第三講低噪聲電路的抗干擾技術(shù)

1、微弱信號(hào)檢測(cè)理論與應(yīng)用微弱信號(hào)檢測(cè)理論與應(yīng)用第三講第三講 低噪聲電路的抗干擾低噪聲電路的抗干擾技術(shù)技術(shù)3.0 引言 是指有用信號(hào)以外的噪聲或造成放大電路不能正常工作的破壞因素。 干擾無處不在干擾無處不在 干擾源干擾源 傳播途徑傳播途徑 干擾對(duì)象干擾對(duì)象 就是通過對(duì)這三要素中的一個(gè)或多個(gè)采取就是通過對(duì)這三要素中的一個(gè)或多個(gè)采取必要措施來實(shí)現(xiàn)的。必要措施來實(shí)現(xiàn)的。3.1 環(huán)境干擾噪聲環(huán)境干擾噪聲 干擾噪聲源干擾噪聲源 干擾噪聲的頻譜分布干擾噪聲的頻譜分布3.1.1 干擾噪聲源干擾噪聲源l1、電力線噪聲、電力線噪聲 (1)尖峰脈沖噪聲 大功率開關(guān)的通斷：電機(jī)、電梯、電焊機(jī)、電爐等。 (2)工頻電磁場(chǎng)

2、 50Hz電磁輻射波，電流越大，輻射越強(qiáng)。 (3)電網(wǎng)電壓波動(dòng) 1015%額定電壓波動(dòng)。l2、電氣設(shè)備噪聲、電氣設(shè)備噪聲 (1)輝光放電 輝光放電即氣體放電。當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)之間的氣體被電離時(shí)，由于離子磁撞而產(chǎn)生輝光放電，肉眼可見到藍(lán)色的輝光。輝光放電所需電壓與接點(diǎn)之間的距離、氣體類型和氣壓有關(guān)。熒光燈、霓紅燈、閘流管以及工業(yè)生產(chǎn)中使用的大型輝光離子氧化爐等，均是利用這一原理制造的輝光放電設(shè)備。這類設(shè)備對(duì)測(cè)試系統(tǒng)都是干擾源，頻率一般為超高頻。如熒光燈干擾，電壓為幾十到幾千微伏（mV），甚至可達(dá)幾十毫伏（mV）。 (2)弧光發(fā)電 弧光放電即金屬霧放電。最具典型的弧光放電是金屬電焊?；」夥烹姰a(chǎn)生高頻振蕩

3、，以電波形式形成干擾。這種干擾對(duì)測(cè)試系統(tǒng)危害較大，甚至對(duì)具有專門防干擾的設(shè)備，在半徑為50米的范圍內(nèi)，當(dāng)頻率為0.150.5MHz時(shí)，干擾電壓最低仍可達(dá)1000mV；當(dāng)頻率為2.5150MHz時(shí)，也可達(dá)200mV。(3)火花放電 電氣設(shè)備觸點(diǎn)處的繼續(xù)電流將引起火花放電。這種放電出現(xiàn)在觸點(diǎn)通斷的瞬間，如電動(dòng)機(jī)、電刷同鄰近的整流片反復(fù)接通和斷開，形成很寬頻率范圍的火花放電干擾。這種干擾波雖被電機(jī)金屬外殼屏蔽，但還會(huì)有部分通過窄小的空隙處和引出線輻射出來。盡管如此，這種干擾仍具有較大的能量。小型電鉆的干擾電平約為2080dB（200MHz以下），可使鄰近電視圖像不停跳動(dòng)。 內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)是一個(gè)很強(qiáng)的

4、干擾源。這種點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊電流，從而激勵(lì)附屬電路振蕩，并由點(diǎn)火導(dǎo)線輻射出去。這種干擾的頻率分量很高，在201000MHz范圍內(nèi)，干擾半徑可達(dá)50100m的范圍。 (4)電暈噪聲 最常見的電暈放電來自高壓輸出線。 高壓輸電線因絕緣失效會(huì)產(chǎn)生間隙脈沖電流，形成電暈放電。在輸電線垂直方向上的電暈干擾，其電平隨頻率升高而衰減。當(dāng)頻率低于1MHz時(shí)，衰減微弱；當(dāng)頻率高于1MHz時(shí)，急劇衰減。因此電暈放電干擾對(duì)高頻系統(tǒng)影響不大，而對(duì)低頻系統(tǒng)影響較為嚴(yán)重。 3、射頻噪聲、射頻噪聲 例如廣播、電視、通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等發(fā)射設(shè)備，是通過向空間發(fā)射有用信號(hào)的電磁能量來工作的，它們對(duì)不需要這些信號(hào)的電子系統(tǒng)或

5、設(shè)備將構(gòu)成功能性干擾，而且是電磁環(huán)境的重要污染源。 4、大氣干擾噪聲、大氣干擾噪聲 大氣干擾是指除雷電放電外大氣中的塵埃、雨點(diǎn)、雪花、冰雹等微粒在高速通過飛機(jī)、飛船表面時(shí)，由于相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電荷遷移從而沉積靜電，當(dāng)電勢(shì)升高到1MV時(shí)，就發(fā)生火花放電、電暈放電。這種放電產(chǎn)生的寬帶射頻噪聲頻譜分布在幾赫茲到幾十兆赫茲的范圍內(nèi)，會(huì)嚴(yán)重影響高頻、甚高頻頻段的無線電通信和導(dǎo)航。 5、雷電、雷電 雷電干擾主要是由夏季本地雷電和冬季熱帶地區(qū)雷電放電所產(chǎn)生。地球上平均每秒鐘發(fā)生100次左右的雷擊放電。雷電是一連串的干擾脈沖，其電磁發(fā)射借助電離層的傳輸呵傳播到幾于公里以外的地方。雷電干擾的頻譜在50MHz以

6、下都有分布，主要能量分布在100kHz左右，對(duì)地球上20MHz以下的無線電通信影響較大。 6、天體噪聲、天體噪聲 天體噪聲天體噪聲是來自太陽系、銀河系及河外星系的電磁騷擾，主要包括太空背景噪聲和太陽、月亮、木星等發(fā)射的無線電噪聲。太陽無線電噪聲則隨著太陽的活動(dòng)性明顯變化，太陽活動(dòng)高年無線電噪聲顯著增加。太陽的干擾頻率從10MHz到幾十GHz。銀河系的干擾峰值出現(xiàn)在頻段100-200MHz。宇宙干擾影響最大的頻段是20-500MHz。 7、機(jī)械起源的噪聲、機(jī)械起源的噪聲 (1)摩擦電效應(yīng) 摩擦起電 (2)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的發(fā)電效應(yīng) 法拉第定律 (3)壓電效應(yīng) 受到壓力時(shí)，壓電材料表面電極產(chǎn)生電位差

7、。 (4)顫噪效應(yīng) “電容效應(yīng)” 8、其它噪聲源、其它噪聲源 (1)電化學(xué)噪聲 大氣化學(xué)污染，在印刷板上可能形成電化學(xué)電池，形成噪聲。 (2)觸點(diǎn)噪聲 插座觸點(diǎn)、開關(guān)觸點(diǎn)、焊接不良觸點(diǎn)(3)溫度變化引起的噪聲 當(dāng)電流回路的導(dǎo)線采用不同的金屬，并且在連接處具有不同的溫度時(shí)，則在回路內(nèi)將產(chǎn)生溫差電勢(shì)。在下圖中，如一支路R為康銅，另一支路RL為銅，則溫差電勢(shì)V0=V01-V02=1100mV，此電勢(shì)將疊加到測(cè)量電壓Vm上，使得終結(jié)果為Vm+V0。3.1.2 干擾噪聲的頻譜分布干擾噪聲的頻譜分布 各種干擾噪聲的頻譜如下圖所示3.2 干擾耦合途徑干擾耦合途徑 傳導(dǎo)耦合 公共阻抗耦合 電源耦合 電場(chǎng)耦合

8、磁場(chǎng)耦合 電磁輻射耦合3.2.1 傳導(dǎo)耦合 干擾噪聲通過導(dǎo)線傳導(dǎo)引入到放大電路和檢測(cè)設(shè)備。 交流電源線、長信號(hào)傳輸線。所有的干擾噪聲都可以通過導(dǎo)線耦合到檢測(cè)系統(tǒng)中。 有效的解決方法：遠(yuǎn)離噪聲源，去耦，濾波，隔離等。3.2.2 公共阻抗耦合 公共阻抗耦合是由于干擾源與敏感部位共用一個(gè)線路阻抗而產(chǎn)生的。 測(cè)試系統(tǒng)往往共用一個(gè)直流電源或不同電源共用一個(gè)地線。因此，當(dāng)各部分電路的電流均流過公共地線時(shí)，會(huì)在其上產(chǎn)生電壓降，形成相互 影響的噪聲干擾 信號(hào)。這種情況 在數(shù)字電路和模 擬電路共地時(shí)非 常明顯。 解決的方法：采 用合理的接地措施。公共阻抗 例：下圖， Rcm是模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的公共接地線的電阻

9、。理想的情況Rcm0，使三極管的e極電位為0。 實(shí)際系統(tǒng)，數(shù)字系統(tǒng)的入地電流比模擬系統(tǒng)大得多，并且有較大的波動(dòng)噪音。即使Rcm很小，數(shù)字電路也會(huì)在其兩端形成較高電壓，使模擬系統(tǒng)的接地電壓不能為零。在圖(b)中模擬電路是測(cè)量前置放大器，假設(shè)數(shù)字系統(tǒng)的入地電流為2A，在0.01 的Rcm上產(chǎn)生20mV電壓，此電壓與測(cè)量電壓Vs疊加。若Vs =100mV，那么測(cè)量精度將會(huì)低于20%。3.2.3 電源耦合u所產(chǎn)生的干擾主要是從電源和電源引線侵入系統(tǒng)。情況如下： 當(dāng)系統(tǒng)與其它經(jīng)常變動(dòng)的大負(fù)載共用電源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電源噪聲。 當(dāng)使用較長的電源引線來進(jìn)行傳輸時(shí)，所產(chǎn)生電壓降及感應(yīng)電勢(shì)等也會(huì)形成噪聲。 系統(tǒng)所需的

10、直流電源，一般均為由電網(wǎng)交流電經(jīng)濾波、穩(wěn)壓后提供，有時(shí)會(huì)因某種原因凈化不佳，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這種干擾常給高精度系統(tǒng)帶來麻煩，應(yīng)引起重視。 交流電源的濾波和屏蔽3.2.4 電場(chǎng)耦合 電場(chǎng)耦合使指單兩個(gè)導(dǎo)體相互靠近時(shí)，一根導(dǎo)體上的電磁能會(huì)對(duì)另一根導(dǎo)體產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為電場(chǎng)交鏈耦合，耦合程度取決于導(dǎo)體的形狀、尺寸、周圍介質(zhì)及相對(duì)位置，即兩導(dǎo)體間的電容，故又稱為容性耦合。 當(dāng)干擾源產(chǎn)生的干擾是以電壓形式出現(xiàn)時(shí)，干擾源與信號(hào)電路之間就存在容性(電場(chǎng))耦合，這時(shí)干擾電壓線電容耦合到信號(hào)電路，形成干擾源。 對(duì)于平行導(dǎo)線，由于分布電容較大，容性耦合較嚴(yán)重。在下圖(a)中，導(dǎo)線1和導(dǎo)線2是兩條平行線，C1和C2分

11、別是各線對(duì)地的分布電容，C12是兩線間分布的耦合電容，V1是導(dǎo)線1對(duì)地電壓，R是導(dǎo)線2對(duì)地電阻。 由圖(b)等效電路可得導(dǎo)線1電壓通過耦合導(dǎo)線2上產(chǎn)生的電壓V2為： 當(dāng)R1/j(C12+C2)時(shí)，式(1)可簡化為： V2=C12V1/（C12+C2） （2） 此時(shí)V2按電容分壓，這種耦合情況是嚴(yán)重的。 當(dāng)R10MHz)電路。ICICICICICICICICICICICICICICICIC電源輸入電容 3、混合接地 混合接地是將那些只需高頻接地點(diǎn)，利用旁路電容和接地平面連接起來。但應(yīng)盡量防止出現(xiàn)旁路電容和引線電感構(gòu)成的諧振現(xiàn)象。 例：混合接地系統(tǒng)4、接地電阻 接地電阻越小越好 接地電阻會(huì)引入差模

12、干擾和共模干擾3.5.3 放大器輸入信號(hào)回路接地 如果放大器電路存在多個(gè)接地點(diǎn)，它們之間的地地位差就由可能耦合到信號(hào)回路，形成噪聲。放大器輸入電路 R1和R2為導(dǎo)線電阻，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，RG為地線電阻，Ri為放大器輸入電阻。 uG在放大器的輸入端產(chǎn)生的噪聲電壓： 如果R1=R2=1W， Rs=500W ，Ri=10kW，RG=0.01W， uG 1mV，則un 0.95mV。 解決方法：單點(diǎn)接地、差動(dòng)放大、平衡差動(dòng)放大。)(12221siGGsiinRRRRuRRRRRRRu 1、單點(diǎn)接地 2、差動(dòng)放大 當(dāng)RGRs+R1，Ri2R2，un趨于零。GiisiiBnAnnuRRRRRRRuuu)

13、(222111 定義： 所謂平衡電路，是指輸入電路的兩個(gè)支路具有相同的阻抗，且對(duì)地阻抗也相同。 這樣使兩個(gè)支路感應(yīng)的噪聲相同，在差分輸入放大的輸入端噪聲就相互抵消。 平衡差動(dòng)放大電路us1=us2，Rs1=Rs2，R1=R2。對(duì)地的分布阻抗相同。這樣信號(hào)源、傳輸線、放大器都是平衡的，地電位ug在放大器輸入端只產(chǎn)生共模噪聲，不產(chǎn)生差模噪聲。 4、防護(hù)屏蔽 當(dāng)差動(dòng)放大器的信號(hào)輸入電路不完全對(duì)稱平衡，共模干擾在差動(dòng)放大器額兩個(gè)輸入端A點(diǎn)和B點(diǎn)產(chǎn)生的噪聲電壓將會(huì)不同，在放大器輸出端產(chǎn)生噪聲。如果將放大器的地、放大器屏蔽罩以及傳輸線的屏蔽層接到某一防護(hù)電位ug，而不是接到儀表端的地，則共模噪聲uG只產(chǎn)生

14、共模輸入，而不產(chǎn)生差模輸入，這就是防護(hù)屏蔽。 A、B兩點(diǎn)之間的電壓：sgGBAABuZZZuuZZZZZZuuu111222111)( (1)如果Z1=Z2， Z1=Z2，uG對(duì)uAB無影響， 平衡式電路。 (2)如果uGug ， uG對(duì)uAB無影響，這是傳感器接地、放大器浮空式防護(hù)屏蔽。 (3)令ug (uA +uB)/2，這時(shí)有： A、B兩點(diǎn)之間的電壓變換： 這時(shí)， uAB不再是u G的函數(shù)， uG對(duì)uAB無影響，稱之為防護(hù)屏蔽。)/()/()/(222111111ZZZZZZZZZuugG2/ )/(12211ZZZZuuuusBAAB3.6 其它噪聲抑制技術(shù)其它噪聲抑制技術(shù) 隔離 縱向

15、扼流變壓器 信號(hào)線和電源線濾波3.6.1 隔離1、變壓器隔離如果相隔一定距離的電路兩端都接地時(shí)，很容易形成接地環(huán)路，形成環(huán)路電流。利用變壓器很容易將環(huán)路斷開。變壓器隔離2、光電耦合隔離光電耦合器件是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)和光敏器件(如光敏三極管)組裝在一起，通過光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電一光和光一電的轉(zhuǎn)換器件。光電耦合器特性(1)光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105106。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓會(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。(2)光電耦合器的輸入回路與輸出回

16、路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。(3)光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓。(4)光電耦合器的響應(yīng)速度極快，其響應(yīng)延遲時(shí)間只有10s左右，適于對(duì)響應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)合。應(yīng)用1應(yīng)用23、隔離放大器隔離隔離放大器是一種輸入電路和輸出電路之間電氣絕緣的放大器，一般采用變壓器或光耦合傳遞信號(hào)，在工業(yè)控制、信號(hào)測(cè)量和醫(yī)療器械,信號(hào)放大等各個(gè)方面獲得廣泛應(yīng)

17、用。實(shí)用于電信，電力，石油，石化，環(huán)保，水處理，冶金，食品，暖通空調(diào)等領(lǐng)域。（1）組成及符號(hào)輸入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔離器輸 出放大器uducuiso 隔離模式： 兩端口隔離：輸入部分和輸出部分歐姆隔離 三端口隔離：信號(hào)輸入部分、輸出部分和功率供給部分相互歐姆隔離。 根據(jù)隔離方式不同可分為： 變壓器隔離放大器，如兩口隔離的AD204、三口隔離的AD215等； 電容隔離放大器，如ISO106, ISO122； 光電隔離放大器，如HCPL-7840 。二端口隔離結(jié)構(gòu)三端口隔離結(jié)構(gòu) 特點(diǎn) 輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的 信號(hào)傳遞的主要方式 1. 電磁耦合 2. 光電耦合 3.

18、電場(chǎng)耦合（2）原理框圖a) 變壓器耦合浮置電源輸入調(diào)制放 大 器耦合變壓器輸出解調(diào)放 大 器輸出輸入b) 光電耦合浮置電源光耦合器輸 入放大器輸 出放大器輸出輸入LEDV二極管 二極管型二極管 三極管型（3）光電耦合隔離放大器光敏二極管IoIiIiIo發(fā)光二極管發(fā)光二極管光敏三極管 光電耦合器的特點(diǎn)a.耦合器中的發(fā)光和光敏元件都是非線性器件b.非線性器件傳輸模擬信號(hào)將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真 克服非線性失真通常采取的措施a. 給非線性器件施加合適的直流偏置，在小范圍內(nèi)線性傳輸信息。b. 采用負(fù)反饋技術(shù)。光電隔離放大器ISO100 i1=10V/R2+ui/R1 i2=10V/R3+uo/(R5+ Rp)

19、 uo=(R5+ Rp) ui/R1-+N1C10VVLC1i1R210V10VVLC2i2R3R1ui10VuoR5-+N2R43.9kRp不同的地例：光電耦合放大電路 光隔離放大器屬于二口隔離放大器，輸入部分和輸出部分必須分別供電。變壓器隔離方法只需要在輸出部分供電，利用功率轉(zhuǎn)換的方法向輸入部分供電。變壓器隔離放大器有二口隔離和三口隔離兩種形式。放大器原理圖（4）變壓器隔離放大器+-1A調(diào)制器隔 離電 源解調(diào)器振蕩器+-2A輸入屏蔽輸出屏蔽uOuIW Wk100CCV +-1A調(diào)制器隔 離電 源解調(diào)器振蕩器+-2A輸入屏蔽輸出屏蔽uOuIW Wk100CCV 調(diào) 制給輸入側(cè)提供能量兩側(cè)電源

20、獨(dú)立解 制輸入、輸出側(cè)間電氣絕緣變壓器隔離放大器AD215原理圖和引腳例：隔離放大電路 235L電源904510增益微調(diào)用100k277JUoRLUi100kR21M9.9k100限幅電路10k10k1k235L電源 15V15V10010F10010F100220V50Hz23495161N41481N753A121116141510R3R4R1-+C0.1F（5）電容耦合隔離放大器 電容耦合隔離放大器是隔離放大器中又一個(gè)品種。 BB公司(TI收購)出品的電容耦合隔離放大器種類繁多： 電容耦合密封型緩沖隔離放大器,如ISO102、ISO106、ISO120B、ISO121B、ISO122等;

21、 內(nèi)部帶有隔離電源的電容耦合隔離放大器,如ISO103、ISO113、ISO107等; 電容耦合電壓/頻率轉(zhuǎn)換隔離放大器如ISO108、ISO109等。電容耦合隔離放大器原理 輸入級(jí)包含一個(gè)放大器、一個(gè)振蕩器及一個(gè)調(diào)制器。 輸出級(jí)包括一個(gè)解調(diào)制器，一個(gè)放大器。 調(diào)制( modulation)與解調(diào) 在隔離放大器輸入級(jí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度或脈寬調(diào)制；在輸出級(jí)從被調(diào)制過的信號(hào)中取出原輸入級(jí)的信號(hào)，使原先從輸入級(jí)來的信號(hào)回到其原有的形式。信號(hào)調(diào)制ISO124P的框圖3.6.2 縱向扼流變壓器 如果電流中需要通過直流分量或低頻信號(hào)，變壓器隔離的方式就不能使用。此時(shí)可以采用縱向扼流變壓器。 遏制共模干擾，對(duì)信

22、號(hào)電流呈現(xiàn)低阻。 共模扼流圈由兩個(gè)共磁芯的電感組成。當(dāng)兩個(gè)不同方向的電流流過共模扼流圈時(shí)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)相互抵消，因此線圈兩端表現(xiàn)出零阻抗。但當(dāng)共模電流流過扼流圈時(shí)，兩個(gè)線圈會(huì)產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)相互加強(qiáng)，因此線圈兩端表現(xiàn)出高阻抗。正是由于具有這種特性，共模扼流圈能顯著減少噪聲。 采用扼流圈有如下好處： 扼流圈不僅能傳輸交流信號(hào)，而且也能傳輸直流信號(hào)； 扼流圈對(duì)地線中較高頻率的干擾有強(qiáng)的抑制能力； 扼流圈能抑制所傳輸?shù)妮^高頻率的信號(hào)對(duì)其他電路單元的干擾。3.6.3 信號(hào)線和電源線濾波信號(hào)線濾波器信號(hào)線濾波器 1、穿芯電容濾波器 在處理穿越屏蔽體的引線端子時(shí)可以采用穿芯電容來構(gòu)成共模電容濾波器，通常也將之稱做饋通濾波器。 饋通型濾波器安裝在金屬面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金屬面板隔離濾波器的輸入和輸出，因此濾波器具有非常好的高頻濾波效果。適應(yīng)屏蔽體。 饋通濾波器的電路結(jié)構(gòu)分為C 型（穿心電容）、L