探討：干擾噪聲系統(tǒng)基本知識(shí)

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陶瓷圓盤電容），修好了！或者當(dāng)電路傳出噪聲時(shí)，一塊屏蔽體就能解決問題：用金屬片把電路包起來，將屏蔽體“接地”，噪聲馬上消失！

遺憾的是，現(xiàn)實(shí)中沒有這樣的好事。添加0.01μF圓盤電容只會(huì)增加噪聲；屏蔽體完全無效，甚至更糟，噪聲會(huì)在電路遠(yuǎn)端重新出現(xiàn)。

此專題分兩部分討論，本文是第一部分，旨在幫助您了解并有效處理電子系統(tǒng)中的干擾噪聲。這里我們將考慮拾取噪聲的機(jī)制，因?yàn)榻鉀Q任何噪聲問題的第一步是確定噪聲來源和耦合機(jī)制，然后才能實(shí)施有效解決方案。稍后我們?cè)诘诙糠謱⑻峁┚唧w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(tǒng)都存在許多噪聲來源。表現(xiàn)形式主要有三種：發(fā)射噪聲，與原始信號(hào)一起接收且無法區(qū)分；內(nèi)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(gòu)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(tǒng)內(nèi)或附近的其他電氣設(shè)備（例如電腦、開關(guān)電源、SCR控制加熱器、無線電發(fā)射機(jī)、開關(guān)觸點(diǎn)等）耦合進(jìn)來。

本文僅探討最后一類，即人為噪聲，這是數(shù)據(jù)采集或測(cè)試系統(tǒng)中最普遍存在的系統(tǒng)噪聲。它在低電平電路中最麻煩，系統(tǒng)任何部分均無法逃脫其影響。但它也是會(huì)受布線和屏蔽選擇影響的唯一噪聲形式。

假設(shè)和分析工具

盡管完整、精確描述電氣系統(tǒng)特性必然用到麥克斯韋方程組（意味著更多的數(shù)學(xué)計(jì)算），但大多數(shù)情況下傳統(tǒng)的電路分析仍然很有用。解決這些問題時(shí)，要確保電路分析有效，需做如下假設(shè)：

1. 所有電場(chǎng)局限于電容內(nèi)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(duì)于所考慮的波長(zhǎng)較小。

使用上述假設(shè)，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。可將雜散電容模擬為兩個(gè)導(dǎo)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(dǎo)線在系統(tǒng)地上彼此相鄰。

圖1. 兩個(gè)相鄰導(dǎo)線和接地層的噪聲等效電路。

一旦獲得某一系統(tǒng)的完整噪聲等效電路，問題就成為針對(duì)所需參數(shù)求解其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)方程式。所有標(biāo)準(zhǔn)線性電路分析技術(shù)均可應(yīng)用，包括節(jié)點(diǎn)方程、環(huán)路方程、矩陣代數(shù)、狀態(tài)變量、疊加、拉普拉斯變換等等。當(dāng)電路超過5和6個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，手動(dòng)計(jì)算變得困難；此時(shí)必須使用計(jì)算機(jī)輔助程序，例如SPICE，以及其他CAD技術(shù)。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師可以適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化假設(shè)；但其有效性在得到驗(yàn)證前必須始終警惕。

集總元件方法不一定給出精確數(shù)字答案，但可以清晰顯示噪聲與系統(tǒng)參數(shù)的依賴關(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(xiàn)代技術(shù)均在進(jìn)步，例如微處理器和開關(guān)電源，但導(dǎo)線仍具有電阻和電感，電容仍存在于真實(shí)世界，這些現(xiàn)象必須認(rèn)真對(duì)待。

基本原理

噪聲問題始終牽涉三個(gè)因素：噪聲源（線路瞬變、繼電器、磁場(chǎng)等）、耦合介質(zhì)（電容、互感、導(dǎo)線）和接收機(jī)，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(jī)。

要解決問題，必須消除、削弱或轉(zhuǎn)移這三個(gè)因素中的一個(gè)或多個(gè)。在可以解決問題前，必須徹底弄清這些因素在問題中的作用。如果解決方案不當(dāng)，噪聲問題只會(huì)變得更糟！不同噪聲問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(tǒng)噪聲類型

任何電子系統(tǒng)中的噪聲來源很多，包括計(jì)算機(jī)、風(fēng)扇、電源、相鄰設(shè)備、測(cè)試器件，甚至用于抑制噪聲但連接不當(dāng)?shù)钠帘误w和接地線。我們討論的噪聲源和耦合機(jī)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(shù)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(yùn)算放大器基準(zhǔn)端子均連接到“接地”點(diǎn)的情況，該點(diǎn)對(duì)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(duì)電路2表現(xiàn)為噪聲信號(hào)。

圖3. 公共電路阻抗如何產(chǎn)生噪聲。

通常，此類噪聲的重復(fù)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/R （b）確定的速率呈指數(shù)性衰減。

如果在電路中發(fā)現(xiàn)此類噪聲，可以從重復(fù)率和波形很容易地推斷出原由。重復(fù)率將指向噪聲來源，因?yàn)樵肼暸c其來源是同步的。

例如，（c）中所示的噪聲波形（重復(fù)率25kHz，占空比25%）就是包含調(diào)節(jié)環(huán)路并使用脈寬調(diào)制的開關(guān)電源的典型波形。

圖4. 公共阻抗中的噪聲效應(yīng)，（a）電阻，（b）R-L-C電路，（c）開關(guān)噪聲響應(yīng)。

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(shù)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。此類噪聲常見于具有快速升降時(shí)間或高頻成分的信號(hào)靠近高阻抗電路的情況。雜散電容將信號(hào)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(yīng)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(shù)字信號(hào)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(shù)。

●兩根相鄰導(dǎo)線間可能產(chǎn)生串?dāng)_。例如，如果兩根導(dǎo)線是10英尺（3米）長(zhǎng)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(dǎo)體上施加1 kHz的10 V測(cè)試電壓，當(dāng)Z是10 k電阻時(shí)，1 kHz的250 mV電壓將耦合至相鄰導(dǎo)線。

●通過公共阻抗在交流電力線上產(chǎn)生的噪聲將耦合至其他電路。常見情況是瞬變通過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(dǎo)致嚴(yán)重問題。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(biāo)準(zhǔn)472-1974）。假設(shè)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(jì)算出的噪聲電壓為2.4 V，穩(wěn)態(tài)下，50 V的初始瞬變將導(dǎo)致邏輯運(yùn)算錯(cuò)誤，甚至更壞的情況！

圖7. 高壓瞬變從測(cè)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(jī)器、電源變壓器、風(fēng)扇等附近均可發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)。磁耦合電路與容性耦合電路間存在類似的關(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(xiàn)為與接收機(jī)電路串聯(lián)；而在容性情況下，接收機(jī)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(jī)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(nèi)的感應(yīng)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(dǎo)體的電壓計(jì)算，導(dǎo)體相隔1英寸，置于10高斯60 Hz磁場(chǎng)內(nèi)（對(duì)于風(fēng)扇、電源布線、變壓器很典型）導(dǎo)線內(nèi)最大感應(yīng)電壓為3 mV。

圖9.磁噪聲幅度示例。

上面公式說明，噪聲電壓可通過降低B、A或cosθ來減少。要降低B項(xiàng)，可增加與磁場(chǎng)源的距離，在磁場(chǎng)由流經(jīng)導(dǎo)線對(duì)附近的電流引起的情況下，也可絞繞導(dǎo)線，通過交替方向?qū)舸艌?chǎng)降至零。

環(huán)路面積A可通過讓導(dǎo)體彼此更加靠近來縮減。例如，如果本例中的導(dǎo)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(dǎo)體絞繞在一起，面積事實(shí)上會(huì)減小至很小的正負(fù)增量，從而消除（實(shí)際是抵消）磁噪聲。

cosθ項(xiàng)可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)接收導(dǎo)線相對(duì)于磁場(chǎng)的方向來降低。例如，如果導(dǎo)體與磁場(chǎng)垂直，噪聲可降至最低，如果導(dǎo)體在相同電纜內(nèi)一起延伸（θ = 0），噪聲將達(dá)到最大。

當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)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(yīng)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(yùn)用此關(guān)系的情形，并說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(hào)（10V）載送至12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1 LSB = 2.4 mV）。屏蔽體每

英尺串聯(lián)電阻為0.01歐姆，與導(dǎo)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(jù)公式（2），導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)噪聲電壓為：

Vn=（2π×0.6×10-6H）（1 A）=23 mV，

即10 LSB，從而將系統(tǒng)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(shè)！在重工業(yè)環(huán)境中，接地間電位達(dá)10至50伏特都不罕見。

電力線瞬變

另一類系統(tǒng)噪聲是感性電路（例如繼電器、電磁閥和電機(jī)）開啟和關(guān)閉時(shí)由高壓瞬變產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)具有高自感的器件關(guān)閉時(shí)，塌縮磁場(chǎng)可在電力線上產(chǎn)生頻率從0.1至3兆赫的千伏級(jí)瞬變。

除通過容性和電導(dǎo)耦合以及輻射能量在敏感電路內(nèi)產(chǎn)生噪聲外，上述瞬變也會(huì)危及設(shè)備和人員。業(yè)界已建立表征特定瞬變波形的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)；不過，設(shè)計(jì)時(shí)除了抗噪外，系統(tǒng)也應(yīng)解決對(duì)信號(hào)的潛在干擾問題。圖11顯示了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于高阻抗下的低電平信號(hào)，電纜本身也可成為噪聲源。電纜內(nèi)的電介質(zhì)材料上可以產(chǎn)生電荷；如果電介質(zhì)與導(dǎo)體無接觸，除非電纜可保持剛性，否則此電荷將成為電纜內(nèi)的噪聲源。此噪聲高度依賴于電纜的任何運(yùn)動(dòng)；Belden Corporation曾報(bào)告噪聲電平為5至100 mV。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)移動(dòng)和彎曲RG188同軸電纜時(shí)，也觀察到類似特性的噪聲（5至25 mV）。

另一類運(yùn)動(dòng)相關(guān)噪聲發(fā)生在電纜穿過磁場(chǎng)的情況。當(dāng)電纜切割固定磁通線或者通量密度B變化時(shí)，電纜內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這種噪聲在可能使電纜快速運(yùn)動(dòng)的高振動(dòng)環(huán)境下很麻煩。如果可以阻止電纜相對(duì)于磁場(chǎng)的振動(dòng)，噪聲便不會(huì)出現(xiàn)。

最后，如果儀器儀表靠近廣播電臺(tái)或電視臺(tái)工作，信號(hào)可能受傳輸噪聲影響。除AM、FM和電視發(fā)射機(jī)外，RFI也可能來自CB無線電、業(yè)余無線電、對(duì)講機(jī)、尋呼系統(tǒng)等。由于對(duì)RF噪聲進(jìn)行整流，高頻噪聲應(yīng)視為直流電路中存在神秘漂移的可能來源；調(diào)查漂移時(shí)必須使用寬帶示波器。

總結(jié)

本文詳細(xì)說明了任何電子系統(tǒng)中都會(huì)存在的不同類型干擾噪聲。表3列出了上述噪聲源，以及解決噪聲問題的一些有效方法。了解使用降噪技術(shù)前的完整噪聲系統(tǒng)（來源、耦合介質(zhì)、接收機(jī)和關(guān)聯(lián)）非常重要。

降噪不需要魔法師一樣的手段，通過工程師的實(shí)踐和分析就能解決。毫無疑問，最有效的方法是預(yù)防，也就是在構(gòu)建系統(tǒng)前應(yīng)用降噪分析和最小化技術(shù)。