探讨：干扰噪声系统基本知识

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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。
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。