1、精選優質文檔-傾情為你奉上模擬量共串模抑制共串模介紹電路中的無用信號可以統稱為噪聲，根據噪聲對電路作用的形態可以分為共模干擾和串模干擾兩種類型。共模干擾是疊加在信號對地上的電位差，主要由電網串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態（同方向）電壓迭加所形成。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞，這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉換共模干擾所形成的電壓，這種干擾直接疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。來源及影響噪聲來源有兩個方面，一個為電路內部噪聲，包括以下幾種：1

2、. 熱噪聲：電阻等由于熱能作用時電子騷動所產生的噪聲，幾乎覆蓋整個頻譜。2. 顫噪噪聲（話筒效應噪聲）：當設備中的電路和元器件收到機械振動式，電路參數發生變化，產生噪聲電壓。3. 散粒噪聲：如電子管陰極所發射的電子，每個都是彼此獨立的，在各個短暫的瞬間，都是不連續不規則的，這種不規則性引起的電特性變化，就成為一種頻譜范圍很寬的噪聲。4. 閃變噪聲：電子管陰極物質的電子釋放條件因時間而不同，從而引起電特性的變化，形成閃變效應的噪聲5. 交流聲：由于直流電源的整流濾波性能不好，或因布線等使電路耦合了變壓器等的泄漏磁通，產生和電網頻率相同或倍頻的交流成分。6. 熱電勢噪聲：異種金屬相接觸，有溫度差時

3、，會產生電勢，成為熱電勢噪聲。7. 接觸噪聲：材料接觸處接觸不良使該處電導率起伏變化而引起的噪聲，常見于假焊、導線連接不牢靠、開關接點接觸不良等。8. 尖峰或振鈴噪聲：電路中電流的突變，在電感負載上引起的尖峰反沖電壓波或衰減震蕩波而引起的噪聲。9. 自激震蕩：典型的內部噪聲，由于在具有放大功能的電路中，輸出一部分通過耦合以正反饋方式加到輸入端。10. 反射噪聲：前后級電路不匹配，使長線傳輸的信號在接點處引起反射，產生相移，成為一種疊加在信號上的噪聲。11. 分配噪聲：晶體管發射極區注入到基極區的少數載流子中，一部分經過基極區到達集電極形成集電極電流，一部分在基極區中符合，由于載流子復合式數量時

4、多時少，導致集電極電流也隨著起伏12. 1/f噪聲或閃爍噪聲：晶體管、場效應管等期間在低頻段所產生的一種噪聲，其噪聲功率與頻率成反比增大，與半導體材料制作室清潔處理有關。13. 天線熱噪聲：天線本身的熱噪聲是非常小的，但是，天線周圍的介質微粒處于熱運動狀態，產生擾動的電磁波輻射被天線吸收，又由天線輻射出去。當接收與輻射的噪聲功率相等時，天線和周圍的介質處于熱平衡狀態14. 電化電勢噪聲：電路中的金屬在腐蝕時產生的一種電池效應。由電路外的環境帶來的噪聲稱為外部噪聲，外部噪聲可以分為人為噪聲和自然噪聲兩種，下列前六種屬于人為噪聲，后三種為自然噪聲：1. 火花放電噪聲：汽車汽缸點火、繼電器觸點開斷、

5、火花式高頻設備的工作及電鉆中整流子式電機轉動時都會產生火花放電，火花放電會形成一系列含有很高頻率成分的強烈噪聲。2. 電暈放電噪聲：如臭氧發生器和高壓輸電線等都會產生一種電暈放電，這種放電具有間歇性質，并產生脈沖電流，從而成為一種噪聲干擾的原因；而且電暈放電過程還產生一種高頻振蕩，也會對電路產生干擾，主要對載波電話、低頻航空無線電通訊以及調幅廣播等產生干擾。3. 輝光放電噪聲：兩個接點間的氣體被電離時，會產生一種再生的、能自己維持的輝光放電，在繼電器觸點、開關處發生，除了能引起高頻輻射外，還在配電線上引起電壓電流的沖擊。4. 脈沖式噪聲：數字電路中的脈沖信號、晶體振蕩產生的時鐘頻率脈沖，通過各

6、種方式對其他電路產生干擾。5. 開關式噪聲：在開關電路中如晶體管、可控硅開關在工作時所產生的尖峰脈沖噪聲，特別是在斷開電感負載時6. 電波噪聲：高頻電路、無線電廣播和通訊設備所輻射出的電磁波7. 大氣噪聲：地球上平均每秒鐘發生100次左右的雷擊電閃，每次都恩能夠產生強烈的電磁場騷動，并以電磁波的形式傳播到很遠，此外，對設備、電網輸電線的直接雷擊或雷電感應，會對電路產生幅度很高的浪涌電壓而形成更厲害的干擾8. 太陽系噪聲：太陽及行星所輻射的無線電噪聲。9. 宇宙噪聲：太陽系外其他星系所輻射的無線電噪聲。根據噪聲頻率，可以分為低頻和高頻：名稱類別發生源性質和特點低頻噪聲直流，低頻（50hz以下）熱

7、電勢，電化電勢，低頻直流漂移，大地電流的作用等很難與信號分開市電頻率（50hz）電源線，電源裝置呈周期性，與市電頻率有關，對小信號模擬電路影響較大高頻噪聲脈沖性或寬頻帶噪聲（50hz100Mhz）開關電容性、電感性負載等及其他原因導致電路中電壓和電流突變幅度大小及重復頻率都是隨機的，往往因幅度大及頻率較高容易對其他線路產生感應高頻無線電波（1Mhz以上）高頻電路的輻射，無線電廣播及通訊設備的發射對電路產生電磁波感應噪聲，或使非線性元件產生低頻成分的噪聲噪聲來源包括：串模干擾通常來自于高壓輸電線、與信號線平行鋪設的電源線及大電流控制線所產生的空間電磁場。由傳感感器來的信號線有時長達一二百米，干擾

8、源通過電磁感應和靜電耦合作用加上如此之長的信號線上的感應電壓數值是相當可觀的。例如一路電線與信號線平行敷設時，信號線上的電磁感應電壓和靜電感應電壓分別都可達到毫伏級，然而來自傳感的有效信號電壓的動態范圍通常僅有幾十毫伏，甚至更小。除了信號線引入的串模干擾外，信號源本身固有的漂移，紋波和噪聲，以及電源變壓器不良屏蔽或穩壓濾波效果不良等也會引入串模干擾。噪聲對電路影響的表現形態有：靜電：靜電放電是一種自然現象，當兩種不同介電強度的材料相互摩擦時，就會產生靜電電荷，當其中一種材料上的靜電電荷積累到一定程度，在于另外一個物體接觸式，就會通過這個物體到大地的阻抗而進行放電，靜電表現為共模噪聲的形式，但是

9、靜電電壓非常大，容易使器件發生損壞。電快速瞬變脈沖群：標準模擬電網中機械開關對電感性負載切換時所引起的干擾。電路中機械開關對電感性負載的切換，經常會對同一電路中其他電器和電子設備產生干擾，特點，脈沖成群出現，重復頻率較高，上升時間短暫，單個脈沖能量較小，不會造成設備故障，但會對線路中半導體器件結電容充電，容易使設備誤動作。脈沖群干擾實際上是加在電源線與參考地之間，是共模干擾。雷擊浪涌：普通物理現象，全世界有4萬多個雷暴中心，每天有8百萬次雷擊，每秒鐘有100次左右雷擊。雷擊產生浪涌的情況為：1.雷電直接擊中電路，這種情況下電壓是對地而言的，為共模噪聲；2.伴隨著雷電產生的雷電電磁脈沖，以電磁感

10、應和靜電感應的作用（俗稱感應雷），通過金屬管道和電纜將雷電波（即高電位）引入，該噪聲既可能為共模噪聲，也可能為差模噪聲。雷擊浪涌干擾為高壓高能量噪聲干擾，會對電路產生嚴重的損壞。傳導方式及抑制噪聲耦合方式主要有五種途徑：直接傳導、公共阻抗耦合、電容性耦合、電感性耦合和空間電磁場耦合。其中內部電路噪聲傳導額方式主要是直接傳導和公共阻抗耦合；外部噪聲耦合到電路的方式主要是電容性耦合、電感性耦合和空間電磁場耦合。直接傳導耦合噪聲經過導線直接進行傳導是最普遍的一種傳導方式，噪聲可以通過信號線直接傳導給電路，也可以通過交流或直流電源線直接傳導給電路。通過信號線直接傳導的信號一般為差模噪聲，對于直接傳導的

11、差模噪聲的抑制方式：可以串接濾波器，濾波器可以分為有源和無源兩種，下面介紹簡單RC濾波器左圖所示為一階無源低通濾波電路，假設電壓頻率為0，不接負載時，電壓放大倍數為：當電壓頻率為0，濾波器后端加負載RL時，電壓放大倍數為：當輸入電壓頻率為時，負載兩端電壓放大倍數為：由公式可以看出無源濾波電路的濾波特性隨著負載而有所變換，因此更為理想的情況是在無源濾波電路和負載之間加入一個高輸入阻抗、低輸出阻抗的隔離電路，最簡單的為加一個電壓跟隨器，構成了有源濾波電路，如右圖所示，對于前面的一階RC濾波電路而言，負載為無窮大，因此頻率為0時的電壓放大倍數為1，對于頻率為的電壓放大倍數為：由公式可以看出有源濾波電

12、路的濾波特性不隨負載而變化，濾波特性比較穩定。對于濾波器沒有有效濾除的信號，可以通過數字濾波，以工頻干擾為例，這種周期性噪聲一般常用數字濾波方式為平均值濾波法，使信號采樣時間與工頻干擾周期相同，將信號多次采樣值，可以近似將工頻干擾噪聲濾除。通過電源線直接傳導的信號一般為共模噪聲，而共模噪聲通過電路對地阻抗的不平衡可能轉換成差模噪聲。如圖所示，共模干擾VC通過輸入電路中的不對稱轉化成Z5兩端的串模干擾，疊加的串模干擾信號為通過公式可以看出，為了減少共模噪聲轉換成差模噪聲大小，可以設法使電路成為平衡回路，即可以使Z1=Z2，Z3=Z4，但是實際電路回路中通常很難做到電路的完全對稱，為了使上述噪聲最

13、小，可以使括號里面兩項近似相等，當Z4>>Z1，Z3>>Z2時可以實現噪聲為0，因此可以通過增大信號對地阻抗來減少共模噪聲對采樣信號的影響。公共阻抗耦合由公共阻抗耦合噪聲原理如左圖，回路1和回路2對地有公共阻抗R，當回路1有電流波動，大小為I時，導致公共阻抗上壓降波動為IR，該壓降使回路2對地電平波動IR，即在回路2上疊加了噪聲IR。抑制方式為：減小公共阻抗，如右圖所示，當公共阻抗為0時，回路1的電流波動不會對回路2造成影響。為了減小公共阻抗，在接地時需要遵守一定的規則，常見的接地方式有：單點接地、多點接地、混合接地，單點接地有單點串聯接地和單點并聯接地之分。左圖為單點

14、串聯接地連接方式，由圖中可以看出，回路1的參考電平點為A點，回路2的參考電平點為B點，回路3的參考電平點為C點，A、B、C點電平分別為：VA=R1(I1+I2+I3)VB=R1(I1+I2+I3)+R2(I2+I3)VC=R1(I1+I2+I3)+R2(I2+I3)+R3I3由此可見單點串聯方式接地時，由于串聯導線阻抗的影響，各個串聯回路間參考電平值不一致，影響電路，因此單點接地時需要使用右圖所示單點并聯接地方式，并且要保證公共阻抗R4盡量小。圖示為多點接地示意圖，各個電路就近單點接地，并將公共接地點使用低阻抗導線連接，以便使接地線的長度最短。混合接地：單點接地和多點接地混合。將需要就近接地的

15、點直接與接地平面相連，而其他點采用單點接地的方法。電容性耦合電容性耦合噪聲介紹：也稱靜電耦合，噪聲電壓通過分布電容進行傳導，傳導感應的噪聲電壓:(1)當噪聲頻率很低時，RL阻抗遠小于CL和Cs的阻抗，則式(1)為：(2)式(2)為導線對導線電容性耦合噪聲的一個重要公式，由此可以看出低頻噪聲傳導過程中影響感應噪聲電壓的因素為受感應導體對地分布電阻RL，噪聲導體和受感應導體之間分布電容CS，噪聲頻率f。對于低頻噪聲，為了減小耦合噪聲，可以降低導體對地分布電阻RL，降低兩者之間的分布電容，降低噪聲頻率。對于高頻噪聲，RL阻抗遠大于CL和Cs的阻抗，則式（1）為對于高頻噪聲，可以通過減小分布電容或者增

16、大受感應導體對地電容來減小噪聲。感應的噪聲電壓Un的頻率特性如下圖所示。電容性耦合噪聲大小與噪聲頻率成正比；與受感體對地阻抗成正比；與兩者之間分布電容成正比；與噪聲源成正比。對于電容性耦合噪聲的抑制方式為：1.降低肇事電路的電源電壓和工作頻率。2.增大線間距離。3.將受干擾導線盡可能靠近參考地。4.對長線最好以90°交叉布線，使線路間分布電容最小。5.數字電路的串擾通常是由于阻抗不匹配引起反射的，要檢測線路的匹配情況。6.采用屏蔽層，接地良好，屏蔽層要完整，當干擾電壓頻率較高時，多點接地。7.降低敏感線路輸入阻抗。CMOS電路輸入阻抗很高，與靜電容分壓后，干擾信號加到CMOS電路輸入

17、端子上的值很高。可以再CMOS電路的入口端對地并聯一個電容或一個阻值較低的電阻。8.敏感電路采用平衡線路做輸入，不接地，這樣干擾源對平衡線路入口施加的是共模電壓。9.采用光纜解決由分布電容引起的串擾。靜電屏蔽的原理為：在兩者之間插入一塊接地的金屬屏蔽板，則可以形成兩個新的分布電容Cs和Cd，其中Cs被屏蔽板短接到地，不會產生影響。Cd和CL對地并聯，由于要繞過屏蔽板，因此剩余電容Cs'遠小于原Cs值，屏蔽后的感應噪聲電壓為：低頻噪聲：高頻噪聲屏蔽時，需注意：1.屏蔽板要靠近受保護的物體，接地良好，目的增大Cd；2.屏蔽板形狀影響，全封閉的金屬盒有最好的電廠屏蔽效果，而一個開了孔或帶縫隙

18、的屏蔽盒，效果受到不同程度的影響，主要影響剩余電容Cs'；3.材料以良導體為好，但對厚度無要求。電感性耦合當回路1有電流I1流過時，不僅會在回路1中產生磁通，而且會在回路2中產生磁通12。回路2中的磁通量與電流I1之間通過一個系數M來確定，這個M就是互感當該磁通變化時，在回路2中產生了感應電壓可見電感性耦合噪聲大小和兩者之間的互感以及噪聲源電流隨時間變化率有很大關系。因此可以通過以下方法降低耦合噪聲：1.降低肇事源的電壓和電流。2.工作頻率低。3.使用上升和下降時間都較長的數字波形。4.使用屏蔽電纜，包括雙絞線和同軸電纜。5.減小干擾源和敏感電路的環路面積，使用雙絞線和屏蔽線。6.增大

19、線間距離，使干擾源與受感應線路之間互感盡可能小。7.采用差分放大器，使兩引線中共模電流作用抵消。8.使干擾源的線路與受感應線路呈直角布線。對噪聲源做磁屏蔽處理原理：當線圈內有交變電流時，就會產生交變磁通，該磁通在低電阻的屏蔽材料內產生渦流（即感應電流），該渦流產生的磁通方向和源磁通的方向相反，互相抵消，隔離了磁通向外泄漏，從而抑制了通過電感性耦合的傳播，同軸電纜的屏蔽原理與此相同， 同軸電纜是一種特制的用金屬編織網作屏蔽的電纜，在很大的范圍內，具有均勻不變的低損耗的特性阻抗，可用于從直流到甚高頻乃之超高頻的頻段。有如下幾點應該注意：1）對噪聲源的屏蔽，實際利用變化磁通在低阻抗回路感應出反向變化

20、的磁通來減少原磁通外泄。2）對噪聲源的電磁屏蔽本身不需要接地，但接地也無妨，為同時具有靜電屏蔽的效能，一般電磁屏蔽也接地。3）嚴格的電磁屏蔽（如高頻）必須沒有縫隙地嚴密地包圍受屏蔽體，如果有縫隙的話，阻止渦流的流動，影響屏蔽的效果（但對低頻，要求不嚴）。而靜電屏蔽的要求不那么高，屏蔽體上有縫隙幾乎對屏蔽沒有影響。當磁屏蔽兩端都接地時，電流回路除了感應渦流外還有部分電流通過地平面返回，電流關系為：因此I2<I，產生的抵消磁通比原來小。屏蔽體有一個截止頻率，其中Rs和Ls分別為屏蔽體的電阻和電感。沿接地環路A-B-C-D-A，可列出方程式：式中M為屏蔽體與中心導體間的互感，其值等于Ls,代入

21、得：由上式可知，當導體中流經的電流頻率遠大于截止頻率C=RS/LS時，絕大部分電流流過屏蔽體，屏蔽效果很好。當頻率低于5C時，大部分電流從地面返回，屏蔽作用較小（所以低頻時，不宜兩端接地）。大多數電纜的截止頻率在數千赫到數十千赫之間。我們常用屏蔽導線來防止外界磁通對導線的影響，其實這不是利用屏蔽體的磁屏蔽特性實現屏蔽的，而是將非磁性屏蔽體包在導體周圍，并讓它成為流經導線返回電流的一個通路，起到使電流的回路所包圍的面積最小，使接收外界磁通影響為最小。當線路較長時，這樣做由于兩端的地電位差也會帶來負面影響。使用雙絞線實現電磁屏蔽原理：左圖為對噪聲源進行雙絞線屏蔽噪聲原理，當噪聲源有噪聲信號回路時，

22、將兩條電流反向的導線進行扭絞，每一個節環內部產生的磁通都和相鄰節環產生的磁通方向相反，對于環外而言，由相鄰的方向相反磁通相互抵消，因此不會有泄漏到環外的磁通。右圖為對受感應導體進行雙絞線屏蔽噪聲原理，當外部噪聲回路對該電路感應產生變化磁通時，在每個環節內都感應出方向相同的感應電流，由于同一根信號線在相鄰環節上的感應電流方向相反，大小相同，因此噪聲在整條導線上感應電流的平均值為0，可以有效避免外界磁干擾對信號的影響。雙絞線的屏蔽效果隨每單位長度的絞合數的增加而提高。噪聲衰減度指平行導線時的干擾磁場值和采用雙絞線后的干擾磁場值之比，雙絞線再加金屬編織網屏蔽就可以克服雙絞線易受靜電感應的缺點。高電壓

23、回路，容易成為電容性耦合的噪聲源；大電流回路，容易成為電感性耦合的噪聲源。電容性耦合噪聲對受影響的電路是屬于共模噪聲；電感性耦合噪聲對受影響的電路是屬于串模噪聲。電磁場耦合電容性耦合和電感性耦合為電磁場耦合的近場耦合部分，當噪聲源和受影響電路之間距離較遠時，輻射稱為遠場輻射，遠場輻射主要通過能量對線路產生干擾，近場和遠場的分界距離為/2（為電磁波的波長）。對近場而言，波阻抗取決于干擾源的特性以及離干擾源的距離。如干擾源為大電流低電壓的情況，則近場主要為磁場，波阻抗呈低阻抗特性，以電感性耦合的噪聲為主。如干擾源為高電壓小電流的情況，則近場主要為電場，波阻抗呈高阻抗特性，以電容性耦合的噪聲為主。令

24、式中r-干擾源和觀察點之間的距離； - 電磁波的波長。在近場時，干擾源主要為電場時波阻抗為：干擾源主要為磁場時波阻抗為：在遠場時，波阻抗Z=E/H在自由空間是一個常數為120，即377歐。所以只要測出一個場的強度，另一個場強就可以計算出來。對于遠場輻射，電磁場主要由交變電磁場向外輻射，一根金屬導線在輻射的電磁場里，就象一根天線，在導體上會產生正比于電場強度的感應電動勢U式中heef -比例常數，也稱天線的有效高度。對于電磁場耦合的抑制也可以采用屏蔽進行，屏蔽原理為：使用金屬板對電磁場進行屏蔽，則金屬屏蔽體對入射電磁波的衰減過程如下圖所示。電磁波在屏蔽層表面有一部分反射，在通過屏蔽層過程中有一部分吸收損耗，在屏蔽層后壁上又有一次反射，從而對入射電磁波產生衰減。噪聲影響的量化及測試對于干擾對電路影響的量化方式：用共模干擾抑制比CMRR和串模干擾抑制比SMRR來表示抗共模、串模干擾的能力，其定義為：CMRR=20 lg(Uc/U)(dB)式中：Uc共模干擾的直流或交流峰值電壓，單位：V； U施加共模干擾電壓前后的示值變化所對應的電量值變化，單位：V。SMRR=20 lg(Us/U)(dB)