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摘要：盡量消除或抑制電子電路的干擾是電路設計和應用始終需要解決的問題。傳感器電路通常用來測量微弱的信號，具有很高的靈敏度，如果不能解決好各類干擾的影響，將給電路及其測量帶來較大誤差，甚至會因干擾信號淹沒正常測量信號而使電路不能正常工作。在此，研究了傳感器電路設計時的內部噪聲和外部干擾，并得出采取合理有效的抗干擾措施，能確保電路正常工作，提高電路的可靠性、穩(wěn)定性和準確性。
關鍵詞：傳感器;噪聲;抗干擾;電路設計
引言
傳感器電路很容易接收到外界或內部一些無規(guī)則的噪聲或干擾信號，如果這些噪聲和干擾的大小可以與有用信號相比較，那么在傳感器電路的輸出端有用信號將有可能被淹沒，或由于有用信號分量和噪聲干擾分量難以分辨，則必將妨礙對有用信號的測量。所以在傳感器電路的設計中，往往抗干擾設計是傳感器電路設計是否成功的關鍵。
1 傳感器電路的內部噪聲
1.1 高頻熱噪聲
高頻熱噪聲是由于導電體內部電子的無規(guī)則運動產(chǎn)生的。溫度越高，電子運動就越激烈。導體內部電子的無規(guī)則運動會在其內部形成很多微小的電流波動，因其是無序運動，故它的平均總電流為零，但當它作為一個元件(或作為電路的一部分)被接入放大電路后，其內部的電流就會被放大成為噪聲源，特別是對工作在高頻頻段內的電路高頻熱噪聲影響尤甚。
通常在工頻內，電路的熱噪聲與通頻帶成正比，通頻帶越寬，電路熱噪聲的影響就越大。在通頻帶△f內，電路熱噪聲電壓的有效值：
。以一個1 kΩ的電阻為例，如果電路的通頻帶為1 MHz，則呈現(xiàn)在電阻兩端的開路電壓噪聲有效值為4μV(設溫度為室溫T=290 K)?？雌饋碓肼暤碾妱觿莶⒉淮螅僭O將其接入一個增益為106倍的放大電路時，其輸出噪聲可達4 V，這時對電路的干擾就很大了。
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1.2 低頻噪聲
低頻噪聲主要是由于內部的導電微粒不連續(xù)造成的。特別是碳膜電阻，其碳質材料內部存在許多微小顆粒，顆粒之間是不連續(xù)的，在電流流過時，會使電阻的導電率發(fā)生變化引起電流的變化，產(chǎn)生類似接觸不良的閃爆電弧。另外，晶體管也可能產(chǎn)生相似的爆裂噪聲和閃爍噪聲，其產(chǎn)生機理與電阻中微粒的不連續(xù)性相近，也與晶體管的摻雜程度有關。
1.3 半導體器件產(chǎn)生的散粒噪聲
由于半導體PN結兩端勢壘區(qū)電壓的變化引起累積在此區(qū)域的電荷數(shù)量改變，從而顯現(xiàn)出電容效應。當外加正向電壓升高時，N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴向耗盡區(qū)運動，相當于對電容充電。當正向電壓減小時，它又使電子和空穴遠離耗盡區(qū)，相當于電容放電。當外加反向電壓時，耗盡區(qū)的變化相反。當電流流經(jīng)勢壘區(qū)時，這種變化會引起流過勢壘區(qū)的電流產(chǎn)生微小波動，從而產(chǎn)生電流噪聲。其產(chǎn)生噪聲的大小與溫度、頻帶寬度△f成正比。
1.4 電路板上的電磁元件的干擾
許多電路板上都有繼電器、線圈等電磁元件，在電流通過時其線圈的電感和外殼的分布電容向周圍輻射能量，其能量會對周圍的電路產(chǎn)生干擾。像繼電器等元件其反復工作，通斷電時會產(chǎn)生瞬間的反向高壓，形成瞬時浪涌電流，這種瞬間的高壓對電路將產(chǎn)生極大的沖擊，從而嚴重干擾電路的正常工作。
1.5 電阻器的噪聲
電阻的干擾來自于電阻中的電感、電容效應和電阻本身的熱噪聲。例如一個阻值為R的實芯電阻，可等效為電阻R、寄生電容C、寄生電感L的串并聯(lián)。一般來說，寄生電容為0.1～0.5 pF，寄生電感為5～8 nH。在頻率高于1 MHz時，這些寄生電感電容就不可忽視了。
各類電阻都會產(chǎn)生熱噪聲，一個阻值為R的電阻(或BJT的體電阻、FET的溝道電阻)未接入電路時，在頻帶寬度B內所產(chǎn)生的熱噪聲電壓為：
?
式中：k為玻爾茲曼常數(shù);T是絕對溫度(單位：K)。熱噪聲電壓本身是一個非周期變化的時間函數(shù)，因此，它的頻率范圍是很寬廣的。所以寬頻帶放大電路受噪聲的影響比窄頻帶大。
另外，電阻還會產(chǎn)生接觸噪聲，其接觸噪聲電壓為：
?
式中：I為流過電阻的電流均方值;f為中心頻率;k是與材料的幾何形狀有關的常數(shù)。由于Vc在低頻段起重要的作用，所以它是低頻傳感器電路的主要噪聲源。
1.6 晶體管的噪聲
晶體管的噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲。
熱噪聲是由于載流子不規(guī)則的熱運動通過BJT內3個區(qū)的體電阻及相應的引線電阻時而產(chǎn)生。其中rbb'所產(chǎn)生的噪聲是主要的。
通常所說的BJT中的電流，只是一個平均值。實際上通過發(fā)射結注入到基區(qū)的載流子數(shù)目，在各個瞬時都不相同，因而發(fā)射極電流或集電極電流都有無規(guī)則的波動，會產(chǎn)生散粒噪聲。
由于半導體材料及制造工藝水平使得晶體管表面清潔處理不好而引起的噪聲稱為閃爍噪聲。它與半導體表面少數(shù)載流子的復合有關，表現(xiàn)為發(fā)射極電流的起伏，其電流噪聲譜密度與頻率近似成反比，又稱1/f噪聲。它主要在低頻(kHz以下)范圍起主要作用。
1.7 集成電路的噪聲
集成電路的噪聲干擾一般有兩種：一種是輻射式，一種是傳導式。這些噪聲尖刺對于接在同一交流電網(wǎng)上的其他電子設備會產(chǎn)生較大影響。噪聲頻譜擴展至100 MHz以上。在實驗室中，可以用高頻示波器(100 MHz以上)觀察一般單片機系統(tǒng)板上某個集成電路電源與地引腳之間的波形，會看到噪聲尖刺峰-峰值可達數(shù)百毫伏甚至伏級。
2 傳感器電路的外部干擾
2.1 電源的干擾
大多數(shù)電子電路的直流電源是由電網(wǎng)交流電源經(jīng)濾波、穩(wěn)壓后提供的。如果電源系統(tǒng)沒有經(jīng)過凈化，會對測試系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。同時，在傳感器測試系統(tǒng)附近的大型交流電力設備的啟停將產(chǎn)生頻率很高的浪涌電壓疊加在電網(wǎng)電壓上。此外，雷電感應也會在電網(wǎng)上產(chǎn)生幅值很高的高頻浪涌電壓。如果這些干擾信號沿著交流電源線進入傳感器接口電路內部，將會干擾其正常工作，影響系統(tǒng)的測試精度。
2. 2 地線的干擾
傳感器接口各電路往往共用一個直流電源，或者雖然不共用一個電源，但不同電源之間往往共一個地，因此，當各部分電路的電流均流過公共地電阻(地線導體阻)時便會產(chǎn)生電壓降，該電壓降便成為各部分之間相互影響的噪聲干擾信號。同時，在遠距離測量中，傳感器和檢測儀表在兩處分別接地，于是在兩“地”之間就存在較大的接地電位差，在儀表的輸入端易形成共模干擾電壓。共模干擾的來源一般是設備對地漏電、地電位差、線路本身具有對地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會轉換成常模干擾，較難除掉。
2.3 信號通道的干擾
通常傳感器設在生產(chǎn)現(xiàn)場，而顯示、記錄等測量裝置安裝在離現(xiàn)場有一定距離的控制室內，這樣需要很長的信號傳輸線，信號在傳輸?shù)倪^程中很容易受到干擾，導致所傳輸?shù)男盘柊l(fā)生畸變或失真。長線信號傳輸所遇到的干擾有：
(1)周圍空間電磁場對長線的電磁感應干擾。
(2)信號線間的串擾。當強信號線(或信號變化速度很快的線)與弱信號線靠得很近時，通過線間分布電容和互感產(chǎn)生線間干擾。
(3)長線信號的地線干擾。信號線越長，則信號地線也越長，即地線電阻較大，形成較大的電位差。
2.4 空間電磁波的干擾
空間電磁波干擾主要有：
(1)雷電、大氣層的電場變化、電離層變化及太陽黑子的電磁輻射等;
(2)區(qū)域空間中通信設備、電視、雷達等通過天線發(fā)射強烈的電磁波;
(3)局部空間電磁波對電路、設備產(chǎn)生的干擾，如氖燈、熒光燈等氣體放電設施產(chǎn)生的輝光放電干擾，弧光放電產(chǎn)生的電波形成的干擾。
3 抑制傳感器電路噪聲的措施
3.1 根據(jù)不同工作頻率合理選擇噪聲低的半導體元器件
在低頻段，晶體管由于存在勢壘電容和擴散電容等問題，噪聲較大。而結型場效應管因為是多數(shù)載流子導電，不存在勢壘區(qū)的電流不均勻問題。而且柵極與導電溝間的反向電流很小，產(chǎn)生的散粒噪聲很小。故在中、低頻的前級電路中應采用場效應管，不但可以降低噪聲還可以有較高的輸入阻抗。另外如果需要更換晶體管等半導體元件，一定要經(jīng)過對比選擇，即使型號相同的半導體器件參數(shù)也是有差別的。同樣，電路中的碳膜電阻與金屬膜電阻的噪聲系數(shù)也是不一樣的，金屬膜電阻的噪聲比碳膜的要小，特別是在前級小信號輸入時，可以考慮用噪聲小的金屬膜電阻。
3.2 根據(jù)不同的工作頻段、參數(shù)選擇適當?shù)姆糯箅娐?/p>
選擇適當?shù)姆糯箅娐凡粌H對本級電路有直接影響，對整個電路的工作參數(shù)、工作狀態(tài)都會產(chǎn)生重要影響。如共射組態(tài)連接時，電路有較高的放大增益，同時它的噪聲對后級的影響較小。而共集組態(tài)時有較高的輸入阻抗同時也有較好的頻響。因此根據(jù)不同的電路對參數(shù)應有不同要求，選擇好的電路，不僅可以簡化線路結構，同時也可以減少噪聲對整個電路的干擾。在電路性能參數(shù)允許的條件下，盡可能采用抗干擾能力較好的數(shù)字電路。
3.3 傳感器電路中加入濾波環(huán)節(jié)
在放大電路中，頻帶越寬，噪聲也越大，而有用信號的頻率往往在一定范圍內，故可在電路中加入濾波環(huán)節(jié)，濾除或盡可能衰減干擾信號，以達到提高信噪比抑制干擾的目的。濾波技術對抑制經(jīng)導線耦合到電路的干擾特別有效，將相應頻帶的濾波器接入信號傳輸通道中，各種濾波器是抑制差模干擾的有效措施之一。在自動檢測系統(tǒng)中常用的濾波器有：
(1)RC濾波器。當信號源為熱電偶、應變片等信號變化緩慢的傳感器時，利用小體積、低成本的無源RC濾波器將會對串模干擾有較好的抑制效果。
(2)交流電源濾波器。電源網(wǎng)絡吸收了各種高、低頻噪聲，對此常用LC濾波器來抑制混入電源的噪聲，例如100μH的電感、0.1 μF的電容組成的高頻濾波器能吸收中短波段的高頻噪聲干擾。
(3)直流電源濾波器。直流電源往往為幾個電路所共用，為了避免通過電源內阻造成幾個電路間相互干擾，應該在每個電路的直流電源上加上RC或LC退耦濾波器，用來濾除低頻噪聲。
3.4 通過負反饋電路來抑制噪聲
負反饋電路可以通過反饋信號的取樣、控制來穩(wěn)定電路，提高放大器的信噪比，使放大電路的動態(tài)性能獲得多方面的改善。負反饋信號可以穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點，從而穩(wěn)定電路的溫度、電流、電壓等多項參數(shù)。在多級電路中，第一級電路因為是原始小信號，因此經(jīng)常采用的是有較大增益的共射電路組態(tài)。除非是特殊需要，共射組態(tài)電路往往是不加負反饋的。所以第一級電路產(chǎn)生的噪聲只能通過后級的負反饋電路來抑制。對于多級電路而言，通過負反饋信號穩(wěn)定本級的靜態(tài)工作點，可以抑制本級電路噪聲的產(chǎn)生和傳播。因此在多級電路中，負反饋電路是抑制噪聲的一個重要手段。
3.5 抑制和減少輸入端偏置電路的噪聲
輸入端偏置電路噪聲一般是由輸入端偏置分流電阻產(chǎn)生的。當流過偏置電阻的直流電流過大時就會使能量過剩從而產(chǎn)生電流噪聲。如果選擇合適的偏置電路，噪聲就可以通過旁路電容短接入地，可以抑制噪聲輸出，減小對下一級電路的影響。另外優(yōu)質的信號源也是電路抗干擾的重要保證。
4 減少傳感器電路干擾的措施
4.1 合理布局
合理的電路布局可以減少不同工作頻段電路之間的相互干擾，同時也使對干擾信號的濾除變得相對簡單。
4.1.1 地線布置的抗干擾措施
為克服這種由于地線布設不合理而造成的干擾，在設計印制電路時，應當盡量避免不同回路的電路同時流經(jīng)某一段共用地線。特別是在高頻電路和大電流回路中，更要講究地線的接法。把“交流地”和“直流地”分開，是減少噪聲通過地線串擾的有效方法。
4.1.2 電源布線的抗干擾措施
在布線時，首先要將交流電源部分與直流電源部分分開，不要共用接地導線，就是把“交流地”和“直流地”分開，減少噪聲通過地線串擾。另外，在直流電源回路中，負載的變化會引起電源噪聲。配置去耦電容可以抑制因負載變化而產(chǎn)生的噪聲。具體配置方法是在電源輸入端接一個10～100μF的電解電容，如果印制電路板的位置允許，采用100μF以上的電解電容的抗干擾效果會更好。在電源線布線時，根據(jù)印制電路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時，使電源線、地線的走線和數(shù)據(jù)信號傳遞的方向一致，有助于增強抗干擾能力。
4.1.3 元器件布局的抗干擾措施
(1)抑制電磁干擾。相互可能產(chǎn)生影響或干擾的元器件，應當盡量分開或采取屏蔽措施。要設法縮短高頻部分元器件之間的連線，減小它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾(如果需要對高頻部分使用金屬屏蔽罩，還應該在板上留出屏蔽罩占用的面積)。易受干擾的元器件不能離得太近。強電部分(220 V)和弱電部分(直流電源供電)、輸入級和輸出級的元件應當盡量分開。直流電源引線較長時，要增加濾波元件，防止50 Hz干擾。揚聲器、電磁鐵、永磁式儀表等元件會產(chǎn)生恒定磁場，高頻變壓器、繼電器等會產(chǎn)生交變磁場。這些磁場不僅對周圍元件產(chǎn)生干擾，同時對周圍的印制導線也會產(chǎn)生影響。這類干擾要根據(jù)情況區(qū)別對待，一般應該注意幾點：減少磁力線對印制導線的切割，確定兩個電感類元件的位置時，盡量使它們的磁場方向相互垂直，減少彼此間的耦合;對干擾源進行磁屏蔽，屏蔽罩要良好接地;使用高頻電纜直接傳輸信號時，電纜的屏蔽層應一端接地。
(2)抑制熱干擾。溫度升高造成的干擾，在印制板設計中也應該引起注意。在排版設計印制板的時候，應采取措施進行元器件之間的熱隔離。比如對于溫度敏感的元器件，如晶體管、集成電路和其他熱敏元件、大容量的電解電容器等，不宜放在熱源附近或設備內的上部。電路長期工作引起溫度升高，會影響這些元器件的工作狀態(tài)及性能。
4.2 屏蔽技術
采用屏蔽技術可以有效防止電場或磁場的干擾。屏蔽又可分為靜電屏蔽、電磁屏蔽和低頻磁屏蔽等。
4.2.1 靜電屏蔽
用銅或鋁等導電性良好的金屬為材料，制作密閉的金屬容器，并與地線連接，把需要保護的電路置于其中，使外部干擾電場不影響其內部電路，反過來，內部電路產(chǎn)生的電場也不會影響外電路。例如傳感器測量電路中，在電源變壓器的初級和次級之間插入一個留有縫隙的導體，并把它接地，可以防止兩繞組之間的靜電耦合。
4.2.2 電磁屏蔽
對于高頻干擾磁場，利用電渦流原理，使高頻干擾電磁場在屏蔽金屬內產(chǎn)生電渦流，消耗干擾磁場的能量，渦流磁場抵消高頻干擾磁場，從而使被保護電路免受高頻電磁場的影響。若電磁屏蔽層接地，同時兼有靜電屏蔽的作用。傳感器的輸出電纜一般采用銅質網(wǎng)狀屏蔽，既有靜電屏蔽又有電磁屏蔽的作用。屏蔽材料必須選擇導電性能良好的低電阻材料，如銅、鋁或鍍銀銅等。
4.2.3 低頻磁屏蔽
干擾如為低頻磁場，這時的電渦流現(xiàn)象不太明顯，只用上述方法抗干擾效果并不太好，因此必須采用采用高導磁材料作屏蔽層，以便把低頻干擾磁感線限制在磁阻很小的磁屏蔽層內部，使被保護電路免受低頻磁場耦合干擾的影響。傳感器檢測儀器的鐵皮外殼就起低頻磁屏蔽的作用。若進一步將其接地，又同時起靜電屏蔽和電磁屏蔽的作用。
基于以上3種常用的屏蔽技術，因此在干擾比較嚴重的地方，可以采用復合屏蔽電纜，即外層是低頻磁屏蔽層，內層是電磁屏蔽層，達到雙重屏蔽的作用。例如電容式傳感器在實際測量時其寄生電容是必須解決的關鍵問題，否則其傳輸效率、靈敏度都要變低，必須對傳感器進行靜電屏蔽，而其電極引出線就采用雙層屏蔽技術，一般稱之為驅動電纜技術。用這種方法可以有效的克服傳感器在使用過程中的寄生電容。
4.3 接地技術
接地技術是抑制干擾的有效技術之一，是屏蔽技術的重要保證。正確的接地能夠有效地抑制外來干擾，同時可提高測試系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾因素。接地的目的有兩個：安全性和抑制干擾。因此接地分為保護接地、屏蔽接地和信號接地。保護接地以安全為目的，傳感器測量裝置的機殼、底盤等都要接地。要求接地電阻在10 Ω以下;屏蔽接地是干擾電壓對地形成低阻通路，以防干擾測量裝置。接地電阻應小于0.02Ω;信號接地是電子裝置輸入與輸出的零信號電位的公共線，它本身可能與大地是絕緣的。信號地線又分為模擬信號地線和數(shù)字信號地線，模擬信號一般較弱，故對地線要求較高;數(shù)字信號一般較強，故對地線要求可低一些。
不同的傳感器檢測條件對接地的方式也有不同的要求，必須選擇合適的接地方法，常用接地方法有一點接地和多點接地。
4.3.1 一點接地
在低頻電路中一般建議采用一點接地，它有放射式接地線和母線式接地線路。放射式接地就是電路中各功能電路直接用導線與零電位基準點連接;母線式接地就是采用具有一定截面積的優(yōu)質導體作為接地母線，直接接到零電位點，電路中的各功能塊的地可就近接在該母線上。這時若采用多點接地，在電路中會形成多個接地回路，當?shù)皖l信號或脈沖磁場經(jīng)過這些回路時，就會引起電磁感應噪聲，由于每個接地回路的特性不同，在不同的回路閉合點就產(chǎn)生電位差，形成干擾。為避免這種情況，最好采用一點接地的方法。
傳感器與測量裝置構成一個完整的檢測系統(tǒng)，但兩者之間可能相距較遠。由于工業(yè)現(xiàn)場大地電流十分復雜，所以這兩部分外殼的接大地點之間的電位一般是不相同的;若將傳感器與測量裝置的零電位在兩處分別接地，即兩點接地，則會有較大的電流流過內阻很低的信號傳輸線產(chǎn)生壓降，造成串模干擾。因此這種情況下也應該采用一點接地方法。
4.3.2 多點接地
一般建議高頻電路采用多點接地。高頻時，即使一小段地線也將有較大的阻抗壓降，加上分布電容的作用，不可能實現(xiàn)一點接地，因此可采用平面式接地方式，即多點接地方式，利用一個良好的導電平面體(如采用多層線路板中的一層)接至零電位基準點上，各高頻電路的地就近接至該導電平面體上。由于導電平面體的高頻阻抗很小，基本保證了每一處電位的一致，同時加設旁路電容等減少壓降。因此，這種情況要采用多點接地方式。
4.4 隔離技術
在接口電路中，如出現(xiàn)兩點以上接地時，可能引入共阻耦合干擾和地環(huán)路電流干擾。抑制這類干擾的方法是采用隔離技術。通常有電磁隔離和光電隔離兩種。
4.4.1 電磁耦合隔離
利用隔離變壓器來切斷環(huán)流，由于地環(huán)路則被切斷，兩電路有獨立的地電位基準，因而不會造成干擾，信號通過耦合形式進行傳遞。
4.4.2 光電耦合隔離
光電耦合器是一種電-光-電的耦合器件，它由發(fā)光二極管和光電晶體管封裝組成，其輸入與輸出在電氣上是絕緣的，因此，這種器件除了用于做光電控制外，現(xiàn)在被越來越多的用于提高系統(tǒng)的抗共模干擾能力。這樣即使輸入回路有干擾，只要它在門限之內，就不會對輸出造成影響。
4.5 其他抗干擾技術
(1)穩(wěn)壓技術。目前智能傳感器及儀器儀表開發(fā)中常用的穩(wěn)壓電源有兩種：一種是由集成穩(wěn)壓芯片提供的串聯(lián)調整電源，另一種是DC-DC穩(wěn)壓電源，這對防止電網(wǎng)電壓波動干擾儀器正常工作十分有效。
(2)抑制共模干擾技術。采用差分放大器，提高差分放大器的輸入阻抗或降低信號源內阻可大大降低共模干擾的影響。
(3)軟件補償技術。外界因素如溫濕度變化等也會引起某些參數(shù)的變化，造成偏差?？梢岳密浖鶕?jù)外界因素的變化和誤差曲線進行修正，去掉干擾。
5 結語
抗干擾是一個非常復雜、實踐性很強的問題，一種干擾現(xiàn)象可能是由若干因素引起的。因此，在傳感器電路以及測控系統(tǒng)的設計中，不僅應預先采取抗干擾措施，在調試過程中還應及時分析出遇到的現(xiàn)象，對傳感器及其系統(tǒng)的電路原理、具體布線、屏蔽、電源的抗干擾能力、數(shù)字地或模擬地的處理以及防護形式不斷改進，以提高電路的可靠性和穩(wěn)定性。
工商網(wǎng)監(jiān)
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