干扰噪声系统基础知识

　　本文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。

　　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。