第三章干扰噪声及其抑制2015
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
is jLs Rs
n
25
3 干扰噪声及其抑制
3.4 屏敝电缆的接地 3.4.2 接地抑制电场耦合噪声（减小耦合电容） (1) 无屏敝导线间的容性耦合
放大器对地输 入电阻
u2
jRC u1 1 jR(C C2G ) C u2 u1 C C2G
与频率无关
u2 u1
2
3 干扰噪声及其抑制
3.1 环境干扰噪声 3.1.2 干扰噪声的谱分布（疾病的特点分布）
3
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径（如何传播？） 3.2.1 传导耦合与公共阻抗耦合 (1) 传导耦合:(长)导线传导引入干扰噪声 有效方法:去耦和滤波 (2) 公共阻抗耦合:如公共电源、地线等
B i1 电路1 i2 电路2 ZG ZC VC P107 电阻量的概念 利用合适的接地措施
18
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.3 屏蔽层的反射损耗 (4) 近场反射损耗
电场为主
RE 20 lg 8π f 0r Zs 322 10 lg
r
f 3r 3 r
磁场为主
2 4 Zs f r 14.6 10 lg r RM 20 lg 2 π f 0 r r
交流电阻或有效电阻(Effective Resistance)
A
4
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 3.2.2 （交流）电源耦合
金属箔屏蔽层
滤波抑制射频干扰
不共地
抑制方法 —— 输入滤波；选择低噪声、低输出阻抗的电源 P108 压敏电阻的作用及其原理
5
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 数字信号经电场耦合的波形 3.2.3 电场耦合（容性耦合）
3.3 屏敝(最有效的手段,高导电或导磁材料) 3.3.1 场传播与波阻抗 (1) 波阻抗及随距离的变化 在靠近干扰源的地方，场的性质主要取决于 干扰源的性质，在远离———传播介质。
波阻 抗
ZW
E H
E Z0 H
感应场
过度区
0 377 0
辐射场
结论:
近场: 当干扰源小电流高电压时,近场以电场为主, 波阻抗较高为,干扰主要以容性耦合引入; 当干扰源为大电流低电压时,近场以磁场为 主,波阻抗较低,干扰主要以感性耦合引入; 波阻抗的定义，特征阻抗等 参见P119-121
1
放大器的输入阻抗是非常关键的??
Su ( f )
j 2π f RiC 1 j 2π f RiC
2
Su ( f ) j 2π f RiC
2
噪声源功率谱
放大器器输入端 的噪声源功率谱
6
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 3.2.4 磁场耦合（电感性耦合或互感耦合） (1) 电磁感应耦合
19
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.4 屏蔽效果 (1) 屏蔽总效果
Ei Hi S 20 lg 20 lg A R Bs Et Ht
校正系数 反射损耗 吸收损耗
Zs Z w 时
导体
绝缘体
2 2(1 j )
Z w Zs Bs 20 lg 1 Z Z e s w
微弱信号检测
3 干扰噪声及其抑制 (如疾病与防治) (电磁兼容性EMC）
1
3.1 环境干扰噪声（what？） 3.1.1 干扰噪声源 (1) 电力线噪声: 尖峰脉冲，工频电磁场，电 网电压波动 (2) 电器设备噪声: 放电（辉光、弧光、火花、 电晕）噪声 (3) 射频噪声 (4) 接地电位差噪声(共模) (5) 雷电噪声 (6) 天体噪声 (7) 机械噪声: 摩擦、压电、颤噪等效应噪声， 导体在磁场中的运动 (8) 其他噪声: 电化学、温度、触点等噪声
参数理解
1 πf
吸收损耗
Ex Hx x A( x ) 20 lg 20 lg 8.69 132 x fr r E0 H0
(dB)
14
3 干扰噪声及其抑制
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 2 Z2 E1 Z 2 Z1
(2) 互感耦合
di 2 M 1 dt
相关的计算公式及简单计算见书P113
7
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 3.2.4 磁场耦合 (2) 互感耦合
(1) 电磁感应耦合
2πM 2 Si1 ( f ) f 2df
0 — 2
M
0 L 2 L 1 d s L ln 2 d s
20 lg 94.25 20 lg r 39.5 10 lg f r r 168.2 10 lg f r
j 2π f
39.5 10 lg 2π f
12 7.37 10 39.5 128.7 10 lg r f r
V1 j 2π f RiC 串： u 1 j 2π f RiC
j 2π f RiC 1
V 1 2π f R iCu
信号的频率 输入阻抗
电场耦合噪声一般表现为导线对地的电压
5
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 3.2.3 电场耦合
SV 1( f ) Su ( f ) V1 u
Fra Baidu bibliotek
24
3 干扰噪声及其抑制
3.4 屏敝电缆的接地(屏蔽层单点接地,WHY?) 3.4.1 电缆屏蔽层与芯线间的耦合 (2) 屏蔽层截止频率 fc
is Rs jLs
s
M Ls
i jMis jLsis
屏蔽层电 阻
感应到芯线 上的电压
i jLs R R s 1 s 1 j s s Rs jLs i jLs Ls
互感耦合还要受到附近的第三个电路导体的影响.
L 2h 1 M 0 ln 4 ds
2
第三个电路导体的阻抗越低,则对互感的影响越大.
8
3 干扰噪声及其抑制
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 (3) 磁场耦合干扰的抑制（同电场耦合的不同）
3.3 屏敝 3.3.3 屏蔽层的反射损耗 (3) 反射损耗
4 Zs Et Ht R 20 lg 20 lg 20 lg Ei Hi Zw
17
3 干扰噪声及其抑制
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
R 20 lg 4 Zs Zw 20 lg 4 Zs Z0 20 lg 4 Zs 377 20 lg 377 20 lg Zs 4
导体
H2 2 Z1 H1 Z2 Z1
绝缘体
Z2 Z1 时
E2 E1 2 Z2 Z1 H2 H1
2
15
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.3 屏蔽层的反射损耗 (2) 电磁波穿透屏蔽层（两种损耗）
Et Es Et 4 Zs Z w Ei Ei Es Zs Z w 2 H t Hs H t 4 Zs Z w Hi Hi Hs Zs Z w 2
磁场耦合噪声一般表现为与信号相串联的感生电压
3 干扰噪声及其抑制
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 (3) 磁场耦合干扰的抑制
8
磁屏蔽（漏磁）
9
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 3.2.5 电磁辐射耦合（射频噪音和天体噪音的主要耦合方式）
直线发射器
RC
1 R(C C2G )2
1 R (C C2 G )
R
1 (C C2G )
u2 jRCu 1
与频率成线性
25
3 干扰噪声及其抑制
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
结论与措施
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 ① 信号线远离干扰线,避免平行布线, 且信号线越短越好. ② 采取措施克服电场干扰 ③ 前置放大器的输入阻抗应尽量小
21
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.4 屏蔽效果 (3) 屏蔽层上的开孔和接缝
漏磁
22
3 干扰噪声及其抑制
将开口作成波导管 3.3 屏敝 3.3.4 屏蔽效果 干扰场衰减大 (4) 屏蔽层上的波导管：
0.175109 fc d ( Hz )
fc f 3
32l S d
(dB)
R
1
(C C2G C2S )
导体中
ZW j 2π f
绝缘体中
ZW
介质电容率 介质电导率
13
3 干扰噪声及其抑制
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x)
E x E0 e
集肤深度
x x
H x H 0e
0.066 E x H x 1 36.788% E0 H0 e fr r
u2 u1
RC
1 R(C C2G )2
26
3 干扰噪声及其抑制
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
较小（裸露部分）
u2
jRC u1 1 jR(C C2G C2S )
C C C2G C2S u1 R
3.4 屏敝电缆的接地(屏蔽层单点接地,WHY?) 3.4.1 电缆屏蔽层与芯线间的耦合 (2) 屏蔽层截止频率 fc： 物理意义
1 2
屏蔽层电流引起的输入噪声
i s
1 fc 1 f
2
un is ( jLs Rs ) jMis is Rs Rs n jLs Rs
截止频率
i 1 1 1 1 1 2 2 s 2 s Rs R R 1 fc 1 j s s 1 1 1 L 2L f 2 i Ls s s f
24
3 干扰噪声及其抑制
x
10 lg 1 2 100.1A cos(0.23A) 100.2 A
当吸收损耗 A 足够大(屏蔽层的厚度xs和电、磁导率足够大) 时，由于屏蔽层内多次反射而产生的校正系数 Bs 可以忽略。
20
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.4 屏蔽效果 (2) 多层屏蔽
解释原因？
11
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.1 场传播与波阻抗 (2) 小型发射天线的辐射场
12
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.1 场传播与波阻抗 (3) 介质的波阻抗
空气中近场波阻抗
ZE 1 j 2f 0 r ZM 1 j 2f0 r
介质中平面波波阻抗
介质磁导率
ZW j 2π f j 2π f
Zs Z w 时
导体 绝缘体
Et Ei
Ht Hi
4 Zs Zw
结
论
1:对电场的反射衰减主要发生在从空 气到金属的入射面. 2:对磁场的反射衰减主要发生在从金 属到空气的出射面. 因此对电场的屏蔽可以利用很薄的金 属材料,而对磁场的屏蔽还要利用高导 磁率材料的吸收作用.
16
3 干扰噪声及其抑制
(5) 屏蔽效果小结 P129
23
3 干扰噪声及其抑制
3.4 屏敝电缆的接地 3.4.1 电缆屏蔽层与芯线间的耦合 (1) 耦合模型: 参数的定义 i s
s
Rs jLs
屏蔽层电 阻
is产生的磁通
屏蔽层与芯线间的互感
Ls is
定义
M
is
M Ls
Vi=jwMis
屏蔽层电感量
Ee ILf 0 sin 2r 0.6283 ILf sin 10 6 r
圆环发射器
3 1 2 2 IAf 2 sin 0 0
Em
r
2
0.1316 IAf r
sin
10 1 3
频率越高,电磁辐射场的强度越高
利用导体屏蔽罩来抑制
10
3 干扰噪声及其抑制
n
25
3 干扰噪声及其抑制
3.4 屏敝电缆的接地 3.4.2 接地抑制电场耦合噪声（减小耦合电容） (1) 无屏敝导线间的容性耦合
放大器对地输 入电阻
u2
jRC u1 1 jR(C C2G ) C u2 u1 C C2G
与频率无关
u2 u1
2
3 干扰噪声及其抑制
3.1 环境干扰噪声 3.1.2 干扰噪声的谱分布（疾病的特点分布）
3
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径（如何传播？） 3.2.1 传导耦合与公共阻抗耦合 (1) 传导耦合:(长)导线传导引入干扰噪声 有效方法:去耦和滤波 (2) 公共阻抗耦合:如公共电源、地线等
B i1 电路1 i2 电路2 ZG ZC VC P107 电阻量的概念 利用合适的接地措施
18
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.3 屏蔽层的反射损耗 (4) 近场反射损耗
电场为主
RE 20 lg 8π f 0r Zs 322 10 lg
r
f 3r 3 r
磁场为主
2 4 Zs f r 14.6 10 lg r RM 20 lg 2 π f 0 r r
交流电阻或有效电阻(Effective Resistance)
A
4
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 3.2.2 （交流）电源耦合
金属箔屏蔽层
滤波抑制射频干扰
不共地
抑制方法 —— 输入滤波；选择低噪声、低输出阻抗的电源 P108 压敏电阻的作用及其原理
5
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 数字信号经电场耦合的波形 3.2.3 电场耦合（容性耦合）
3.3 屏敝(最有效的手段,高导电或导磁材料) 3.3.1 场传播与波阻抗 (1) 波阻抗及随距离的变化 在靠近干扰源的地方，场的性质主要取决于 干扰源的性质，在远离———传播介质。
波阻 抗
ZW
E H
E Z0 H
感应场
过度区
0 377 0
辐射场
结论:
近场: 当干扰源小电流高电压时,近场以电场为主, 波阻抗较高为,干扰主要以容性耦合引入; 当干扰源为大电流低电压时,近场以磁场为 主,波阻抗较低,干扰主要以感性耦合引入; 波阻抗的定义，特征阻抗等 参见P119-121
1
放大器的输入阻抗是非常关键的??
Su ( f )
j 2π f RiC 1 j 2π f RiC
2
Su ( f ) j 2π f RiC
2
噪声源功率谱
放大器器输入端 的噪声源功率谱
6
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 3.2.4 磁场耦合（电感性耦合或互感耦合） (1) 电磁感应耦合
19
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.4 屏蔽效果 (1) 屏蔽总效果
Ei Hi S 20 lg 20 lg A R Bs Et Ht
校正系数 反射损耗 吸收损耗
Zs Z w 时
导体
绝缘体
2 2(1 j )
Z w Zs Bs 20 lg 1 Z Z e s w
微弱信号检测
3 干扰噪声及其抑制 (如疾病与防治) (电磁兼容性EMC）
1
3.1 环境干扰噪声（what？） 3.1.1 干扰噪声源 (1) 电力线噪声: 尖峰脉冲，工频电磁场，电 网电压波动 (2) 电器设备噪声: 放电（辉光、弧光、火花、 电晕）噪声 (3) 射频噪声 (4) 接地电位差噪声(共模) (5) 雷电噪声 (6) 天体噪声 (7) 机械噪声: 摩擦、压电、颤噪等效应噪声， 导体在磁场中的运动 (8) 其他噪声: 电化学、温度、触点等噪声
参数理解
1 πf
吸收损耗
Ex Hx x A( x ) 20 lg 20 lg 8.69 132 x fr r E0 H0
(dB)
14
3 干扰噪声及其抑制
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 2 Z2 E1 Z 2 Z1
(2) 互感耦合
di 2 M 1 dt
相关的计算公式及简单计算见书P113
7
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 3.2.4 磁场耦合 (2) 互感耦合
(1) 电磁感应耦合
2πM 2 Si1 ( f ) f 2df
0 — 2
M
0 L 2 L 1 d s L ln 2 d s
20 lg 94.25 20 lg r 39.5 10 lg f r r 168.2 10 lg f r
j 2π f
39.5 10 lg 2π f
12 7.37 10 39.5 128.7 10 lg r f r
V1 j 2π f RiC 串： u 1 j 2π f RiC
j 2π f RiC 1
V 1 2π f R iCu
信号的频率 输入阻抗
电场耦合噪声一般表现为导线对地的电压
5
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 3.2.3 电场耦合
SV 1( f ) Su ( f ) V1 u
Fra Baidu bibliotek
24
3 干扰噪声及其抑制
3.4 屏敝电缆的接地(屏蔽层单点接地,WHY?) 3.4.1 电缆屏蔽层与芯线间的耦合 (2) 屏蔽层截止频率 fc
is Rs jLs
s
M Ls
i jMis jLsis
屏蔽层电 阻
感应到芯线 上的电压
i jLs R R s 1 s 1 j s s Rs jLs i jLs Ls
互感耦合还要受到附近的第三个电路导体的影响.
L 2h 1 M 0 ln 4 ds
2
第三个电路导体的阻抗越低,则对互感的影响越大.
8
3 干扰噪声及其抑制
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 (3) 磁场耦合干扰的抑制（同电场耦合的不同）
3.3 屏敝 3.3.3 屏蔽层的反射损耗 (3) 反射损耗
4 Zs Et Ht R 20 lg 20 lg 20 lg Ei Hi Zw
17
3 干扰噪声及其抑制
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
R 20 lg 4 Zs Zw 20 lg 4 Zs Z0 20 lg 4 Zs 377 20 lg 377 20 lg Zs 4
导体
H2 2 Z1 H1 Z2 Z1
绝缘体
Z2 Z1 时
E2 E1 2 Z2 Z1 H2 H1
2
15
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.3 屏蔽层的反射损耗 (2) 电磁波穿透屏蔽层（两种损耗）
Et Es Et 4 Zs Z w Ei Ei Es Zs Z w 2 H t Hs H t 4 Zs Z w Hi Hi Hs Zs Z w 2
磁场耦合噪声一般表现为与信号相串联的感生电压
3 干扰噪声及其抑制
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 (3) 磁场耦合干扰的抑制
8
磁屏蔽（漏磁）
9
3 干扰噪声及其抑制
3.2 干扰耦合途径 3.2.5 电磁辐射耦合（射频噪音和天体噪音的主要耦合方式）
直线发射器
RC
1 R(C C2G )2
1 R (C C2 G )
R
1 (C C2G )
u2 jRCu 1
与频率成线性
25
3 干扰噪声及其抑制
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
结论与措施
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 ① 信号线远离干扰线,避免平行布线, 且信号线越短越好. ② 采取措施克服电场干扰 ③ 前置放大器的输入阻抗应尽量小
21
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.4 屏蔽效果 (3) 屏蔽层上的开孔和接缝
漏磁
22
3 干扰噪声及其抑制
将开口作成波导管 3.3 屏敝 3.3.4 屏蔽效果 干扰场衰减大 (4) 屏蔽层上的波导管：
0.175109 fc d ( Hz )
fc f 3
32l S d
(dB)
R
1
(C C2G C2S )
导体中
ZW j 2π f
绝缘体中
ZW
介质电容率 介质电导率
13
3 干扰噪声及其抑制
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x)
E x E0 e
集肤深度
x x
H x H 0e
0.066 E x H x 1 36.788% E0 H0 e fr r
u2 u1
RC
1 R(C C2G )2
26
3 干扰噪声及其抑制
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
较小（裸露部分）
u2
jRC u1 1 jR(C C2G C2S )
C C C2G C2S u1 R
3.4 屏敝电缆的接地(屏蔽层单点接地,WHY?) 3.4.1 电缆屏蔽层与芯线间的耦合 (2) 屏蔽层截止频率 fc： 物理意义
1 2
屏蔽层电流引起的输入噪声
i s
1 fc 1 f
2
un is ( jLs Rs ) jMis is Rs Rs n jLs Rs
截止频率
i 1 1 1 1 1 2 2 s 2 s Rs R R 1 fc 1 j s s 1 1 1 L 2L f 2 i Ls s s f
24
3 干扰噪声及其抑制
x
10 lg 1 2 100.1A cos(0.23A) 100.2 A
当吸收损耗 A 足够大(屏蔽层的厚度xs和电、磁导率足够大) 时，由于屏蔽层内多次反射而产生的校正系数 Bs 可以忽略。
20
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.4 屏蔽效果 (2) 多层屏蔽
解释原因？
11
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.1 场传播与波阻抗 (2) 小型发射天线的辐射场
12
3 干扰噪声及其抑制
3.3 屏敝 3.3.1 场传播与波阻抗 (3) 介质的波阻抗
空气中近场波阻抗
ZE 1 j 2f 0 r ZM 1 j 2f0 r
介质中平面波波阻抗
介质磁导率
ZW j 2π f j 2π f
Zs Z w 时
导体 绝缘体
Et Ei
Ht Hi
4 Zs Zw
结
论
1:对电场的反射衰减主要发生在从空 气到金属的入射面. 2:对磁场的反射衰减主要发生在从金 属到空气的出射面. 因此对电场的屏蔽可以利用很薄的金 属材料,而对磁场的屏蔽还要利用高导 磁率材料的吸收作用.
16
3 干扰噪声及其抑制
(5) 屏蔽效果小结 P129
23
3 干扰噪声及其抑制
3.4 屏敝电缆的接地 3.4.1 电缆屏蔽层与芯线间的耦合 (1) 耦合模型: 参数的定义 i s
s
Rs jLs
屏蔽层电 阻
is产生的磁通
屏蔽层与芯线间的互感
Ls is
定义
M
is
M Ls
Vi=jwMis
屏蔽层电感量
Ee ILf 0 sin 2r 0.6283 ILf sin 10 6 r
圆环发射器
3 1 2 2 IAf 2 sin 0 0
Em
r
2
0.1316 IAf r
sin
10 1 3
频率越高,电磁辐射场的强度越高
利用导体屏蔽罩来抑制
10
3 干扰噪声及其抑制