噪聲是泛指干擾和破壞有用信號以外的無用信號。在測量中它嚴重影響有用信號的測量精度,特別是妨礙對微弱信號的檢測。在通訊系統中,直接影響接收系統的靈敏度和傳輸系統的最小允許傳輸電平。在電子計算機中干擾將造成誤動作等。
廣義上來說,噪聲和干擾是同義語。如果要具體細分,則干擾是噪聲造成的不良影響。當一個噪聲電壓使電路不能正常工作時,該噪聲電壓就稱為干擾電壓。一般來說噪聲是很難消除的,但是可以降低噪聲的強度,使其不致形成干擾。
一、形成噪聲的三要素
要想設法抑制噪聲和干擾,必須首先確定產生噪聲的噪聲源是什么,接收電路是什么,“源”和“接收電路”之間是怎樣耦合的,這就是平常所說的形成噪聲的三要素,即:噪聲源;對噪聲敏感的接收電路;耦合通道。然后才能采用相應的方法,通常在三個方面加以解決:對于噪聲源,應抑制噪聲源產生的噪聲;對于噪聲敏感的接收電路,應使接收電路對噪聲不敏感;對于耦合通道,可抑制耦合通道的傳輸。
二、噪聲的來源
噪聲的來源是多種多樣,歸納起來可分為:
1.系統內部元件產生的隨機噪聲——固有噪聲。
2.系統外部來的干擾。
(1)固有噪聲
電路各種元器件本身就是噪聲源。如電阻的固有噪聲,主要是由電阻內部的自由電子無規則的熱運動造成的。晶體管的散粒噪聲、低頻噪聲、爆烈噪聲等都是固有噪聲。
(2)系統外部來的干擾
其因素更多更廣泛,如50Hz電源諧波所產生的干擾,生產設備所產生的干擾,以及元器件接觸不良等。
三、噪聲的耦合方式
噪聲源以什么方式耦合到電路中來,即引入渠道。了解耦合方式,才能采取相應措施抑制干擾;通常耦合方式有傳導耦合、經公共阻抗耦合和電磁場耦合三種形式。
(1)傳導耦合
導線經過具有噪聲的環境時,拾取到噪聲并傳送到電路造成干擾。噪聲經電路輸入引線或電源引線傳至電路最為常見。
(2)經公共阻抗的耦合
經公共阻抗的耦合是通過地線和電源內阻產生的寄生反饋部分。
(3)電磁場耦合
電磁場耦合即是感應噪聲產生的干擾,包括電場、磁場和電磁感應:
電磁場耦合根據輻射源的遠近可分為:
近場感應:電容性感應——電力線通過相互間電容耦合來傳播;電感性耦合——磁力線通過相互間電感耦合來傳播。
遠場的輻射——以電磁波方式傳播。
電容性耦合和電感性耦合往往是同時存在,兩者很容易混淆,處理時若分不清這兩種噪聲,就不可能有的放矢采取有效措施。其區分原則大致如表1所示。
四、抑制干擾的方法
抑制干擾必須從產生干擾的三要素出發找出辦法。
1.在噪聲發源處抑制噪聲最為有效
可想而知,從噪聲發源處采取措施不讓噪聲傳播出來,問題會迎刃而解。因此在遇到干擾的情況時,無論情況怎樣復雜,首先要查找和研究如何將噪聲源的噪聲抑制下去。工作現場常見噪聲源有電源變壓器、繼電器、集成電路處于開關工作狀態、白熾燈、電機運轉等,根據不同情況采取適當措施,如電源變壓器采取屏蔽措施,繼電器用二極管并接到線圈上解決,等等。
2.使接收電路對噪聲不敏感
這有兩方面含義,—是將易受干擾的元器件,甚至整個電路屏蔽起來,如對多級放大器中第一級用屏蔽體罩起來,使外來噪聲盡量少進入放大器中去,二是放大器本身固有噪聲盡量小,因此通常選用噪聲系數小的元器件、合理布線以設計低噪聲前置放大器來實現。
3.在噪聲傳播途徑中抑制噪聲
根據噪聲傳播途徑不同,采用相應手段將傳播切斷或削弱,從而達到抑制噪聲的目的。
(1)噪聲經導線傳導耦合到電路中最常見的是經輸入引線和電源引線。抑制噪聲可用不同方法:輸入引線通常采用屏蔽方法來抑制噪聲,如采用電纜線等;為防止經電源引線引入噪聲,通常是在對噪聲敏感的某一級或幾級或整個電路直流供電線上加入RC去耦電路,另外使引線遠離噪聲源也是有效方法之一。
(2)抑制公共阻抗有兩種:電源內阻和地線。其抑制噪聲干擾的方法與抑制自激振蕩相同。
(3)抑制電磁場耦合噪聲方法
抑制電磁場耦合噪聲的常用方法是采用屏蔽技術和接地技術。
五、屏蔽技術與接地技術
由上邊可以看出屏蔽與接地是抑制干擾比較有效而且經常采用的防干擾技術。
1.屏蔽技術
所謂屏蔽,就是對兩個指定空間區域進行金屬隔離,以抑制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和傳播。屏蔽一般有兩種:一是靜電屏蔽;二是電磁屏蔽。
靜電屏蔽的原理:
靜電屏蔽的原理是在屏蔽體接地后,干擾電流經屏蔽體短路入地,使其不能耦合到電路中去。下面以兩根導線之間靜電耦合加以說明:
首先應該明確,空間中兩個相鄰的導體相當電容的兩個極板,總是存在電容。人們把這種電容叫雜散電容或分布電容、寄生電容。同樣任何一根導線都存在電容和電感,叫分布電容、分布電感。這些雜散電容、電感數值一般很小,在低頻時影響不大,但對高頻信號,其影響不可低估。如果用集總電容和電感來表示這些雜散電容和電感,就可以應用一般網絡理論對屏蔽進行分析。
為了得到較好的電場屏蔽,必須做到:(1)盡量縮短中心線伸出屏蔽體外的長度,減小兩導線間的雜散電容C。(2)給屏蔽體以良好的接地,若電線長度小于1/20波長時,最好采用一點接地。以上介紹的導線的屏蔽原理也適用于其他形式的屏蔽體,如屏蔽罩等。(3)屏蔽體的形狀多種多樣,可以用屏蔽罩把電路元件完全包圍起來,其形狀可做成方形、長方形、圓柱形等,其中以圓柱形屏蔽效果最佳;也可在需要屏蔽的方向上加屏蔽板,如印刷電路中在兩個信號線中間加地線將其分開。電纜線、編織線是導線常用的靜電屏蔽形式,電纜線是用金屬網將導線包圍起來的傳輸線,應用時外層金屬網用適當形式接地,即可保護導線不受外界電場影響,又可防止導線上產生的電力線向外泄漏。
屏蔽體材料:電屏蔽常用導電率高的銅、鋁或鐵等金屬;而磁屏蔽采用高導磁率的磁性材料,如坡莫合金或鐵材料等。
2、接地技術
接地與屏蔽一樣,也是抑制干擾的有效方法之一,如果能把屏蔽與接地正確結合起來使用,可以解決大部分干擾問題。
所謂接地,就是選擇一個等電位點,它是系統或電路的基準電位,即參改點,但并一定是大地電位。一般儀器機殼要接大地.這種地線稱為保護地線,主要目的是保護人身安全。而這里所說的接地是指電路的信號地線(參考電位點),不—定與大地相連。
(1)電路接地方式
信號地線的接地方式有兩種:①一點接地;②多點接地。一點接地又有兩種接法:即串聯接地和并聯接地,如圖2.12所示。
串聯接地方式從防止干擾來說是不合理的。因各地線串聯、地線呈現的電阻容易形成公共地線干擾;但由于比較簡單,當各電路的電平相差不大時,使用得還比較多。
并聯接地在低頻中是最適用的,它沒有公共阻抗支路,但需要連很多導線,且導線較長,地線阻抗較大.所以不適用于高頻信號。
多點接地,這是一種把電路中所用的地線分別連到最近的地線排上的一種方法,地線排一般是機殼,這樣可以降低地線阻抗,比較適用高頻信號。
特別要注意的是:交流電源的地線不能用作信號地線,因為在一段電源地線的兩點間會有數百毫伏、甚至幾伏的電壓,這對低電平電路來說是一個非常嚴重的干擾。
(2)模擬地與數字地
目前較大的電子系統中往往即有模擬電路,又有數字電路,為了防止數字信號(即大信號)對模擬電路產生干擾,一般將兩者地線分開,采用模擬地線和數字地線,使模擬電路和數字電路自成回路,這是很好的防干擾措施。
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