干扰噪声系统基本知识的探讨
时间：12-07
来源：互联网
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作者: Alan Rich
想像一下，如果电路不工作，随处添加一个去耦电容(例如0.01 μF陶瓷圆盘电容)，修好了！或者当电路传出噪声时，一块屏蔽体就能解决问题：用金属片把电路包起来，将屏
蔽体“接地”，噪声马上消失！
遗憾的是，现实中没有这样的好事。添加0.01μF圆盘电容只会增加噪声；屏蔽体完全无效，甚至更糟，噪声会在电路远端重新出现。
此专题分两部分讨论，本文是第一部分，旨在帮助您了解并有效处理电子系统中的干扰噪声。这里我们将考虑拾取噪声的机制，因为解决任何噪声问题的第一步是确定噪声来源和耦合机制，然后才能实施有效解决方案。稍后我们在第二部分将提供具体技术建议和有效屏蔽静电和磁耦合噪声的原则。
我们讨论的是何种噪声？
任何电子系统都存在许多噪声来源。表现形式主要有三种：发射噪声，与原始信号一起接收且无法区分；内生噪声(例如发热产生的约翰逊噪声、散粒噪声和爆米花噪声)，源自构成电路的器件；以及干扰噪声，从电路外部拾取。干扰噪声可能源于自然干扰(如闪电)，或者从系统内或附近的其他电气设备(例如电脑、开关电源、SCR控制加
热器、无线电发射机、开关触点等)耦合进来。
本文仅探讨最后一类，即人为噪声，这是数据采集或测试系统中最普遍存在的系统噪声。它在低电平电路中最麻烦，系统任何部分均无法逃脱其影响。但它也是会受布线和屏蔽选择影响的唯一噪声形式。
假设和分析工具
尽管完整、精确描述电气系统特性必然用到麦克斯韦方程组(意味着更多的数学计算)，但大多数情况下传统的电路分析仍然很有用。解决这些问题时，要确保电路分析有效，需做如下假设：
1. 所有电场局限于电容内部。
2. 所有磁场局限于电感直接相邻部分。
3. 电路尺寸相对于所考虑的波长较小。
使用上述假设，我们可以将噪声耦合通道模拟为集总电路元件。将耦合两个电感的磁场模拟为互感。可将杂散电容模拟为两个导体，两者间存在电场。图1显示了一个等效电路情况，其中两根短导线在系统地上彼此相邻。
图1. 两个相邻导线和接地层的噪声等效电路。
一旦获得某一系统的完整噪声等效电路，问题就成为针对所需参数求解其中一个网络方程式。所有标准线性电路分析技术均可应用，包括节点方程、环路方程、矩阵代数、状态变量、叠加、拉普拉斯变换等等。当电路超过5和6个节点时，手动计算变得困难；此时必须使用计算机辅助程序，例如SPICE，以及其他CAD技术。有经验的设计师可以适当地简化假设；但其有效性在得到验证前必须始终警惕。
集总元件方法不一定给出精确数字答案，但可以清晰显示噪声与系统参数的依赖关系。绘制尽可能详确的等效电路可以给如何降低噪声电平提供思路。一旦写出网络方程和CAD程序，便可研究噪声抑制技术的定量影响。
虽然所有现代技术均在进步，例如微处理器和开关电源，但导线仍具有电阻和电感，电容仍存在于真实世界，这些现象必须认真对待。
基本原理
噪声问题始终牵涉三个因素：噪声源(线路瞬变、继电器、磁场等)、耦合介质(电容、互感、导线)和接收机，即易受噪声影响的电路(图2)。
图2. 噪声拾取始终涉及噪声源、耦合介质和接收机。
要解决问题，必须消除、削弱或转移这三个因素中的一个或多个。在可以解决问题前，必须彻底弄清这些因素在问题中的作用。如果解决方案不当，噪声问题只会变得更糟！不同噪声问题需要不同的解决方案；添加电容或屏蔽体并不一定有效。
系统噪声类型
任何电子系统中的噪声来源很多，包括计算机、风扇、电源、相邻设备、测试器件，甚至用于抑制噪声但连接不当的屏蔽体和接地线。我们讨论的噪声源和耦合机制包括下列主题：
●公共阻抗噪声
●容性耦合噪声
●磁耦合噪声
●电力线瞬变
●其他噪声源
公共阻抗噪声
顾名思义，公共阻抗噪声是由数个电路共有的阻抗引起的。图3显示了基本配置，可能发生于脉冲输出源和运算放大器基准端子均连接到“接地”点的情况，该点对电源返回端子有明显阻抗。噪声电流(电路1的噪声返回电流)将在阻抗Z两端产生电压Vnoise，该电压对电路2表现为噪声信号。
图3. 公共电路阻抗如何产生噪声。
通常，此类噪声的重复率取决于噪声源速率。实际波形由阻抗Z的特性决定。例如，如果Z完全是电阻式，噪声电压将与噪声电流成正比，并具有相似形状(图4a)。如果Z为R-L-C，噪声电压将以频率1/(2πLC)振铃，并以L/R (b)确定的速率呈指数性衰减。
如果在电路中发现此类噪声，可以从重复率和波形很容易地推断出原由。重复率将指向噪声来源，因为噪声与其来源是同步的。
例如，(c)中所示的噪声波形(重复率25kHz，占空比25%)就是包含调节环路并使用脉宽调制的开关电源的典型波形。
图4. 公共阻抗中的噪声效应，(a)电阻，(b)R-L-C电路，(c)开关噪声响应。
波形有助于确定实际产生干扰噪声的阻抗。例如，如果噪声波形是图5所示的简单阻尼正弦波，以下特性可帮助我们推断Z的性质：
● 恒定电阻R与线路串联。电压变化V1是R与电流阶跃I1的
乘积。
●振荡自然频率f1取决于串联的L和并入的C，f = 1/(2πLC)。
●阻尼时间常数T由L/R决定。
图5. 欠阻尼R-L-C电路的波形。
想像一下，如果电路不工作，随处添加一个去耦电容(例如0.01 μF陶瓷圆盘电容)，修好了！或者当电路传出噪声时，一块屏蔽体就能解决问题：用金属片把电路包起来，将屏
蔽体“接地”，噪声马上消失！
遗憾的是，现实中没有这样的好事。添加0.01μF圆盘电容只会增加噪声；屏蔽体完全无效，甚至更糟，噪声会在电路远端重新出现。
此专题分两部分讨论，本文是第一部分，旨在帮助您了解并有效处理电子系统中的干扰噪声。这里我们将考虑拾取噪声的机制，因为解决任何噪声问题的第一步是确定噪声来源和耦合机制，然后才能实施有效解决方案。稍后我们在第二部分将提供具体技术建议和有效屏蔽静电和磁耦合噪声的原则。
我们讨论的是何种噪声？
任何电子系统都存在许多噪声来源。表现形式主要有三种：发射噪声，与原始信号一起接收且无法区分；内生噪声(例如发热产生的约翰逊噪声、散粒噪声和爆米花噪声)，源自构成电路的器件；以及干扰噪声，从电路外部拾取。干扰噪声可能源于自然干扰(如闪电)，或者从系统内或附近的其他电气设备(例如电脑、开关电源、SCR控制加
热器、无线电发射机、开关触点等)耦合进来。
本文仅探讨最后一类，即人为噪声，这是数据采集或测试系统中最普遍存在的系统噪声。它在低电平电路中最麻烦，系统任何部分均无法逃脱其影响。但它也是会受布线和屏蔽选择影响的唯一噪声形式。
假设和分析工具
尽管完整、精确描述电气系统特性必然用到麦克斯韦方程组(意味着更多的数学计算)，但大多数情况下传统的电路分析仍然很有用。解决这些问题时，要确保电路分析有效，需做如下假设：
1. 所有电场局限于电容内部。
2. 所有磁场局限于电感直接相邻部分。
3. 电路尺寸相对于所考虑的波长较小。
使用上述假设，我们可以将噪声耦合通道模拟为集总电路元件。将耦合两个电感的磁场模拟为互感。可将杂散电容模拟为两个导体，两者间存在电场。图1显示了一个等效电路情况，其中两根短导线在系统地上彼此相邻。
图1. 两个相邻导线和接地层的噪声等效电路。
一旦获得某一系统的完整噪声等效电路，问题就成为针对所需参数求解其中一个网络方程式。所有标准线性电路分析技术均可应用，包括节点方程、环路方程、矩阵代数、状态变量、叠加、拉普拉斯变换等等。当电路超过5和6个节点时，手动计算变得困难；此时必须使用计算机辅助程序，例如SPICE，以及其他CAD技术。有经验的设计师可以适当地简化假设；但其有效性在得到验证前必须始终警惕。
集总元件方法不一定给出精确数字答案，但可以清晰显示噪声与系统参数的依赖关系。绘制尽可能详确的等效电路可以给如何降低噪声电平提供思路。一旦写出网络方程和CAD程序，便可研究噪声抑制技术的定量影响。
虽然所有现代技术均在进步，例如微处理器和开关电源，但导线仍具有电阻和电感，电容仍存在于真实世界，这些现象必须认真对待。
基本原理
噪声问题始终牵涉三个因素：噪声源(线路瞬变、继电器、磁场等)、耦合介质(电容、互感、导线)和接收机，即易受噪声影响的电路(图2)。
图2. 噪声拾取始终涉及噪声源、耦合介质和接收机。
要解决问题，必须消除、削弱或转移这三个因素中的一个或多个。在可以解决问题前，必须彻底弄清这些因素在问题中的作用。如果解决方案不当，噪声问题只会变得更糟！不同噪声问题需要不同的解决方案；添加电容或屏蔽体并不一定有效。
系统噪声类型
任何电子系统中的噪声来源很多，包括计算机、风扇、电源、相邻设备、测试器件，甚至用于抑制噪声但连接不当的屏蔽体和接地线。我们讨论的噪声源和耦合机制包括下列主题：
●公共阻抗噪声
●容性耦合噪声
●磁耦合噪声
●电力线瞬变
●其他噪声源
公共阻抗噪声
顾名思义，公共阻抗噪声是由数个电路共有的阻抗引起的。图3显示了基本配置，可能发生于脉冲输出源和运算放大器基准端子均连接到“接地”点的情况，该点对电源返回端子有明显阻抗。噪声电流(电路1的噪声返回电流)将在阻抗Z两端产生电压Vnoise，该电压对电路2表现为噪声信号。
图3. 公共电路阻抗如何产生噪声。
通常，此类噪声的重复率取决于噪声源速率。实际波形由阻抗Z的特性决定。例如，如果Z完全是电阻式，噪声电压将与噪声电流成正比，并具有相似形状(图4a)。如果Z为R-L-C，噪声电压将以频率1/(2πLC)振铃，并以L/R (b)确定的速率呈指数性衰减。
如果在电路中发现此类噪声，可以从重复率和波形很容易地推断出原由。重复率将指向噪声来源，因为噪声与其来源是同步的。
例如，(c)中所示的噪声波形(重复率25kHz，占空比25%)就是包含调节环路并使用脉宽调制的开关电源的典型波形。
图4. 公共阻抗中的噪声效应，(a)电阻，(b)R-L-C电路，(c)开关噪声响应。
波形有助于确定实际产生干扰噪声的阻抗。例如，如果噪声波形是图5所示的简单阻尼正弦波，以下特性可帮助我们推断Z的性质：
● 恒定电阻R与线路串联。电压变化V1是R与电流阶跃I1的
乘积。
●振荡自然频率f1取决于串联的L和并入的C，f = 1/(2πLC)。
●阻尼时间常数T由L/R决定。
图5. 欠阻尼R-L-C电路的波形。