微弱信号检测课件3(高晋占 --清华大学出版)

第三章干扰噪声及其抑制3.1环境干扰噪声3.2干扰耦合途径3.3屏蔽3.4屏蔽电缆的接地3.5电路接地3.6其它降噪技术3．1环境干扰噪声3.1.1干扰噪声源1．天体噪声：频率很高（GHz量级），影响不大。2．射频噪声：广播电视、雷达,100kHz～几百MHz,调制或随机，级。3．电力线噪声：(1)电压波动±15%；(2)尖峰：幅度5～4000V，量级，频繁；(3)工频电磁场。4．电力器件噪声：变压器、马达、继电器、开关、晶闸管、电焊机、辉光放电、弧光放电、火花放电和电晕放电…..Vs5．地电位差噪声6．雷电：一次电流达A，上升时间，云－地面感应电场1～10kV/m，发射频率50～100MHz。7．机械起源的噪声：（1）摩擦电效应；（2）导体在磁场中运动；（3）压电效应；（4）颤噪效应（microphony）。8．其它噪声源：(1)电化学噪声；(2)温度变化引起的噪声；(3)触点噪声。610s13.1.2干扰噪声的频谱分布3.2干扰耦合途径3.2.1传导耦合与公共阻抗耦合传导耦合经导线传导引入,如：如交流电源线、长信号线。公共阻抗耦合：注意公共导线具有分布电容和分布电感。3.2.2电源耦合去耦方法：3.2.3电场耦合1.并行导线间分布电容：pFcosh1dDKLC例如：5cm长相距1mm的直径1mm平行导线，pFC2pF2ln3dDKLCdD时，当。度，―较短的一根导线的长；，；―导线直径，；―导线间的中心距离，mmmmpF1085.8Kmmmm3LdD式中：2.导线与平面间的分布电容。距离，―导线中心与平面间的；―导线的直径和长度，、mmmmhLd。则pF2C例如：5cm长、直径1mm的导线与平面相距1mm，式中：pF4ln18dhLC3．电场耦合噪声CfRjCfRjuViii212ufCRjVfCRiii2,12上式可简化为若。则交流电压，的为设mVVHzfukRpFCii4.1V22050,10,2mV40A4V2iiiRVdtduCisdtdu，则：若3.2.4磁场耦合ririB701022。―距离，―空气的导磁率；式中：mr0cos2rmsrmsfABV2．电磁感应耦合设平均磁场的有效值为，的方向与感应平面法线之间的夹角为，则ABrmsBABdtdiMv12HdLLHdLLM12ln2.012ln20―导线间距。―平行长度；dLHMmmdcmL072.0,2,10则例：3．经互感耦合非铁磁平行导线之间的互感M式中：HdhLHdhLM14ln1.014ln4220。则例：HMmmhmmdcmL016.0,2,2,10附近的其它低阻抗电路减少互感：4．抑制磁场干扰常用方法（a）（b）（c）5.利用铁磁物质屏蔽双层屏蔽中，外层用中导磁率材料，里层用高导磁率材料。3.2.5电磁辐射耦合1.直线发射器2.圆环发射器3．3屏蔽(Shielding)3.3.1场传播与波阻抗磁场强度电场强度HEZW及源特性取决于时为近场，介质波阻抗，时为远场，空气rrr源为大电流低电压时,近场主要为磁场,小,干扰以感性耦合引入，-----小------高---------,--------------电---,-----------大,--------容---------------。HEwZ场的性质取决于源、传播介质及距离传播介质的波阻抗：远场（辐射场）与近场（感应场）到场源距离,4621mMHzf时，分界点∴主要考虑近场问题为电导。为材料的导磁率，，m1fxEExexp0xHHxexp0dBfxdBxHHEEArrxx13269.8lg20lg2000为相对电导。为相对导磁率，rr3.3.2屏蔽层的吸收损耗集肤深度：定义为场强衰减到原值37%所需深度，深度x处的电场强度：深度x处的磁场强度：厚度为x的屏蔽层的吸收损耗A为212122ZZZEE211122ZZZHH22121212HHZZEE12ZZ3.3.3屏蔽层的反射损耗1．垂直入射电场传播系数为：磁场传播系数为：若从绝缘体（例如空气）入射到导体，则，上面两式简化为24wswsstisitZZZZEEEEEE24wswsitZZZZHHwsititZZHHEE4wsititZZHHEER4lg20log20log20wsZZ2．穿过屏蔽层—两次反射衰减对于空气中的金属屏蔽层，则将反射损耗表示为分贝，则有377WZdBfRrrlg10168为到干扰源的距离rdBrfRrrE,lg1032223dBfrRrrM2lg106.14（1）远场中的反射损耗空气的波阻抗，对于空气中的金属屏蔽层：（2）近场中的反射损耗1）电场为主2）磁场为主dBBRASs―sB3.3.4屏蔽效果1．屏蔽总效果式中：3．屏蔽层上的开孔和接缝2．多层屏蔽多次反射的校正项，对平面波和电场可忽略dBdlS324.屏蔽层上的波导管波导管对磁场的衰减为讨论：（1）高频辐射与低频辐射哪个更难于屏蔽？（2）低频磁场和低频电场哪个更难于屏蔽？（3）高导磁率材料可以增加吸收损耗还是反射损耗？屏蔽效果小结•对于电场和平面波，反射损耗很大；对于低频磁场，反射损耗较小；•厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约9dB的吸收损耗；•磁场比电场更难于屏蔽；•低频磁场要用磁性材料进行屏蔽；•电场、平面波和高频磁场要用良导体材料进行屏蔽；•实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接縫情况，而不是屏蔽材料本身的屏蔽效果;•漏磁场的量取决于屏蔽层上开孔的最大尺寸，而不是取决于开孔的面积；大量的小孔比同样面积的一个大孔漏磁要少。3．4屏蔽电缆的接地3.4.1电缆屏蔽层和芯线之间的耦合ssiLssiMi以全部包围芯线导体，所产生的磁通sLMssssiLjRLjvv可得1221uCCRjRCjuG12221uCCCuCCRGG时，1221RCujuCCRG时，3.4.2电缆屏蔽层接地抑制电场耦合噪声1.平行导线无屏蔽∴C与R应尽量小。2平行导线有屏蔽12221uCCCRjRCjuSG1222221uCCCCuCCCRSGSG时，12221RCujuCCCRSG时，∴C与R应尽量小。01MjiRLjisss1,iLRjjiLMssss得1iiS3.4.3电缆屏蔽层接地抑制磁场耦合噪声―1.S不接地2.S两端接地小回路的电路方程为:高频时，，感应面积A大为减少，屏蔽效果好。噪声衰减0dB(屏蔽对A及介质性质无影响)利用屏蔽使A↓低频时只有部分感应电流流经S，使A的减少有限。低频效果不好，且影响大。3.S一端接地，传感器浮空4．屏蔽层混合接地适用场合：干扰磁场为高频，地电位差噪声为低频。特点：无论干扰磁场频率高低，感应电流全部流经S，使A大为减少，干扰衰减达80dB。无影响。GuGu5.其它措施（1）减少感应面积A（2）改变敏感回路方向，使敏感回路所在平面与磁力线平行（3）减少干扰源的漏磁（4）信号线远离干扰线3.5电路接地（Grounding）3.5.1电路接地方式1.串行单点接地333223211iRuuiiRuuiiiRuBCABACBAuuu特点：（1）接线简单，经常使用；（2）,∴前放级应置于A；（3）低噪电路不宜，各级功率差异大时不宜。2.并行单点接地332211iRuiRuiRuCBA特点：（1）各路地电流不耦合；（2）高频时，各级经分布C及L耦合，∴适于几MHz以下。3.多点接板地4．混和接地方式特点：兼顾高频低频。特点：（1）适于高频，板地镀银降低高频阻抗；（2）低频特性劣于单点接地。3.5.2放大器的地回路时，当产生isnGRRRRuu12,GGsiinuRRRRRRRu221mV95.0mV101.0,10,500,121nGGiSuuRkRRRR，则若时，例：当1.两点接地2．单点接地时：且当G2SGi1S2,RRRRRRRGSGsiinuRRRRRRu21。其余参数同前，则若漏电阻nV95.0,M1nGSuR,;0,SGnSGRuR若漏电阻则若漏电阻ssiiiiBAsuKRRRRRRRuuKuu2121210：对ssiiKuuRRRRR02121时，、、、当GiisiinBnAnGuKRRRRRRRuuKuu222111：对00;2121nsGnsiiuRKuuRRRRR，使括号内不为因时，、、、当。但会加大电场共模噪声，或用传感器浮地法，，可加为增大AGiRR3．差动放大4.平衡差动放大采用平衡差动传感器，使信号源、传输线、放大器都平衡。当电路完成对称时,地电位差在A、B点只产生共模噪声，不产生差模噪声。Gu平衡差动放大电路中电场干扰与磁场干扰影响：对电场干扰1nu：对磁场干扰为环路面积。：产生感生电动势ABAuunn,22。屏蔽能有效地减少A生差摸噪声。只产生共摸噪声，不产，若平衡，则121nuCCgGgBgsGgAuuZZZuuuuuZZZuu222111sgGBAABuZZZuuZZZZZZuuu111222111guGu5.防护屏蔽（GuardingShields）当差动电路不完全对称时，将屏蔽层接至某一电位，以使只产生共模输入，不产生差模输入。sgGBAABuZZZuuZZZZZZuuu111222111有三种方法：不产生为使,ABGuu大器浮空；，即为传感器接地，放使即平衡法；使GguuZZZZ.2,,.12121双屏蔽罩电路：代入得和，将令BABAguuuuu2.3sgGuZZZZZZZZZuu222111111212211ZZZZuuuusBAAB无影响，为防护屏蔽。对的函数，不再是ABGGABuuuu代入(3)得3.6其它降噪技术3.6.1隔离3．隔离放大器1．变压器隔离作用：断开地电流环局限：不适于低频及超低频信号局限：线性较差，更适于数字信号加反馈用于模拟信号2．光电隔离01222MjiRLji221221LRjjiiMLL，得由051222GiiiLR，，当1211212iRRRMijiLLjuis对信号无影响。，得：，由isiRuiRRRMLL121213.6.2纵向扼流变压器1.信号回路考虑下面的小回路221222112111iRMijiLjuiiRRMijiLjuiGiG回路：回路：iiGRRRRRRLjRuiLMLL1221221，解得：由iiGiRRLRjRuiRRR22212．地回路2111RLjuuRiuGnin，得：由GnuuLR时，当23.6.3信号线和电源线滤波