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1、电子系统中的干扰噪声及其抑制措施垂信息O本刊重稿oSCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2011年第19期电子系统中的干扰噪声及其抑制措施雍明远'何晓文杨玉丽(1.空军驻西北地区军事代表室陕西西安710043;2.中国飞行试验研究院陕西西安710089)【摘要】电子系统主要包括传输噪声,固有噪声和干扰噪声等三种形式的噪声源,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,电源线瞬变的四种抑制措施进行了研究探讨,可以为电路工程师在设计电路时提【关键词】噪声;耦合机理;抑制措施任何电子系统都包含许多噪
2、声源.归纳起来主要有三种形式:传输噪声(接收原始信号并且与原始信号不能区分的噪声),固有噪声(起源于器件内部电路,如热噪声,散粒噪声,闪变噪声等)和干扰噪声(从外部电路耦合进来的噪声).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),耦合通道
3、或介质(互电容,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题.2系统噪声类型及其耦合理也源地图2通过共阻抗形成的噪声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
4、与噪声源是同步的.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边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.晒电路图3杂散电容使噪声耦合到高阻抗电路子:n'L数字信号产生快速边沿.典型上升时间为IOns,电压高达lOOns的5V尖峰脉冲.两根相邻导线间可能产生串扰.通过共阻抗,可使交流电源线上的噪声耦合到其它电路上,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
5、路中的影响可用图4作以说明)Vn=2fBACOS0xl0'8(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(cm)e为B与面积A法向之间的夹角显然,通过减小B,A或者COS0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4影响电感性耦合噪声的因素绞在一起,那么面积有效地减小可使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cosO,适当调整接收导线对于磁场的方向可使COS0减小.若导线与磁场垂直.则耦合噪声最小;
6、若它们在同一电缆中混合在一起(e=0),则耦合噪声最大.另外,当一个导体与第二个导体平行(第二介导体带有角频率tO=2的电流I:),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=oMI2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.52011年第19期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATIONo本刊重稿0科技信息图5从流过电缆屏蔽层的电流产生的电感性耦合2l4电容性耦合与电感性耦合的比较通过前面的讨论我们知道,电容性耦合和电感性耦合两者之间有一应耦合.在近场情况下,当源为大电流低电压时,近场以磁场为主,当源为小电流高
7、电压时,近场以电场为主.所以在考虑电磁场耦合时,应把以电场为主和以磁场为主两种情况分开,前者为电容性耦合,后者为电感性耦合.如图6所示.Cmi(t)=C?dV(t)/dtV(t)=kn?di(t)/dr图6电容性耦合噪声与电感性耦合噪声比较表1电容性耦合和电感性耦合的差别电容性耦合电感性耦合.噪声源电压变化(dV/dt)电流变化(dI/dt)耦舍通道互电容互电感耦合噪声电流(常通过Z转换成电压)电压减小Z可减小噪声不能明显减小噪声电器,电磁开关和电机等,都会产生.当关断具有高自感的装置时,被破坏的磁场会在电源线上产生约几千伏的瞬变.电源线瞬变除了通过电容性耦合,电感性耦合和辐射能量方式在敏感电
8、路中产生噪声外,对设备和人都是有害的.3噪声的有效抑制措施和方法分配电源,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.的电荷不能存在于闭合导体表面的内部.变成了图7所示的电路模型.假设屏蔽阻抗为零,则环路ABDA中的噪声电流为VM.,Z,而环路DBCD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V的影响.一旦_:D:解蔽图7图3中加上屏蔽后的电路模型对于屏蔽层的连接应该注意以下几点: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8).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
9、地是没有任何用处的.6参芍fU图8电路屏蔽层接地如果屏蔽电缆分成几段,在使用连接器时,每一段电缆必须与相邻的电缆依次连接在一起,并且仅把最后一段连接到信号参考点上(如图9).图9分段屏蔽电缆的连接在一个系统中所需要独立屏蔽的数目等于单独被测信号的数目.每一个信号都应有自己的屏蔽层,不要与系统中的其它屏蔽层连接,除非它们共用参考电位(如图1O).测量系统图1O每个信号的屏蔽层都应连接到其自身的参考点上不要将屏蔽层两端都接"地"(如图11),因为这个"地"之间的电位差将产生一个屏蔽电流,这个屏蔽电流通过电感性耦合(磁耦合)将在中心导体上感应一个噪声电压.图1
10、1不允许在两点屏蔽接地不允许屏蔽层相对参考点有电压(如图12).因为这个屏蔽电压会通过杂散电容耦合到中心导体上.V1(a)在相对信号源参考点V处屏蔽(b)等效电路图12不允许将屏蔽层接到信号参考点上由图12b有:V=VJI+l/(2,nqRC.)1其中:R=Ro/RL3-3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.科技信息.本刊重稿0SCIENCE&
11、amp;TECHNOLOGYINFORMATION2011年第l9期材料的值越大.但若在磁场强度很强的情况下,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l3所示.VVn(a)形成平衡电流的正确连接(b)形成地环璐的错误连接图13双绞线的连接个周期任何方向上的磁场为零.而图13b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(=i一i)确定的磁场.对于电源线瞬变常规的抑制措施有以下几种:二极管,阻容吸收网络等.继电器,电磁开关等过零关断.即"零磁"关断技术.对敏感电路采取屏蔽措施.减小
12、杂散电容耦合.4结束语总之,降低噪声的工作是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【参考文献l1方大干,鲍俏伟.实用电子控制电路.国防工业出版社,2003.2王一泉.脉冲电路.南昌航空工业学院.1987.3童诗白,华成英.模拟电子技术基础高等教育出版社.2001.器件二厂.1998.作者简介:雍明远(1963.6一),男,硕士,高级I程师,从事航空武器质量监造工作.基金项目:航空电子系统综合技术国防重点实验室和航空科学基金联合资助项目20095596016:陕西省自然科学基金项
13、目2010JQ8010.责任编辑:曹明明l上接第19页)悬臂梁悬臂端在两个脉冲加载下,其末端位移响应如图5下图所示.可以看出在受到冲击载荷后,得到一个单边衰减的脉冲响应,与实际情况完全符合.此例表明,通过matlab软件的工具箱功能,也可以进一步简化课件的开发过程.图5悬壁梁末端脉冲加载(上图)及其变形后位移响应(下图)3结语本文提出了将matlab软件应用于机械类课件的开发中,通过利用论知识变得直观,容易理解,并且能以动画的形式演示机械运动盥动态变形过程,增加学生的学习兴趣和主动性,教学效果良好.【参考文献】开发与创新,2009,22(4):187188.2董宇新.Madab语言在机械振动中
14、的应用佳木斯大学:自然科学版,2007,25(3):356-358.技信息,2007,32:5960.作者简介:王衍学(198O一),山东济宁人,博士(后),副教授,2009年博士毕业于西安交通大学,2011年到桂林电子科技大学任教.2011广西新世纪教改'rfy目(2011JGB043).责任编辑:张慧(上接第36页)总之,通过构建专业技能与专业知识一体化教学模式,能够帮助英语专业本科学生在专业课程的学习过程中,从不了解学术写作的各项要求,逐步发展为在低年级能够写作符合学术基本规范的学年论文,在高年级能够撰写符合学术规范的毕业论文以及撰够系统而全面地体现英语专业本科课程教学和学生学术
15、能力培养之间的密切联系,摸索培养学生学术能力的具体途径,从而提高英语专业本科学生的学术能力,增加专业优势的砝码,为其今后的工作和学术研究奠定坚实基础.【参考文献lz.北京:外语教学与研究出版社,2000.2胡文仲,孙有中.突出学科特点加强人文教育:试论当前英语专业教学改革J.外语教学与研究,2006(5):24347.3刘详清.我国普通高校英语专业人才培养:回顾,问题与思考:兼论英语专业教育中的人文主义传统1.外语界,2007(3):17.师.文学硕士,研究方向为比较文学.基金项目:本文系河北省高等学校英语教学改革研究项目"构建专业技能与专业知识一体化教学模式培养英语本科学生学术能力的研究"(项目编号1007013)的研究成果.责任编辑:王静7