电阻负载，例如白炽灯、电炉等，由于常温时的电阻远小于发光发热时的电阻，所以合闸时的冲击电流也可比额定电流大1015倍。 冲击电流将在供电回路中产生瞬变电压，如果回路中有分布电感和电容存在，瞬变电压可能成为衰减振荡波形。

26、当冲击电流很大时还可能引起电网电压的瞬时跌落，产生严重后果。,49,负载接通时冲击电流的抑制,接通容性负载和一些大电流负载时产生的冲击电流，可以通过在电路中串联限流电阻或电感来解决。 仅在电路中串联一个电阻，开关闭合时回路电流就会被限制，这种方法交直流电源都可以使用。但是这种方法的缺点是在平时工作时限流电阻上也消耗功率。 另一个办法是串联电感，开关闭合时，由于电感中的电流不能突变，只能逐渐上升，所以限制了冲击电流。串联电感的方法只能用于直流电路。 白炽灯、加热器等设备的热电阻比冷电阻大得多，开启时会产生冲击电流，可用预热电阻法来抑制冲击电流产生。,50,开关触点的抖动,当用机械式开关、继电器、

27、接触器等接通负载时，另一个应注意的问题是触点的振颤或跳动。 当开关接通的是大电流负载时，触点间有可能引发火花放电，从而产生一串尖峰脉冲噪声。 如果开关用在逻辑系统中，产生输入信号时，本来开关的一次接通产生一个输入信号，由于触点的跳动使输入脉冲变成多个，从而导致逻辑电路误动作。 切断电感性负载时防止开关触点产生火花放电的方法，除了在电感负载两端并联能量释放通路外，也可在开关触点上加保护网络。 采用非机械（无触点）开关也是一种选择。,51,电源变压器干扰的抑制,变压器一次绕组和二次绕组之间存在的分布电容间的漏电，以及二次绕组至大地的电容耦合和其他类型的接地阻抗ZL，导致二次绕组上耦合了容性电流干扰，造成电源交流声。 在图 (a)中，一次绕组和二次绕组之间的电容耦合导致了二次绕组至大地的寄生电流iL，它形成了新的共模电压干扰信号。图 (b)所示的双重屏蔽变压器可以限制这个寄生电流。,52,9.6软件抗干扰技术,软件陷阱和“看门狗” 如果干扰危及处理器