第三章 干扰噪声及其抑制

第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
电磁场耦合分析方法
•电磁场麦克斯韦方程分析：三个空间变量（x，y，z）和 时间（t）的函数，复杂 •电路等效近似分析技术（集总参数元件）
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
4、滤波：
对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效的滤除，其基本形式是 利用电感器和电容器的频率电抗特性，将电感、电容适当组合在电路中， 组成滤波网络完成频率选择。
EMI滤波器的基本形式
第三章 干扰噪声及其抑制
•
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
滤波前后对比：
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
EMI滤波器成品
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
设计EMI滤波器的注意点
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
电子系统内部不同电路单元之间相互影响的几种形式 电场耦合 磁场耦合 公共阻抗
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
耦合途径
• 传导耦合 • 公共阻抗耦合 • 电场耦合 • 磁场耦合 • 电磁辐射耦合
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
一、干扰噪声的认识 干扰源
• 干扰源：
耦合通道
敏感接收器
本征噪声源、人为噪声源、自然界干扰源
电磁干扰，光电干扰，机械干扰（摩擦起电、导体在磁场 中运动、压电效应、震颤效应），其它噪声（电化学作用的 化学湿电池，温度变化等）
或
如果电流i1的功率谱密度为Si1（f），则i2的功率谱密度为
i2的功率为
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
对于圆形截面长度为L的两条非磁性平行导线，ds为导线 间距，其互感为
互感与导线直径无关， 只取决于导线长度和导 线间的间距
第三章 干扰噪声及其抑制
单纯的电场或磁场干扰源是很少见的，通常所说的电磁干扰是指电场和 磁场同时存在的高频电磁场干扰。
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
2、接地：
为保证电工设备正常工作和人身安全而采取的一种用电安全措施。接地 通过金属导线与接地装置连接来实现。接地装置将电工设备和其他生产 设备上可能产生的漏电流、静电荷以及雷电电流等引入地下，从而避免 人身触电和可能发生的火灾、爆炸等事故。
C=2PF
Vi有效值1.4mV
2. u为脉冲数字信号
du/dt=2V/μs I≈C du/dt=4μA，Vi=iR=40mV
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
Vi的功率谱密度函数
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
• 电源耦合
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
• 传导耦合：通过导体（导线）将噪声耦合进电路中。最典
型的例子是噪声通过电源线传入电路。
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
• 公共阻抗耦合：来自不同电路的电流流经一个公共阻抗时， 就会产生公共阻抗噪声耦合。 共地阻抗耦合 共源阻抗耦合
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
3、平衡：
根据收发可逆原理，外部空间电磁场可以直接进入双绞线。双绞线 无法防止外界电磁场进入,但采用了螺旋扭绞的办法，让两条线接收 到的信号“尽量完全一样”，并采用平衡差分信号处理技术，把这 种完全一样的“共模信号”抑制掉。
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
第三章 干扰噪声及其抑制
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
主要内容：
一、干扰噪声的认识（三要素） ★干扰源 ★耦合途径 ★接收器 二、电磁耦合干扰分析方法 三、抑制技术与措施
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
EMI滤波器按所通过信号的频段分为四种：
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
EMI滤波器按所处理的信号分为两种：
模拟滤波器：利用离散时间系统 的特性对输入信号波形或频率进 行加工处理。
例. 电路中AB导线载有宽度噪声，其功率谱密度S（f）在 频率为0~10KHz范围内为10-6V2/Hz;在此范围外为零，在C=2 pF，Ri=10 KΩ的情况下，试求放大器输出端Vi的有效值。
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
◆ 互感耦合 电流→磁场→电磁感应 感生电动势: v=－M*di/dt 傅里叶变换
A +Q A B +Q A B
+Q
用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与 带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属 屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带 正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
高频电磁辐射耦合
电磁波波长: λ=波速V/频率f，波速 与传播介质有关；在空 气中大约3×108m/s， 1MHz信号的波长300m， 1GHz， λ=0.3m. 近场和远场: 源、介质、距离 r=λ/2π为分界点
近场 感应场
远场 辐射场
第三章 干扰噪声及其抑制
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
电子系统受到外部电磁干扰 电力线 电台 雷电 天体电磁辐射 电视台
交流供电电路 电动机
移动 通信 设备
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
电子设备的干扰对其它电路系统的影响
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
• 电磁场耦合：只要电荷发生移动，所有的电路元件、导线 都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐射。近场时，分别 考虑电场和磁场；远场时，电磁联合辐射。
电场耦合--由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式 ,也 称容性耦合 磁场耦合--由于内部或外部空间电磁场感应的一种耦合方式 , 也称电感性耦合或互感耦合 电磁辐射耦合--电磁场的辐射也会造成干扰耦合，是一种无 规则的干扰。这种干扰很容易通过电源线传到系统中去。另 当信号传输线较长时，它们能辐射干扰波和接收干扰波，称 为大线效应。
传导 噪声
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
ห้องสมุดไป่ตู้
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
★电磁场屏蔽
一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体 在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁 场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大， 而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
★磁场屏蔽
把磁导率不同的两种介质放到磁场中，在它们的交界面上磁场要 发生突变，这时磁场强度B的大小和方向都要发生变化，也就是 说，引起了磁感线的折射。
图中A为一磁导率很大的软磁材料（如坡莫合金或铁铝合金）做成的罩， 放在外磁场中。由于罩壳磁导率μ比μ。大得多，所以绝大部分磁场线 从罩壳的壁内通过，而罩壳内的空腔中，磁感线是很少的。这就达到了 磁屏蔽的目的。
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
• 波阻抗：Z=E/H，在远场 条件下，E/H大小等于介 质的特性阻抗，如空气或 自由空间E/H=ZO=377Ω 近场条件下： 电场和磁场分别考 虑，高电压小电流 以电场为主；低电 压大电流以磁场为 主。
电场占优：E∝1/r3、 H ∝1/r2
数字滤波器：在测试系统或 专用仪器仪表中作为一种常 用的变换装置
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
EMI滤波器按滤波原理分为三种： • • 反射式滤波器 阻挡EMI信号，通过有用信号 吸收式滤波器 吸收不需要的频率成分并将此成分的能量转换成热 能耗散出去 滤波连接器 在普通电连接器的基础上，经过内部结构改进，增 加滤波电路（滤波网络）研制而成。既具备普通电连 接器的所有功能，又兼具抑制电磁干扰的特性。
• 频率特性 • 耐压性能 • 额定电流
• 阻抗特性 • 屏蔽 • 可靠性
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
电磁兼容性（EMC）
电磁兼容性（EMC，Electro Magnetic Compatibility）是指电器、电子 产品能在规定的电磁环境中正常工作，并不对该环境中其他产品产生过量 的电磁干扰。这里包含着两个方面的要求：其一是要求产品对外界的电磁 干扰具有一定的承受能力；其二是要求产品在正常运行过程中，该产品对 周围环境产生的电磁干扰不能超过一定的限度。
★电场屏蔽
干扰源产生的干扰是以电压形式出现，干扰源与电子设备之间存在容性电场耦 合。为消除或抑制这种干扰，要进行电场屏蔽。其设计应遵从的原则是：(1) 屏蔽体要尽量靠近受保护物，而且屏蔽体的接地必须良好；(2)屏蔽效果的好 坏与屏蔽体的形状有着最直接的关系。屏蔽体如果能够做成全封闭的金属盒最 好，但在工程实践中还需要根据实际情况而定；(3)屏蔽体的材料要以良导体 为好，对厚度没有严格的要求，只要有足够的强度即可。
电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）噪声抑制
• • • •
屏蔽 接地 平衡 滤波
• • • •
隔离 阻抗大小控制 电缆设计 抵消技术
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
1、屏蔽：对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电 场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。 ★静电屏蔽
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
滤波器实质上是一个选频电路。滤波器中，把信号能够通过的频率范围， 称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围 称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通 带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带 和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。
低频电磁干扰的电路等效近似分析技术（集总参数元件,消除 空间变量） •电场被限定在电容器内部：关注电压
•磁场被限定在电感器内部：关注电流
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
◆ 容性耦合
AB导线是50Hz的220V电源线， 分布电容C=2PF，Ri=10KΩ 1. u为单一频率f的干扰噪声
磁场占优： E∝1/r2、H ∝1/r3
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
三、抑制电磁干扰的主要技术
消除或抑制噪声源
破坏干扰的耦合通道 消除接收电路对干扰的敏感性 采用软件抑制干扰
第三章 干扰噪声及其抑制
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)