电子电路噪声干扰及其抑制

接线图 2023年07月21日 22:53 239 admin

   噪声是泛指干扰和破坏有用信号以外的无用信号。在测量中它严重影响有用信号的测量精度，特别是妨碍对微弱信号的检测。在通讯系统中，直接影响接收系统的灵敏度和传输系统的最小允许传输电平。在电子计算机中干扰将造成误动作等。
    广义上来说，噪声和干扰是同义语。如果要具体细分，则干扰是噪声造成的不良影响。当一个噪声电压使电路不能正常工作时，该噪声电压就称为干扰电压。一般来说噪声是很难消除的，但是可以降低噪声的强度，使其不致形成干扰。
一、形成噪声的三要素
    要想设法抑制噪声和干扰，必须首先确定产生噪声的噪声源是什么，接收电路是什么，“源”和“接收电路”之间是怎样耦合的，这就是平常所说的形成噪声的三要素，即：噪声源；对噪声敏感的接收电路；耦合通道。然后才能采用相应的方法，通常在三个方面加以解决：对于噪声源，应抑制噪声源产生的噪声；对于噪声敏感的接收电路，应使接收电路对噪声不敏感；对于耦合通道，可抑制耦合通道的传输。
二、噪声的来源
噪声的来源是多种多样，归纳起来可分为：
1. 系统内部元件产生的随机噪声——固有噪声。
2. 系统外部来的干扰。
(1) 固有噪声
电路各种元器件本身就是噪声源。如电阻的固有噪声，主要是由电阻内部的自由电子无规则的热运动造成的。晶体管的散粒噪声、低频噪声、爆烈噪声等都是固有噪声。
(2) 系统外部来的干扰
其因素更多更广泛，如50Hz电源谐波所产生的干扰，生产设备所产生的干扰，以及元器件接触不良等。
三、噪声的耦合方式
噪声源以什么方式耦合到电路中来，即引入渠道。了解耦合方式，才能采取相应措施抑制干扰；通常耦合方式有传导耦合、经公共阻抗耦合和电磁场耦合三种形式。
(1) 传导耦合
导线经过具有噪声的环境时，拾取到噪声并传送到电路造成干扰。噪声经电路输入引线或电源引线传至电路最为常见。
(2) 经公共阻抗的耦合
经公共阻抗的耦合是通过地线和电源内阻产生的寄生反馈部分。
(3) 电磁场耦合
电磁场耦合即是感应噪声产生的干扰，包括电场、磁场和电磁感应：
电磁场耦合根据辐射源的远近可分为：
近场感应：电容性感应——电力线通过相互间电容耦合来传播；电感性耦合——磁力线通过相互间电感耦合来传播。
远场的辐射——以电磁波方式传播。
电容性耦合和电感性耦合往往是同时存在，两者很容易混淆，处理时若分不清这两种噪声，就不可能有的放矢采取有效措施。其区分原则大致如表1所示。

表1 电容性耦合和电感性耦合的区分

判别方法	噪声变化情况
判别方法	电感性耦合	电容性耦合
使受干扰的信号回路的信号源内阻变化	不变	变
加屏蔽体后，将屏蔽体接地与不接	不变	变
噪声回路负载变化	变	不变

此外，一般高电压回路易产生电容性耦合源；大电流回路易产生电感性耦合源。
四、抑制干扰的方法
抑制干扰必须从产生干扰的三要素出发找出办法。
1. 在噪声发源处抑制噪声最为有效
可想而知，从噪声发源处采取措施不让噪声传播出来，问题会迎刃而解。因此在遇到干扰的情况时，无论情况怎样复杂，首先要查找和研究如何将噪声源的噪声抑制下去。工作现场常见噪声源有电源变压器、继电器、集成电路处于开关工作状态、白炽灯、电机运转等，根据不同情况采取适当措施，如电源变压器采取屏蔽措施，继电器用二极管并接到线圈上解决，等等。
2. 使接收电路对噪声不敏感
这有两方面含义，—是将易受干扰的元器件，甚至整个电路屏蔽起来，如对多级放大器中第一级用屏蔽体罩起来，使外来噪声尽量少进入放大器中去，二是放大器本身固有噪声尽量小，因此通常选用噪声系数小的元器件、合理布线以设计低噪声前置放大器来实现。
3. 在噪声传播途径中抑制噪声
根据噪声传播途径不同，采用相应手段将传播切断或削弱，从而达到抑制噪声的目的。
(1)噪声经导线传导耦合到电路中最常见的是经输入引线和电源引线。抑制噪声可用不同方法：输入引线通常采用屏蔽方法来抑制噪声，如采用电缆线等；为防止经电源引线引入噪声，通常是在对噪声敏感的某一级或几级或整个电路直流供电线上加入RC去耦电路，另外使引线远离噪声源也是有效方法之一。
(2)抑制公共阻抗有两种：电源内阻和地线。其抑制噪声干扰的方法与抑制自激振荡相同。
(3)抑制电磁场耦合噪声方法
抑制电磁场耦合噪声的常用方法是采用屏蔽技术和接地技术。
五、屏蔽技术与接地技术
由上边可以看出屏蔽与接地是抑制干扰比较有效而且经常采用的防干扰技术。
1．屏蔽技术
所谓屏蔽，就是对两个指定空间区域进行金属隔离，以抑制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和传播。屏蔽一般有两种：一是静电屏蔽；二是电磁屏蔽。
静电屏蔽的原理：
静电屏蔽的原理是在屏蔽体接地后，干扰电流经屏蔽体短路入地，使其不能耦合到电路中去。下面以两根导线之间静电耦合加以说明：
首先应该明确，空间中两个相邻的导体相当电容的两个极板，总是存在电容。人们把这种电容叫杂散电容或分布电容、寄生电容。同样任何一根导线都存在电容和电感，叫分布电容、分布电感。这些杂散电容、电感数值一般很小，在低频时影响不大，但对高频信号，其影响不可低估。如果用集总电容和电感来表示这些杂散电容和电感，就可以应用一般网络理论对屏蔽进行分析。
为了得到较好的电场屏蔽，必须做到：(1)尽量缩短中心线伸出屏蔽体外的长度，减小两导线间的杂散电容C。(2)给屏蔽体以良好的接地，若电线长度小于1/20波长时，最好采用一点接地。以上介绍的导线的屏蔽原理也适用于其他形式的屏蔽体，如屏蔽罩等。(3)屏蔽体的形状多种多样，可以用屏蔽罩把电路元件完全包围起来，其形状可做成方形、长方形、圆柱形等，其中以圆柱形屏蔽效果最佳；也可在需要屏蔽的方向上加屏蔽板，如印刷电路中在两个信号线中间加地线将其分开。电缆线、编织线是导线常用的静电屏蔽形式，电缆线是用金属网将导线包围起来的传输线，应用时外层金属网用适当形式接地，即可保护导线不受外界电场影响，又可防止导线上产生的电力线向外泄漏。

电子电路噪声干扰及其抑制第1张
屏蔽体材料：电屏蔽常用导电率高的铜、铝或铁等金属；而磁屏蔽采用高导磁率的磁性材料，如坡莫合金或铁材料等。
2．接地技术
接地与屏蔽一样，也是抑制干扰的有效方法之一，如果能把屏蔽与接地正确结合起来使用，可以解决大部分干扰问题。
所谓接地，就是选择一个等电位点，它是系统或电路的基准电位，即参改点，但并一定是大地电位。一般仪器机壳要接大地．这种地线称为保护地线，主要目的是保护人身安全。而这里所说的接地是指电路的信号地线(参考电位点)，不—定与大地相连。
(1) 电路接地方式
信号地线的接地方式有两种：①一点接地；②多点接地。一点接地又有两种接法：即串联接地和并联接地，如图2.12所示。
串联接地方式从防止干扰来说是不合理的。因各地线串联、地线呈现的电阻容易形成公共地线干扰；但由于比较简单，当各电路的电平相差不大时，使用得还比较多。
并联接地在低频中是最适用的，它没有公共阻抗支路，但需要连很多导线，且导线较长，地线阻抗较大．所以不适用于高频信号。
多点接地，这是一种把电路中所用的地线分别连到最近的地线排上的一种方法，地线排一般是机壳，这样可以降低地线阻抗，比较适用高频信号。
特别要注意的是：交流电源的地线不能用作信号地线，因为在一段电源地线的两点间会有数百毫伏、甚至几伏的电压，这对低电平电路来说是一个非常严重的干扰。
(2)模拟地与数字地
目前较大的电子系统中往往即有模拟电路，又有数字电路，为了防止数字信号（即大信号)对模拟电路产生干扰，一般将两者地线分开，采用模拟地线和数字地线，使模拟电路和数字电路自成回路，这是很好的防干扰措施。