模拟量共串模抑制

模拟量共串模抑制共串模介绍电路中的无用信号可以统称为噪声，根据噪声对电路作用的形态可以分为共模干扰和串模干扰两种类型。共模干扰是叠加在信号对地上的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。来源及影响噪声来源有两个方面，一个为电路内部噪声，包括以下几种：1.热噪声：电阻等由于热能作用时电子骚动所产生的噪声，几乎覆盖整个频谱。2.颤噪噪声（话筒效应噪声）：当设备中的电路和元器件收到机械振动式，电路参数发生变化，产生噪声电压。3.散粒噪声：如电子管阴极所发射的电子，每个都是彼此独立的，在各个短暂的瞬间，都是不连续不规则的，这种不规则性引起的电特性变化，就成为一种频谱范围很宽的噪声。4.闪变噪声：电子管阴极物质的电子释放条件因时间而不同，从而引起电特性的变化，形成闪变效应的噪声5.交流声：由于直流电源的整流滤波性能不好，或因布线等使电路耦合了变压器等的泄漏磁通，产生和电网频率相同或倍频的交流成分。6.热电势噪声：异种金属相接触，有温度差时，会产生电势，成为热电势噪声。7.接触噪声：材料接触处接触不良使该处电导率起伏变化而引起的噪声，常见于假焊、导线连接不牢靠、开关接点接触不良等。8.尖峰或振铃噪声：电路中电流的突变，在电感负载上引起的尖峰反冲电压波或衰减震荡波而引起的噪声。9.自激震荡：典型的内部噪声，由于在具有放大功能的电路中，输出一部分通过耦合以正反馈方式加到输入端。10.反射噪声：前后级电路不匹配，使长线传输的信号在接点处引起反射，产生相移，成为一种叠加在信号上的噪声。11.分配噪声：晶体管发射极区注入到基极区的少数载流子中，一部分经过基极区到达集电极形成集电极电流，一部分在基极区中符合，由于载流子复合式数量时多时少，导致集电极电流也随着起伏12.1/f噪声或闪烁噪声：晶体管、场效应管等期间在低频段所产生的一种噪声，其噪声功率与频率成反比增大，与半导体材料制作室清洁处理有关。13.天线热噪声：天线本身的热噪声是非常小的，但是，天线周围的介质微粒处于热运动状态，产生扰动的电磁波辐射被天线吸收，又由天线辐射出去。当接收与辐射的噪声功率相等时，天线和周围的介质处于热平衡状态14.电化电势噪声：电路中的金属在腐蚀时产生的一种电池效应。由电路外的环境带来的噪声称为外部噪声，外部噪声可以分为人为噪声和自然噪声两种，下列前六种属于人为噪声，后三种为自然噪声：1.火花放电噪声：汽车汽缸点火、继电器触点开断、火花式高频设备的工作及电钻中整流子式电机转动时都会产生火花放电，火花放电会形成一系列含有很高频率成分的强烈噪声。2.电晕放电噪声：如臭氧发生器和高压输电线等都会产生一种电晕放电，这种放电具有间歇性质，并产生脉冲电流，从而成为一种噪声干扰的原因；而且电晕放电过程还产生一种高频振荡，也会对电路产生干扰，主要对载波电话、低频航空无线电通讯以及调幅广播等产生干扰。3.辉光放电噪声：两个接点间的气体被电离时，会产生一种再生的、能自己维持的辉光放电，在继电器触点、开关处发生，除了能引起高频辐射外，还在配电线上引起电压电流的冲击。4.脉冲式噪声：数字电路中的脉冲信号、晶体振荡产生的时钟频率脉冲，通过各种方式对其他电路产生干扰。5.开关式噪声：在开关电路中如晶体管、可控硅开关在工作时所产生的尖峰脉冲噪声，特别是在断开电感负载时6.电波噪声：高频电路、无线电广播和通讯设备所辐射出的电磁波7.大气噪声：地球上平均每秒钟发生100次左右的雷击电闪，每次都恩能够产生强烈的电磁场骚动，并以电磁波的形式传播到很远，此外，对设备、电网输电线的直接雷击或雷电感应，会对电路产生幅度很高的浪涌电压而形成更厉害的干扰8.太阳系噪声：太阳及行星所辐射的无线电噪声。9.宇宙噪声：太阳系外其他星系所辐射的无线电噪声。根据噪声频率，可以分为低频和高频：名称类别发生源性质和特点低频噪声直流，低频（50hz以下）热电势，电化电势，低频直流漂移，大地电流的作用等很难与信号分开市电频率（50hz）电源线，电源装置呈周期性，与市电频率有关，对小信号模拟电路影响较大高频噪声脉冲性或宽频带噪声（50hz~100Mhz）开关电容性、电感性负载等及其他原因导致电路中电压和电流突变幅度大小及重复频率都是随机的，往往因幅度大及频率较高容易对其他线路产生感应高频无线电波（1Mhz以上）高频电路的辐射，无线电广播及通讯设备的发射对电路产生电磁波感应噪声，或使非线性元件产生低频成分的噪声噪声来源包括：串模干扰通常来自于高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。由传感感器来的信号线有时长达一二百米，干扰源通过电磁感应和静电耦合作用加上如此之长的信号线上的感应电压数值是相当可观的。例如一路电线与信号线平行敷设时，信号线上的电磁感应电压和静电感应电压分别都可达到毫伏级，然而来自传感的有效信号电压的动态范围通常仅有几十毫伏，甚至更小。除了信号线引入的串模干扰外，信号源本身固有的漂移，纹波和噪声，以及电源变压器不良屏蔽或稳压滤波效果不良等也会引入串模干扰。噪声对电路影响的表现形态有：静电：静电放电是一种自然现象，当两种不同介电强度的材料相互摩擦时，就会产生静电电荷，当其中一种材料上的静电电荷积累到一定程度，在于另外一个物体接触式，就会通过这个物体到大地的阻抗而进行放电，静电表现为共模噪声的形式，但是静电电压非常大，容易使器件发生损坏。电快速瞬变脉冲群：标准模拟电网中机械开关对电感性负载切换时所引起的干扰。电路中机械开关对电感性负载的切换，经常会对同一电路中其他电器和电子设备产生干扰，特点，脉冲成群出现，重复频率较高，上升时间短暂，单个脉冲能量较小，不会造成设备故障，但会对线路中半导体器件结电容充电，容易使设备误动作。脉冲群干扰实际上是加在电源线与参考地之间，是共模干扰。雷击浪涌：普通物理现象，全世界有4万多个雷暴中心，每天有8百万次雷击，每秒钟有100次左右雷击。雷击产生浪涌的情况为：1.雷电直接击中电路，这种情况下电压是对地而言的，为共模噪声；2.伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应和静电感应的作用（俗称感应雷），通过金属管道和电缆将雷电波（即高电位）引入，该噪声既可能为共模噪声，也可能为差模噪声。雷击浪涌干扰为高压高能量噪声干扰，会对电路产生严重的损坏。传导方式及抑制噪声耦合方式主要有五种途径：直接传导、公共阻抗耦合、电容性耦合、电感性耦合和空间电磁场耦合。其中内部电路噪声传导额方式主要是直接传导和公共阻抗耦合；外部噪声耦合到电路的方式主要是电容性耦合、电感性耦合和空间电磁场耦合。直接传导耦合噪声经过导线直接进行传导是最普遍的一种传导方式，噪声可以通过信号线直接传导给电路，也可以通过交流或直流电源线直接传导给电路。通过信号线直接传导的信号一般为差模噪声，对于直接传导的差模噪声的抑制方式：可以串接滤波器，滤波器可以分为有源和无源两种，下面介绍简单RC滤波器CRUOU0RLRC0UOU-+41328RL0UP左图所示为一阶无源低通滤波电路，假设电压频率为0，不接负载时，电压放大倍数为：1UUAoup当电压频率为0，滤波器后端加负载RL时，电压放大倍数为：LLoupRRRUUA当输入电压频率为ω时，负载两端电压放大倍数为：CjRRCjRUUALLou1//1//LupuRRCjAA//1由公式可以看出无源滤波电路的滤波特性随着负载而有所变换，因此更为理想的情况是在无源滤波电路和负载之间加入一个高输入阻抗、低输出阻抗的隔离电路，最简单的为加一个电压跟随器，构成了有源滤波电路，如右图所示，对于前面的一阶RC滤波电路而言，负载为无穷大，因此频率为0时的电压放大倍数为1，对于频率为ω的电压放大倍数为：RCjAAupup1由公式可以看出有源滤波电路的滤波特性不随负载而变化，滤波特性比较稳定。对于滤波器没有有效滤除的信号，可以通过数字滤波，以工频干扰为例，这种周期性噪声一般常用数字滤波方式为平均值滤波法，使信号采样时间与工频干扰周期相同，将信号多次采样值，可以近似将工频干扰噪声滤除。通过电源线直接传导的信号一般为共模噪声，而共模噪声通过电路对地阻抗的不平衡可能转换成差模噪声。如图所示，共模干扰VC通过输入电路中的不对称转化成Z5两端的串模干扰，叠加的串模干扰信号为CVZZZZZZV323414通过公式可以看出，为了减少共模噪声转换成差模噪声大小，可以设法使电路成为平衡回路，即可以使Z1=Z2，Z3=Z4，但是实际电路回路中通常很难做到电路的完全对称，为了使上述噪声最小，可以使括号里面两项近似相等，当Z4Z1，Z3Z2时可以实现噪声为0，因此可以通过增大信号对地阻抗来减少共模噪声对采样信号的影响。公共阻抗耦合由公共阻抗耦合噪声原理如左图，回路1和回路2对地有公共阻抗R，当回路1有电流波动，大小为I时，导致公共阻抗上压降波动为IR，该压降使回路2对地电平波动IR，即在回路2上叠加了噪声IR。抑制方式为：减小公共阻抗，如右图所示，当公共阻抗为0时，回路1的电流波动不会对回路2造成影响。为了减小公共阻抗，在接地时需要遵守一定的规则，常见的接地方式有：单点接地、多点接地、混合接地，单点接地有单点串联接地和单点并联接地之分。左图为单点串联接地连接方式，由图中可以看出，回路1的参考电平点为A点，回路2的参考电平点为B点，回路3的参考电平点为C点，A、B、C点电平分别为：VA=R1(I1+I2+I3)VB=R1(I1+I2+I3)+R2(I2+I3)VC=R1(I1+I2+I3)+R2(I2+I3)+R3I3由此可见单点串联方式接地时，由于串联导线阻抗的影响，各个串联回路间参考电平值不一致，影响电路，因此单点接地时需要使用右图所示单点并联接地方式，并且要保证公共阻抗R4尽量小。图示为多点接地示意图，各个电路就近单点接地，并将公共接地点使用低阻抗导线连接，以便使接地线的长度最短。混合接地：单点接地和多点接地混合。将需要就近接地的点直接与接地平面相连，而其他点采用单点接地的方法。电容性耦合电容性耦合噪声介绍：也称静电耦合，噪声电压通过分布电容进行传导，传导感应的噪声电压:SSSnUZCjZCjU1(1)当噪声频率很低时，RL阻抗远小于CL和Cs的阻抗，则式(1)为：SSLnUCfRU2(2)式(2)为导线对导线电容性耦合噪声的一个重要公式，由此可以看出低频噪声传导过程中影响感应噪声电压的因素为受感应导体对地分布电阻RL，噪声导体和受感应导体之间分布电容CS，噪声频率f。对于低频噪声，为了减小耦合噪声，可以降低导体对地分布电阻RL，降低两者之间的分布电容，降低噪声频率。对于高频噪声，RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗，则式（1）为SLSSnUCCCU对于高频噪声，可以通过减小分布电容或者增大受感应导体对地电容来减小噪声。感应的噪声电压Un的频率特性如下图所示。电容性耦合噪声大小与噪声频率成正比；与受感体对地阻抗成正比；与两者之间分布电容成正比；与噪声源成正比。对于电容性耦合噪声的抑制方式为：1.降低肇事电路的电源电压和工作频率。2.增大线间距离。3.将受干扰导线尽可能靠近参考地。4.对长线最好以90°交叉布线，使线路间分布电容最小。5.数字电路的串扰通常是由于阻抗不匹配引起反射的，要检测线路的匹配情况。6.采用屏蔽层，接地良好，屏蔽层要完整，当干扰电压频率较高时，多点接地。7.降低敏感线路输入阻抗。CMOS电路输入阻抗很高，与静电容分压后，干扰信号加到CMOS电路输入端子上的值很高。可以再CMOS电路的入口端对地并联一个电容或一个阻值较低的电阻。8.敏感电路采用平衡线路做输入