調(diào)頻干擾噪聲及其抑制的研究

【摘要】某個外部干擾源產(chǎn)生噪聲，并經(jīng)過一定的途徑將噪聲耦合到信號檢測電路，從而形成對監(jiān)測系統(tǒng)的外部干擾噪聲。本文通過對干擾噪聲的形成及其耦合機(jī)理加以分析，并對共阻抗噪聲、電容性耦合噪聲屏蔽、電感性耦合噪聲屏蔽的三種抑制措施進(jìn)行了研究探討。

【關(guān)鍵詞】干擾噪聲;耦合機(jī)理;抑制措施

干擾噪聲的來源種類有很多，常見的噪聲源有電力線噪聲，電氣設(shè)備噪聲，射頻噪聲，地電位差噪聲，雷電，天體噪聲，機(jī)械起源的噪聲等。干擾噪聲產(chǎn)生的原因可能是由于自然噪聲（如空中的雷電、宇宙射線等），也可能是由于從系統(tǒng)中的其它電子裝置或附近環(huán)境中耦合進(jìn)來的人為噪聲（如計算機(jī)開關(guān)電源、繼電器觸點等）。人為噪聲是數(shù)據(jù)采集或測試系統(tǒng)中最為普遍的一種噪聲形式。雖然在弱信號電路中這種噪聲最令人討厭，但它是唯一可以通過選擇布線和屏蔽措施能得到有效改善的一種噪聲。

1.形成干擾噪聲的條件

形成干擾噪聲必須具備三個條件：噪聲源（電源線瞬變、繼電器、磁場等），耦合通（電容、互感、導(dǎo)線）和接收電路（對噪聲敏感的電路），如圖1所示。

圖1 噪聲的形成條件

要消除干擾噪聲就必須去除、減少或轉(zhuǎn)移這三個條件中的一個或幾個。在解決噪聲問題之前必須徹底了解每一個條件在噪聲問題中的作用，如果解決方法不當(dāng)，只能使干擾變得更糟。不同的噪聲問題需要用不同的解決方法，加一只電容或一個屏蔽并不能解決每一種噪聲問題。

2.噪聲類型及其耦合機(jī)理

2.1 公共阻抗噪聲

圖2 通過共阻抗形成的噪聲

公共阻抗噪聲是由幾個電路的公共阻抗產(chǎn)生的噪聲，圖2示出了其基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)一個脈沖輸出源和一個運算放大器的參考端兩者都連接到一個接地點并且它對于電源返回端具有公共阻抗時會發(fā)生這種情況。這個噪聲電流（電路1的返回電流）將在阻抗Z兩端產(chǎn)生一個電壓Vn，即對電路2的噪聲電壓。一般來說，這種形式的噪聲具有一個由噪聲源頻率決定的重復(fù)速率，其實際波形由共阻抗的特性決定。如果在電路中發(fā)現(xiàn)這種噪聲，可根據(jù)重復(fù)速度和波形很容易地找到它的起源，重復(fù)速率可指出這個噪聲源，因為噪聲與噪聲源是同步的。

2.2 電容性耦合噪聲

噪聲也可以通過電容從一個噪聲源向另一個電路耦合而產(chǎn)生。當(dāng)具有快速上升和下降時間或高頻成分的信號與高阻抗電路非常接近時，常常可遇到這種噪聲，雜散電容將信號的快速沿耦合到鄰近的電路。如圖3所示電路模型，阻抗Z的性質(zhì)決定響應(yīng)的波形。

通過共阻抗，可使交流電源線上的噪聲耦合到其它電路，如通過電源變壓器繞組間電容的瞬態(tài)耦合。

2.3 電感性耦合噪聲

在強(qiáng)磁場周圍存在著磁耦合，這種情況下所產(chǎn)生的噪聲稱為磁耦合或電感性耦合噪聲。

磁場在閉合環(huán)路（單圈）中感應(yīng)的電壓Vn由下式給出：（其在電路中的影響可用圖4作以說明）Vn=2πfBACOSθ×10-8（V）式中：f為磁通密度正弦變化頻率（Hz）B為磁通密度的有效值（Gs）A為閉合環(huán)路的面積（cm2）θ為B與面積A法向之間的夾角顯然，通過減小B、A或者COSθ的方法，都可以減小電感性噪聲電壓。對于磁場B，可以通過遠(yuǎn)離磁場源來減小，若B是由靠近導(dǎo)線對的電流引起的，可采用雙絞線，由于電流方向交替改變從而使凈磁場減小到零。

圖3 雜散電容使噪聲耦合到高阻抗電路

圖4 影響電感耦合噪聲的因素

對于環(huán)路面積A，使兩根導(dǎo)線靠近在一起便可以減小。如將其扭絞在一起，那么面積效地減小可使Vn的正增量和負(fù)增量互相抵消的程度，實際上就消除了磁場耦合。

對于cosθ，適當(dāng)調(diào)整接收導(dǎo)線對于磁場的方向可使COSθ減小。若導(dǎo)線與磁場垂直，則耦合噪聲最;若它們在同一電纜中混合在一起（θ=0），則耦合噪聲最大。

另外，當(dāng)一個導(dǎo)體與第二個導(dǎo)體平行（第二個導(dǎo)體帶有角頻率ω=2πf的電流I2），且當(dāng)它們之間的互感為M時，那么這個導(dǎo)體上感應(yīng)的電壓Vn為：Vn=ωMI2，圖5示出了這種關(guān)系的典型應(yīng)用，說明了為什么僅僅屏蔽層的一端應(yīng)當(dāng)接地的原則。

圖5 從流過電纜屏蔽層的電流的電感性耦合

3.噪聲的有效抑制措施及方法

3.1 公共阻抗噪聲

減小公共阻抗是抑制這種噪聲的有效方法。如在系統(tǒng)設(shè)計中合理分配電源，使模擬電源與數(shù)字電源分開，最后采用一點共地并增大共地面積來減小公共阻抗。

3.2 電容性耦合噪聲屏蔽

如果噪聲來自電場，屏蔽便能解決這個問題。因為外部電勢感應(yīng)的電荷不能存在于閉合導(dǎo)體表面的內(nèi)部。

前述圖3給出了雜散電容的耦合模型，如把圖3電路加上屏蔽就變成了圖7所示的電路模型。假設(shè)屏蔽阻抗為零，則環(huán)路A-B-D-A中的噪聲電流為VM1/ZCS1，而環(huán)路D-B-C-D中的噪聲電流為零，因為這個環(huán)路中沒有驅(qū)動源。所以Z兩端也就不產(chǎn)生電壓，因此保護(hù)了敏感電路不受噪聲源VM1的影響。

對于屏蔽層的連接應(yīng)該注意應(yīng)當(dāng)把屏蔽電路導(dǎo)線連接到位于信號參考點的參考電位上（如圖7）。如果信號接到大地上，屏蔽也必須接到大地上，如果信號不接大地，把屏蔽接大地是沒有任何用處的。

圖6 圖3中加上屏蔽后的電路模型

圖7 電路屏蔽層接地

3.3 電感性耦合噪聲屏蔽

電感性耦合噪聲是以磁場形式引起的，對這種噪聲的屏蔽要比電場引起的噪聲的屏蔽更困難。因為低頻磁場可以穿過導(dǎo)電材料。因此在低頻下最有效的方法是減小干擾磁場的強(qiáng)度，另外通過最佳布線減小接收電路環(huán)路面積，來減小耦合。

對于磁場的屏蔽應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：接收電路的放置應(yīng)當(dāng)盡量遠(yuǎn)離磁場源;不允許走線與磁場平行，而要盡可能與磁場成直角交叉。

根據(jù)頻率和場強(qiáng)選用適當(dāng)?shù)牟牧掀帘未艌觥ｎl率越低則要求屏蔽材料的μ值越大。但若在磁場強(qiáng)度很強(qiáng)的情況下，μ值越大則越發(fā)生磁飽和。對于傳輸大電流的導(dǎo)體（這是一種強(qiáng)磁場源），應(yīng)當(dāng)使用雙絞線。同時注意雙絞線中流過的電流要平衡，如圖8所示。

圖8

圖8a中兩根導(dǎo)線中的電流大小相等且方向相反，則雙絞線在每個周期任何方向上的磁場為零。而圖8b中的情況則不同，由于形成了地環(huán)路，它將通過雙絞線產(chǎn)生一個由i3（=i1-i2）確定的磁場。

4.結(jié)束語

總之，降低噪聲的工作是廣電工程師的具體實踐和分析工作，關(guān)鍵問題是在采用減小噪聲措施之前要弄清全部噪聲系統(tǒng)的噪聲源、耦合通道、接收電路及其關(guān)系。其最有效的方法就是預(yù)防，即在系統(tǒng)建立之前就應(yīng)該對噪聲進(jìn)行分析并采取減小噪聲措施。

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作者簡介：吳波（1984—），男，山東濟(jì)寧人，大學(xué)本科，助理工程師，現(xiàn)供職于山東省新聞出版廣電局泰山轉(zhuǎn)播臺。