调频干扰噪声及其抑制的研究

【摘要】某个外部干扰源产生噪声，并经过一定的途径将噪声耦合到信号检测电路，从而形成对监测系统的外部干扰噪声。本文通过对干扰噪声的形成及其耦合机理加以分析，并对共阻抗噪声、电容性耦合噪声屏蔽、电感性耦合噪声屏蔽的三种抑制措施进行了研究探讨。

【关键词】干扰噪声;耦合机理;抑制措施

干扰噪声的来源种类有很多，常见的噪声源有电力线噪声，电气设备噪声，射频噪声，地电位差噪声，雷电，天体噪声，机械起源的噪声等。干扰噪声产生的原因可能是由于自然噪声（如空中的雷电、宇宙射线等），也可能是由于从系统中的其它电子装置或附近环境中耦合进来的人为噪声（如计算机开关电源、继电器触点等）。人为噪声是数据采集或测试系统中最为普遍的一种噪声形式。虽然在弱信号电路中这种噪声最令人讨厌，但它是唯一可以通过选择布线和屏蔽措施能得到有效改善的一种噪声。

1.形成干扰噪声的条件

形成干扰噪声必须具备三个条件：噪声源（电源线瞬变、继电器、磁场等），耦合通（电容、互感、导线）和接收电路（对噪声敏感的电路），如图1所示。

图1 噪声的形成条件

要消除干扰噪声就必须去除、减少或转移这三个条件中的一个或几个。在解决噪声问题之前必须彻底了解每一个条件在噪声问题中的作用，如果解决方法不当，只能使干扰变得更糟。不同的噪声问题需要用不同的解决方法，加一只电容或一个屏蔽并不能解决每一种噪声问题。

2.噪声类型及其耦合机理

2.1 公共阻抗噪声

图2 通过共阻抗形成的噪声

公共阻抗噪声是由几个电路的公共阻抗产生的噪声，图2示出了其基本结构。当一个脉冲输出源和一个运算放大器的参考端两者都连接到一个接地点并且它对于电源返回端具有公共阻抗时会发生这种情况。这个噪声电流（电路1的返回电流）将在阻抗Z两端产生一个电压Vn，即对电路2的噪声电压。一般来说，这种形式的噪声具有一个由噪声源频率决定的重复速率，其实际波形由共阻抗的特性决定。如果在电路中发现这种噪声，可根据重复速度和波形很容易地找到它的起源，重复速率可指出这个噪声源，因为噪声与噪声源是同步的。

2.2 电容性耦合噪声

噪声也可以通过电容从一个噪声源向另一个电路耦合而产生。当具有快速上升和下降时间或高频成分的信号与高阻抗电路非常接近时，常常可遇到这种噪声，杂散电容将信号的快速沿耦合到邻近的电路。如图3所示电路模型，阻抗Z的性质决定响应的波形。

通过共阻抗，可使交流电源线上的噪声耦合到其它电路，如通过电源变压器绕组间电容的瞬态耦合。

2.3 电感性耦合噪声

在强磁场周围存在着磁耦合，这种情况下所产生的噪声称为磁耦合或电感性耦合噪声。

磁场在闭合环路（单圈）中感应的电压Vn由下式给出：（其在电路中的影响可用图4作以说明）Vn=2πfBACOSθ×10-8（V）式中：f为磁通密度正弦变化频率（Hz）B为磁通密度的有效值（Gs）A为闭合环路的面积（cm2）θ为B与面积A法向之间的夹角显然，通过减小B、A或者COSθ的方法，都可以减小电感性噪声电压。对于磁场B，可以通过远离磁场源来减小，若B是由靠近导线对的电流引起的，可采用双绞线，由于电流方向交替改变从而使净磁场减小到零。

图3 杂散电容使噪声耦合到高阻抗电路

图4 影响电感耦合噪声的因素

对于环路面积A，使两根导线靠近在一起便可以减小。如将其扭绞在一起，那么面积效地减小可使Vn的正增量和负增量互相抵消的程度，实际上就消除了磁场耦合。

对于cosθ，适当调整接收导线对于磁场的方向可使COSθ减小。若导线与磁场垂直，则耦合噪声最;若它们在同一电缆中混合在一起（θ=0），则耦合噪声最大。

另外，当一个导体与第二个导体平行（第二个导体带有角频率ω=2πf的电流I2），且当它们之间的互感为M时，那么这个导体上感应的电压Vn为：Vn=ωMI2，图5示出了这种关系的典型应用，说明了为什么仅仅屏蔽层的一端应当接地的原则。

图5 从流过电缆屏蔽层的电流的电感性耦合

3.噪声的有效抑制措施及方法

3.1 公共阻抗噪声

减小公共阻抗是抑制这种噪声的有效方法。如在系统设计中合理分配电源，使模拟电源与数字电源分开，最后采用一点共地并增大共地面积来减小公共阻抗。

3.2 电容性耦合噪声屏蔽

如果噪声来自电场，屏蔽便能解决这个问题。因为外部电势感应的电荷不能存在于闭合导体表面的内部。

前述图3给出了杂散电容的耦合模型，如把图3电路加上屏蔽就变成了图7所示的电路模型。假设屏蔽阻抗为零，则环路A-B-D-A中的噪声电流为VM1/ZCS1，而环路D-B-C-D中的噪声电流为零，因为这个环路中没有驱动源。所以Z两端也就不产生电压，因此保护了敏感电路不受噪声源VM1的影响。

对于屏蔽层的连接应该注意应当把屏蔽电路导线连接到位于信号参考点的参考电位上（如图7）。如果信号接到大地上，屏蔽也必须接到大地上，如果信号不接大地，把屏蔽接大地是没有任何用处的。

图6 图3中加上屏蔽后的电路模型

图7 电路屏蔽层接地

3.3 电感性耦合噪声屏蔽

电感性耦合噪声是以磁场形式引起的，对这种噪声的屏蔽要比电场引起的噪声的屏蔽更困难。因为低频磁场可以穿过导电材料。因此在低频下最有效的方法是减小干扰磁场的强度，另外通过最佳布线减小接收电路环路面积，来减小耦合。

对于磁场的屏蔽应当注意以下几点：接收电路的放置应当尽量远离磁场源;不允许走线与磁场平行，而要尽可能与磁场成直角交叉。

根据频率和场强选用适当的材料屏蔽磁场。频率越低则要求屏蔽材料的μ值越大。但若在磁场强度很强的情况下，μ值越大则越发生磁饱和。对于传输大电流的导体（这是一种强磁场源），应当使用双绞线。同时注意双绞线中流过的电流要平衡，如图8所示。

图8

图8a中两根导线中的电流大小相等且方向相反，则双绞线在每个周期任何方向上的磁场为零。而图8b中的情况则不同，由于形成了地环路，它将通过双绞线产生一个由i3（=i1-i2）确定的磁场。

4.结束语

总之，降低噪声的工作是广电工程师的具体实践和分析工作，关键问题是在采用减小噪声措施之前要弄清全部噪声系统的噪声源、耦合通道、接收电路及其关系。其最有效的方法就是预防，即在系统建立之前就应该对噪声进行分析并采取减小噪声措施。

参考文献

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[2]王一泉.脉冲电路.南昌航空工业学院，1987.

[3]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2001.

[4]王尔乾，梁鹿亭.TTL集成电路设计和应用手册.刘和益等译.北京市半导体器件二厂，1998.

作者简介：吴波（1984—），男，山东济宁人，大学本科，助理工程师，现供职于山东省新闻出版广电局泰山转播台。