垂 信息 Ｏ本刊重稿ｏ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１１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 供参考和借鉴。 【关键词】噪声；耦合机理；抑制措施 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 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 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 （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 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 （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 电路。如图３所示电路模型，阻抗ｚ的性质决定响应的波形。 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 晒 任何电子系统都包含许多噪声源。归纳起来主要有三种形式：传 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。 电路 １ 形成干扰噪声的条件 图３杂散电容使噪声耦合到高阻抗电路 电容性耦合噪声可以多种方式、波形出现．这里给出几个典型例 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、 子： 磁场等），耦合通道或介质（互电容、互感、导线）和接收电路（对噪声敏 ｎ’Ｌ数字信号产生快速边沿。典型上升时间为ＩＯｎｓ，电压高达 感的电路），如图１所示。 如果Ｚ为１Ｍｎ电阻，即使０．１ｐＦ的电容也将产生衰减时间为 。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 图１噪声的形成条件 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 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 中的影响可用图４作以说明）Ｖｎ＝２￣ｆＢＡＣＯＳ０ｘｌ０’８（Ｖ） 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。 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 ２ 系统噪声类型及其耦合 理 ２．１共阻抗噪声 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 也源地 图４影响电感性耦合噪声的因素 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 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。 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 一对于环路面积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；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＝ｏ￣ＭＩ２ 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 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。 ５ ２０１１年第１９期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ｏ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 一参芍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 种相似关系，即它们都与电磁场有关。严格地讲两者都属于近场感 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 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 （如图９）。 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。 Ｃｍ ｉ （ｔ）＝Ｃ ・ｄＶ（ｔ）／ｄｔ Ｖ （ｔ）＝ｋｎ・ｄｉ（ｔ）／ｄｒ 图６ 电容性耦合噪声与电感性耦合噪声比较 从图６中．我们对电容性耦合和电感性耦合的差别可归纳如表 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 ２．５电源线瞬变 电源线瞬变是由感性电路中的高压瞬变造成的。如接通和关断继 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 ３．１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ＶＭ。，Ｚ＠，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．把屏蔽接大地是没有任何用处的。 ６ 图９分段屏蔽电缆的连接 在一个系统中所需要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１１ 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 ＝ＶＪ［Ｉ＋ｌ／（２，ｎｑＲＣ。）１ 其中：Ｒ＝Ｒｏ／／ＲＬ 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。 科技信息 。本刊重稿０ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１１年第ｌ９期 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 二极管、阻容吸收网络等。 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。 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。 减小杂散电容耦合。 同时注意双绞线中流过的电流要平衡。如图ｌ３所示。 ｎ 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 Ｖ 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。ｅ （ａ）形成平衡电流的正确连接 【参考文献ｌ ［１］方大干，鲍俏伟．实用电子控制电路．国防工业出版社，２００３． Ｖ ［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． ［４］王尔乾，梁鹿亭．１ｒｒＬ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． （ｂ）形成地环璐的错误连接 图１３双绞线的连接 图１３ａ中两根导线中的电流大小相等且方向相反．则双绞线在每 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。 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。 ３．４电源线瞬变 对于电源线瞬变常规的抑制措施有以下几种： ※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目 ２０１ ０ＪＱ８０１ ０。 继电器、电磁开关等内部线圈的抑制。如在其内部线圈上加箝位 ［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 ｍａｆｌａｂ软件强大的计算能力以及ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ工具箱．使得深奥的理 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 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。 能，也可以进一步简化课件的开发过程。 【参考文献】 开发与创新，２００９，２２（４）：１８７—１８８． 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 ［１］王俊峰，田丽萍．Ｍａｔｌａｂ运动仿真在机械原理课程设计中的应用．机电产品 ［２］董宇新．Ｍａｄａｂ语言在机械振动中的应用 佳木斯大学学报：自然科学版， ２００７，２５（３）：３５６－３５８． 。 ［３］顾永强，张洋洋，杨霖．Ｍａｔｌａｂ环境下振动力学虚拟教学实验软件的开发．科 技信息，２００７，３２：５９—６０． 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。 图５悬壁梁末端脉冲加载（上图）及其变形后位移响应（下图） ￣２０１１广西新世纪教改＇ｒｆｙ￣目（２０１１ＪＧＢ０４３）。 ￣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 ［责任编辑：张慧］ 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］． （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 ［２］胡文仲，２００６（５）：２４３—４７． 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 外语教学与研究，［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 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 写具有一定水平的、适合学术期刊发表的学术论文。这一培养模式能 够系统而全面地体现英语专业本科课程教学和学生学术能力培养之 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。 教育中的人文主义传统 １．外语界，２００７（３）：１—７． 作者简介：顾冀梅（１９７６一），女，河北霸州人，廊坊师范学院外国语学院。讲 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。 【参考文献ｌ ［１］高等学校外语专业教学指导委员会英语组．高等学校英语专业英语教学大纲 ［ｚ］．北京：外语教学与研究出版社，２０００． ［责任编辑：王静］ ７
