干扰噪声系统基本知识的探讨
时间：12-07
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容性耦合噪声
噪声源至另一电路的容性耦合也会产生噪声。此类噪声常见于具有快速升降时间或高频成分的信号靠近高阻抗电路的情况。杂散电容将信号快速沿耦合至相邻电路，如图6的电路模型所示。阻抗Z的性质决定响应波形。表1列出了典型电容。
图6. 杂散电容将噪声耦合至高阻抗电路。
表1. 典型电容。
容性拾取发生的方式、形状和大小有多种。下面是几个示例：
●TTL数字信号产生快速沿，典型上升时间为10纳秒，电压摆幅为5 V。如果Z是1兆欧电阻，即使0.1pF也会产生5 V尖峰和100纳秒的衰减时间常数。
●两根相邻导线间可能产生串扰。例如，如果两根导线是10英尺(3米)长度的电缆，电容为40 pF/英尺，则总电容为400 pF。如果在一个导体上施加1 kHz的10 V测试电压，当Z是10 k电阻时，1 kHz的250 mV电压将耦合至相邻导线。
●通过公共阻抗在交流电力线上产生的噪声将耦合至其他电路。常见情况是瞬变通过电源变压器的绕组间电容耦合。
令人惊奇的是，小小的电容竟能导致严重问题。例如，考虑高抗扰度CMOS逻辑用于工业电路中的情况，电路中存在2500 V、1.5 MHz噪声瞬变(IEEE标准472-1974)。假设CMOS输入与噪声源之间仅有0.1 pF的杂散电容，如图7所示。计算出的噪声电压为2.4 V，稳态下，50 V的初始瞬变将导致逻辑运算错误，甚至更坏的情况！
图7. 高压瞬变从测试发生器耦合至逻辑。
磁耦合噪声
电缆载送电流、分配交流电源时，以及机器、电源变压器、风扇等附近均可发现强磁场。磁耦合电路与容性耦合电路间存在类似的关系，如图8和表2所示。
● 噪声为磁耦合时，电压噪声(Vn)表现为与接收机电路串联；而在容性情况下，接收机与地电压间产生的电压噪声是噪声电流in在Z中造成的电压。
●降低接收机阻抗Z可减少容性耦合噪声。磁耦合电路则不同；降低Z不会显著减少电压噪声。
图8. 磁噪声耦合与容性噪声耦合的比较。
表2. 容性耦合与磁耦合的特性。
此类比可帮助我们考量容性耦合噪声与磁耦合噪声间的差异。
磁场在闭合环路(单匝)内的感应电压Vn由下式给出：
Vn = 2πfBA cosθ×10-8 (1)
单位为伏特，其中f是正弦变化通量密度的频率，B是通量密度的均方根值(高斯)，A是闭合环路面积(cm2)，θ是B与面积A的角度。
例如，考虑图9所示电路。它显示的是两个一英尺导体的电压计算，导体相隔1英寸，置于10高斯60 Hz磁场内(对于风扇、电源布线、变压器很典型)导线内最大感应电压为3 mV。
图9.磁噪声幅度示例。
上面公式说明，噪声电压可通过降低B、A或cosθ来减少。要降低B项，可增加与磁场源的距离，在磁场由流经导线对附近的电流引起的情况下，也可绞绕导线，通过交替方向将净磁场降至零。
环路面积A可通过让导体彼此更加靠近来缩减。例如，如果本例中的导体相隔0.1"(仅靠绝缘分离)，噪声电压将减小至0.3 mV。如果将导体绞绕在一起，面积事实上会减小至很小的正负增量，从而消除(实际是抵消)磁噪声。
cosθ项可通过适当调节接收导线相对于磁场的方向来降低。例如，如果导体与磁场垂直，噪声可降至最低，如果导体在相同电缆内一起延伸(θ = 0)，噪声将达到最大。
当两个导体并联时，在给定互感M下，以角频率ω = 2πf载送电流I2，均方根感应电压Vn为：
Vn = ωMI2 (2)
图10. 流经电缆屏蔽体的电流引起的磁噪声。
图10显示了运用此关系的情形，并说明仅将屏蔽体一端接地的原因。使用100英尺屏蔽电缆，将高电平低阻抗信号(10V)载送至12位数据采集系统(1 LSB = 2.4 mV)。屏蔽体每
英尺串联电阻为0.01欧姆，与导体的互感为0.6μH/英尺，源极和目的地均已接地。两个接地点间在60 Hz时存在1 V电位，使1安培电流流入1欧姆的屏蔽体总电阻。根据公式
(2)，导体内的感应噪声电压为：
Vn=（2π×0.6×10-6H)(1 A)=23 mV,
即10 LSB，从而将系统有效分辨率降低至9位以下。由于屏蔽体两端均接地，流入屏蔽体的大电流是产生该噪声电压的直接原因。而且，接地点间的1伏特电位只是保守假设！在重工业环境中，接地间电位达10至50伏特都不罕见。
电力线瞬变
另一类系统噪声是感性电路(例如继电器、电磁阀和电机)开启和关闭时由高压瞬变产生的噪声。当具有高自感的器件关闭时，塌缩磁场可在电力线上产生频率从0.1至3兆赫的千伏级瞬变。
除通过容性和电导耦合以及辐射能量在敏感电路内产生噪声外，上述瞬变也会危及设备和人员。业界已建立表征特定瞬变波形的保护标准；不过，设计时除了抗噪外，系统也应解决对信号的潜在干扰问题。图11显示了工业标准中的4种典型波形。
其他噪声源最后，有一组噪声源可视为混杂的或“古怪的”。
对于高阻抗下的低电平信号，电缆本身也可成为噪声源。电缆内的电介质材料上可以产生电荷；如果电介质与导体无接触，除非电缆可保持刚性，否则此电荷将成为电缆内的噪声源。此噪声高度依赖于电缆的任何运动；Belden Corporation曾报告噪声电平为5至100 mV。在实验室内移动和弯曲RG188同轴电缆时，也观察到类似特性的噪声(5至25 mV)。
另一类运动相关噪声发生在电缆穿过磁场的情况。当电缆切割固定磁通线或者通量密度B变化时，电缆内产生感应电压。这种噪声在可能使电缆快速运动的高振动环境下很麻烦。如果可以阻止电缆相对于磁场的振动，噪声便不会出现。
最后，如果仪器仪表靠近广播电台或电视台工作，信号可能受传输噪声影响。除AM、FM和电视发射机外，RFI也可能来自CB无线电、业余无线电、对讲机、寻呼系统等。由于对RF噪声进行整流，高频噪声应视为直流电路中存在神秘漂移的可能来源；调查漂移时必须使用宽带示波器。
总结
本文详细说明了任何电子系统中都会存在的不同类型干扰噪声。表3列出了上述噪声源，以及解决噪声问题的一些有效方法。了解使用降噪技术前的完整噪声系统(来源、耦合介质、接收机和关联)非常重要。
降噪不需要魔法师一样的手段，通过工程师的实践和分析就能解决。毫无疑问，最有效的方法是预防，也就是在构建系统前应用降噪分析和最小化技术。
我们在第二部分将说明如何正确应用屏蔽和防护技术来降噪。
噪声源至另一电路的容性耦合也会产生噪声。此类噪声常见于具有快速升降时间或高频成分的信号靠近高阻抗电路的情况。杂散电容将信号快速沿耦合至相邻电路，如图6的电路模型所示。阻抗Z的性质决定响应波形。表1列出了典型电容。
图6. 杂散电容将噪声耦合至高阻抗电路。
表1. 典型电容。
容性拾取发生的方式、形状和大小有多种。下面是几个示例：
●TTL数字信号产生快速沿，典型上升时间为10纳秒，电压摆幅为5 V。如果Z是1兆欧电阻，即使0.1pF也会产生5 V尖峰和100纳秒的衰减时间常数。
●两根相邻导线间可能产生串扰。例如，如果两根导线是10英尺(3米)长度的电缆，电容为40 pF/英尺，则总电容为400 pF。如果在一个导体上施加1 kHz的10 V测试电压，当Z是10 k电阻时，1 kHz的250 mV电压将耦合至相邻导线。
●通过公共阻抗在交流电力线上产生的噪声将耦合至其他电路。常见情况是瞬变通过电源变压器的绕组间电容耦合。
令人惊奇的是，小小的电容竟能导致严重问题。例如，考虑高抗扰度CMOS逻辑用于工业电路中的情况，电路中存在2500 V、1.5 MHz噪声瞬变(IEEE标准472-1974)。假设CMOS输入与噪声源之间仅有0.1 pF的杂散电容，如图7所示。计算出的噪声电压为2.4 V，稳态下，50 V的初始瞬变将导致逻辑运算错误，甚至更坏的情况！
图7. 高压瞬变从测试发生器耦合至逻辑。
磁耦合噪声
电缆载送电流、分配交流电源时，以及机器、电源变压器、风扇等附近均可发现强磁场。磁耦合电路与容性耦合电路间存在类似的关系，如图8和表2所示。
● 噪声为磁耦合时，电压噪声(Vn)表现为与接收机电路串联；而在容性情况下，接收机与地电压间产生的电压噪声是噪声电流in在Z中造成的电压。
●降低接收机阻抗Z可减少容性耦合噪声。磁耦合电路则不同；降低Z不会显著减少电压噪声。
图8. 磁噪声耦合与容性噪声耦合的比较。
表2. 容性耦合与磁耦合的特性。
此类比可帮助我们考量容性耦合噪声与磁耦合噪声间的差异。
磁场在闭合环路(单匝)内的感应电压Vn由下式给出：
Vn = 2πfBA cosθ×10-8 (1)
单位为伏特，其中f是正弦变化通量密度的频率，B是通量密度的均方根值(高斯)，A是闭合环路面积(cm2)，θ是B与面积A的角度。
例如，考虑图9所示电路。它显示的是两个一英尺导体的电压计算，导体相隔1英寸，置于10高斯60 Hz磁场内(对于风扇、电源布线、变压器很典型)导线内最大感应电压为3 mV。
图9.磁噪声幅度示例。
上面公式说明，噪声电压可通过降低B、A或cosθ来减少。要降低B项，可增加与磁场源的距离，在磁场由流经导线对附近的电流引起的情况下，也可绞绕导线，通过交替方向将净磁场降至零。
环路面积A可通过让导体彼此更加靠近来缩减。例如，如果本例中的导体相隔0.1"(仅靠绝缘分离)，噪声电压将减小至0.3 mV。如果将导体绞绕在一起，面积事实上会减小至很小的正负增量，从而消除(实际是抵消)磁噪声。
cosθ项可通过适当调节接收导线相对于磁场的方向来降低。例如，如果导体与磁场垂直，噪声可降至最低，如果导体在相同电缆内一起延伸(θ = 0)，噪声将达到最大。
当两个导体并联时，在给定互感M下，以角频率ω = 2πf载送电流I2，均方根感应电压Vn为：
Vn = ωMI2 (2)
图10. 流经电缆屏蔽体的电流引起的磁噪声。
图10显示了运用此关系的情形，并说明仅将屏蔽体一端接地的原因。使用100英尺屏蔽电缆，将高电平低阻抗信号(10V)载送至12位数据采集系统(1 LSB = 2.4 mV)。屏蔽体每
英尺串联电阻为0.01欧姆，与导体的互感为0.6μH/英尺，源极和目的地均已接地。两个接地点间在60 Hz时存在1 V电位，使1安培电流流入1欧姆的屏蔽体总电阻。根据公式
(2)，导体内的感应噪声电压为：
Vn=（2π×0.6×10-6H)(1 A)=23 mV,
即10 LSB，从而将系统有效分辨率降低至9位以下。由于屏蔽体两端均接地，流入屏蔽体的大电流是产生该噪声电压的直接原因。而且，接地点间的1伏特电位只是保守假设！在重工业环境中，接地间电位达10至50伏特都不罕见。
电力线瞬变
另一类系统噪声是感性电路(例如继电器、电磁阀和电机)开启和关闭时由高压瞬变产生的噪声。当具有高自感的器件关闭时，塌缩磁场可在电力线上产生频率从0.1至3兆赫的千伏级瞬变。
除通过容性和电导耦合以及辐射能量在敏感电路内产生噪声外，上述瞬变也会危及设备和人员。业界已建立表征特定瞬变波形的保护标准；不过，设计时除了抗噪外，系统也应解决对信号的潜在干扰问题。图11显示了工业标准中的4种典型波形。
其他噪声源最后，有一组噪声源可视为混杂的或“古怪的”。
对于高阻抗下的低电平信号，电缆本身也可成为噪声源。电缆内的电介质材料上可以产生电荷；如果电介质与导体无接触，除非电缆可保持刚性，否则此电荷将成为电缆内的噪声源。此噪声高度依赖于电缆的任何运动；Belden Corporation曾报告噪声电平为5至100 mV。在实验室内移动和弯曲RG188同轴电缆时，也观察到类似特性的噪声(5至25 mV)。
另一类运动相关噪声发生在电缆穿过磁场的情况。当电缆切割固定磁通线或者通量密度B变化时，电缆内产生感应电压。这种噪声在可能使电缆快速运动的高振动环境下很麻烦。如果可以阻止电缆相对于磁场的振动，噪声便不会出现。
最后，如果仪器仪表靠近广播电台或电视台工作，信号可能受传输噪声影响。除AM、FM和电视发射机外，RFI也可能来自CB无线电、业余无线电、对讲机、寻呼系统等。由于对RF噪声进行整流，高频噪声应视为直流电路中存在神秘漂移的可能来源；调查漂移时必须使用宽带示波器。
总结
本文详细说明了任何电子系统中都会存在的不同类型干扰噪声。表3列出了上述噪声源，以及解决噪声问题的一些有效方法。了解使用降噪技术前的完整噪声系统(来源、耦合介质、接收机和关联)非常重要。
降噪不需要魔法师一样的手段，通过工程师的实践和分析就能解决。毫无疑问，最有效的方法是预防，也就是在构建系统前应用降噪分析和最小化技术。
我们在第二部分将说明如何正确应用屏蔽和防护技术来降噪。