想像一下，如果電路不工作，隨處添加一個(gè)去耦電容（例如0.01 μF陶瓷圓盤(pán)電容），修好了！或者當電路傳出噪聲時(shí)，一塊屏蔽體就能解決問(wèn)題：用金屬片把電路包起來(lái)，將屏蔽體“接地”，噪聲馬上消失！
遺憾的是，現實(shí)中沒(méi)有這樣的好事。添加0.01μF圓盤(pán)電容只會(huì )增加噪聲；屏蔽體完全無(wú)效，甚至更糟，噪聲會(huì )在電路遠端重新出現。
此專(zhuān)題分兩部分討論，本文是第一部分，旨在幫助您了解并有效處理電子系統中的干擾噪聲。這里我們將考慮拾取噪聲的機制，因為解決任何噪聲問(wèn)題的第一步是確定噪聲來(lái)源和耦合機制，然后才能實(shí)施有效解決方案。稍后我們在第二部分將提供具體技術(shù)建議和有效屏蔽靜電和磁耦合噪聲的原則。
我們討論的是何種噪聲？
任何電子系統都存在許多噪聲來(lái)源。表現形式主要有三種：發(fā)射噪聲，與原始信號一起接收且無(wú)法區分；內生噪聲（例如發(fā)熱產(chǎn)生的約翰遜噪聲、散粒噪聲和爆米花噪聲），源自構成電路的器件；以及干擾噪聲，從電路外部拾取。干擾噪聲可能源于自然干擾（如閃電），或者從系統內或附近的其他電氣設備（例如電腦、開(kāi)關(guān)電源、SCR控制加熱器、無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機、開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)等）耦合進(jìn)來(lái)。
本文僅探討最后一類(lèi)，即人為噪聲，這是數據采集或測試系統中最普遍存在的系統噪聲。它在低電平電路中最麻煩，系統任何部分均無(wú)法逃脫其影響。但它也是會(huì )受布線(xiàn)和屏蔽選擇影響的唯一噪聲形式。
假設和分析工具
盡管完整、精確描述電氣系統特性必然用到麥克斯韋方程組（意味著(zhù)更多的數學(xué)計算），但大多數情況下傳統的電路分析仍然很有用。解決這些問(wèn)題時(shí)，要確保電路分析有效，需做如下假設：
1. 所有電場(chǎng)局限于電容內部。
2. 所有磁場(chǎng)局限于電感直接相鄰部分。
3. 電路尺寸相對于所考慮的波長(cháng)較小。
使用上述假設，我們可以將噪聲耦合通道模擬為集總電路元件。將耦合兩個(gè)電感的磁場(chǎng)模擬為互感�？蓪㈦s散電容模擬為兩個(gè)導體，兩者間存在電場(chǎng)。圖1顯示了一個(gè)等效電路情況，其中兩根短導線(xiàn)在系統地上彼此相鄰。
圖1. 兩個(gè)相鄰導線(xiàn)和接地層的噪聲等效電路。
一旦獲得某一系統的完整噪聲等效電路，問(wèn)題就成為針對所需參數求解其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò )方程式。所有標準線(xiàn)性電路分析技術(shù)均可應用，包括節點(diǎn)方程、環(huán)路方程、矩陣代數、狀態(tài)變量、疊加、拉普拉斯變換等等。當電路超過(guò)5和6個(gè)節點(diǎn)時(shí)，手動(dòng)計算變得困難；此時(shí)必須使用計算機輔助程序，例如SPICE，以及其他CAD技術(shù)。有經(jīng)驗的設計師可以適當地簡(jiǎn)化假設；但其有效性在得到驗證前必須始終警惕。
集總元件方法不一定給出精確數字答案，但可以清晰顯示噪聲與系統參數的依賴(lài)關(guān)系。繪制盡可能詳確的等效電路可以給如何降低噪聲電平提供思路。一旦寫(xiě)出網(wǎng)絡(luò )方程和CAD程序，便可研究噪聲抑制技術(shù)的定量影響。
雖然所有現代技術(shù)均在進(jìn)步，例如微處理器和開(kāi)關(guān)電源，但導線(xiàn)仍具有電阻和電感，電容仍存在于真實(shí)世界，這些現象必須認真對待。
基本原理
噪聲問(wèn)題始終牽涉三個(gè)因素：噪聲源（線(xiàn)路瞬變、繼電器、磁場(chǎng)等）、耦合介質(zhì)（電容、互感、導線(xiàn)）和接收機，即易受噪聲影響的電路（圖2）。
圖2. 噪聲拾取始終涉及噪聲源、耦合介質(zhì)和接收機。
要解決問(wèn)題，必須消除、削弱或轉移這三個(gè)因素中的一個(gè)或多個(gè)。在可以解決問(wèn)題前，必須徹底弄清這些因素在問(wèn)題中的作用。如果解決方案不當，噪聲問(wèn)題只會(huì )變得更糟！不同噪聲問(wèn)題需要不同的解決方案；添加電容或屏蔽體并不一定有效。
系統噪聲類(lèi)型
任何電子系統中的噪聲來(lái)源很多，包括計算機、風(fēng)扇、電源、相鄰設備、測試器件，甚至用于抑制噪聲但連接不當的屏蔽體和接地線(xiàn)。我們討論的噪聲源和耦合機制包括下列主題：
●公共阻抗噪聲
●容性耦合噪聲
●磁耦合噪聲
●電力線(xiàn)瞬變
●其他噪聲源
公共阻抗噪聲
顧名思義，公共阻抗噪聲是由數個(gè)電路共有的阻抗引起的。圖3顯示了基本配置，可能發(fā)生于脈沖輸出源和運算放大器基準端子均連接到“接地”點(diǎn)的情況，該點(diǎn)對電源返回端子有明顯阻抗。噪聲電流（電路1的噪聲返回電流）將在阻抗Z兩端產(chǎn)生電壓Vnoise，該電壓對電路2表現為噪聲信號。
圖3. 公共電路阻抗如何產(chǎn)生噪聲。
通常，此類(lèi)噪聲的重復率取決于噪聲源速率。實(shí)際波形由阻抗Z的特性決定。例如，如果Z完全是電阻式，噪聲電壓將與噪聲電流成正比，并具有相似形狀（圖4a）。如果Z為R-L-C，噪聲電壓將以頻率1/（2πLC）振鈴，并以L(fǎng)/R （b）確定的速率呈指數性衰減。
如果在電路中發(fā)現此類(lèi)噪聲，可以從重復率和波形很容易地推斷出原由。重復率將指向噪聲來(lái)源，因為噪聲與其來(lái)源是同步的。
例如，（c）中所示的噪聲波形（重復率25kHz，占空比25%）就是包含調節環(huán)路并使用脈寬調制的開(kāi)關(guān)電源的典型波形。
圖4. 公共阻抗中的噪聲效應，（a）電阻，（b）R-L-C電路，（c）開(kāi)關(guān)噪聲響應。
波形有助于確定實(shí)際產(chǎn)生干擾噪聲的阻抗。例如，如果噪聲波形是圖5所示的簡(jiǎn)單阻尼正弦波，以下特性可幫助我們推斷Z的性質(zhì)：
● 恒定電阻R與線(xiàn)路串聯(lián)。電壓變化V1是R與電流階躍I1的乘積。
●振蕩自然頻率f1取決于串聯(lián)的L和并入的C，f = 1/（2πLC）。
●阻尼時(shí)間常數T由L/R決定。
圖5. 欠阻尼R-L-C電路的波形。
容性耦合噪聲
噪聲源至另一電路的容性耦合也會(huì )產(chǎn)生噪聲。此類(lèi)噪聲常見(jiàn)于具有快速升降時(shí)間或高頻成分的信號靠近高阻抗電路的情況。雜散電容將信號快速沿耦合至相鄰電路，如圖6的電路模型所示。阻抗Z的性質(zhì)決定響應波形。表1列出了典型電容。
圖6. 雜散電容將噪聲耦合至高阻抗電路。
表1. 典型電容。
容性拾取發(fā)生的方式、形狀和大小有多種。下面是幾個(gè)示例：
●TTL數字信號產(chǎn)生快速沿，典型上升時(shí)間為10納秒，電壓擺幅為5 V。如果Z是1兆歐電阻，即使0.1pF也會(huì )產(chǎn)生5 V尖峰和100納秒的衰減時(shí)間常數。
●兩根相鄰導線(xiàn)間可能產(chǎn)生串擾。例如，如果兩根導線(xiàn)是10英尺（3米）長(cháng)度的電纜，電容為40 pF/英尺，則總電容為400 pF。如果在一個(gè)導體上施加1 kHz的10 V測試電壓，當Z是10 k電阻時(shí)，1 kHz的250 mV電壓將耦合至相鄰導線(xiàn)。
●通過(guò)公共阻抗在交流電力線(xiàn)上產(chǎn)生的噪聲將耦合至其他電路。常見(jiàn)情況是瞬變通過(guò)電源變壓器的繞組間電容耦合。
令人驚奇的是，小小的電容竟能導致嚴重問(wèn)題。例如，考慮高抗擾度CMOS邏輯用于工業(yè)電路中的情況，電路中存在2500 V、1.5 MHz噪聲瞬變（IEEE標準472-1974）。假設CMOS輸入與噪聲源之間僅有0.1 pF的雜散電容，如圖7所示。計算出的噪聲電壓為2.4 V，穩態(tài)下，50 V的初始瞬變將導致邏輯運算錯誤，甚至更壞的情況！
圖7. 高壓瞬變從測試發(fā)生器耦合至邏輯。
磁耦合噪聲
電纜載送電流、分配交流電源時(shí)，以及機器、電源變壓器、風(fēng)扇等附近均可發(fā)現強磁場(chǎng)。磁耦合電路與容性耦合電路間存在類(lèi)似的關(guān)系，如圖8和表2所示。
● 噪聲為磁耦合時(shí)，電壓噪聲（Vn）表現為與接收機電路串聯(lián)；而在容性情況下，接收機與地電壓間產(chǎn)生的電壓噪聲是噪聲電流in在Z中造成的電壓。
●降低接收機阻抗Z可減少容性耦合噪聲。磁耦合電路則不同；降低Z不會(huì )顯著(zhù)減少電壓噪聲。
圖8. 磁噪聲耦合與容性噪聲耦合的比較。
表2. 容性耦合與磁耦合的特性。
此類(lèi)比可幫助我們考量容性耦合噪聲與磁耦合噪聲間的差異。
磁場(chǎng)在閉合環(huán)路（單匝）內的感應電壓Vn由下式給出：
Vn = 2πfBA cosθ×10-8 （1）
單位為伏特，其中f是正弦變化通量密度的頻率，B是通量密度的均方根值（高斯），A是閉合環(huán)路面積（cm2），θ是B與面積A的角度。
例如，考慮圖9所示電路。它顯示的是兩個(gè)一英尺導體的電壓計算，導體相隔1英寸，置于10高斯60 Hz磁場(chǎng)內（對于風(fēng)扇、電源布線(xiàn)、變壓器很典型）導線(xiàn)內最大感應電壓為3 mV。
圖9.磁噪聲幅度示例。
上面公式說(shuō)明，噪聲電壓可通過(guò)降低B、A或cosθ來(lái)減少。要降低B項，可增加與磁場(chǎng)源的距離，在磁場(chǎng)由流經(jīng)導線(xiàn)對附近的電流引起的情況下，也可絞繞導線(xiàn)，通過(guò)交替方向將凈磁場(chǎng)降至零。
環(huán)路面積A可通過(guò)讓導體彼此更加靠近來(lái)縮減。例如，如果本例中的導體相隔0.1“（僅靠絕緣分離），噪聲電壓將減小至0.3 mV。如果將導體絞繞在一起，面積事實(shí)上會(huì )減小至很小的正負增量，從而消除（實(shí)際是抵消）磁噪聲。
cosθ項可通過(guò)適當調節接收導線(xiàn)相對于磁場(chǎng)的方向來(lái)降低。例如，如果導體與磁場(chǎng)垂直，噪聲可降至最低，如果導體在相同電纜內一起延伸（θ = 0），噪聲將達到最大。
當兩個(gè)導體并聯(lián)時(shí)，在給定互感M下，以角頻率ω = 2πf載送電流I2，均方根感應電壓Vn為：
Vn = ωMI2 （2）
圖10. 流經(jīng)電纜屏蔽體的電流引起的磁噪聲。
圖10顯示了運用此關(guān)系的情形，并說(shuō)明僅將屏蔽體一端接地的原因。使用100英尺屏蔽電纜，將高電平低阻抗信號（10V）載送至12位數據采集系統（1 LSB = 2.4 mV）。屏蔽體每
英尺串聯(lián)電阻為0.01歐姆，與導體的互感為0.6μH/英尺，源極和目的地均已接地。兩個(gè)接地點(diǎn)間在60 Hz時(shí)存在1 V電位，使1安培電流流入1歐姆的屏蔽體總電阻。根據公式（2），導體內的感應噪聲電壓為：
Vn=（2π×0.6×10-6H）（1 A）=23 mV，
即10 LSB，從而將系統有效分辨率降低至9位以下。由于屏蔽體兩端均接地，流入屏蔽體的大電流是產(chǎn)生該噪聲電壓的直接原因。而且，接地點(diǎn)間的1伏特電位只是保守假設！在重工業(yè)環(huán)境中，接地間電位達10至50伏特都不罕見(jiàn)。
電力線(xiàn)瞬變
另一類(lèi)系統噪聲是感性電路（例如繼電器、電磁閥和電機）開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)由高壓瞬變產(chǎn)生的噪聲。當具有高自感的器件關(guān)閉時(shí)，塌縮磁場(chǎng)可在電力線(xiàn)上產(chǎn)生頻率從0.1至3兆赫的千伏級瞬變。
除通過(guò)容性和電導耦合以及輻射能量在敏感電路內產(chǎn)生噪聲外，上述瞬變也會(huì )危及設備和人員。業(yè)界已建立表征特定瞬變波形的保護標準；不過(guò)，設計時(shí)除了抗噪外，系統也應解決對信號的潛在干擾問(wèn)題。圖11顯示了工業(yè)標準中的4種典型波形。
其他噪聲源最后，有一組噪聲源可視為混雜的或“古怪的”。
對于高阻抗下的低電平信號，電纜本身也可成為噪聲源。電纜內的電介質(zhì)材料上可以產(chǎn)生電荷；如果電介質(zhì)與導體無(wú)接觸，除非電纜可保持剛性，否則此電荷將成為電纜內的噪聲源。此噪聲高度依賴(lài)于電纜的任何運動(dòng)；Belden Corporation曾報告噪聲電平為5至100 mV。在實(shí)驗室內移動(dòng)和彎曲RG188同軸電纜時(shí)，也觀(guān)察到類(lèi)似特性的噪聲（5至25 mV）。
另一類(lèi)運動(dòng)相關(guān)噪聲發(fā)生在電纜穿過(guò)磁場(chǎng)的情況。當電纜切割固定磁通線(xiàn)或者通量密度B變化時(shí)，電纜內產(chǎn)生感應電壓。這種噪聲在可能使電纜快速運動(dòng)的高振動(dòng)環(huán)境下很麻煩。如果可以阻止電纜相對于磁場(chǎng)的振動(dòng)，噪聲便不會(huì )出現。
最后，如果儀器儀表靠近廣播電臺或電視臺工作，信號可能受傳輸噪聲影響。除AM、FM和電視發(fā)射機外，RFI也可能來(lái)自CB無(wú)線(xiàn)電、業(yè)余無(wú)線(xiàn)電、對講機、尋呼系統等。由于對RF噪聲進(jìn)行整流，高頻噪聲應視為直流電路中存在神秘漂移的可能來(lái)源；調查漂移時(shí)必須使用寬帶示波器。
總結
本文詳細說(shuō)明了任何電子系統中都會(huì )存在的不同類(lèi)型干擾噪聲。表3列出了上述噪聲源，以及解決噪聲問(wèn)題的一些有效方法。了解使用降噪技術(shù)前的完整噪聲系統（來(lái)源、耦合介質(zhì)、接收機和關(guān)聯(lián)）非常重要。
降噪不需要魔法師一樣的手段，通過(guò)工程師的實(shí)踐和分析就能解決。毫無(wú)疑問(wèn)，最有效的方法是預防，也就是在構建系統前應用降噪分析和最小化技術(shù)。
我們在第二部分將說(shuō)明如何正確應用屏蔽和防護技術(shù)來(lái)降噪。 |
