列舉常見檢測系統(tǒng)的?干擾噪聲源

干擾噪聲種類很多，它可能是電噪聲，通過電磁場或直接的電氣連接耦合到檢測電路，這些都是電磁兼容性問題；干擾噪聲的本源也可能是機械性的，例如，通過壓電效應(yīng)，機械振動會導(dǎo)致電噪聲；甚至溫度的隨機波動也可能導(dǎo)致隨機的熱電勢噪聲,還有電化學污染噪聲等等。下面只列舉出常見的噪聲源。

1.電力線噪聲

隨著工業(yè)電氣化的發(fā)展，工頻(50Hz)電源幾乎無處不在，因此工頻電力線干擾也就普遍存在。電力線干擾噪聲主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)尖峰脈沖

由于電網(wǎng)中大功率開關(guān)的通斷、電機、變壓器和其他大功率設(shè)備的啟停以及電焊機等原因，工頻電網(wǎng)中頻繁出現(xiàn)尖峰干擾脈沖。這種尖峰脈沖的幅度可能是幾伏、幾百伏有時甚至是幾千伏，持續(xù)時間一般較短，多數(shù)在微秒數(shù)量級。這種尖峰干擾脈沖的高次諧波分量很豐富，而且出現(xiàn)得頻繁、幅度高，是污染低壓(220V)工頻電網(wǎng)的一種主要干擾噪聲，對交流供電的電子系統(tǒng)會帶來很多不利影響。

多數(shù)檢測儀表都是由工頻電力線供給能源，電網(wǎng)的尖峰脈沖干擾一般是通過電源系統(tǒng)引入到檢測電路中。如果不采取適當?shù)拇胧┮种齐娫吹募夥涿}沖干擾，就有可能導(dǎo)致檢測波形的畸變，嚴重時甚至會導(dǎo)致處理器的程序跑飛和死機等問題。

(2)工頻電磁場

在由工頻電力線供電的實驗室、工廠車間和其他生產(chǎn)現(xiàn)場，工頻電磁場幾乎是無處不在。在高電壓、小電流的工頻設(shè)備附近，存在著較強的工頻電場；在低電壓、大電流的工頻設(shè)備附近，存在著較強的工頻磁場；即使在一般的電器設(shè)備和供電線的相當距離之內(nèi)，都會存在一定強度的50Hz電磁輻射波。工頻電磁場會在檢測電路的導(dǎo)體和信號回路中感應(yīng)出50Hz的干擾噪聲。

(3)電網(wǎng)電壓波動

如果檢測系統(tǒng)的電源穩(wěn)壓電路性能不高，工頻電壓的波動就有可能串入到檢測電路中，形成干擾源。

2.電氣設(shè)備噪聲

電氣設(shè)備必然產(chǎn)生工頻電磁場，而且在開關(guān)時還會在電網(wǎng)中產(chǎn)生尖峰脈沖。某些特殊的電氣設(shè)備還有可能產(chǎn)生射頻干擾噪聲，例如高頻加熱電器和逆變電源。此外，某些電氣設(shè)備還會產(chǎn)生放電干擾，包括輝光放電、弧光放電、火花放電和電暈放電。

(1)輝光放電

最常見的輝光放電是熒光燈和霓虹燈。當兩個電極之間的氣體被電離時，因為離子碰撞而產(chǎn)生輝光放電。輝光放電所需電壓取決于電極之間的距離、氣體類型和氣壓。發(fā)生輝光放電后，氣體擊穿，此后只需較低電壓就可以維持氣體電離和輝光放電。輝光放電會產(chǎn)生超高頻電磁波，其強度取決于放電電流。

(2)弧光放電

最典型的弧光放電是電焊，這是一種金屬霧放電?；」夥烹姇a(chǎn)生高頻電磁波輻射，也會造成局部電網(wǎng)的電壓波動和尖峰脈沖于擾。

(3)火花放電

在電氣設(shè)備觸點通斷的瞬間，觸點處的斷續(xù)電流會引起火花放電。例如，接觸器觸頭的瞬間通斷、直流電機電刷的持續(xù)通斷、內(nèi)燃機的點火系統(tǒng)等?；鸹ǚ烹姰a(chǎn)生的電磁輻射頻率范圍很寬，輻射能量也比較大。例如，汽車點火干擾的頻率范圍約為20～1000MHz，作用范圍可達50--100m。在電火花加工設(shè)備的附近，更會產(chǎn)生強烈的火火花放電干擾。

(4)電暈放電

當高壓輸電線絕緣失效時會產(chǎn)生間歇脈沖電流，形成電暈放電。一般的檢測設(shè)備都遠離高壓輸電線，交流供電也是經(jīng)多級降壓變壓器而來，變壓器的低通濾波作用使得電暈放電干擾的高頻分量大幅度衰減，但其低頻分量還會產(chǎn)生不利影響。

3．射頻噪聲

隨著無線廣播、電視、雷達、微波通信事業(yè)的不斷發(fā)展，以及手機的日益推廣，空間中的射頻噪聲越來越嚴重。射頻噪聲的頻率范圍很廣，從100kHz到吉赫茲數(shù)量級。射頻噪聲多數(shù)是各種調(diào)制（調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相）電磁波。檢測設(shè)備中的傳輸導(dǎo)線都可以看作是接收天線，程度不同地接收空間中無處不在的射頻噪聲。如果射頻噪聲的頻率范圍高于檢測信號的頻率范圍，利用濾波器可以有效地抑制射頻噪聲的不利影響。

4．地電位差噪聲

如果檢測系統(tǒng)的不同部件采用不同的接地點，則這些接地點之間往往存在或大或小的地電位差。在一個沒有良好接地設(shè)施的車間內(nèi)，不同接地點之間的地地電位差可達幾伏甚至幾十伏。在飛機的機頭、機翼和機尾之間，電位差可達幾十伏。汽車的不同部件之間很可能存在幾伏的電位差。即使在同一塊電路板上，不同接地點之間的地電位差也可能在毫伏數(shù)量級或更大。

如果信號源和放大器采用不同的接地點，則地電位差對于差動放大器來說是一種共模干擾，而對于單端放大器來說是一種差模干擾。因為地電位差噪聲的頻率范圍很可能與信號頻率范圍相重疊，所以很難用濾波的方法解決問題?？朔仉娢徊钤肼暡焕绊懙挠行мk法是采用合適的接地技術(shù)或隔離技術(shù)。

5.數(shù)字系統(tǒng)噪聲

現(xiàn)在電路設(shè)計中都有數(shù)字系統(tǒng)部分，如單片機、DSP、FPGA等等，數(shù)字系統(tǒng)電路都是工作在開關(guān)狀態(tài)，其工作頻率越高，脈沖邊緣越陡峭，高頻分量越多，輻射干擾越強，此外數(shù)字系統(tǒng)的電源、地線電流都是脈沖狀，其在地平面回流上會產(chǎn)生嚴重的地彈噪聲，幅度可達數(shù)十mv(V=-Ldi/dt),模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的地線處理不好，將嚴重干擾檢測精度。

6．雷電

雷電發(fā)生時的一次電流可達10^6A，云與地面之間的感應(yīng)電場可達1--l0kv/m，上升時間為微秒數(shù)量級。雷電會造成幅度很大的電場和磁場，也會產(chǎn)生高強度的電磁輻射波，頻率范圍從幾十千赫茲到幾十兆赫茲。此外，在云與地雷電的附近，大地的地電位差也會發(fā)生劇烈變化，可高達幾千伏。

7．天體噪聲

由于宇宙射線和太陽黑子的電磁輻射，大氣中普遍存在天體噪聲。太陽風暴期間，太陽因能量增加向空間釋放出大量高速帶電粒子流，包括X射線和遠紫外線（指波長為0.1～140nm的電磁波）、射電波（波長為1mm～10cm的電磁波），高能粒子流和等離子體云等都會大大加強，并有可能引發(fā)地球磁暴，使得地球的電磁環(huán)境大為惡化。天體噪聲的頻率很高，一般在吉赫量級以上，遠遠超出了一般檢測系統(tǒng)的頻帶范圍，所以，一般情況下對普通檢測儀表影響不大。

**8．機械起源的噪聲

這是我們電子設(shè)計人員最容易忽視的噪聲源，也是影響最多的一種噪聲源，特地用加粗大字體顯示。

在非電起源的噪聲中，機械原因占多數(shù)。例如，電路板、導(dǎo)線和觸點的振動，有可能通過某種機電傳感機理轉(zhuǎn)換為電噪聲。而在不少應(yīng)用場合，很難避免電路的機械運動和振動。例如，裝設(shè)在運載工具或工業(yè)設(shè)備的運動部件中的檢測電路振動的幅度可能很大，電纜線的運動和振動更是常見。

由機械運動或振動轉(zhuǎn)換為電噪聲的機電傳感機理有很多種，下面列舉常見的幾種。

(1)摩擦電效應(yīng)

兩種不同的物質(zhì)相互摩擦會產(chǎn)生電荷的轉(zhuǎn)移，使得一種物質(zhì)帶正電，另一種物質(zhì)帶負電。這種摩擦電效應(yīng)有可能導(dǎo)致高阻抗小信號電路中的干擾噪聲。例如，在用同軸電纜連接高輸出阻抗信號源和高輸入阻抗放大器的情況下，彎曲電纜的過程會使組成電纜的導(dǎo)體和絕緣體之間形成摩擦或斷斷續(xù)續(xù)的接觸，導(dǎo)致電荷傳輸和電纜芯帶電，也會給電纜內(nèi)外層導(dǎo)體之間的分布電容充電，形成電纜芯和外屏蔽層之間的噪聲電壓。隨著電纜任何一端連接這兩個導(dǎo)體的電阻的減小，分布電容的放電速度加快，噪聲電壓幅度會明顯減小。

例如，當用手彎曲1m長的同軸電纜時，如果同軸電纜和外屏蔽層之間連接的電阻為10M歐，則噪聲電壓峰值能達到5mv以上；如果該電阻降為1M歐，則噪聲電壓峰值可以降到1mV以下。對于高阻抗信號源與高阻抗放大器連接時，此電纜摩擦電效應(yīng)在安裝時要特別考慮，例如前述推文中的ada4530-1靜電計級運放的應(yīng)用。

在電路中通過把所有的電纜綁扎緊固，從而減少或消除電纜的彎曲，能有效地減少電纜摩擦電噪聲。當上述措施仍然不能把摩擦電噪聲降低到可以接受的程度時，可以采用特殊的低噪聲電纜，這種電纜的外部屏蔽導(dǎo)體和內(nèi)部絕緣體之有一個石墨層，其潤滑作用減緩了兩者之間的摩擦，而且在絕緣體表面附著一層導(dǎo)電的石墨，提高了絕緣體表面電荷的活性，從而提高電荷平衡的速度，防止電荷的聚集。但是，這種電纜是“低噪聲”，而不是“無噪聲”，它只能減少而不是消除摩擦電噪聲。當經(jīng)受振動或熱脹冷縮時，它仍然要產(chǎn)生小幅度的摩擦電噪聲。所以，在微弱信號檢測電路中，所有的連接線應(yīng)該盡量短，而且要固定在不振動的結(jié)構(gòu)上，遠離溫度變化較大的氣流，以防熱脹冷縮。

(2)導(dǎo)體在磁場中的運動

根據(jù)法拉第定犛，導(dǎo)體在磁場中運動會產(chǎn)生電動勢V=∫(v x B)dr

式中，小v為導(dǎo)體移動的速度；B為磁感應(yīng)強度；dr為沿導(dǎo)體長度的微分元。

如果導(dǎo)體長度為L，設(shè)導(dǎo)體與磁場方向垂直，而且磁場強度B在L上各處大小相同，導(dǎo)體運動方向與B之間的夾角為a，則V=LBv*sina

如果B不是靜態(tài)磁場而是交變磁場，那么導(dǎo)體運動所產(chǎn)生的電動勢上還要疊加通過交變磁場產(chǎn)生的噪聲。

即使信號線是在微弱的地磁場中運動，對于微弱信號檢測系統(tǒng)來說，所產(chǎn)生的噪聲電動勢也可能是不容忽視的。例如，如果磁場強度為4 x10^-5 Wb/m^2，長度為1m的信號線以1cm/s的緩慢速度垂直于磁場運動，則產(chǎn)生的噪聲電壓為0.4uV

(3)壓電效應(yīng)

在受到壓力時，附著于壓電材料表面的電極之間會產(chǎn)生電位差，而當電壓施加在這些電極上時，壓電材料也會產(chǎn)生變形，這就是壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)很明顯的材料常用于制作機械量傳感器，還有一些常用的絕緣材料也有一定的壓電效應(yīng)，例如陶瓷絕緣體和某些印刷電路板材料。當這些材料振動時，附著在其表面的導(dǎo)體之間會產(chǎn)生噪聲電壓。通過防振動安裝來減少檢測電路的振動，或通過選擇壓電效應(yīng)較小的絕緣材料，可以有效地減少壓電效應(yīng)噪聲。

(4)顫噪效應(yīng)

任何被絕緣體分隔的兩個導(dǎo)體都形成一個電容C，電容的大小取決于導(dǎo)體的面積、幾何形狀、相互位置和方向以及絕緣體的介電常數(shù)。當空間電荷Q聚積在由此形成的電容上時，兩個導(dǎo)體之間的電壓為V=Q/C

如果由機械原因?qū)е聝蓚€導(dǎo)體的相互位置發(fā)生變化，則電容C發(fā)生變化，電容兩端的電壓也相應(yīng)變化。這正是電容式麥克風的工作原理。當聲壓波使得作為電容器一個極板的麥克風膜片移動時，電容發(fā)生變化，電容兩端電壓變化，從而把聲音轉(zhuǎn)換成電信號。

對于電路板中靠得很近的導(dǎo)體，以及電纜線的芯線和屏蔽層之間，也會存在這種效應(yīng)，機械振動可能會使它們構(gòu)成的電容發(fā)生變化，在這些導(dǎo)體上就產(chǎn)生了噪聲電壓，這種現(xiàn)象叫做 顫噪效應(yīng) ，

克服顫噪效應(yīng)的有效方法是避免關(guān)鍵電路元件（包括電纜）發(fā)生機械振動，此外，降低攜帶微弱信號的電纜的穩(wěn)態(tài)電壓(從而減少了Q)也能緩解顫噪效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲。

除上述幾種由機械原因產(chǎn)生噪聲的機理外，機械運動或振動引起電路器件和連接線的移位或變形，還會使分布參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致噪聲耦合強度的變化。

9．其他噪聲源

(1)電化學噪聲

如果電路板清理得不干凈，某些電化學物質(zhì)的污染與濕氣混合就有可能形成電解液，與其接觸的電路中的不同金屬就可能構(gòu)成一個電化學電池。例如，印刷電路板上的銅箔、焊錫以及沒有清理掉的焊劑有可能形成這樣的電池。通過徹底清潔電路板，并用防潮涂料處理覆蓋電路板，可以有效地緩解甚至克服電化學噪聲問題。

(2)溫度變化引起的噪聲

當兩種不同金屬的兩個接點分別處于不同溫度時，會產(chǎn)生正比于溫差的熱電勢。當空氣紊流或其他原因?qū)е逻@兩個接點之間的溫差隨機變化時，熱電勢也會隨機變化。在印刷電路板上構(gòu)成接點的不同金屬可以是銅箔和鍍金條，也可以是銅箔和焊接所用的鉛-錫合金。

在微弱信號檢測電路中避免形成不同金屬的接點可以消除熱電勢噪聲，但是這可能很難做到。通過選擇形成接點的金屬材料，使得接點的熱電勢較小，可以降低熱電勢噪聲的幅度。例如，銅-鎘錫合金接點的熱電勢約為0. 3uV／℃，而銅-鉛錫合金接點的熱電勢約為1~3uV/℃。

有的電阻的阻值隨溫度變化，半導(dǎo)體PN結(jié)的正向壓降隨溫度變化，這些都會把溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化。

通常溫度變化的速度是緩慢的，由溫度變化導(dǎo)致的電路電壓變化常常叫做“溫度漂移”。在微弱信號檢測電路的敏感部位采用低溫度系數(shù)的電阻，并采用對稱平衡的差動輸入放大器電路（這種放大器的溫度系數(shù)較?。梢杂行У販p少溫度漂移。

溫度敏感元件的溫度變化速度取決于這些元件附著的物理結(jié)構(gòu)的熱容量，以及熱傳輸通道的導(dǎo)熱率。通過把敏感電路裝配在高導(dǎo)熱率、大熱容量的散熱器上，可以減少電路元件溫度的變化及濕度梯度，這對抑制各種由溫度變化引起的噪聲都有效。

(3)觸點噪聲

接觸不良的插頭插座、開關(guān)觸點以及焊接不良的焊點會導(dǎo)致觸點噪聲。機械振動會使觸點的接觸電阻發(fā)生變化，溫度變化會使觸點膨脹或收縮，也會導(dǎo)致接觸電阻發(fā)生變化。當電流流過變化的接觸電阻時，也會形成噪聲電壓。