微弱信號的檢測第三章干擾噪聲和其抑制

1、微弱信號的檢測第三章 干擾噪聲和其抑制主要內(nèi)容：一、干擾噪聲的認識（三要素） 干擾源 耦合途徑 接收器 二、電磁耦合干擾分析方法三、抑制技術(shù)與措施干擾源： 本征噪聲源、人為噪聲源、自然界干擾源 電磁干擾，光電干擾，機械干擾（摩擦起電、導(dǎo)體在磁場中運動、壓電效應(yīng)、震顫效應(yīng)），其它噪聲（電化學(xué)作用的化學(xué)濕電池，溫度變化等） 干擾源耦合通道敏感接收器一、干擾噪聲的認識電子系統(tǒng)受到外部電磁干擾電力線雷電電臺電視臺交流供電電路電動機移動通信設(shè)備天體電磁輻射電子設(shè)備的干擾對其它電路系統(tǒng)的影響傳導(dǎo)噪聲電子系統(tǒng)內(nèi)部不同電路單元之間相互影響的幾種形式電場耦合磁場耦合公共阻抗耦合途徑傳導(dǎo)耦合公共阻抗耦合電源耦合電

2、場耦合磁場耦合電磁輻射耦合傳導(dǎo)耦合：通過導(dǎo)體（導(dǎo)線）將噪聲耦合進電路中。最典型的例子是噪聲通過電源線傳入電路。公共阻抗耦合：來自不同電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時，就會產(chǎn)生公共阻抗噪聲耦合。共地阻抗耦合共源阻抗耦合電磁場耦合：只要電荷發(fā)生移動，所有的電路元件、導(dǎo)線都會輻射電磁場，存在來自發(fā)射源的輻射。近場時，分別考慮電場和磁場；遠場時，電磁聯(lián)合輻射。電場耦合-由于分布電容的存在而產(chǎn)生的一種耦合方式,也稱容性耦合磁場耦合-由于內(nèi)部或外部空間電磁場感應(yīng)的一種耦合方式,也稱電感性耦合或互感耦合電磁輻射耦合-電磁場的輻射也會造成干擾耦合，是一種無規(guī)則的干擾。這種干擾很容易通過電源線傳到系統(tǒng)中去。另當(dāng)信號

3、傳輸線較長時，它們能輻射干擾波和接收干擾波，稱為大線效應(yīng)。電磁場耦合分析方法電磁場麥克斯韋方程分析：三個空間變量（x，y，z）和時間（t）的函數(shù)，復(fù)雜電路等效近似分析技術(shù)（集總參數(shù)元件）低頻電磁干擾的電路等效近似分析技術(shù)（集總參數(shù)元件,消除空間變量）電場被限定在電容器內(nèi)部：關(guān)注電壓磁場被限定在電感器內(nèi)部：關(guān)注電流AB導(dǎo)線是50Hz的220V電源線，分布電容C=2PF，Ri=10KC=2PFdu/dt=2V/sIC du/dt=4A，Vi=iR=40mV容性耦合 Vi有效值1. u為單一頻率f的干擾噪聲2. u為脈沖數(shù)字信號Vi的功率譜密度函數(shù)例. 電路中AB導(dǎo)線載有寬度噪聲，其功率譜密度S（f

4、）在頻率為010KHz范圍內(nèi)為10-6V2/Hz;在此范圍外為零，在C=2 pF，Ri=10 K的情況下，試求放大器輸出端Vi的有效值。電流磁場電磁感應(yīng)感生電動勢: v=M*di/dt 互感耦合 傅里葉變換如果電流i1的功率譜密度為Si1（f），則i2的功率譜密度為i2的功率為或?qū)τ趫A形截面長度為L的兩條非磁性平行導(dǎo)線，ds為導(dǎo)線間距，其互感為互感與導(dǎo)線直徑無關(guān)，只取決于導(dǎo)線長度和導(dǎo)線間的間距高頻電磁輻射耦合電磁波波長: =波速V/頻率f，波速與傳播介質(zhì)有關(guān)；在空氣中大約3108m/s，1MHz信號的波長300m， 1GHz， =0.3m.近場和遠場: 源、介質(zhì)、距離 r=/2為分界點近場感應(yīng)

5、場遠場輻射場波阻抗：Z=E/H，在遠場條件下，E/H大小等于介質(zhì)的特性阻抗，如空氣或自由空間E/H=ZO=377近場條件下：電場和磁場分別考慮，高電壓小電流以電場為主；低電壓大電流以磁場為主。電場占優(yōu)：E1/r3、H 1/r2磁場占優(yōu)：E1/r2、H 1/r3三、抑制電磁干擾的主要技術(shù)消除或抑制噪聲源 破壞干擾的耦合通道 消除接收電路對干擾的敏感性 采用軟件抑制干擾 電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）噪聲抑制屏蔽接地平衡濾波隔離阻抗大小控制電纜設(shè)計抵消技術(shù)1、屏蔽：對兩個空間區(qū)域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)

6、和輻射。 靜電屏蔽+Q+Q+QAAABB用完整的金屬屏蔽體將帶正電導(dǎo)體包圍起來，在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導(dǎo)體等量的負電荷，外側(cè)出現(xiàn)與帶電導(dǎo)體等量的正電荷，如果將金屬屏蔽體接地，則外側(cè)的正電荷將流入大地，外側(cè)將不會有電場存在，即帶正電導(dǎo)體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內(nèi)。電場屏蔽干擾源產(chǎn)生的干擾是以電壓形式出現(xiàn)，干擾源與電子設(shè)備之間存在容性電場耦合。為消除或抑制這種干擾，要進行電場屏蔽。其設(shè)計應(yīng)遵從的原則是：(1)屏蔽體要盡量靠近受保護物，而且屏蔽體的接地必須良好；(2)屏蔽效果的好壞與屏蔽體的形狀有著最直接的關(guān)系。屏蔽體如果能夠做成全封閉的金屬盒最好，但在工程實踐中還需要根據(jù)實際情況而定；(3)

7、屏蔽體的材料要以良導(dǎo)體為好，對厚度沒有嚴格的要求，只要有足夠的強度即可。磁場屏蔽 把磁導(dǎo)率不同的兩種介質(zhì)放到磁場中，在它們的交界面上磁場要發(fā)生突變，這時磁場強度B的大小和方向都要發(fā)生變化，也就是說，引起了磁感線的折射。圖中A為一磁導(dǎo)率很大的軟磁材料（如坡莫合金或鐵鋁合金）做成的罩，放在外磁場中。由于罩殼磁導(dǎo)率比。大得多，所以絕大部分磁場線從罩殼的壁內(nèi)通過，而罩殼內(nèi)的空腔中，磁感線是很少的。這就達到了磁屏蔽的目的。一般采用電導(dǎo)率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現(xiàn)電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大

8、，而以趨膚深度和結(jié)構(gòu)強度為主要考慮因素。 電磁場屏蔽 單純的電場或磁場干擾源是很少見的，通常所說的電磁干擾是指電場和磁場同時存在的高頻電磁場干擾。2、接地：為保證電工設(shè)備正常工作和人身安全而采取的一種用電安全措施。接地通過金屬導(dǎo)線與接地裝置連接來實現(xiàn)。接地裝置將電工設(shè)備和其他生產(chǎn)設(shè)備上可能產(chǎn)生的漏電流、靜電荷以及雷電電流等引入地下，從而避免人身觸電和可能發(fā)生的火災(zāi)、爆炸等事故。3、平衡：根據(jù)收發(fā)可逆原理，外部空間電磁場可以直接進入雙絞線。雙絞線無法防止外界電磁場進入,但采用了螺旋扭絞的辦法，讓兩條線接收到的信號“盡量完全一樣”，并采用平衡差分信號處理技術(shù)，把這種完全一樣的“共模信號”抑制掉。

9、4、濾波：對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效的濾除，其基本形式是利用電感器和電容器的頻率電抗特性，將電感、電容適當(dāng)組合在電路中，組成濾波網(wǎng)絡(luò)完成頻率選擇。EMI濾波器的基本形式濾波器實質(zhì)上是一個選頻電路。濾波器中，把信號能夠通過的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶；反之，信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常數(shù)，在阻帶內(nèi)的電壓增益為零；實際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過渡帶。EMI濾波器按所通過信號的頻段分為四種：模擬濾波器：利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形或頻率進行加工處理。 數(shù)字濾波器：在測試系

10、統(tǒng)或?qū)Ｓ脙x器儀表中作為一種常用的變換裝置EMI濾波器按所處理的信號分為兩種：EMI濾波器按濾波原理分為三種：反射式濾波器 阻擋EMI信號，通過有用信號吸收式濾波器 吸收不需要的頻率成分并將此成分的能量轉(zhuǎn)換成熱能耗散出去濾波連接器 在普通電連接器的基礎(chǔ)上，經(jīng)過內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進，增加濾波電路（濾波網(wǎng)絡(luò)）研制而成。既具備普通電連接器的所有功能，又兼具抑制電磁干擾的特性。濾波前后對比：EMI濾波器成品設(shè)計EMI濾波器的注意點頻率特性耐壓性能額定電流阻抗特性屏蔽可靠性電磁兼容性（EMC）電磁兼容性（EMC，Electro Magnetic Compatibility）是指電器、電子產(chǎn)品能在規(guī)定的電磁環(huán)境中正

11、常工作，并不對該環(huán)境中其他產(chǎn)品產(chǎn)生過量的電磁干擾。這里包含著兩個方面的要求：其一是要求產(chǎn)品對外界的電磁干擾具有一定的承受能力；其二是要求產(chǎn)品在正常運行過程中，該產(chǎn)品對周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限度。 在考核家用電器運行的可靠性時，就不僅僅要考慮電器本身的性能，還要考核其對周圍環(huán)境的承受和干擾程度，這就是電器的電磁兼容問題。 常見的電磁兼容元件各式各樣的電容云母電容電解電容高壓電容穿心電容法拉電容聚苯電容薄膜電容三端電容器膽電容校正CBB電容獨石電容自熱變阻電容器不同的電容 不同的效果 未加入濾波措施電 感線圈的品質(zhì)因數(shù)為： Q=L/R電感的離散參數(shù)分布電容直流電阻功率電感模壓線圈空芯線圈磁環(huán)線圈棒狀線圈變壓器磁性材料 磁性元件 吸收磁珠用于抑制PCB板高頻傳導(dǎo)干擾夾式磁環(huán)：安裝方便，用于設(shè)備EMI結(jié)構(gòu)優(yōu)化 扁平吸收環(huán)用于數(shù)據(jù)總線、數(shù)字信號線濾波非晶材料燒結(jié)鐵氧體作為尖峰抑制器使用粉芯材料NiMn軟磁材料二極管不同性能不同的應(yīng)用TVS瞬變二極管芯片熱阻與脈沖持續(xù)時間關(guān)系圖TVS伏安特性超快超軟恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時間肖特基二極管 用于各種脈沖吸收場合，trr4ns變阻二極管其他常用EMI抑制元件壓敏電阻 沒有脈沖時呈高阻值狀態(tài)，一旦響應(yīng)脈沖電壓，立即將電壓限制到一定值，阻抗突變?yōu)榈椭?1、高壓型壓敏電阻 2、高能型壓敏電阻 3、納米添加法 氣體放