微弱信号检测_第三章干扰噪声及其抑制

3.3 屏 敝
3.3.4 屏蔽效果 (2) 多层屏蔽
3.3 屏 敝
3.3.4 屏蔽效果 (3) 屏蔽层上的开孔和接缝
3.3 屏敝
3.3.4 屏蔽效果 (4) 屏蔽层上的波导管
0.175×109 fc = d (Hz)
fc f< 3
32l ⇒ S= d
(dB)
3.3 屏 敝
(5) 屏蔽效果小结
u2 ≈ jωRCu 1
3.4 屏敝电缆的接地
3.4.2 接地抑制电场耦合噪声 (2) 有屏敝导线间的容性耦合
① 只有把屏蔽层连接到电路地时屏蔽才会更有效 只有把屏蔽层连接到电路地时屏蔽才会更有效. 噪声)电流流过屏蔽层 ② 应该避免杂散 (噪声 电流流过屏蔽层 噪声 电流流过屏蔽层. 当有多个独立屏蔽时,应串联后再连接到信号地 应串联后再连接到信号地. ③ 当有多个独立屏蔽时 应串联后再连接到信号地
Et Es Et 4ZsZw = = Ei Ei Es (Zs + Zw )2
Ht Hs Ht 4ZsZw = = Hi Hi Hs (Zs + Zw )2
Zs << Zw 时
导体 绝缘体
Et Ei
=
Ht Hi
=
4 Zs Zw
3.3 屏 敝
3.3.3 屏蔽层的反射损耗 (3) 反射损耗
4Zs Et Ht R = −20lg = −20lg == −20lg Ei Hi Zw
3.4 屏敝电缆的接地
3.4.3 接地抑制磁场耦合噪声 (1) 信号两端接地,屏蔽不接地或单点接地 信号两端接地,
对噪声磁场仅存在吸收（涡流） 对噪声磁场仅存在吸收（涡流）和反射衰减
3.4 屏敝电缆的接地
3.4.3 接地抑制磁场耦合噪声 (2) 信号和屏蔽层均两端接地 信号和
is ( jωL + Rs ) − i1( jωM) = 0 s
Zs << Zw 时
导体 绝缘体
2 2(1+ j ) x
Zw − Zs − δ Bs = 20lg1− Z +Z e s w
= 10lg1− 2×10−0.1A cos(0.23A) +10−0.2A
[
]
足够大(屏蔽层的厚度x 和电、 当吸收损耗 A 足够大(屏蔽层的厚度 s和电、磁导率足够大) 可以忽略。 时，由于屏蔽层内多次反射而产生的校正系数 Bs 可以忽略。
u2 ≈ jωRCu 1
与频率成线性
3.4 屏敝电缆的接地
3.4.2 接地抑制电场耦合噪声 (1) 无屏敝导线间的容性耦合
① 容性耦合的敏感度取决 于分布电容 ② 放大器接收到的干扰噪 声强度正比于噪声源的强度 ③ 高阻输入回路电场耦合 的影响更为严重
u2 = u 1
ωRC
1+ [ωR(C + C2G )]2
3.2 干扰耦合途径
3.2.3 电场耦合
数字信号经电场耦合的波形
Vi j 2 π f Ri C = u 1 + j 2 π f Ri C
j 2 π f Ri C << 1
Vi ≈ 2 π f Ri Cu
3.2 干扰耦合途径
3.2.3 电场耦合
V1 j 2 π f Ri C S Vi ( f ) = S u ( f ) = Su ( f ) u 1 + j 2 π f Ri C
3.3 屏 敝
3.3.3 屏蔽层的反射损耗 (3) 远场（平面波）反射损耗 远场（平面波）
R = −20lg 4Zs Zw = −20lg 4Zs Z0 = −20lg 4Zs 377 = 20lg 377 − 20lg Zs 4
= 20lg94.25− 20lg σr = 39.5+10lg µ r f σ = 168.2 +10lg r µ f r
3.3 屏 敝
3.3.3 屏蔽层的反射损耗 (1) 电磁波在界面处的反射与透射
E2 2Z 2Z2 = E1 Z2 + Z1
导体
H2 2Z 2Z1 = H1 Z2 + Z1
绝缘体
Z2 << Z1 时
E2 E1 2 Z2 Z1 H2 H1
=
=2
3.3 屏 敝
3.3.3 屏蔽层的反射损耗 (2) 电磁波穿透屏蔽层
Ex = E0e δ
− x x
Hx = H0e δ
= 0.066 fµrσr ⇒ Ex=δ Hx=δ 1 = = = 36.788% E0 H0 e
−
δ=
1 πfµσ
吸收损耗
Ex Hx x A( x ) = −20 lg = −20 lg = 8.69 = 132 x fµ rσ r E0 H0 δ (dB)
3.2 干扰耦合途径
3.2.1 传导耦合与公共阻抗耦合 (1) 传导耦合 (2) 公共阻抗耦合
B i1 电路1 电路 i2 电路2 电路 ZG A
交流电阻或有效电阻(Effective Resistance) 交流电阻或有效电阻
VC ZC
3.2 干扰耦合途径
3.2.2 电源耦合
抑制方法 —— 输入滤波
3.4 屏敝电缆的接地
3.4.1 电缆屏蔽层与芯线间的耦合 (2) 屏蔽层截止频率 fc
1 2
屏蔽层电流引起的输入噪声
υi = υs
1 f 1+ c f
2
un = is ( jωLs + Rs ) − jωMis = isRs Rs = υn is = υn jωLs + Rs jωL + R s s
空气中近场波阻抗
ZE ≈ 1 j 2π f ε 0 r
ZM ≈ 1 j 2π f µ 0 r
介质中平面波波阻抗
介质磁导率
ZW = j 2 πµ f σ + j 2 π fε
导体中
ZW = j 2 πµ f
绝缘体中
ZW =
σ
µ ε
介质电容率 介质电导率
3.3 屏 敝
3.3.2 屏蔽层的吸收损耗
介质内电磁波强度(深度 介质内电磁波强度 深度x)
3.2 干扰耦合途径
3.2.4 磁场耦合 (3) 磁场耦合干扰的抑制
磁屏蔽
3.2 干扰耦合途径
3.2.5 电磁辐射耦合
直线发射器
ILf µ 0 sin θ 2r 0 . 6283 ILf sin θ = × 10 − 6 r
3 1 µ 02 ε 02 π IAf 2
圆环发射器
Ee =
Em =
sin θ sin θ × 10 −13
3.4 屏敝电缆的接地
3.4.2 接地抑制电场耦合噪声 (2) 有屏敝导线间的容性耦合
远小于无屏蔽
u2 =
jωRC u 1 1+ jωR(C + C2G + C2S)
C C + C2G + C2S u 1
R >>
1 ω(C + C2G + C2S)
u2 ≈
R <<
1 ω(C + C2G + C2S)
3.1 环境干扰噪声
3.1.2 干扰噪声的谱分布
3.2 干扰耦合途径
抑制干扰噪声有3种方法： 抑制干扰噪声有 种方法： 种方法 (1) 消除或削弱干扰源。 消除或削弱干扰源。 (2) 设法使检测电路对干扰噪声不敏感。 设法使检测电路对干扰噪声不敏感。 (3) 使噪声传输通道的耦合作用最小化。 使噪声传输通道的耦合作用最小化。
M = Ls
υi = jωMis = jωLsis
屏蔽层电 阻
υi υ jωL R R s = ⇒ s = 1+ s = 1− j s υs Rs + jωLs υi ωLs jωL s
截止频率
υi 1 1 1 1 1 = = = = = 2 2 υs 2 υs Rs Rs Rs 1 f 1− j 1+ 1+ 1+ c ωL 2πL f 2 υi ωLs f s s
(
)
σr
f 3r3µr
磁场为主
4Zs σr f r2 = 14.6 +10lg RM = −20lg 2π f µ0r µr
3.3 屏 敝
3.3.4 屏蔽效果 (1) 屏蔽总效果
Ei Hi S = 20lg = 20lg = A+ R + Bs Et Ht
校正系数 反射损耗 吸收损耗
1 2
≈ S u ( f ) j 2 π f Ri C
2
噪声源功率谱
放大器器输入端 的噪声源功率谱
3.2 干扰耦合途径
3.2.4 磁场耦合 (1) 电磁感应耦合
(2) 互感耦合
υ2 = − M
di1 dt
3.2 干扰耦合途径
3.2.4 磁场耦合 (1) 电磁感应耦合 (2) 互感耦合
— 2 ∞ 0
υ = (2π M )2 ∫ S i1 ( f ) f 2 d f
M =
µ0 L 2π
2L ln − 1 ds
d s << L
µ L 2h + 1 M ≈ 0 ln 4π ds

2

3.2 干扰耦合途径
3.2.4 磁场耦合 (3) 磁场耦合干扰的抑制
1.对于电场和平面波，反射损耗很大。 对于电场和平面波，反射损耗很大。 对于电场和平面波 2.对于低频磁场，反射损耗一般较小。 对于低频磁场， 对于低频磁场 反射损耗一般较小。 3.厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约 厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约9dB的吸收损耗。 的吸收损耗。 厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约 的吸收损耗 4.磁场比电场更难屏蔽。 磁场比电场更难屏蔽。 磁场比电场更难屏蔽 5.对于低频磁场要用磁性材料进行屏蔽。 对于低频磁场要用磁性材料进行屏蔽。 对于低频磁场要用磁性材料进行屏蔽 6.对于电场、平面波和高频磁场要用良导体材料进行屏蔽。 对于电场、 对于电场 平面波和高频磁场要用良导体材料进行屏蔽。 7.实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接缝情况，而 实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接缝情况， 实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接缝情况 不取决于屏蔽材料本身的屏蔽效果。 不取决于屏蔽材料本身的屏蔽效果。 8.漏磁场的量取决于屏蔽层上开孔的最大尺寸，而不取决于 漏磁场的量取决于屏蔽层上开孔的最大尺寸， 漏磁场的量取决于屏蔽层上开孔的最大尺寸 开孔的面积。 开孔的面积。 9.大量的小孔比同样面积的一个大孔漏磁要少。 大量的小孔比同样面积的一个大孔漏磁要少。 大量的小孔.4.1 电缆屏蔽层与芯线间的耦合 (1) 耦合模型